高频谐波磁场磁选机的研究及应用.pdf

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1 0 8 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第5 期 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n l 6 7 1 - 9 4 9 2 .2 0 1 9 .0 5 .0 2 0 高频谐波磁场磁选机的研究及应用 赵海亮1 ’2 ,史佩伟1 ’2 ,刘永振1 ’2 ,尚红亮1 ’2 ,李国平 1 .北京矿冶科技集团有限公司,北京1 0 0 1 6 0 ; 2 .北矿机电科技有限责任公司,北京1 0 0 1 6 0 摘要针对铁矿石磁选过程中出现的磁团聚夹杂脉石严重的现象,研制出了一种新型高频谐波磁场磁选机,此类设备 利用高频交变磁场对磁性矿物产生的高频磁扰动来打破磁团聚。进而提高分选精度。本文重点介绍此类设备的关键技术及 发展历程,以及在铁矿石磨前干式预选,磨后精选及冶金粉材提纯除杂等领域的应用进展,并对相关设备未来发展方向作了 展望。 关键词高频谐波磁场磁选机;细粒干式分选;湿式提精降杂;冶金粉体除杂 中图分类号T D 4 5 7文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 9 0 4 0 1 0 8 0 6 A n a l y s i sa n dS i m u l a t i o no fH i g hF r e q u e n c yH a r m o n i cM a g n e t i cF i e l dS e p a r a t o r Z H A OH a i l i a n g ,S H IP e i w e i ,L 儿,Y o n g z h e n ,S H A N GH o n g l i a n g ,L IG u o p i n g 1 .B G R I M MT e c h n o l o g yG r o u pC o .,L t d .,B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ,C h i n a ; 2 .B G R I M MM a c h i n e r y A u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o .,L t d .,B e i j i n g1 0 0 6 0 ,C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo ft h es e r i o u sp h e n o m e n o no fm a g n e t i ca g g l o m e r a t i o na n di n c l u s i o n0 fg a n g u ei nt h e p r o c e s so fm a g n e t i cs e p a r a t i o no fi r o no r ei nC h i n a ,B G R I M Mh a sd e v e l o p e dan e wt y p eo fh i g h f r e q u e n c y h a r m o n i cm a g n e t i cf i e l dm a g n e t i cs e p a r a t o r .S u c he q u i p m e n tu s e sh i g h f r e q u e n c ya l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d s t og e n e r a t em a g n e t i cm i n e r a l s .H i g hf r e q u e n c ym a g n e t i cd i s t u r b a n c et ob r e a km a g n e t i ca g g l o m e r a t i o n ,t h e n i m p r o