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1、年產(chǎn)5000噸低成本高可靠性納米微晶陶瓷產(chǎn)業(yè)化技術(shù)可行性研究報(bào)告湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2003年10月總論一)項(xiàng)目概述本項(xiàng)目以天然礦物和冶金工業(yè)廢渣為主要原料,通過(guò)材料設(shè)計(jì)方法,采用高溫溶膠凝 膠工藝和原位受控晶化技術(shù),在高性能低成本納米陶瓷的制備技術(shù)方面取得了突破,是一項(xiàng) 屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的制備納米陶瓷制品的新工藝、新技術(shù),具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。用該項(xiàng)技術(shù)制備的高耐磨納米微晶陶瓷結(jié)構(gòu)均勻致密,抗彎強(qiáng)度可達(dá)300MPa,顯微硬度1012GPa,密度2.72.8g/cm,自磨損率不到氧化鋁陶瓷的20%,可機(jī)加工性和耐腐蝕好, 可廣泛用作具有高附加值的耐磨結(jié)構(gòu)材料,如研磨體、陶瓷軸承、機(jī)械密封件、

2、紡織瓷件、 管道、閥門(mén)等。為將該項(xiàng)目技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化,現(xiàn)已投資 110萬(wàn)元,在湖南大學(xué)建成了一條年產(chǎn) 200 噸納 米微晶陶瓷的中試生產(chǎn)線。 該中試生產(chǎn)線的工藝流程及主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線基本相同,可同時(shí)或單獨(dú)使用電和液化氣兩種能源,工藝參數(shù)調(diào)整范圍大,以適應(yīng)不同產(chǎn) 品對(duì)工藝條件的需要。目前用該中試生產(chǎn)線已成功制備了各種規(guī)格的研磨球和耐磨襯片。該 技術(shù)的另一重要特點(diǎn)是:用一套玻璃熔制和微晶化設(shè)備可同時(shí)制備多種納米微晶陶瓷制品, 產(chǎn)品品種可依市場(chǎng)需求靈活調(diào)整,市場(chǎng)應(yīng)變能力強(qiáng)。納米微晶陶瓷制品的制造成本不到氧化 鋁陶瓷的 30%,此外,可利用工業(yè)廢渣,有利于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)

3、發(fā)展。建設(shè)一條年產(chǎn) 5000噸的納米微晶陶瓷生產(chǎn)線,項(xiàng)目總投資需 3660萬(wàn)元(含 25%的技術(shù) 無(wú)形資產(chǎn)),建成后可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值 10500 萬(wàn)元,年利稅 3420 萬(wàn)元,投資回收期約 1.7 年(不 含建設(shè)期)。可生產(chǎn)的主要產(chǎn)品為高性能耐磨結(jié)構(gòu)陶瓷系列產(chǎn)品,如研磨體、耐磨襯片、紡織 瓷件、閥門(mén)芯片、軸承、機(jī)械密封件等。二)立項(xiàng)意義及必要性納米材料由于具有許多獨(dú)特的優(yōu)異性能而成為現(xiàn)代材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。目前在納米粉 末的制備技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展, 各種納米粉末已開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)并獲得日益廣泛的應(yīng)用。 然而,用納米粉末來(lái)制備納米陶瓷時(shí),由于納米粉末的活性很高,高溫?zé)Y(jié)時(shí)晶粒生長(zhǎng)很快, 絕大多數(shù)情

4、況下獲得的不是納米陶瓷,而是亞微米甚至微米陶瓷。只有采用熱壓、熱等靜壓 燒結(jié)或者小試樣的快速等溫?zé)Y(jié), 才可能獲得致密燒結(jié)的塊體納米陶瓷。 在這種工藝條件下, 一是對(duì)燒成設(shè)備的技術(shù)要求很高,二是很難制備復(fù)雜形狀和大尺寸的納米陶瓷制品。因此, 開(kāi)發(fā)一種高性能低成本的納米陶瓷制備新技術(shù),是使納米陶瓷制品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并獲得廣泛應(yīng) 用的關(guān)鍵。本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的納米陶瓷制品是一種較理想的高溫自潤(rùn)滑耐磨材料,可在高溫、腐蝕、 無(wú)潤(rùn)滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨結(jié)構(gòu)材料,如研磨體、陶瓷軸承、機(jī)械密封件、紡織瓷件、管 道、閥門(mén)、耐磨襯板等,對(duì)提升傳統(tǒng)耐磨結(jié)構(gòu)材料的可靠性和技術(shù)含量,推動(dòng)機(jī)械制造、化 工、輕紡等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)

