HA177-2铝黄铜管三辊行星轧制工艺模拟.pdf

第6 3 卷第2 期 ．有色金属 V 。l6 3 ，N m2 20I1 年5 月N o n 如⋯M e t 址sM 3 y2 Ol l D o I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．五s s Ⅱ．1 0 0 l 一0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 1 8 H A l 7 7 ．2 铝黄铜管三辊行星轧制工艺模拟 吴朋越Ⅵ⋯，王永如3 ，谢水生1 ，李红卫3 ，周洪雷3 1 ．北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 8 2 ．北京建莱机电技术有限公司，北京1 0 0 0 3 6 ； 3 ．宁波金田铜业 集团 股份有限公司，浙江宁波3 1 5 0 3 4 摘要通过理i 仑分析，基于D E F o R M 3 D 软件，采用刚粘塑性有限元理论，建立H A l 7 7 之铝黄铜管三辊行星轧制过程有限冗 模型．模拟轧制过程。由于H A l 7 7 0 黄铜存在“中韫脆性旺”，导致管坯在轧制过程中开裂。为文现H A l 7 7 - 2 铝黄铜管的行星轧 制，控制轧制过程中管坯温度是解决问题的关键。 关键词金属材料；H 1 7 7 - 2 铝黄铜；有限兀方法；二辊行星轧机；叶1 温脆性区 中图分类号T G 3 3 5 ；T c 3 7 9文献标识码A 文章编号1 0 0 1 一0 2 I l 2 0 1 1 0 2 一0 0 7 6 一0 6 1 实验方法 三辊行星轧制技术具有加工率大、能耗低、设备 投资小等有点，其工作原理如图l 所示。铸坯在推 料小车和轧辊自转的联合作用下将管坯咬人并通过 锥形轧制变形区，调节轧辊公转速度可以使出口管 材不发生旋转，从而可实现管材的在线收卷”1 ，见 图2 。 图1 轧辊布置示意 F I 昏lL a y o u tr 0 I kd 咀F a m 随着国产三辊行星轧机的成功研制，运用三辊 行星轧机生产紫铜管的铸轧法得到了迅速的推广， 铸轧法采用行星轧制实现了大变形轧制，取消了实 心铸锭加热、挤压等工序，直接由水平连铸机组生产 出空心管坯，缩短了工艺流程、降低了能耗、减少了 设备投资。同时铸轧法还具有成品率高、工模具损 收稿日期2 0 0 9 一l l 一0 6 作者简介父朋越 1 9 7 8 一 ．男．山东潍坊市人．高1 ．博上．主要从 事有色金属加工工艺及装备等，J 嘣的研究． 耗少等优点2 。”1 。 图2 轧辊与芯棒转动方向示意 F ．g2R o Ⅲo nd i r e c t l o na b o u tm 1 1 sa n d 咖d s 由于采用铸轧法生产铜管相对于传统的挤轧法 优势较为明显，当前各个厂家加大了研发铸轧法生 产铜合金冷凝管的力度‘”1 ，由于铜合金管尤其是黄 铜冷凝管的塑性较差，三辊行星轧制过程中管材开 裂的问题一直没有攻克。正是基于这种背景，通过 理论分析和数值模拟相结合，对H a l 7 7 ．2 铝黄铜三 辊行星轧制过程进行研究，找出其轧制过程中存在 的问题，从而为实现塑性较差的铜合金冷凝管的三 辊行星轧制打下了良好的基础。 2 H A l 7 7 2 铝黄铜行星轧制中存在问 题的理论分析 与紫铜相比H A l 7 7 2 铝黄铜在4 0 0 0 c 一6 0 0 ℃ 时塑性极低，在5 0 0 ℃左右的伸长率小于1 0 ％．即存 在“中温脆性区”，如图3 和图4 所示。因此．随着 轧制温度的升高以及变形的加剧，在4 0 0 ～6 0 0 ℃的 万方数据 第2 期 圮H 玎越并H A f 7 7 2 靠；姑俐竹辊f n 增M “f 艺橙拟 温度范围内H A l 7 7 2 黄铜1 ’枉i j 址轧制过程1 1 i 弈埸 开裂。 