v et h es o r t i n ga c c u r a c y .T h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h i sk i n do f e q u i p m e n t ,t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r e s so fi r o no r ep r e g r i n d i n gp r e d r yp r e s e l e c t i o n , p o s t g r i n d i n gs e l e c t i o na n dm e t a l l u r g i c a lp o w d e rp u r i f i c a t i o n ,e t c ..T h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e r e l a t e de q u i p m e n ti sa l s of o r e c a s t e d . K e yw o r d s h i g hf r e q u e n c yh a r m o n i cm a g n e t i cf i e l ds e p a r a t o r ;f i n e g r a i n e dd r ys o r t i n g ;e x t r a c t i o na n d r e m o v a lo fi m p u r i t i e s ;m e t a l l u r g i c a lp o w d e rr e m o v a l 随着矿冶行业的发展及技术进步,对于矿山设 备的要求由粗放式增长转变为针对性、精细化发展, 对矿石分选效率的要求越来越高,在全国铁矿选矿 领域开展了广泛研究并进行了技术改造n ] 。在遵循 高效分选的原则下,根据磁性差异、粒度差异及分选 介质差异,创新发展了多种磁选设备,同时针对磁选 设备在冶金粉材提纯、稀贵金属除杂等领域的应用, 也进行了深入的技术研究。本文重点介绍了一类高 效分选设备,在磁铁矿细粒干选、湿式提精降杂、冶 金粉体材料提纯除杂和稀贵金属提纯及回收等领域 的应用取得了较好的进展。 高频谐波磁场磁选机技术发展历程 2 0 世纪7 0 年代初前苏联、西德等都开始研究湿 式高频谐波磁场磁选机,同期北京矿冶研究总院于 国内率先试制了首台湿式高频谐波磁场磁选机并完 成了半工业试验,8 0 年代波瓦罗斯克工厂试制了 F B M - 9 0 /2 5 0 型磁选机并在米哈依洛夫采选公司完成了 工业试验,可确保精选作业铁精矿品位提高0 .6 ~1 .0 个 百分点[ 2 4 ] 。9 0 年代初北京矿冶研究总院研制的 0 7 5 0m m 18 0 0m m 型湿式高频谐波磁场磁选机 在鞍钢齐大山选矿厂完成了工业试验,解决了 卸矿效率低等技术难点,其精矿提升指标接近于 磁选管水平。1 9 9 2 年鞍钢齐大山选厂采用了1 6 台 收稿日期2 0 1 9 - 0 8 2 0修回日期2 0 1 9 - 0 5 2 9 作者简介赵海亮 1 9 8 6 一 ,男,河北廊坊人,硕士。高级工程师,从事磁选设备设计和优化研究工作。 万方数据 2 0 1 9 年第5 期赵海亮等高频谐波磁场磁选机的研究及应用 1 0 9 研5 0m m x 18 0 0m m 型磁选机,这是高频谐波磁场磁 选机在国内首次产业化应用。进入2 1 世纪,鸸0 0m m 12 0 0m m 型干式高频谐波磁场磁选机河北迁安地 区完成了工业试验,解决了磨前预选工艺段铁矿石 夹杂严重的问题[ 5 。7 ] 。 近年,随着攀西地区红格矿区开采深度的增加, 原矿中橄辉岩逐渐增多,造成铁精矿嵌布粒度变细, 采用原有生产流程生产出的铁精矿夹杂现象较为严 重,而进行大的工艺流程变革周期长而且投资巨 大[ s q o ] 。北京矿冶研究总院针对原有流程选铁工艺 段的精选段,提出无需改变原有流程,而仅采用高频 谐波磁场磁选机对最终精矿再选的提精方案。在解 决了设备大型化过程中需要面对的涡流损耗及磁系 高频旋转带来的可靠性不足的问题后,研制出了 ①12 0 0m m 30 0 0m m 型高频谐波磁选机并在四 川龙蟒二选厂完成了工业试验和产业化推广。