氧枪设计规范

建崇盛氧枪基地发展民族工业
山东崇盛冶金氧枪有限公司转炉炼钢整体（锥度）氧枪设计规范
山东崇盛冶金氧枪有限公司
氧枪研究所
二零零八年七月监制
1 山东崇盛冶金氧枪有限公司
目录
一前言
二转炉炼钢整体氧枪设计规范
（一）供氧管路的设计要求及标准
（二）供水管路的设计要求及标准
（三）整体氧枪枪体的设计要求综述
三转炉炼钢整体锥度氧枪设计规范
（一）锥度氧枪在炼钢中的优化应用及特点
（二）供氧管路的设计要求及标准
（三）供水管路的设计要求及标准
（四）锥度管的加工工艺要求
（五）整体锥度氧枪的设计要求综述
四氧枪在使用过程中存在的问题及处理建议
（一）炼钢用氧存在问题及处理建议
（二）供水管路存在问题及处理建议
五结语
2 山东崇盛冶金氧枪有限公司
转炉炼钢整体（锥度）氧枪设计规范
一前言
目前氧气炼钢已成为世界上生产钢的主要方法，我国已经基本上改变了50年代以平炉为主的产钢局面。

各大型钢厂几乎都采用LD转炉来生产炼钢，并且近来电炉用氧炼钢发展也十分迅速，因此用氧炼钢已经成为大势所趋！
从开始采用用氧炼钢，我们就一直在寻求一种既能满足生产工艺要求，又能长期、安全、使用方便的供氧设备，国内许多研究人员和工程师都做出了不少的贡献。

然而由于吹炼生铁的成分各不相同，以及炼钢方法的不同，对喷氧设备的要求也就各不相同。

而我们山东崇盛冶金氧枪有限公司经过二十年的探索、研究、试验，依托雄厚的技术力量、丰富的制作经验，终于生产制作出转炉炼钢整体（锥度）氧枪，并已经广泛运用到各炼钢厂，与此同时我们崇盛公司也进一步提高了转炉炼钢整体（锥度）氧枪的设计水平，完善了制作工艺，成为国内转炉炼钢整体（锥度）氧枪行业中的龙头企业！
氧枪是氧气顶吹转炉炼钢中的主要供氧设备。

氧枪在转炉、电炉及精炼炉内，受到高温炉气的辐射、对流以及传导等复杂的
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热负荷，另外还有高温炉渣和喷溅的不断侵蚀，工作环境十分恶劣。

此外，氧枪在操作中经常会有3-10mm厚的结渣粘在枪体上而影响热交换，故氧枪枪体外层可以认为是由两层圆筒组成，氧枪体内有循环冷却水流动，外有高温炉气流动，因此氧枪可以认为是多层圆管复杂换热的典型，要保证氧枪的正常使用就必须要有合理的枪体结构，合理的循环水冷却。

在此，我们山东崇盛冶金氧枪有限公司组织相关国内专家和冶金专业人员，凭借二十多年的氧枪制作经验，对于氧枪的结构设计进行汇总编制，进一步完善氧枪的设计制作理念，奉献给从事炼钢事业的广大读者，共同探讨，共同研究，共同进步！
借此规范成稿之时，我们山东崇盛冶金氧枪有限公司向工作在冶金战线上的各界人士表示感谢，感谢你们为炼钢冶金事业的发展做出的无私奉献，希望我们能不断学习，共同进步，以适应时代变化的要求！
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二转炉炼钢整体氧枪设计规范
（一）供氧管路的设计要求及标准
1. 氧枪枪体内氧管设计要求
(1) 氧枪枪体内氧管氧气压力、氧气流速设计要求：氧枪的供氧管路应该保证氧气在管路中的流动速度不能过大，因为压力损失大致与速度的平方成正比。

