Vous êtes-vous déjà demandé comment était fabriqué l'acier, pierre angulaire de la civilisation moderne ? Ce guide complet se penche sur le processus complexe de production de l'acier, des matières premières aux produits finis. Découvrez comment des éléments tels que le carbone, le manganèse et le silicium façonnent les propriétés de l'acier, et apprenez les étapes cruciales du processus, notamment la fusion, le laminage et l'affinage. À la fin de cet article, vous aurez une bonne compréhension des méthodes et des matériaux qui transforment le minerai de fer en produits sidérurgiques polyvalents dont nous dépendons tous les jours.
Les alliages fer-carbone contenant moins de 2% de carbone sont appelés acier. Les cinq éléments de l'acier au carbone font référence aux principaux constituants de sa composition chimique, à savoir C (carbone), Si (silicium), Mn (manganèse), S (soufre) et P (phosphore).
En outre, au cours du processus de fabrication de l'acier, des gaz tels que O (oxygène), H (hydrogène) et N (azote) se mélangent inévitablement.
En outre, dans le processus de désoxydation de l'aluminium et du silicium, l'Al (aluminium) est inévitablement présent dans l'acier fondu, et lorsque l'Als (aluminium soluble dans l'acide) est égal ou supérieur à 0,020%, il joue un rôle dans l'affinage de la taille des grains.
1. Carbone (C) :
En tant que teneur en carbone dans l'acier augmente, la limite d'élasticité et la résistance à la traction augmentent, mais la plasticité et la résistance aux chocs diminuent. Lorsque la teneur en carbone dépasse 0,23%, la limite d'élasticité et la résistance à la traction augmentent. soudabilité de l'acier se détériore.
Par conséquent, pour les aciers de construction faiblement alliés utilisés pour le soudage, la teneur en carbone ne dépasse généralement pas 0,20%. Une teneur en carbone plus élevée réduit également la résistance de l'acier à la corrosion atmosphérique ; l'acier à forte teneur en carbone stocké à l'air libre a tendance à rouiller. En outre, le carbone peut accroître la fragilité à froid et la sensibilité au vieillissement de l'acier.
2. Silicium (Si) :
Le silicium est ajouté dans le processus de fabrication de l'acier en tant que réducteur et désoxydant, de sorte que l'acier calme contient 0,15-0,30% de silicium. Si la teneur en silicium de l'acier dépasse 0,50-0,60%, le silicium est considéré comme un élément d'alliage. Le silicium peut améliorer de manière significative la limite élastique, la limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'acier, ce qui fait qu'il est largement utilisé pour les aciers à ressorts.
En ajoutant 1,0-1,2% de silicium à l'acier de construction trempé et revenu, sa résistance peut être augmentée de 15-20%. Le silicium, en combinaison avec des éléments tels que le molybdène, le tungstène et le chrome, améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation, ce qui est utile pour la fabrication d'acier résistant à la chaleur.
L'acier à faible teneur en carbone contenant du silicium 1-4% présente une perméabilité magnétique extrêmement élevée et est utilisé dans l'industrie électrique pour les applications suivantes tôles d'acier au silicium. Une augmentation de la teneur en silicium réduit la soudabilité de l'acier.
3. Manganèse (Mn) :
Dans le processus de fabrication de l'acier, le manganèse agit comme un excellent désoxydant et désulfurant, l'acier général contenant de 0,30 à 0,50% de manganèse. Lorsque plus de 0,70% est ajouté à l'acier au carbone, on parle d'"acier au manganèse".
Ce type d'acier présente non seulement une ténacité suffisante par rapport à l'acier général, mais aussi une résistance plus élevée. la résistance et la duretéL'utilisation de l'acier à haute température permet d'améliorer la trempabilité et les propriétés de traitement thermique de l'acier.
Par exemple, la limite d'élasticité de l'acier 16Mn est supérieure de 40% à celle de l'acier A3. L'acier contenant 11-14% de manganèse présente une résistance à l'usure extrêmement élevée, ce qui le rend approprié pour les godets de pelleteuses, les revêtements de broyeurs à boulets, etc. Une augmentation de la teneur en manganèse affaiblit la résistance à la corrosion de l'acier et diminue sa soudabilité.