生产 实践表明该类磁选机非常适用于攀西地区铁精矿 提质降杂,一方面精矿品位可提高1 .5 ~2 个百分 点,由不合格产品变为合格产品;另一方面钛铁矿在 尾矿中富集,返回原流程再磨再选提高了全流程钛 的回收率。从高频谐波磁场磁选机问世之初到第一 台垂12 0 0m m X 30 0 0m m 大型化工业样机的成功 应用,先后解决了卸矿效率低、复合材料筒体可靠性 差、大型化设备制造工艺复杂等技术难点,完成了由 最初的图纸构想到西7 5 0m m 18 0 0m m 完成工业 试验再到①12 0 0m m 30 0 0m m 大型化产业推广 的跨越,应用领域也由湿式铁精矿提精降杂拓宽到 干式磨前预选、冶金粉体提纯除杂和稀贵金属的提 纯回收领域。 2 高频谐波磁场磁选机关键技术研究 2 .1磁性颗粒在高频谐波磁场中运动规律及分选 机理研究 在高频谐波磁场磁选机中,磁性矿粒 或者磁团 聚体 一方面在磁吸引力的作用下随着滚筒转动,另 一方面由于受到旋转磁系磁场力的强烈翻动作用, 产生与磁系转向相反的翻滚运动,如图1 所示。 磁性颗粒在高频谐波磁场中的受力如图2 所 示,对于湿式磁选,矿粒在矿浆中运动时,受到自身 的重力F G 、简体对颗粒的摩擦力F ,、矿浆对颗粒的 黏滞阻力F 滞、颗粒自身做圆周运动的离心力F ,以 及颗粒所受磁场力F 磋等,通过计算可知,颗粒随磁 筒做圆周运动时,主要受磁场强度、磁系转向、相对 转速和角度0 的影响[ 1 1 | 。 图1高频谐波磁场中磁性颗粒翻转轨迹 F i g .1 M o t i o nt r a je c t o r yo fm a g n e t i cp a r t i c l e s i nh i g hf r e q u e n c yh a r m o n i cm a g n e t i cf i e l d If 图2 颗粒在矿浆中的受力简图 F i g .2 S t r e s sa n a l y s i sp a r t i c l e si nt h ep u l p 同理可推得干式磁选中磁性颗粒的运动 规律‘1 1 | 。 高频谐波磁场磁选机作为一种高效分选设备, 其高效性主要体现在磁系由“静”变“动”,转速可达 1 8 0r /m i n ,磁性颗粒在高频谐波磁场中产生数十倍 于常规磁选机的翻转次数,矿石形成的磁团聚体在 强烈的磁翻滚作用下被破坏,夹杂在其中的非磁性 矿粒则不断的暴露出来,最终被卸矿装置卸除。 2 .2 高频谐波磁场模拟及磁系设计 最优的磁场特性设计方案应具备以下两个特 征1 在径向方向上具有较高的磁通密度,产生较大 的磁场力即具有较高的磁场强度和径向磁场梯度; 2 在圆周方向上,磁场应均匀分布即具有较小的周 向磁场梯度,因此,磁场强度、磁场深度及磁场梯度 是磁系设计的主要影响因素,三者之间的关系可以 通过研究磁场力 H g r a d H 规律来明确[ 1 卜1 2 ] 。 按照常规磁选机磁系设计规律并根据高频谐波 万方数据 1 1 0 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第5 期 磁场磁选机的使用需求,可通过以下三种方案来寻 找归磁场力规律而找到最佳磁系方案 方案一am m 极面,Am m 极距磁系方案 图3 ; 方案二bm m 极面,Bm m 极距磁系方案 图4 ; 方案三Cm m 极面,Cm m 极距磁系方案 图5 ; 1 Z R 姆 趣 00 0 1 3 l L 80 0 0 } 60 0 0 } 40 0 0 } 20 0 0 } 0 L 0 场力曲 删 线矗m m ㈣ 处磁场力曲线 1 02 03 04 05 0 测量点位置/r a m 图3方案一磁场力曲线示意图 F i g .3M a g n e t i cf o r c eo fp l a n1 图4方案二磁场力曲线示意图 F i g .4M a g n e t i cf o r c eo fp l a n2 测量点位置/m m 图5 方案三磁场力曲线示意图 F i g .5M a g n e t i co fp l a n3 由图3 ~6 可知,方案一在磁极中心处磁场力较 低,存在磁场空洞区,磁性颗粒在高速翻转通过空洞 区时由于磁场力较低在离心力的作用下容易被抛 出,造成精矿的流失;方案二磁场力明显好于方案 一,周向磁场梯度较小、磁场分布较均匀且无磁场空 洞区;方案三在保持方案二的优势外磁场力更高,周 向磁场分布更加均匀,在保证相同磁场力大小的前 提下,较方案二所用磁性材料用量更少,降低了磁系 的重量,因此选择方案三作为最优方案。