一般氧气在管路内的流动速度大约为马赫数Ma=0.1-0.2之间。

氧气在管路中的速度过大不单是压力损失大，而且容易发生由于有颗粒物的摩擦引起爆炸。

因此，在保证供氧充足的条件下，按国家规定氧气管道流速应＜60M/S。

氧枪枪体内氧管的氧气压力一般在控制在0.8-1.0MP，氧气流速尽量低于55m/s，在此条件下选取合适的氧枪枪体内氧管，以便氧枪使用时符合安全要求。

(2) 氧枪枪体内氧管材质设计要求：氧枪枪体内氧管材质主导选取国标20号低碳钢无缝钢管，此种钢管可承载氧枪氧气压力，满足氧枪的供氧能力和要求。

2. 氧枪枪体内氧管型号选取标准
按国家规定，现要求转炉公称吨位控制在50T以上，因此我们对于50T以上不同公称吨位的转炉，对应的氧流量、氧流速、内氧
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管的选取规标准下：
3. 氧枪枪体氧弯管型号选取标准及材质要求
氧枪枪体氧弯管型号选取一般等同与氧枪内氧管的尺寸。

材质要求：1Cr18Ni9Ti （不锈钢）
因为供氧管路氧弯管暴露在空气中，并且周围存有高温，煤气，粉尘等其工作环境恶劣，所以在材质选取上我们采用不锈钢，确保整体氧枪的使用安全。

（二）供水管路的设计要求及标准
1. 氧枪枪体供水管路的设计要求
(1) 氧枪枪体内水压力、水流量、水流速及进出水温差的设计要求：高温冷却必须考虑水流速度，水层厚度，和水温、水流量。

水流量取决于枪体的总换热量，水层厚度和水流速度取决于受热负
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荷。

三者最为重要的是水流速选择，过高会增加压头损失，增加能耗，过低则不能满足冷却要求。

水流在氧枪内的走行，先经内环管到达喷头上部汇水室，然后经入水口进入端底并外环管排至体外。

各部水速的安排必须恰当合理，既保证关键部位的冷却，又要不使整个系统阻力损失过大。

早期氧枪设计的水流速度分配不合理，进出水速度偏高，不应该在本来受热负荷不高的侧壁地区增设加速段，自多空喷头问世后，虽然在中心水冷这点上有所突破，但对导向分水板中心入口处和端底底缝的水流速速缺乏分析和研究，而使喷头端底热裂和熔蚀仍为制约喷头寿命的薄弱环节。

注：喷头中心端面热裂和熔蚀也可能与喷头在铸造过程中出现疏松、气孔等缺陷而造成，此时应与氧枪的水流量问题区分处理。

我们崇盛公司经过多年的研究表明，氧枪枪体的进水内环和出水外环水流速度可以相对减小，而导向分水板水流入口处和端底底缝水速必须适当提高，也即要把有限的阻降尽可能耗在受热负荷最高的喷头中心端底部位。

a.枪体冷却水温度控制：
进水温度：15℃-20℃（一般为环境温度，或者根据循环水的
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冷却效果）。

出水温度：一般控制在50℃以内（如有地区差异，或者循环
水的冷却效果差例外），如果出水温度偏高，则枪
体喷头型腔部位循环冷却水有可能被气化，并且
出水温度过高，水质不良，易在枪体喷头内部结
垢而影响枪体的冷却效果。

进出水温差：应控制在27℃以内，通过多年的经验表明在此
温差范围内表明氧枪的水的冷却效果可满足使用
要求，在安全范围之内。

b.枪体单位工作表面热交换量：根据现场实测资料，在转炉
正常吹炼条件下，吹氧管单位工作表面单位时间内的热交
换量为0.23X108大卡/米2时左右。

（为整个受热枪体部位的
平均值）
c.冷却水流量Q水的计算：
Q水=1.08×D外×L热×60
D外为枪身外径
L热为枪身受热长度
d.枪体冷却水流速度的控制：从减少水压损失和加快氧枪枪
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体冷热交换考虑，出水速度高于进水速度，则其速度可为：
进水速度4 m/s，出水速度5 m/s
也可：进水速度5 m/s，出水速度6 m/s
2. 氧枪枪体外管、中管和内管的选取配合标准（见表一）
通过炉型和现场实践经验汇总枪身在冶炼时的受热长度如下：
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山东崇盛冶金氧枪有限公司技术资料
山东崇盛冶金氧枪有限公司地址：山东省潍坊市高新技术开发区东方路北段杰兴二街
电话：（0536）8897387 传真：（0536）8897987
网址： 10
（表一）
（三）整体氧枪枪体的设计要求综述
1. 枪体组成：氧枪枪体是由三根同心圆管组成。