4. Phosphore (P) :
D'une manière générale, le phosphore est préjudiciable à l'acier. Il augmente la fragilité à froid de l'acier, détériore sa soudabilité, réduit sa plasticité et détériore ses performances en matière de flexion à froid. C'est pourquoi la teneur en phosphore de l'acier doit généralement être inférieure à 0,045%, les aciers de haute qualité exigeant des teneurs encore plus faibles.
5. Soufre (S) :
Le soufre est généralement nocif pour l'acier. Il induit une fragilité à chaud, réduisant la ductilité et la ténacité de l'acier, ce qui entraîne des fissures lors du forgeage et du laminage. Le soufre nuit également aux performances de soudage et réduit la résistance à la corrosion.
Par conséquent, la teneur en soufre doit généralement être inférieure à 0,055%, l'acier de haute qualité devant être inférieur à 0,040%. L'ajout de 0,08-0,20% de soufre à l'acier peut améliorer l'usinabilité ; cet acier est souvent appelé acier de décolletage.
6. Chrome (Cr) :
Dans les aciers de construction et les aciers à outils, le chrome augmente considérablement la résistance, la dureté et la résistance à l'usure, mais réduit simultanément la plasticité et la ténacité. Le chrome améliore la résistance à l'oxydation et à la corrosion de l'acier, ce qui en fait un élément à part entière des aciers inoxydables et résistants à la chaleur.
7. Nickel (Ni) :
Le nickel renforce la résistance de l'acier tout en conservant une bonne plasticité et une bonne ténacité. Le nickel présente une résistance élevée à la corrosion par les acides et les alcalis, ainsi qu'une résistance à la rouille et à la chaleur à des températures élevées.
Toutefois, le nickel étant une ressource rare, il devrait être remplacé par d'autres métaux lourds. éléments d'alliage dans la mesure du possible, en particulier pour l'acier nickel-chrome.
8. Molybdène (Mo) :
Le molybdène affine la structure du grain de l'acier, améliore la trempabilité et la résistance thermique, et maintient une résistance suffisante et une résistance au fluage à haute température (le fluage désigne la déformation sous une contrainte à long terme à haute température).
L'ajout de molybdène à l'acier de construction améliore les propriétés mécaniques et supprime la fragilité causée par la chaleur dans l'acier de construction. acier allié. Dans les aciers à outils, il améliore la dureté à chaud.
9. Titane (Ti) :
Le titane est un puissant désoxydant de l'acier. Il densifie la structure interne de l'acier, affine la taille des grains, réduit la sensibilité au vieillissement et la fragilité à froid, et améliore la soudabilité. L'ajout de titane approprié à l'acier inoxydable austénitique 18Cr-9Ni peut prévenir les problèmes suivants corrosion intergranulaire.
10. Vanadium (V) :
Le vanadium est un excellent désoxydant pour l'acier. L'ajout de 0,5% de vanadium à l'acier affine la structure du grain, améliorant ainsi la solidité et la résistance. Les carbures formés à partir du vanadium et du carbone peuvent améliorer la résistance à la corrosion par l'hydrogène à des températures et des pressions élevées.
11. Tungstène (W) :
Le tungstène a un point de fusion élevé, une densité élevée et est un élément d'alliage coûteux. Le carbure de tungstène présente une dureté et une résistance à l'usure élevées. L'ajout de tungstène à l'acier à outils améliore considérablement la dureté à chaud et la résistance thermique, ce qui le rend adapté aux outils de coupe et à la fabrication de pièces de rechange. matrices de forgeage.
12. Niobium (Nb) :
Le niobium affine la taille des grains et réduit la sensibilité à la surchauffe et la fragilité de l'acier, augmentant la résistance mais réduisant la plasticité et la ténacité. L'ajout de niobium à un acier ordinaire faiblement allié améliore la résistance à la corrosion atmosphérique et à la corrosion par l'hydrogène, l'azote et l'ammoniac à haute température. Le niobium améliore la soudabilité. Lorsqu'il est ajouté à un acier inoxydable austénitique, il peut prévenir la corrosion intergranulaire.