由图6 可 知,在保证一定极宽比的情况下,在距离筒表一定范 围内,磁场力随着极面宽度的减少而增大,但是极面 宽度不是越小越好,当极面宽度小于一定数值后,磁 场深度大幅减少,磁场力也随之降低,因此在保证磁 场深度的前提下,可参照图6 所示规律,选择合理的 极面宽度。 1 6 0 厂 ■■_ _ ■习 弱◆黻f 蚓夕、、弋二\\f 龆2 0 l 极面/r a m 图6 相同极宽配比、不同极面 宽度磁场力趋势曲线 F i g .6 T r e n dc u r v eo fm a g n e t i cf i e l df o r c ew i t ht h e s a m ee x t r e m e l yw i d er a t i oa n dd i f f e r e n tp o l a rw i d t h 2 .3 高频谐波磁场涡流损耗的计算与消除 2 .3 .1 涡流损耗的计算 由于金属筒体切割磁力线引起简体内部磁通量 的变化而产生感应电压和感应电流,这种电流称之 为涡流。高频谐波磁场由于N 、S 磁场交变频率较 高,磁力线反复切割金属筒体,产生数十倍于常规磁 场的涡流,进而造成较大的涡流损耗,造成功率的 浪费。 根据麦克斯韦方程式并结合磁选机筒体的筒型 系数,可计算出高频谐波磁场磁选机涡流损耗功率, 由最终计算公式可知简体的筒形系数、筒体与磁系 的相对转速、磁系包角、磁极数及磁场强度是影响磁 选机涡流损耗功率的关键参数。 2 .3 .2 涡流损耗的消除 由涡流损耗公式可知,在高频谐波磁场空间内, 采用金属筒体将产生大量的涡流损耗,一方面造成 功率的浪费,另一方面由于涡流损耗产生的大量热 量将造成简体内部温度的升高,在高温环境下,磁性 材料及润滑、密封等结构均无法正常工作。为彻底 消除涡流损耗的影响,北京矿冶研究总院与某复合 材料研究机构共同研制了适用于高频谐波磁场磁选 机的新型复合材料简体,采用非金属材质,轻质高 强,消除了涡流损耗。 2 .4 不同用途高频谐波磁场磁选机关键结构设计 2 .4 .1 组合式分离装置设计 高频谐波磁场磁选机采用3 6 0 。满磁系设计,没 有卸矿区,若采用以往的卸矿分离结构,黏附在磁筒 表面的磁性颗粒将无法有效卸除,因此,针对高频谐 万方数据 2 0 1 9 年第5 期赵海亮等高频谐波磁场磁选机的研究及应用1 1 1 波磁场磁选机特殊的卸矿需求,设计出组合式卸矿 分离装置,采用感应卸矿装置与强制卸矿装置组合 卸矿的方式。实践表明,采用组合式卸矿装置大幅 提高了卸矿效率,解决了常规卸矿结构卸矿不彻底 的难题。 2 .4 .2 满磁系结构固定装置设计 高频谐波磁场磁选机在工作时高速旋转,采用 常规静态磁系固定方式已无法满足使用要求。为适 应这一新需求,采用模块化设计理念,设计出整体封 装的磁系固定装置,既提高了磁系固定的可靠性,又 降低了装配难度,满足高频旋转的使用需求。 2 .4 .3复合材料筒体强度优化设计 高频谐波磁场磁选机采用的新型复合材料筒体 与常规金属筒体的结构不同,在法兰及与端盖配合 处通过强化设计优化了联接强度,同时在表面可以 选用喷涂新型耐磨材料、衬耐磨陶瓷片、衬橡胶等防 护方式,既提高了筒体强度又提高了耐磨性[ 1 1 - 1 2 ] 。 3高频谐波磁场磁选机的典型应用 3 .1高频谐波磁场磁选机在磁铁矿细粒干选领域 的应用 据统计,我国磁铁矿细碎至一1 2m i n 后约1 0 %~ 3 0 %的脉石矿物解离,可作为合格尾矿抛除,甚至有 部分超贫磁铁矿可抛出7 0 %以上的合格尾矿。 常规方法是采用普通磁滚筒进行预选,在矿石通 过皮带进入磁滚筒磁场时,以较低速度 2 .5m /s 通过磁场,大约经过2 ~3 次N 、S 磁极翻转,在该类 型磁场中磁性矿石产生“链状”团聚,团聚体发生“拖 滑”式变化,对于夹杂其中的细粒脉石剔除作用有 限,导致分选效率低[ 1 3 - 1 4 ] 。 