5、進(jìn)步有積極意義。此外,本項(xiàng)目可利用工業(yè)廢渣來(lái)制備納米陶瓷,是一項(xiàng)集新材料研制、固體廢棄物再生利用和環(huán)境保護(hù)于一體的具有顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推 廣應(yīng)用價(jià)值的課題,對(duì)提高冶金工業(yè)廢渣的利用率和附加值,降低其對(duì)環(huán)境污染的壓力具有 重要意義。三)項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)及水平本項(xiàng)目運(yùn)用材料設(shè)計(jì)理論,采用高溫溶膠凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù),以天然礦物 和冶金工業(yè)廢渣為主要原料,先將粗顆粒原料熔制為均質(zhì)的玻璃體,然后從玻璃中原位析出 晶相含量達(dá) 90以上,晶粒為 50200nm 的納米級(jí)晶粒。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和理論分析,目前已 成功地開(kāi)發(fā)了多種納米微晶陶瓷制品,并能從組成和微晶化工藝方面來(lái)有效控制晶相組成、 晶粒大小及晶

6、相含量,測(cè)試了該材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能,卓有成效地開(kāi)展了許多具有 原創(chuàng)性的研發(fā)工作,技術(shù)水平屬國(guó)際首創(chuàng),為高性能低成本納米微晶陶瓷的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān) 實(shí)的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的納米微晶陶瓷達(dá)到以下技術(shù)質(zhì)量指標(biāo): 1200M Pa; 10G Pa;3 2.7g/cm3以國(guó)產(chǎn)最高質(zhì)量玻璃微珠作參照物,磨損率小于同規(guī)格玻璃微珠的50??箟簭?qiáng)度顯微硬度體積密度自磨損率四)項(xiàng)目實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)本項(xiàng)目在國(guó)家自然科學(xué)基金和湖南省中青年人才基金的資助下,開(kāi)展了較系統(tǒng)和深入的 基礎(chǔ)研究,取得了具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的實(shí)驗(yàn)研究成果。在國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心 產(chǎn)業(yè)化投資基金的支持下,已完成了中試研究和部分產(chǎn)品

7、的開(kāi)發(fā),試制的產(chǎn)品經(jīng)投入市場(chǎng)實(shí) 際應(yīng)用,用戶對(duì)其耐磨損和耐腐蝕性能十分滿意,達(dá)到了預(yù)期的效果。本項(xiàng)目實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的 優(yōu)勢(shì)在于:1、采用高溫溶膠凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)來(lái)制備納米微晶陶瓷的新工藝屬國(guó)際首 創(chuàng),技術(shù)含量高,具有技術(shù)先進(jìn)的優(yōu)勢(shì);2、采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料,廉價(jià)易得,具有原材料成本低的優(yōu)勢(shì);3、高溫溶膠凝膠工藝源于玻璃的制備工藝,自動(dòng)化程度高,成熟可靠;而原位受控晶 化技術(shù)則借鑒了微晶玻璃的制備工藝,主要在析晶速度和晶粒大小的控制方面取得了突破性 成果,是微晶玻璃制備技術(shù)的提升和進(jìn)步,因此,采用的工藝技術(shù)路線具有良好的工業(yè)基礎(chǔ) 優(yōu)勢(shì);4、可利用工業(yè)廢渣,有利于環(huán)境保護(hù)和資源的

8、再生利用,符合國(guó)家環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化政策;5、可開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品品種多,性能價(jià)格比大大優(yōu)于同類產(chǎn)品,具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和抗市 場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目在產(chǎn)業(yè)化實(shí)施過(guò)程中的主要風(fēng)險(xiǎn)是由于玻璃料的組成有別于其它玻璃料,玻璃熔 體的成形溫度范圍窄,對(duì)成形某些復(fù)雜形狀的產(chǎn)品有一定的技術(shù)難度。二、項(xiàng)目技術(shù)可行性和成熟性分析一)項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)1、首創(chuàng)了由非晶固體原位晶化制備納米陶瓷的新技術(shù)用高溫溶膠凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)制備納米陶瓷制品,是一種完全不同于高溫 燒結(jié)法的納米陶瓷制備新技術(shù)。由于該技術(shù)可從工藝路線上徹底解決納米粉末的來(lái)源、粉末 的團(tuán)聚與分散性、高溫?zé)Y(jié)時(shí)的致密化與晶粒長(zhǎng)大等一系列傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)中難以