13. Cobalt (Co) :
Le cobalt est un métal précieux rare, souvent utilisé dans les aciers spéciaux et les alliages, tels que les aciers résistants à la chaleur et les matériaux magnétiques.
14. Cuivre (Cu) :
L'acier affiné à partir du minerai de Daye par Wuhan Iron and Steel contient souvent du cuivre. Le cuivre améliore la résistance et la ténacité, en particulier la résistance à la corrosion atmosphérique. L'inconvénient est qu'il a tendance à provoquer un raccourcissement à chaud pendant le traitement à chaud, et si la teneur en cuivre dépasse 0,5%, la plasticité diminue de manière significative. Lorsque la teneur en cuivre est inférieure à 0,50%, elle n'affecte pas la soudabilité.
15. Aluminium (Al) :
L'aluminium est un désoxydant courant dans l'acier. L'ajout d'une petite quantité d'aluminium à l'acier peut affiner le grain, améliorer la résistance aux chocs, comme dans l'acier 08Al utilisé pour l'emboutissage de tôles minces.
L'aluminium présente également une résistance à l'oxydation et à la corrosion. Utilisé avec le chrome et le silicium, il peut améliorer de manière significative la résistance à l'écaillage et à la corrosion à haute température de l'acier. L'inconvénient de l'aluminium est qu'il affecte l'ouvrabilité à chaud, la soudabilité et l'usinabilité de l'acier.
16. Bore (B) :
L'ajout de traces de bore peut améliorer la densité et les propriétés de laminage à chaud de l'acier, renforçant ainsi sa résistance.
17. Azote (N) :
L'azote peut augmenter la résistance, la ténacité à basse température et la résistance à la corrosion. soudabilité de l'acieret augmenter sa sensibilité à l'âge.
18. Terres rares (Xt) :
Les terres rares désignent les 15 éléments lanthanides dont les numéros atomiques sont compris entre 57 et 71 dans le tableau périodique. Ces éléments sont tous des métaux, mais leurs oxydes ressemblent à de la "terre", c'est pourquoi ils sont communément appelés "terres rares".
L'ajout de terres rares à l'acier peut modifier la composition, la forme, la distribution et les propriétés des inclusions dans l'acier, améliorant ainsi diverses propriétés, telles que la ténacité, la soudabilité et l'aptitude au travail à froid. L'ajout de terres rares dans l'acier à charrue peut améliorer sa résistance à l'usure.
La tâche principale de l'élaboration de l'acier est d'ajuster la teneur en carbone et en éléments d'alliage dans l'acier pour qu'elle se situe dans la fourchette spécifiée en fonction des exigences de qualité du type d'acier produit, et de réduire la teneur en impuretés telles que P, S, H, O, N pour qu'elle soit inférieure aux limites permises.
Le processus de fabrication de l'acier est essentiellement un processus d'oxydation. L'excès de carbone dans la charge du four est oxydé et brûlé en gaz CO et s'échappe, tandis que d'autres éléments comme Si, P, Mn sont oxydés et entrent dans le laitier. Une partie du S pénètre dans le laitier et une autre partie est rejetée sous forme de SO2.
Lorsque la composition et la température de l'acier en fusion répondent aux exigences du processus, l'acier peut être taraudé. Pour éliminer l'excès d'oxygène dans l'acier et ajuster la composition chimique, des désoxydants et des ferro-alliages ou des éléments d'alliage peuvent être ajoutés.
Le métal chaud transporté depuis le wagon-torpille, après désulfuration et traitement de blocage des scories, peut être versé dans le convertisseur en tant que charge principale, avec de la ferraille d'acier de moins de 10%. Ensuite, de l'oxygène est insufflé dans le convertisseur pour brûler, l'excès de carbone dans le métal chaud est oxydé et libère une grande quantité de chaleur. Lorsque la sonde détecte la faible teneur en carbone prédéterminée, l'injection d'oxygène est arrêtée et l'acier est entaillé.
Les opérations de désoxygénation et d'ajustement de la composition ont généralement lieu dans la poche de coulée ; des balles de riz cémentées sont ensuite jetées sur la surface de l'acier en fusion pour l'empêcher de s'oxyder, avant d'être envoyées dans la zone de coulée continue ou de coulée en moule.