针对这种情况,北京矿冶研究总院研制的高频 谐波磁场磁选机由于磁翻转次数比常规磁选机快几 十倍,磁翻转过程能够将形成的磁团聚以及物理性 团块打散,使夹杂在料层中和磁链中的脉石脱离出 来,分选效果明显优于常规细粒干选机。该类设备 可分为带式和箱式两种形式,前者与皮带机配套使 用,滚筒中心距较长,由高频谐波磁场磁滚筒、磁感 应螺旋清扫装置、输送皮带及皮带防跑偏系统组成, 主要用于磨前干式预选的改造,代替原有磁滚筒;后 者作为单机设备,具备自身皮带传输系统,由高频谐 波磁场磁滚筒、张紧装置、磁感应螺旋清扫装置、驱 动滚筒、环形传输皮带和皮带防跑偏系统组成,结构 较为复杂,集成性高,可作为单机设备独立使用,占 地面积小[ 1 } ”] 。 北京矿冶研究总院研制的带式高频谐波磁场磁 选机在首钢矿业公司开展了工业试验,设备规格为 0 8 0 0m m 12 0 0m m ,代替常规磁滚筒,分选粒度 一1 2m m ,取得了较好效果。与常规磁滚筒相比,抛废 率提高了6 %~8 %,精矿品位提高了约1 .5 %。2 0 1 6 年与内蒙、甘肃等地区的矿厂进行了箱式高频谐波磁 场磁选机的实验室试验,试验效果良好 图7 。 图70 8 0 0m m 12 0 0m m 干式高频 谐波磁场磁选机现场使用图 F i g .7 F i e l du s a g ed i a g r a mo fh i g hf r e q u e n c y h a r m o n i cm a g n e t i cf i e l ds e p a r a t o ro f 0 8 0 0m m 12 0 0m md r yt y p e 3 .2 高频谐波磁场磁选机在磁铁矿湿式提精降杂 领域的应用 焙烧磁铁矿由于剩余比磁化强度大,尤其是矫 顽力要比天然磁铁矿大几倍,磁团聚造成的精矿中 脉石夹杂现象严重,单一采用常规磁选方法精矿品 位无法达标,而采用反浮选又会造成选矿成本太高 和环境污染。针对以上问题,2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初,北京矿冶研究总院通过理论分析和实验室 研究,研制出了0 7 5 0m m 18 0 0m m 型湿式高频谐 波磁场磁选机 即湿式旋转磁场磁选机 ,并在鞍钢 齐大山选厂进行了工业试验,在给矿品位6 2 .4 8 %, 给矿量1 5 .1 8t /h 时,可获得精矿品位6 4 .4 9 %,作 业回收率9 6 .7 0 %的优良指标,解决了焙烧磁铁矿提 高精矿品位困难的技术问题。实验表明,该机的分 选效率几乎是普通磁选机的两倍,分选指标可达或 者略高于磁选管指标,分选优势明显[ 1 8 - 2 3 ] 。 钒钛磁铁矿是我国重要的战略资源,在矿产资源 领域占有重要地位,仅在四川攀枝花地区,钒钛磁铁 矿的选厂就有数十家,年处理矿石量超过80 0 0 万t 。 但由于其矿石性质复杂,且近年来矿石品质不断下 降,原矿中橄辉岩逐渐增多,造成铁精矿嵌布粒度变 万方数据 1 1 2 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第5 期 细,选厂现有工艺已无法满足矿石性质的变化,大量 难选矿的综合开发利用成为难题。北京矿冶研究总 院针对原有流程选铁工艺段的精选段,提出无需改 变原有流程,而仅采用新型高频谐波磁场磁选机对 最终精矿再选的提精方案。采用实验室高频谐波磁 场磁选机,针对红格、攀枝花地区铁精矿产品的实验 室探索试验表明,对于红格地区铁精矿品位可提高 1 .8 ~2 个百分点。四川龙蟒矿冶公司采用 m 12 0 0m m 30 0 0m m 工业型湿式高频谐波磁场 磁选机,设备安装在选厂精选段,在常规筒式磁选机 后进一步提精,尾矿返回二段球磨再选再磨。经过 一年的生产实践表明,湿式高频谐波磁场磁选机非 常适用于攀西地区铁精矿提质降杂,一方面最终精 矿品位提高了1 .3 ~2 个百分点,铁精矿质量由不合 格产品变为合格产品,另一方面钛铁矿在尾矿中富 集,返到选钛流程提高了钛的回收率[ 2 4 - 2 6 ] 图8 。 