它将带有供氧供水和排水通路的枪尾与喷出氧气的喷头连接成一个整体，组成空心管状的氧枪，三根同心圆管通常为热轧无缝20号低碳钢管。

对于转炉氧枪而言，内管是氧气的通路，氧气从枪尾的供氧管流经内管由喷头吹入金属溶池。

2. 枪体连结：
a. 内管与枪尾的连结有两种方式：一种是采用法兰固定连接；
一种是采用法兰盘根滑动连结。

b. 内管与喷头的连接相应采用“O”型橡胶圈滑动连接，及焊
接固定。

c. 外管与枪尾的连结采用焊接或法兰螺栓固定连接；
中层管是分隔氧枪的进、出冷却水之间的隔板，中层管与枪
尾的连接是采用法兰焊接固定，与喷头的连接是采用插管
式滑动连接。

氧枪冷却水是由枪尾进水支管通过外管、中层管与内管之间的环形通路进入枪体，下降至喷头导向分水板，汇集型腔，快速流过喷头端面型腔内表面，转向180°进入外层管封隙，经枪
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顶出水管流出。

3. 综述：枪身的主要用途是要为供向喷头输送氧气和冷却水，氧枪的结构应满足转炉炼钢生产需要，并且便于喷头的更换及维护，补偿氧枪外管受热膨胀时引起的对喷头的作用力。

枪身长度适宜，上达炉外之供氧及供水导管，下达熔池面附近，其氧气的供应满足转炉公称吨位需求，供水保证氧枪枪体的冷却效果，这样设计制造的氧枪才是合理，安全，稳定，节能降耗，高效实用的转炉炼钢设备。

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三转炉炼钢整体锥度氧枪设计规范
（一）锥度氧枪在炼钢中的优化应用及特点
随着工业化程度的飞速发展，人们对钢种需求的多样化，年钢产量的大量化，这就对炼钢设备及炼钢工艺要有更新、更高、更快的发展需求。

在转炉炼钢方面，为了更高的产量，几乎所有的大中型转炉都采用了：炉膛扩容，增加装入量，减小炉容比；缩短供氧时间，增大供氧量，提高供氧强度等等，与此随之而来便是增大了冶炼难度，恶化了冶炼工况条件，这对我们为转炉供氧冶炼的重要设备----转炉氧枪，是一个严峻的考验。

为紧随高速发展的工业化程度，适应炼钢业的这一发展需求，我们山东崇盛冶金氧枪有限公司历经三年的不懈努力，通过技术改革，工艺改进，积累经验，终于自行研制出一整套制作转炉炼钢整体锥度氧枪的完善工艺。

转炉炼钢整体锥度氧枪具有以下优特点：
1. 增加枪体高度受热辐射区冷却水的存储量，改善枪体的冷却效果。

在炼钢过程中，从氧枪的喷头以上4-6米处为炉内工作部分，其受热辐射在1200-2000℃，高温环境十分恶劣，而我们锥度枪体
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从枪头6-8米以内为锥度体，其与普通氧枪相比可以存储更多的冷却水，达到更高枪体优化冷却效果。

2. 枪体锥度面减少挂渣和粘渣。

在炼钢过程中，枪体经常会挂渣和粘渣，而严重影响枪体的冷却效果，由此带来的更为严重的后果是频繁烧枪，烧喷头，喷头粘钢，使氧枪的供氧状况恶化。

而我们锥度氧枪，在易挂渣和粘渣部位是有一定角度的锥面，这样在炼钢过程中即使有挂渣和粘渣现象，也会因钢渣的自重和良好的枪体冷却效果而从锥面上自动脱落下来，从而起到减少挂渣和粘渣现象，甚至无挂渣和粘渣现象。