Pour les types d'acier très demandés, l'argon soufflé par le bas, le traitement sous vide RH et le traitement par pulvérisation de poudre (pulvérisation de poudre de Si-Ca et de chaux modifiée) peuvent réduire efficacement les gaz et les inclusions dans l'acier, et réduire davantage le carbone et le soufre. Après ces mesures d'affinage secondaire, la composition peut être finement ajustée pour répondre aux exigences des matériaux en acier de haute qualité.
Le moulage lingots d'acier sont chauffés dans un four de réchauffage en utilisant le nouveau processus de chargement et de livraison à chaud, puis laminés en brames, billettes, petites billettes carrées et autres produits laminés préliminaires à travers un laminoir dégrossisseur et un laminoir continu.
Après avoir coupé la tête et la queue, nettoyé la surface (nettoyage à la flamme, meulage), les produits de haute qualité nécessitent également un pelage et une détection des défauts pour les billettes laminées préliminaires. Après avoir passé l'inspection, ils sont stockés dans l'entrepôt.
Actuellement, le laminoir préliminaire produit des brames laminées, des billettes carrées laminées, des billettes d'acier pour bouteilles d'oxygène, des billettes de tubes ronds pour engrenages, des billettes d'essieux pour véhicules ferroviaires et de l'acier pour moules en plastique.
La brame pré-laminée alimente principalement le laminoir à chaud en tant que matière première ; la billette carrée laminée, à l'exception de certaines livraisons externes, est principalement envoyée au laminoir à fil machine à grande vitesse en tant que matière première. En raison des progrès des brames de coulée continue, la demande de brames pré-laminées a fortement diminué et s'est donc déplacée vers les autres produits susmentionnés.
En utilisant des brames de coulée continue ou des brames de dégrossissage comme matières premières, elles sont chauffées dans un four de chauffage par étapes et entrent dans le laminoir brut après un décalaminage à l'eau sous haute pression.
Les matériaux laminés bruts sont coupés à la tête et à la queue, puis entrent dans le laminoir de finition, où un laminage contrôlé par ordinateur est mis en œuvre. Après le laminage final, ils subissent un refroidissement laminaire (taux de refroidissement contrôlé par ordinateur) et sont enroulés par une bobineuse, formant ainsi une bobine chaude.
La tête et la queue de la bobine chaude ont souvent la forme d'une langue ou d'une queue de poisson, l'épaisseur et la largeur sont peu précises et les défauts tels que l'ondulation, les bords pliés et les formes de tour sont fréquents sur les bords.
La bobine est relativement lourde, avec un diamètre intérieur de 760 mm (qui est généralement privilégié dans l'industrie de la fabrication de tuyaux). La bobine chaude, après avoir été coupée à la tête, à la queue et sur les bords, et après avoir subi plusieurs cycles de redressement et d'aplatissement dans la ligne de finition, est ensuite découpée en plaques ou enroulée à nouveau, formant des produits tels que les tubes à chaud, les tubes à vapeur, les tubes à air chaud et les tubes en acier. acier laminé les tôles, les bobines laminées à chaud aplaties et les bandes longitudinales.
Si la bobine finie laminée à chaud est lavée à l'acide pour éliminer la calamine, puis huilée, elle devient une bobine décapée laminée à chaud. Ce produit, qui tend à remplacer localement les tôles laminées à froid et dont le prix est modéré, est largement plébiscité par les utilisateurs.
Les bobines d'acier laminées à chaud sont utilisées comme matière première. Elles sont d'abord lavées à l'acide pour éliminer la peau oxydée, puis laminées à froid. Le produit obtenu est une bobine laminée dure. La déformation continue à froid provoque un durcissement par écrouissage, ce qui augmente la résistance et la dureté de la bobine laminée à froid et réduit sa ténacité et sa plasticité.
Par conséquent, ses performances d'emboutissage se détériorent et il ne peut être utilisé que pour des pièces à déformation simple. Les bobines laminées à chaud peuvent être utilisées comme matière première dans les installations de galvanisation par immersion à chaud, car ces installations sont équipées des éléments suivants recuit lignes. Le poids des bobines laminées dures varie généralement de 6 à 13,5 tonnes, avec un diamètre intérieur de 610 mm.