图80 12 0 0m m 30 0 0m m 湿式高频谐 波磁场磁选机四川龙蟒使用现场 F i g .8 西12 0 0m m 30 0 0m mw e th i g h f r e q u e n c yh a r m o n i cm a g n e t i cf i e l ds e p a r a t o r S i c h u a nd r a g o np y t h o nu s es i t e 3 .3 高频谐波磁场磁选机在冶金粉体提纯除杂领 域的应用 于式磁选机在冶金粉体的提纯除杂是一个全新 的应用领域,与常规铁矿山铁矿石选矿不同,冶金粉 体自身密度较大,粒度较细 一0 .1m m 粒度占 4 0 %,一0 .5m m 以下粒度占9 5 % ,金属粉末的分 子间作用力影响较大,团聚严重,对设备的分选精度 要求较高,分选难度极大。 鞍钢冶金粉材厂前期使用常规磁滚筒和粉矿干 选机进行了工业试验,由于给料粒度较细,精矿中夹 杂严重,存在分离不清的问题。针对以上问题,北京 矿冶研究总院在常规铁矿用高频谐波磁场磁选机的 设计基础上,优化了微细粒粉矿均匀布矿方式与除 尘密封装置,重新进行了磁路优化,设计出适用于处 理微细粒冶金粉体的专用磁选机并通过进行磁系转 速试验、输送带带速试验、处理量试验等多因素条件 试验,确定了最优的设备参数[ 2 7 ‘28 | 。生产实践表明, 高频谐波磁场磁选机在微细粒冶金粉末提纯领域, 分选精度远高于常规干选设备 图9 。 图90 8 0 0m m 16 0 0m m 干式高频谐波磁场 磁选机在冶金粉材领域的应用 F i g .9A p p l i c a t i o no f0 8 0 0m m 16 0 0m m d r yr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l dm a g n e t i cs e p a r a t o r i nm e t a l l u r g i c a lp o w d e rp l a n t 3 .4 高频谐波磁场磁选机在稀贵金属提纯回收领 域的应用 2 0 1 4 年8 月甘肃金川集团股份有限公司与北京 矿冶研究总院合作开展了“一次合金提取多极磁选机 技术优化研究”项目,该项目的目的是对金川公司的 高锍合金进行分选试验研究,降低高锍合金中的S 含 量,提高贵金属的富集度。本项目先后采用磁选管、 常规磁选机、湿式高频谐波磁场磁选机等磁选设备进 行了分选试验,并对试验结果进行了对比。试验结果 表明,采用高频谐波磁场磁选机进行高锍合金磁选脱 硫试验时,一次粗粒合金S 含量低于1 0 %,镍精矿中 磁性产物含量不大于3 %,达到了预期目标。该项目 的成功实施表明,高频谐波磁场磁选机不仅适用于铁 矿石等黑色金属领域,在镍、钛等国家战略金属提纯 回收领域,也具有广阔的使用前景 图1 0 。 万方数据 2 0 1 9 年第5 期赵海亮等高频谐波磁场磁选机的研究及应用 1 1 3 图1 00 5 0 0m m X3 0 0m m 湿式高频谐波磁场 磁选机在实验室进行高锍合金除S 试验 F i g .1 0T h e0 5 0 0m i n x3 0 0m m h i g hf r e q u e n c y h a r m o n i cm a g n e t i cf i e l ds e p a r a t o rp e r f o r m s h i g hm a t t ea l l o ySd e t e s t si nt h el a b o r a t o r y 4结论 在践行“高效分选”的选矿思想下,高效分选磁 选设备受到了极大的重视,作为此类设备的代表,高 频谐波磁场磁选机不仅在铁矿石领域实现了大型化 设备的成功应用,在冶金粉体固废循环利用及稀贵 金属的提纯除杂等领域也实现了探索应用。湿式高 频谐波磁场磁选机作为精选设备,解决了磁团聚体 夹杂及多金属矿提纯等问题,干式高频谐波磁场磁 选机作为高精度微细粒级干式磁选设备,可在我国 缺水地区或不具备建设尾矿库的矿山全干法分选领 域发挥重要作用。 参考文献 [ 1 ] 刘永振,王晓明.近几年我国永磁磁选设备的技术发展 E J ] .有色金属 选矿部分 ,2 0 1 7 增刊 6 9 7 3 . 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