3. 减少锥度氧枪的外管（锥度外管）更换频率，减轻炼钢工人的劳动强度，降低炼钢生产成本。

由于枪体锥度外管的使用，冷却效果明显，挂渣和粘渣现象减少，枪体外管的烧损程度减轻，使用枪龄随之增加，这样就减少锥度氧枪的外管（锥度外管）更换频率，为钢厂节省了人力物力，降低生产成本。

4. 可适应高供氧强度环境，提高生产效率，节能降耗。

由于枪体锥度外管的使用，冷却效果明显，挂渣和粘渣现象减少，即便是在高强度供氧的冶炼环境中，也能保证喷头的正常冷却效果，使氧气射流正常搅拌，不至于被炉内反应更为激烈的环境所淘汰。

这样
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高强度的供氧，可以减少纯供纯时间，实践证明每炉钢可缩短2-3分钟；同时，减少了过度氧气的消耗和浪费，节能降耗，降低吨钢的生产成本。

（二）供氧管路的设计要求及标准
1. 锥度氧枪枪体内氧管设计要求
(1) 锥度氧枪枪体内氧管氧气压力、氧气流速设计要求：氧枪的供氧管路应该保证氧气在管路中的流动速度不能过大，因为压力损失大致与速度的平方成正比。

一般氧气在管路内的流动速度大约为马赫数Ma=0.1-0.2之间。

氧气在管路中的速度过大不单是压力损失大，而且容易发生由于有颗粒物的摩擦引起爆炸。

因此，在保证供氧充足的条件下，按国家规定氧气管道流速应＜60M/S。

氧枪枪体内氧管的氧气压力一般在控制在0.8-1.0MP，氧气流速尽量低于55m/s，在此条件下选取合适的氧枪枪体内氧管，以便氧枪使用时符合安全要求。

(2) 锥度氧枪枪体内氧管材质设计要求：氧枪枪体内氧管材质主导选取国标20号低碳钢无缝钢管，此种钢管可承载氧枪氧气压力，满足氧枪的供氧能力和要求。

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2. 锥度氧枪枪体内氧管型号选取标准
目前转炉炼钢锥度氧枪主要应用在大中型转炉，因此我们对100T以上不同公称吨位的转炉所应用到的锥度氧枪，对应的氧流量、氧流速、内氧管的选取规标准下：
3. 氧枪枪体氧弯管型号选取标准及材质要求
氧枪枪体氧弯管型号选取一般等同与氧枪内氧管的尺寸。

材质要求：1Cr18Ni9Ti （不锈钢）
因为供氧管路氧弯管暴露在空气中，并且周围存有高温，煤气，粉尘等其工作环境恶劣，所以在材质选取上我们采用不锈钢，确保整体氧枪的使用安全。

（三）供水管路的设计要求及标准
1. 锥度氧枪枪体供水管路的设计要求
(1) 锥度氧枪枪体内水压力、水流量、水流速及进出水温差的
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设计要求：高温冷却必须考虑水流速度，水层厚度，和水温、水流量。

水流量取决于枪体的总换热量，水层厚度和水流速度取决于受热负荷。

三者最为重要的是水流速选择，过高会增加压头损失，增加能耗，过低则不能满足冷却要求。

水流在氧枪内的走行，先经内环管到达喷头上部汇水室，然后经入水口进入端底并外环管排至体外。

各部水速的安排必须恰当合理，既保证关键部位的冷却，又要不使整个系统阻力损失过大。

早期氧枪设计的水流速度分配不合理，进出水速度偏高，不应该在本来受热负荷不高的侧壁地区增设加速段，自多空喷头问世后，虽然在中心水冷这点上有所突破，但对导向分水板中心入口处和端底底缝的水流速缺乏分析和研究，而使喷头中心端面热裂和熔蚀仍为制约喷头寿命的薄弱环节。