Les tôles et les bobines de laminage continu à froid standard doivent subir un recuit continu (dans une unité CAPL) ou un recuit en four à cloche pour éliminer l'écrouissage et les contraintes de laminage, afin d'atteindre les indicateurs de performance mécanique fixés par les normes respectives.
Les tôles d'acier laminées à froid présentent une qualité de surface, un aspect et une précision dimensionnelle supérieurs à ceux des tôles laminées à chaud, avec des épaisseurs de produit laminées jusqu'à environ 0,18 mm, d'où leur grande popularité auprès des utilisateurs.
Le traitement en profondeur des produits à base de bobines d'acier laminées à froid permet d'obtenir des produits à haute valeur ajoutée. Les exemples incluent la galvanisation par électrodéposition, la galvanisation par immersion à chaud, la galvanisation résistante aux empreintes digitales, le revêtement coloré, la galvanisation à chaud, la galvanisation à chaud, la galvanisation à chaud. tôle d'acier les bobines, les plaques d'acier composite antivibrations et les plaques d'acier laminé en PVC.
Ces produits, qui présentent des qualités esthétiques et une grande résistance à la corrosion, ont trouvé une large application.
Après le recuit, les bobines d'acier laminées à froid doivent subir des opérations de finition, notamment la coupe de la tête et de la queue, la coupe des bords, le nivellement, l'aplatissement, le réenroulement ou le placage par cisaillement longitudinal. Les produits laminés à froid sont largement utilisés dans la construction automobile, l'électroménager, les commutateurs d'instruments, la construction, le mobilier de bureau et d'autres industries.
Le poids de chaque plaque d'acier en paquet est de 3 à 5 tonnes, tandis que le poids des sous-rouleaux aplatis varie généralement de 3 à 10 tonnes par rouleau, avec un diamètre intérieur de 610 mm.
La plupart des traitements de l'acier sont réalisés par des méthodes basées sur la pression, ce qui entraîne une déformation plastique de la pièce d'acier (par exemple, des billettes ou des lingots). La transformation de l'acier peut être divisée en deux catégories : le travail à froid et le travail à chaud, en fonction de la température appliquée. Les principales méthodes de transformation de l'acier sont les suivantes
Roulant : Il s'agit d'une méthode de traitement par pression qui consiste à faire passer une pièce métallique dans un espace situé entre une paire de rouleaux rotatifs de différentes formes. La compression exercée par les rouleaux réduit la section transversale du matériau et augmente sa longueur. Il s'agit de la méthode la plus courante pour la production d'acier, principalement utilisée pour produire des profilés, des plaques et des tuyaux. Elle comprend le laminage à froid et le laminage à chaud.
Forgeage : Cette méthode de traitement sous pression utilise l'impact alternatif d'un marteau de forgeage ou la pression d'une presse pour transformer la pièce dans la forme et la taille souhaitées. On distingue généralement le forgeage libre et le forgeage sous pression, souvent utilisés pour la production de matériaux de grande taille, et le forgeage sous pression avec des dimensions transversales plus importantes.
Dessin : Il s'agit de tirer des pièces métalliques déjà laminées (profilés, tuyaux, produits, etc.) à travers des trous de matrice selon un processus qui réduit la section transversale et augmente la longueur. Cette méthode est largement utilisée dans l'usinage à froid.
Extrusion : Ce processus consiste à placer le métal dans un cylindre d'extrusion scellé et à appliquer une pression à une extrémité. Le métal est extrudé à travers un trou de filière spécifié pour produire des produits finis de même forme et de même taille. Cette méthode est principalement utilisée pour la production de métaux non ferreux. matériaux métalliques.
6.1 Limite d'élasticité Ratio
La limite d'élasticité est le quotient de la limite d'élasticité par la résistance à la traction (σs/σb). Plus la limite d'élasticité est élevée, plus le matériau est résistant. Inversement, plus le rapport de la limite d'élasticité est faible, plus la plasticité et la formabilité à l'emboutissage sont bonnes. Par exemple, la limite d'élasticité de tirage au sort est ≤0,65.