9、解決的 科學(xué)和工程化問(wèn)題,是最具產(chǎn)業(yè)化前景的高性能低成本納米陶瓷制備新技術(shù)。2、獲得了低成本連續(xù)生產(chǎn)納米晶陶瓷制品的新工藝納米陶瓷雖然具有許多優(yōu)異性能,但高昂的制備成本和難以控制的晶粒尺寸是制約其廣 泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本項(xiàng)目采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料,且可用幾十目的粗粉末,綜合 原料成本可控制在 1000元噸以內(nèi), 且可連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn), 使納米微晶陶瓷的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成 本可降至 2500元噸以內(nèi),與普通陶瓷相當(dāng),為 95 氧化鋁陶瓷的 30。3、實(shí)現(xiàn)了晶相組成、晶粒大小和晶相含量的控制技術(shù)用本項(xiàng)目制備的納米微晶陶瓷, 其晶相組成、 晶粒大小和晶相含量可通過(guò)材料組成設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)調(diào)整來(lái)較準(zhǔn)確地控

10、制,以滿足不同應(yīng)用條件對(duì)材料性能的要求。二)項(xiàng)目的技術(shù)成熟性和產(chǎn)品的可靠性本項(xiàng)目是在國(guó)家自然科學(xué)基金和湖南省中青年人才基金的資助下完成的。近五年來(lái),項(xiàng) 目負(fù)責(zé)人肖漢寧教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)展了較系統(tǒng)和深入的基礎(chǔ)研究,特別是在玻璃料的組 成設(shè)計(jì)、晶核劑的選擇及作用機(jī)理、核化晶化工藝制度等方面進(jìn)行大量而系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究, 已取得具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的研究成果。該項(xiàng)成果已通過(guò)中試研究和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),基本解 決了在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中可能出現(xiàn)的工藝和裝備設(shè)計(jì)等問(wèn)題,并成功開(kāi)發(fā)了各種規(guī)格的研磨球和 耐磨襯片,產(chǎn)品經(jīng)用戶試用,對(duì)其耐磨損和耐腐蝕性能十分滿意。此外,由于制備的納米微 晶陶瓷具有十分致密的且均勻的顯微結(jié)構(gòu),

11、產(chǎn)品性能比燒結(jié)陶瓷具有更高的可靠性。本項(xiàng)目的另一重要優(yōu)勢(shì)是在原料和工藝技術(shù)路線的選擇上從一開(kāi)始就充分考慮了產(chǎn)業(yè)化 的問(wèn)題,即原材料的廉價(jià)易得和工藝技術(shù)的成熟可靠性。項(xiàng)目采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主 要原料,且所有添加原料都是國(guó)產(chǎn)化工原料,符合廉價(jià)易得的原則。高溫溶膠凝膠工藝源 于玻璃的制備工藝,自動(dòng)化程度高,成熟可靠,玻璃池窯和相關(guān)成形設(shè)備已有專業(yè)制造企業(yè), 其技術(shù)水平接近國(guó)外先進(jìn)水平。原位受控晶化技術(shù)借鑒了微晶玻璃的制備工藝,主要在析晶 速度和晶粒大小的控制方面取得了突破性進(jìn)展,是微晶玻璃制備技術(shù)的提升和進(jìn)步,相關(guān)設(shè)備可由玻璃和陶瓷行業(yè)的專業(yè)設(shè)備廠制造。因此,采用的工藝技術(shù)路線具有良好的工業(yè)基