资料娃示，铜僻的行丝轧制过程t } 泓度逐渐升 高，从最初的室温达到终轧时温度为7 5 0 0 c 左存。 要想解决H A l 7 7 2 黄铜管坯行星轧制过程- I 管坯外 裂的问题，就需要在轧制的过程中避开其“中温脆 性区”。避开H A l 7 7 ．2 黄铜管坯轧制“中温脆性区” 的方法有两种。一是在轧制过程中对管坯进行冷 却．使其轧制温度始终处于2 0 0 ℃以下，但是在一个 相对较短的变形接触区内，在较高的轧制速度下 出口速度1 5 m ／m i n 要实现大幅度降温 从7 0 0 ℃ 以上降至2 0 0 ℃以下 显然不太现实，同时温度较低 的情况下轧制H A l 7 7 _ 2 黄铜的变形抗力较高，对轧 辊提出了更高的要求。二是在轧制之前对管坯进行 加热，使其温度升高到“巾温脆性区”以上，从而解 决管坯轧制开裂的问题。因此，H A l 7 7 2 轧制过程 中控制管坯的温度是解决黄铜管行星轧制过程开裂 问题的关键。 图3 紫铜高温塑性图 F i g3 j f l g ht e m p 。阻t u r ep j a 吼i c i I yc h ar Io fc o p p e r ￡ 寸 图4H A l 7 7 - 2 高温塑性图 F i g4 H A l 7 7 2h ‘g ht e m p e 阳I ur 。p l ⅡR l i c iL y 。h n r I 3H A l 7 7 2 铝黄铜管行星轧制有限元 模型的建立 3 ．1 H A l 7 7 - 2 铝黄铜管的行星轧制几何模型 模拟时采用D e f o r m 3 D 软件，应川 维造J 魁软件 产生整个系统符个部件的三维实体，将所得图形以 “s T L ”格式导人到D e f 【 r m 巾进行网格化分，建立仿 真模型。为节省模拟时间和计算机存储资源．刘大 变形部位进行局部网格细分。H A l 7 7 - 2 铜管j 辊行 星轧制有限元模删如图5 所_ ；。 3 ．2H A l 7 7 - 2 铝黄铜材料模型的建立 1 H A 】7 7 2 铝黄铜力学性能试验。为了得到 H A l 7 7 - 2 铝黄铜在不同温度和小同的应变速率条件 下的变形抗力曲线，建证H A l 7 7 _ 2 铝靖铜的材料模 型，从而为汁算机数值模拟I 卜算分析以及现场行星 轧制提供必要的参考数据，埘H A l 7 7 2 铝黄铜的力 ’学性能进行测试，． 试验材料为铸造H A l 7 7 2 铝黄钎司。H A l 7 7 2 铝 黄铜压缩试验按照国标G B 7 3 1 4 耀7 执行，高温压缩 遵照高温压缩试验蜚求执行。压缩试样由线切割切 出坯料，在经过精1 i I f | i 成，试样规格为 1 0 m m 1 5 m m ，试样的高径比为15 ．适合于l 岛温和常温压 缩试验。热模拟试验的设备为G l e e h l e1 5 0 0 D 型热 模拟试验机，在试验过程小，温度分别取为2 0 ，1 0 0 ． 2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 以及7 5 0 ℃，应变速率分 别为0 ．3 和5 s 。 2 H A l 7 7 2 铝黄铜材料模型。变形金属为 H A l 7 7 2 铝黄铜，其材料模型为式 1 所示．式中 口。一流动应力 塑性变形抗力 ；s ，一等效碰变 变 形量 揖一等效应变速率 变形速率 ；L 一变形温 度。 盯．m 盯 8 ．，s ，，L 1 图s 铜管三辊行星轧制有限元模型 F k5 H n i kP l e n l ”n I l 帅t k I 甜I h ⋯I l P l u n e I r yr I 1 1 i n EP 。 1 ‘e s H l 划6 a 币罔6 1 ， 分刖给{ r 应变述牢为0 ．3 万方数据 7 8有色金属第6 3 卷 和5 s 。1 时，应变和温度对流动应力的影响，利用线 性插补可以得出材料的流动应力模型。 