L'acier à ressorts est généralement utilisé dans la plage de la limite élastique et n'est pas autorisé à subir une déformation plastique sous charge. Il est donc nécessaire que l'acier à ressorts ait une limite élastique et un rapport de limite d'élasticité aussi élevés que possible après l'utilisation de l'acier à ressorts. trempe et revenu (σs/σb≥0,90). En outre, la durée de vie en fatigue est souvent fortement corrélée à la résistance à la traction et à la qualité de la surface.
6.2 La plasticité
La plasticité désigne la capacité d'un matériau métallique à supporter une déformation permanente avant de céder sous l'effet d'une contrainte. La plasticité est généralement représentée par les taux d'allongement et de réduction de la surface. Plus les taux d'allongement et de réduction de la surface sont élevés, meilleure est la plasticité.
La résilience, représentée par αk, fait référence au travail d'impact déployé par unité de surface de section transversale au niveau de l'entaille d'une éprouvette métallique lorsqu'elle se fracture sous une charge d'essai d'impact spécifiée.
L'échantillon d'essai courant est de 10×10×55 mm avec une encoche en V de 2 mm de profondeur, et la norme adopte directement le travail d'impact (valeur Joule) AK, et non la valeur αK, car le travail d'impact par unité de surface n'a pas d'importance pratique.
Le travail d'impact est le plus sensible pour examiner la transformation de la fragilité des matériaux métalliques à différentes températures, et les accidents de fracture catastrophique dans des conditions de service réelles sont souvent liés au travail d'impact du matériau et à la température de service.
C'est pourquoi les normes stipulent souvent des valeurs spécifiques de résilience à une certaine température et exigent que la température de transition d'apparition des fractures (FATT) soit inférieure à une certaine température.
Ce que l'on appelle le FATT est la température correspondant à une fracture fragile occupant 50% de la surface totale après qu'un groupe d'éprouvettes d'impact a été brisé à différentes températures. En raison de l'influence de épaisseur de la plaque d'acierPour les plaques d'une épaisseur ≤10mm, on peut obtenir des éprouvettes d'impact de taille 3/4 (7,5×10×55mm) ou de taille 1/2 (5×10×55mm).
Toutefois, il convient de noter que seules les valeurs de travail par impact sous les mêmes spécifications et à la même température peuvent être comparées.
Seulement dans les conditions stipulées dans la norme, le travail d'impact peut être converti en travail d'impact de l'échantillon d'impact standard selon la méthode de conversion standard, et ensuite comparé.
La capacité d'un matériau métallique La dureté est la capacité d'un matériau à résister à la pénétration d'un pénétrateur (une bille en acier trempé ou un pénétrateur en diamant avec un cône ou un angle de 120 degrés). Selon les méthodes d'essai et les domaines d'application, la dureté peut être classée comme suit Dureté BrinellLa dureté Brinell, la dureté Rockwell, la dureté Vickers, la dureté Shore, ainsi que la microdureté et la dureté à haute température. Les produits métallurgiques utilisent généralement la dureté Brinell et la dureté Rockwell.
Les nuances d'acier figurant dans les normes d'entreprise de Baosteel se répartissent grosso modo en trois sources : celles qui sont reprises de la norme japonaise JIS, de la norme allemande DIN et celles qui sont développées et produites par Baosteel elle-même.
Les nuances d'acier transposées de la norme JIS commencent souvent par S (Steel) ; celles transposées de la norme DIN commencent généralement par ST (Stahl, le mot allemand pour "acier") ; les nuances d'acier développées et produites par Baosteel commencent généralement par B, l'initiale de l'orthographe phonétique de Baosteel.
L'acier de construction est généralement classé en fonction de sa résistance, et les chiffres de la nuance d'acier représentent souvent la résistance minimale à la traction. Comme cette type d'acier est couramment utilisé pour fabriquer des éléments de structure, on parle alors d'acier de construction.
Les mécanismes de renforcement de l'acier de construction tendent à favoriser la décarbonisation et le renforcement de la ferrite par la solution solide de manganèse, l'affinage de la perlite et l'ajout de microalliages pour le renforcement par précipitation, le renforcement par sédimentation et le renforcement à grain fin.
Ainsi, tout en augmentant la résistance, l'acier conserve une bonne ténacité, des indices de plasticité et une excellente soudabilité.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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