12、礎(chǔ),工裝設(shè)備有定型產(chǎn)品或由專業(yè)制造廠承制,具有顯著的先進(jìn)性和成熟可靠性。由于本項(xiàng)目已完成中試研究和部分產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),且中試生產(chǎn)線的工藝技術(shù)路線與本項(xiàng)目 擬建設(shè)的5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線相同,因此,中試成果獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前景非??春?,已有 包括世界500強(qiáng)之一的美國(guó)Molex公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)在探討該項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化合作事 宜,密切關(guān)注著該項(xiàng)目的進(jìn)展。三、項(xiàng)目產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研和競(jìng)爭(zhēng)力預(yù)測(cè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的納米微晶陶瓷是一種機(jī)械和化學(xué)性能優(yōu)異的新材料,可在高溫、腐蝕、無(wú)潤(rùn) 滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨結(jié)構(gòu)材料,如陶瓷軸承、機(jī)械密封件、紡織瓷件、研磨體、管道、 閥門(mén)、耐磨襯板、化工填料等。同時(shí),納米微晶陶瓷也是一種優(yōu)

13、良的電子結(jié)構(gòu)陶瓷,可替代 滑石瓷和氧化鋁陶瓷用作電子裝置用各種絕緣子、管座、電阻基體和密封外殼等。與其它材500萬(wàn)美元以上。質(zhì)的同類產(chǎn)品比,納米微晶陶瓷的性能價(jià)格比更高,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng),經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前 國(guó)內(nèi)的陶瓷研磨體市場(chǎng)高達(dá) 5億元/年以上,其中電子工業(yè)用高性能研磨體主要依賴進(jìn)口, 年進(jìn)口額超過(guò)600萬(wàn)美元。紡織瓷件中摩擦輪和導(dǎo)線輪的年進(jìn)口額也在本項(xiàng)目采用的玻璃熔制和微晶化設(shè)備可開(kāi)發(fā)一系列結(jié)構(gòu)陶瓷制品,產(chǎn)品品種可依市場(chǎng)需 求靈活調(diào)整,抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)。由于該項(xiàng)目采用的主要原料是天然礦物和工業(yè)廢渣,該結(jié) 構(gòu)陶瓷制品的制造成本不到氧化鋁陶瓷的 30%。此外,利用了工業(yè)廢渣,有利于環(huán)境保護(hù)和

14、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,可享受?chē)?guó)家對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的各項(xiàng)優(yōu)惠政策。本項(xiàng)目擬開(kāi)發(fā)以下產(chǎn)品,對(duì)其進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和價(jià)格定位的調(diào)研結(jié)果分述如下:微晶陶瓷研磨體:主要用作精細(xì)化工、涂料、油漆、油墨、陶瓷、搪瓷等行業(yè)中砂磨機(jī) 和球磨機(jī)用研磨體,也可應(yīng)用于化工反應(yīng)塔中的填料。與目前市場(chǎng)上使用的玻璃質(zhì)研磨體、 普通陶瓷質(zhì)研磨體、氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷研磨體比,其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。顯然,微晶陶瓷研磨體具更高的性能價(jià)格比,進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng),可很快成為研磨體 市場(chǎng)的新寵。表1各種陶瓷研磨體的性能及市場(chǎng)售價(jià)性能指標(biāo)納米微晶陶瓷玻璃普通陶瓷氧化鋁氧化鋯體積密度,g/cm32.72.82.452.82.42.83

15、.43.65.76.0顯微硬度,GPa10126.07.26.57.513151114抗壓強(qiáng)度,MPa120015003004004007001600200020002500相對(duì)磨損率134251.530.8市場(chǎng)售價(jià),元/kg10123.5188103050180200耐磨陶瓷襯片:主要用作工業(yè)球磨機(jī)內(nèi)襯、火電廠輸送煤粉的管道內(nèi)襯、輸送泥砂或水泥砂漿的管道內(nèi)襯和各種需要耐摩損耐腐蝕的內(nèi)襯材料。目前主要以氧化鋁或碳化硅陶瓷為 主,每噸售價(jià)達(dá)25萬(wàn)元。用微晶陶瓷制作耐磨襯片,其耐磨性優(yōu)于氧化鋁,若以1.21.5萬(wàn)元/噸的價(jià)格進(jìn)入市場(chǎng),可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。微晶陶瓷紡織瓷件:包括陶瓷摩擦片