注：喷头中心端面热裂和熔蚀也可能与喷头在铸造过程中出现疏松、气孔等缺陷而造成，此时应与氧枪的水流量问题区分处理。

我们崇盛公司经过多年的研究表明，氧枪枪体的进水内环和出水外环水流速度可以相对减小，而导向分水板水流入口处和端底底缝水速必须适当提高，也即要把有限的阻降尽可能耗在受热负荷最高的端底部位。

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e.枪体冷却水温度控制：
进水温度：15℃-20℃（一般为环境温度，或者根据循环水的
冷却效果）。

出水温度：一般控制在50℃以内（如有地区差异，或者循环
水的冷却效果差例外），如果出水温度偏高，则枪
体喷头部位循环冷却水有可能被气化，并且出水
温度过高，水质不良，易在枪体喷头内部结垢而
影响枪体的冷却效果。

进出水温差：应控制在27℃以内，通过多年的经验表明在此
温差范围内表明氧枪的水的冷却效果可满足使用
要求，在安全范围之内。

f.枪体单位工作表面热交换量：根据现场实测资料，在转炉
正常吹炼条件下，吹氧管单位工作表面单位时间内的热交
换量为0.23X108大卡/米2时左右。

（为整个受热枪体部位的
平均值）
g.冷却水流量Q水的计算：
Q水=1.08×D外×L热×60
D外为枪身外径 L热为枪身受热长度
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h.枪体冷却水流速度的控制：从减少水压损失和加快氧枪枪
体冷热交换考虑，出水速度高于进水速度，则其速度可为：
进水速度4 m/s，出水速度5 m/s
也可：进水速度5 m/s，出水速度6 m/s
2. 锥度氧枪枪体锥度外管、中管和内管的选取配合标准
（见表一）
通过炉型和现场实践经验汇总枪身在冶炼时的受热长度如下：
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（表一）
（四）锥度管的加工工艺要求
锥度氧枪加工核心工艺便是锥度外管的加工。

以前一般采用加热拉拔方式加工锥度管，但此方式加工难度大，加工成型模成本高，很难满足使用要求。

因此我们山东崇盛冶金有限公司自主开发，研制出一整套完善的锥度管加工工艺，焊缝成形，变形应力消除，焊接应力消除，整体锥度管的平直度，圆度均可满足枪体在炼钢使用过程中所承受的高压，高温，侵蚀，挂渣等恶劣影响。

（五）整体锥度氧枪的设计要求综述
1. 枪体组成：氧枪枪体是由带有锥度的外管，中管及内氧管三管同心圆管组成。

它将带有供氧供水和排水通路的枪尾与喷出氧气的喷头连接成一个整体，组成空心管状的氧枪，三根同心圆管通常为热轧无缝20号低碳钢管。

对于转炉氧枪而言，内管是氧气的通路，氧气从枪尾的供氧管流经内管由喷头吹入金属溶池。

2. 枪体连结：
a. 内管与枪尾的连结有两种方式：一种是采用法兰固定连接；
一种是采用法兰盘根滑动连结。

b. 内管与喷头的连接相应采用“O”型橡胶圈滑动连接，及焊
接固定。

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c. 外管与枪尾的连结采用焊接或法兰螺栓固定连接；
中层管是分隔氧枪的进、出冷却水之间的隔板，中层管与枪
尾的连接是采用法兰焊接固定，与喷头的连接是采用插管
式滑动连接。

氧枪冷却水是由枪尾进水支管通过外管、中层管与内管之间的环形通路进入枪体，下降至喷头导向分水板，汇集型腔，快速流过喷头端面型腔内表面，转向180°进入外层管封隙，经枪顶出水管流出。

3. 综述：锥度氧枪的枪身与普通氧枪的主要用途是一致的，其目的都是要为供向喷头输送氧气和冷却水，并且便于喷头的更换及维护，补偿氧枪外管受热膨胀时引起的对喷头的作用力。