芒 蒌 R 钭 需 据 0 ．2‘J ．3I J ．4O ．5O ．6’0 ．7 应变 a O ．2t L 3O ．4O ．5I J ．6 O ．7 应变 8 一应变速率 O ．3 s ～； b 一应变速率 5 ．0 8 “ 图6同温度下H A l 7 7 - 2 铝黄铜的流动应力与应变曲线 F i g ．6 F l o w8 t r e s s 咖ds t m i nc u n r ef o rH A l 7 7 ．2a l u m i n u m ．b m sw i t hd i Ⅱe 他n tt e m p e r a t u r e 8 3 ．3H A l 7 7 - 2 铝黄铜管三辊行星轧制过程中所用 参数． H A l 7 7 - 2 铝黄铜管三辊行星轧制过程中所用参 数如表1 所示。 表1 模拟所用参数 T a b l elP a r a m e t e r su g e df b r8 j m u l 日t i o n 参数 数值 偏转角∥ 。 倾斜角∥ 。 管坯外径／m m 管坯内径／m m 芯棒直径／m m 小车前进速度／ m m 8 “ 轧辊自转速度／ 谢s “ 轧辊公转速度／ r a d 8 “ 轧辊工作温度／。C 芯棒工作温度／。c 管坯的初始温度／。C 管坯与轧辊之间的摩擦系数 管坯与芯棒之间的摩擦系数 管坯与工模具之间的界面热 传导系数／ N s “m m “。C “ 4 模拟结果分析 4 ．1 H A l 7 7 ．2 铝黄铜和紫铜管行星轧制过程中管 坯温度的对比 图7 为不同变形阶段H A l 7 7 - 2 铝黄铜管坯的温 度场分布 纵截面剖视图 ，图8 为不同变形阶段紫 铜管坯的温度场分布 纵截面剖视图 。 从图7 和图8 可以看出，轧制管坯的初始温度 均为2 0 ℃，轧制成型以后，T P 2 紫铜和H A l 7 7 _ 2 黄铜 管变形区内的最高温度分别为7 5 2 ℃和7 5 9 ℃，两者 相差不大。然而，H A l 7 7 ．2 铝黄铜变形区内最高温 度的区域不在轧制工艺区 管材由旋转向不旋转过 渡的区域 范围内，资料显示此区域内管材产生了 不均匀变形，管材容易开裂，因此需要采取措施使轧 制过程中轧制区的最高温度处于轧制工艺区内。产 生上述现象的原因是铝黄铜的热传导系数较紫铜要 低，进入轧制工艺区之前管材产生的大量变形热沿 、管坯的传导热较紫铜要少。在实际的生产中可以通 过改变轧辊或调整轧辊的倾斜角，降低管坯初始阶 段的变形量，加大管坯在轧制工艺内的变形量，就会 使H A l 7 7 ．2 铝黄铜行星轧制过程中管材的温度处于 轧制工艺区，从而避免管材轧制过程中开裂。 因为H A l 7 7 _ 2 铝黄铜的热传导系数低于紫铜， H A l 7 7 - 2 铝黄铜管坯轧制入口处的温度明显要高， H A l 7 7 - 2 铝黄铜和紫铜管行星轧制达到稳定阶段 时，轧制入口处的温度分别为4 3 l ℃和3 8 6 ℃。这对 于提高H A l 7 7 - 2 铝黄铜的初轧温度是有利的，但是 4 3 l ℃仍然低于铝黄铜的中温脆性区温度，最好的方 式是在轧制前对其加热使其初轧温度高于中温脆性 区温度。 由于H A ”7 ．2 黄铜的热传导系数较紫铜低，轧 制初始阶段与轧辊接触部分管坯的外壁温度与管坯 内壁的温差较紫铜要大很多，如图7 b 所示与轧辊 接触部分的管坯外壁最高温度为5 4 8 ℃，而管坯内 壁的温度为2 8 4 ℃，管坯内外壁的温度差为2 6 4 ℃。 紫铜管坯轧制过程中管坯内外壁的温度差较小，如 图8 b 所示管坯内外壁的温度温度分别为2 1 4 ℃ 和3 3 l ℃，温度差为1 1 7 ℃。