16、、導(dǎo)線輪和止捻器。目前紡織機(jī)械用陶瓷部件的材質(zhì)主要是氧化鋁和氧化鋯兩種類型。氧化鋁陶瓷的硬度高,但晶粒尺寸較大,一般為510Am, 殘留氣孔率也在2%左右,因此其表面光潔度和耐磨性都不太理想。氧化鋯陶瓷的硬度較低, 但晶粒尺寸為0.5-14m,殘留氣孔率可小于1%,用作紡織瓷件時(shí)具有自潤(rùn)滑性,因此,其耐 磨性和使用壽命優(yōu)于氧化鋁陶瓷,但價(jià)格也高出氧化鋁陶瓷一倍以上。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的納米微 晶陶瓷比氧化鋯陶瓷的晶粒更細(xì)小,結(jié)構(gòu)更致密,硬度相近,同樣具有自潤(rùn)滑性,因此,是 制造紡織瓷件更理想的新材料,而且同規(guī)格納米微晶陶瓷部件的售價(jià)只是氧化鋁陶瓷的60%,氧化鋯陶瓷的30%左右,進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的潛力也很

17、大。電子結(jié)構(gòu)陶瓷:主要替代滑石瓷和氧化鋁陶瓷用作電子裝置用各種絕緣子、管座、電阻 基體和密封外殼等。由于本項(xiàng)目采用的工藝技術(shù)路線具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品的均勻性和可靠 性好等特點(diǎn),而售價(jià)比滑石瓷和氧化鋁陶瓷更低,且有利于提高電子元器件的穩(wěn)定性和可靠 性,在市場(chǎng)開(kāi)拓中也具有明顯優(yōu)勢(shì)。納米微晶陶瓷還可廣泛應(yīng)用于其它耐磨損、耐腐蝕的領(lǐng)域,如化工行業(yè)的閥門(mén)、管道, 催化劑載體等。總之,用本項(xiàng)技術(shù)制備的納米微晶陶瓷具有制備成本低、性能穩(wěn)定可靠、性 能價(jià)格比更高等優(yōu)勢(shì),進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)。四、項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容及投資預(yù)算實(shí)現(xiàn)20001年。項(xiàng)目的總體目標(biāo)是建設(shè)一條年產(chǎn) 5000噸低成本高可靠性納米微晶陶瓷制品生產(chǎn)線

18、, 納米陶瓷制品的連續(xù)和自動(dòng)化生產(chǎn)。項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容包括生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和制造,生產(chǎn)線的建設(shè)施工,設(shè)備安 裝調(diào)試,試生產(chǎn)并解決相應(yīng)的生產(chǎn)工藝技術(shù)問(wèn)題,穩(wěn)定生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量,達(dá)到設(shè)計(jì)的產(chǎn) 量和質(zhì)量指標(biāo)。2745萬(wàn)元(固定資產(chǎn)投入 25%),項(xiàng)目建設(shè)周期約需 投資回收期1.7年。項(xiàng)目的投資總額為人民幣3660萬(wàn)元,其中有形資產(chǎn)投入 萬(wàn)元,流動(dòng)資金745萬(wàn)元),無(wú)形資產(chǎn)915萬(wàn)元(占總資產(chǎn)的 建成投產(chǎn)后,可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值10500萬(wàn)元,年利稅3420萬(wàn)元,本項(xiàng)目建設(shè)資金2000萬(wàn)元,其中土地占用25畝,購(gòu)置費(fèi)200萬(wàn)元;生產(chǎn)廠房、辦公和 倉(cāng)貯用房8000m2,需基建投資320萬(wàn)元;生產(chǎn)線設(shè)備投資1380萬(wàn)元,水電等配套設(shè)施費(fèi)100 萬(wàn)元。主要設(shè)備名稱及價(jià)格預(yù)算如表 2所示,在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注重設(shè)備的先進(jìn)性和可靠性, 關(guān)鍵設(shè)備或部件進(jìn)口。表2 5000噸納米微晶陶瓷生產(chǎn)線主要設(shè)備名稱及價(jià)格預(yù)算序號(hào)設(shè)備名稱數(shù)量單價(jià)(萬(wàn)元)總金額(萬(wàn)元)1215m玻璃池窯1座16016022m2電熔玻璃池窯1座35353全自動(dòng)晶化輥道窯3座451354自動(dòng)配料混料系統(tǒng)1套26265自動(dòng)給料機(jī)1臺(tái)776玻璃制球機(jī)10臺(tái)3.6367出料用鉑金加熱器10臺(tái)4.2428數(shù)控磨床3臺(tái)30909玻璃模壓成型機(jī)2臺(tái)489610拋光機(jī)10臺(tái)66011精密磨床

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