枪身长度适宜，上达炉外之供氧及供水导管，下达熔池面附近，其氧气的供应满足转炉公称吨位需求，供水保证氧枪枪体的冷却效果，在此锥度氧枪可以增加枪体高度受热辐射区冷却水的存储量，改善枪体的冷却效果；减少枪体挂渣和粘渣；在降低工人劳动强度，节能降耗的条件下，提高供氧强度，提高生产效率，降低吨钢成本，实现了我们山东崇盛冶金氧枪有限公司与各钢厂互利互惠，共收双赢的宏伟目标。

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四氧枪在使用过程中存在的问题及处理建议（一）炼钢用氧存在问题及处理建议
在氧气转炉炼钢过程中，由于使用大量的助燃氧气，如果氧枪在工作过程中出现事故是最危险的，因此要求对氧枪的安全使用必须可靠。

但在实际操作中，由于忽视某一方面的措施，也会造成重大事故，下面我们就针对氧枪在使用过程中存在的问题进行分析：
问题现象：氧枪在使用过程中吹氧管，氧枪弯管有燃烧爆炸现象。

原因分析：
（1）此现象多发生在新上转炉，刚刚开炉，投入生产不久阶段，由于冶炼中虽然使用正常范围内的工作压力，
但中心氧管流速＞60M/S的安全流速，输氧管一次清
洗不会彻底，使用一阶段后管内锈蚀，以及管路阀门
部位长期积存的铁锈随低速的氧气流流入炼钢厂内
输氧管道直至氧枪中心管，这样高压、高速气流偶尔
带上氧化铁微粒与弯管、金属软管撞击，达到燃点即
引起急剧燃烧爆炸。

（2）氧枪金属软管及接头处由于处于高温、高压状态，当
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金属软管老化，或接头处漏氧气，当炉内喷溅出的火
星喷到漏氧处即引起燃烧爆炸。

（3）氧枪管与喷头连接处内管烧坏，其主要是在冶炼过程中喷溅严重时形成的负压，炉内混合气体从喷头倒灌
枪体，再开氧时两者在枪体内部相遇，剧烈反应烧坏；
或者在吹炼过程中氧压控制不当，突然降低，造成氧
枪内氧气回火烧损。

处理建议：
（1）定期吹扫管道，保持管道清洁；
（2）各种氧气法门最好采用不锈钢法门，氧管道局部采用铜或不锈钢管为好；
（3）使用工作氧压合理配氧管，使氧气流速＜60M/S；
（4）金属软管定期更换；
（5）金属软管与氧管弯头连接处，外部用石棉布包扎，隔绝火源；
（6）严格控制金属喷溅，严格控制氧枪的氧气开关，防止炉内混合气体倒灌或回火烧枪。

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（二）供水管路存在问题及处理建议
氧枪在炼钢炉内，受有高温炉气的辐射，对流以及传导等复杂的热负荷，另外还有高温炉渣和喷溅的不断侵蚀，工作环境十分恶劣。

氧枪能在这样的工况条件下保持良好的工作状态，保证氧枪核心部位---氧枪喷头的正常吹炼工作，高速、高压、大流量冷却水的供应，起到了至关重要作用。

但在我们实际使用过程中，由于种种原因造成我们氧枪冷却水供应不足，而影响到氧枪的冷却效果，致使氧枪喷头得不到理想的吹炼工作状态，在此对于问题我们处理建议如下：
问题现象：氧枪供应冷却水流量不足，影响氧枪及喷头的正常使用。

原因分析：
（1）供水压力的影响：炼钢厂供水水泵扬程偏小，供水压力不足，达不到氧枪的供水流量要求。

（2）供水管路的影响：
a. 氧枪工作时，氧枪供水管路流量阀没有完全打开;
b. 供水管路损耗较大，特别是一条主管路同时供应两
座或两座转炉以上，同时开枪吹炼影响特别大。

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