由于铝黄铜管坯内外壁 温差较大，当外壁温度已经超过其“中温脆性区”温 度时，内壁温度远远小于其“中温脆性区”温度，加 工过程中无法保证变形的连续性，致使轧制初期管 溉洲蜩萼|勰|荨潮耋眚瑚M 芒_圣R域需塔 勰洲似枷喊鲫嬲默坝Ⅲ即 2 O 9 O 4_”_mⅪo 5 兮 O 他∞黔加弭M舢眦鲫瑚∞邮 如 万方数据 第2 期 吴M 越等H A l 7 7 - 2 销黄铜符一辊行星轧制工艺模拟 坯大面积开裂，不利于后期的轧制。 ■囊_ ‘≯” 彝 H A l 7 7 - 2 铝黄铜轧制过程中金属的温 n ⋯t ⋯ar I a l l ⋯】fa l u 仃r l u m h r a s sl I A l 7 7 2 一Hk } q ，一 L～‘ 【 一 ；J。 昌l ，一 一 。⋯1 1 E ’ 1 、 ／ 『 ／ 、， 1 卜 } _ 二 II ， 圈8 初始温度为2 0 ℃时紫铜管轧制过程中金属的温度变化 F 嘻8T e m p e r a t u ⋯a r i a t i o no fp ⋯o p p e rl u b e i n i t i a l t e m p e 哺t u r e2 0 ℃ d u 一“gr o I I i “g 要解决上述问题，轧制过程中需要降低管坯初 始轧制阶段的加工率，将管坯前端倒角，或者降低整 根管坯的加工率。 4 ．2H A l 7 7 - 2 铝黄铜和紫铜管行星轧制过程中管 坯等效应变的对} b 图9 为不同变形阶段管坯的纵截面等效应变的 分布，图1 0 紫铜管轧制管坯纵截面等效应变的分 布。从图9 和图1 0 可以看出，在轧制开始阶段 H A l 7 7 ．2 黄铜和紫铜管坯的内外壁的等效应变值相 差不大．H A l 7 7 - 2 黄铜的变形的不均匀程度较紫铜 管坯要大。随着变形的继续进行H A l 7 7 ．2 黄铜管坯 r I n 内外壁的变形相对于紫铜管坯内外壁的变形较为均 匀，直到管坯从变形区中轧制出以后两者的变形又 趋于一致。 1 在轧制开始阶段，H A l 7 7 - 2 黄铜和紫铜管坯 与轧辊接触的部分即管坯的外壁首先变形即图1 1 中管坯的“1 区”，同时由于管坯内壁的温度较低，在 管坯自身强度的支撑下，因此管坯内壁即图1 1 中的 “2 区”开始阶段变形较小。同时，由于H A l 7 7 - 2 黄 铜在初始变形阶段内外壁管坯的温度差较大，因此 其管坯的变形不均匀程度更为严重。 。L om■■●■■捧疗。■ 万方数据 有色金属第6 3 卷 _ _ 。。 甬3 鼍三≯。 心裂 图9初始温度为2 0 ℃时H A l 7 7 - 2 铝黄铜轧制过程中金属的等效应变 r 堆9E f f ㈩l Pm a ⋯l f l j ”7 - 2 扎卅r I u l - J r Ⅱs s 1 n l a I l e ⋯畔r a t ur P2 0 t 【lu l Ⅲg7 0 l l 1 _ l 。，。1 重8 可豁”j SE r m E f h v o h 黜 b 篙‘出 r ’黜 I 图1 0 初始温度为2 0 ℃时T P 2 铜管轧制过程中金属的等效应变 F l g1 0 E f f e c t i v e8 t r a i no fp u r ec o p p e n u b e i n i t i a lt e m p 。r a t u r e2 0 ℃ d u r i ”gm I l i “g 2 随着变形过程的继续，图1 1 中的“l 区”沿 轧制方向向前移动，同时随着管坯内外壁的温度趋 于均匀，图l l 中的“2 区”开始变形，因此坯料端部 轧制过程中的变形是不均匀的，直到轧制出成品边 形又趋于一致，如图1 0 紫铜管的变形过程。从图 1 l 可以看出，H A l 7 7 2 黄铜管轧制过程中管坯的变 形要相对于紫铜管均匀，造成这种情况的原因是由 于H A l 7 7 _ 2 黄铜管开始阶段主要以“1 区”的变形为 主，变形进行到一定程度，“1 区”和“2 区”之问发生 了滑动，即此时变形在两个区之间产生了不连续，这 时“2 区”金属在推料小车的推动下向前移动，而“l 区”金属在工艺区的阻挡下向阻力小的方向流动， 即向轧制方向相反的方向移动或者不动．如图9 b 和图9 c 所示，由于“1 区”金属的倒流造成轧制人 口处管坯的直径相对比原始管坯的尺寸要大。由于 “l 区”和“2 区”金属之间的滑动，显示出的变形相 对均匀。虽然模拟结果显示H A l 7 7 2 黄铜管轧制过 程中金属的变形较为均匀，但是在实际生产过程中 由于H A l 7 7 - 2 铝黄铜存在“中温脆性区”这会造成 管坯的开裂，见图9 b ，此时“1 区”和“2 区”过度 区域的温度为“6 ℃，如图4 所示此温度时H A l 7 7 2 铝黄铜的脆性最严重，使金属脱落黏在轧辊上，与轧 辊接触处温度高达6 0 0 ℃左右，在此温度黄铜具有 很强的黏性，不能对轧辊进行很好的冷却造成轧辊 局部温度的升高，以至于使轧辊表面烧损。 蒜辫 瞻L L． 爨黧鳃 。。≮一 ■量 剧忻刳盯埘～H 器罟 S 1 ■ 带～●．． ∞ 戮黧黜l--_-_--_r．_r 万方数据 筇2 艄 图l l F i S 5结论 ； 、肖 父儿越等} { A 1 7 7 ．2 留；螗钢竹 辊{ _ i _ j I 川ⅢI ．Z 帧拟 轧制过程中管坯变形的分区示意 P 丑n i I i o nd i a ￡⋯ f l u M H n k d e f 。邢a I i n nI I u n Rm 儿“R I i l 于H A l 7 7 2 铝黄铜行在“巾温脆性Ⅸ”．在 H A l 7 7 ．2 黄铜管轧制过稃I f l 金属会产乍肝裂。I l I 于 铝黄铜的热传导系数较低．轧制成喇以后．H A l 7 7 ．2 参考文献 留；故铜变形l 式内服I 哺弧度的『K 域4 i 住轧制1 ．匕K 范 I I ；| 山．竹材奔蜴外裂。化实际的巾J mr f ⋯，以通过改 变轧辊或酬1 I I [ 轧辊的倾斜舶．降低竹坏丰J J 始阶段的 变彤l I } ．加人竹坏住轧制●艺内的变形I | } ．就会使 H 1 7 7 - 2 馨I 黄铜{ j 艰轧制过程- f 竹材的泓度处于轧 制I 艺I ．从而避免臀材轧制过程I { IJ l 裂。模拟结 果娃d ；．轧制成刷以后．H A l 7 7 - 2 督；黄铜管坯轧制人 l I 处的泓度为4 3 l ℃，低于{ } } 黄铜的”中温脆性区” 濉度．矗盘好的厅式是在轧制前时其加热使其初轧温 Ⅱc 尚于“l f I 温脆性区”温度。轧制初始阶段与轧辊 接触部分臀坯的外壁温度与管坯内壁的温差较大． ’’外壁温度已经超过其“中温脆性区”温度时，内壁 温度远远小于其“中温脆性区“温度．加工过程中无 法保证变形的连续性．致使轧制初期管坯大面积开 裂．不利于后期的轧制。婴解决I 述问题，轧制过程 中需要降低管坯初始轧制阶段的加T 率，将管坯前 端倒角，或者降低整撤僻坯的加I 率。 【l 】钟卫佳．马r 定．父 I E 浩钢加I 技术蛮刚，册[ M ] 北京冶金】二业出版社．瑚7 5 7 I 一5 7 3 i2 刘东华．苏E I 乇．邙楚乎．等．i 辊{ t I 畦轧制过程巾 c R 紫铜管的组织和性能演变[ J ] ．中国有色金属学报．2 ∞6 ．1 2 5 8 8 l 一8 8 6 [ 3 】馀国钰．解晓冬．束安i ．荨| l } 【闾锏竹生产现状和贸易分析[ J ] ．世界有色金属．2 0 ∞． 1 0 1 2 一1 5 ． 【4 ] 挂学峰．张晓存．I 彦坤．荨 c R 钢管在宅调换热器巾的应_ 【} I 与发展[ J ] ．甲原大‘肇学撤．2 ∞3 ，2 0 ‘4 1 2 一1 3 ． 【5 】w usJ ．H 啪sYM ．c h 帅sMI l l h 眦d i ㈣s i o n 8 In n ”e k m e n la “ⅡI y _ i su f l hl h m e ．m l lp I Ⅱn e t 8 r ym 订l [ J 】．J o u m - Io r M t e ⅡI sP r ‘，‘．e s s i n En c h n o l o 盯．2 ∞2 ．1 2 3 3 3 3 6 3 4 5 [ 6 ] 蕞顺德．I i I 畸巾．段厂。超．i j 璺轧机的运动形式和轧管组I 织变化[ JJ ．锻胍设备与J 业炉，2 0 0 4 ． 4 3 0 3 2 [ 7 ] 周文龙．许沂．张上宏．等．铸轧法与挤压法生产T P 2 铜管组织和性能对比分析【J ] 塑性加J ．2 0 0 4 ．3 9 ”3 4 3 5 ． [ 8 ] 吴浙民．最佳铜骨乍产T 艺漉程之我见【J ] ．世界有色金属．1 9 9 9 ． 3 3 7 4 0 ． [ 9 ] 何涛紫铜盘管供坯I 艺的比较及发展前景fJ 】．卜海有色金属．2 0 0 1 ．2 2 1 2 3 2 5 ． [ 1 0 ] R o “g ⅢJM ．E s t e v - ，M e “ s n o I e o n t h er o n I m lo r l h o I i d i c ‘n o n f m n l I n I h ec o n t j n u ⅢⅢI i “go fc o p p e r t u b e ‘【J ] M a I ㈨ⅡI BP M e ‘s i “gT e c h n o l o “ ．1 9 9 9 ．9 6 1 3 4 2 4 7 【l l 】冯科．陈登福．徐楚积．等连铸坯枝晶凝吲的最萎徽观结构特征参敦的研究进展[ J ] ．特殊钢．2 0 0 4 ．2 5 3 I 一5 【1 2 】邓楚平．黄伯云．苏玉长．等．对 c R 铜管，扛产巾I ，s w 轧制技术的研兜【J 1 ．湖南冶金．2 0 0 6 ．3 4 5 3 6 [ 13 ] 乍冰．张士宏．张金利．等B I O 铜合金管坯i 鞋i } ，I 轧制模拟优化1 j 蜜验研究[ J 】稀有金属．2 ∞6 ．1 2 3 0 1 6 2 - 1 6 7 C o p 畔rT u b e3 R o P l a n e b r yR o Ⅲn gP r o c e 晒S I m u h t i o nw j t hF i n i kE I e m e n t 甲“尸e n 暑．，Ⅱ一2 ’．珥啊 ，Gh “算．，“’．x ，F 鼬“f - J ，’啊’． ，，，o “g 州，．z o u Ⅳo “g ．k ， I ．＆a “ 研“6 0 ，Ⅱ如竹如，F a 6 n m l Ⅲn 日刊P m c f s l 矿～f ，，一r n Ⅱ ，c l 口b ．＆n f m l 月憎4 “ ， j m “协 如r Ⅳo ，咖，m 。J 村f I d “．打r 蚵吖l O ∞明．c i 舳； 28 e 讲“掌h f n 盯。州胁f l 加m ，c d n 菇n 曲n o yc p ．“d ．．8 f 折吖I o o ∞6 ．c ‘n “； 3 Ⅳ嘶b n ‘i 口nc D p 肛7 c m H P c o ．“d ．．M “F o3 1 5 0 3 4 ．鼬掣d “g ．c f n “ A b s t r a c t B ym e H n so ft h e g l d v is ‘o p l a s t i l ．n n i ke I e m e n Il h P o r yw i l hI h m r e t i ‘ a n a l y s 沁．1 hn f l I 冲e l e m P n Im o d e Ii s 跎tu p b 岫e do nI h e 蛐n w a 忙D E F R M3 Dh I r3 n p I a n e I a r ym i n sI P r h 呻I ‘，科o fH A l 7 7 ．2H I I ．m i l l u m - 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