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| 焊接煙塵的凈化技術(shù)及設(shè)備的新研發(fā)動態(tài)和發(fā)展趨勢 | | 發(fā)布者：admin 點(diǎn)擊：5797 | 〔摘要〕分析了焊接煙塵對人體的危害，列舉了不同工況下的焊接煙塵凈化技術(shù)，特別是分層送風(fēng)技術(shù)在整體廠房焊接煙塵治理工程中的應(yīng)用。SINBRAN燒結(jié)板過濾元件的性能特點(diǎn)，新型除塵器的研發(fā)推廣。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，焊接新材料的不斷出現(xiàn)與應(yīng)用，焊接及相關(guān)工藝過程也在同步飛速發(fā)展，促進(jìn)了人類文明與進(jìn)步。但在焊接、切割、打磨工序作業(yè)中，產(chǎn)生了大量的焊接煙塵等對人體健康有害的污染物質(zhì)。以人為本，如何治理焊接煙塵中的污染物質(zhì)？是一個擺在環(huán)保工作者面前亟待解決的難題，長沙凱天環(huán)?？萍加邢薰咀?998年開始與德國、法國合作，將歐洲的空氣凈化技術(shù)與國內(nèi)工程相結(jié)合，引進(jìn)、吸收、開發(fā)了：整體廠房焊接煙塵治理技術(shù)，等離子及激光切割煙塵凈化成套設(shè)備，濾筒式和濾管式凈化器，打磨拋光凈化工作臺及配套粉塵捕捉元件、過濾元件、吸氣臂，在焊接煙塵治理工程中，取得了可喜的成果。產(chǎn)品已成功應(yīng)用在鐵道、軍工、航空及汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域。
一、焊接煙塵中的有害物質(zhì)及對人體的危害
有害于健康的氣態(tài)和顆粒狀態(tài)物質(zhì)(包含氣體、煙霧、灰塵等)統(tǒng)稱為有害物質(zhì)。由焊接及相關(guān)工藝過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)的存在形式有氣態(tài)和顆粒狀態(tài)兩種，顆粒狀態(tài)物質(zhì)以微小的固體顆粒彌散在空氣中，根據(jù)尺寸大小對焊接及相關(guān)工藝過程中產(chǎn)生的懸浮顆粒的分類見表1。
有害物質(zhì)焊接煙塵是在焊接、切割及相關(guān)工藝過程中產(chǎn)生的，取決于采取的焊接形式以及所用的焊接材料，是一種可吸入的空氣污染物質(zhì)，懸浮在空氣中的顆粒非常小，一般其尺寸＜1mm。根據(jù)對某廠地鐵車體廠房鋁合金焊接煙塵的測定：粒徑0.1～0.28mm占到總量的79%（＜0.1mm 占11%，0.1 ～ 0.2mm占 43%，0.24 ～ 0.28mm占 25%），因此是“可呼吸的”，并稱之為焊接煙霧。
焊接及相關(guān)工藝過程產(chǎn)生焊接煙霧中的有害物質(zhì)：有毒的氣態(tài)有害物質(zhì)如一氧化碳、臭氧、氧化氮、光氣及金屬氧化物，以煙塵形式存在于空氣中的銅、鋁和鋅等；顆粒狀有害物質(zhì)如鐵的氧化物、氧化鋁、氧化錳、氟化物、鋇化物、六價(jià)鉻化物、氧化鎳、氧化鎘、氧化鉻及二氧化釷等；致癌物質(zhì)如鎳的氧化物、鉻氧化物等；還有放射性物質(zhì)。這些有毒、有害、致癌物質(zhì)對人體的作用見表2、表3。
二、整體廠房焊接煙塵治理技術(shù)
焊接過程會產(chǎn)生氣態(tài)和顆粒狀有害物質(zhì)。有害物質(zhì)總是以混合物的形式出現(xiàn)，是一種氣溶膠，密度比空氣小，焊接、切割還產(chǎn)生大量的熱量。加上太陽輻射熱和工藝設(shè)備的發(fā)熱量，一般設(shè)置機(jī)械通風(fēng)和空調(diào)，鋁合金焊接還需控制相對濕度＜65%。
如何將焊接煙塵治理和通風(fēng)空調(diào)相結(jié)合？分層送風(fēng)技術(shù)提供了理想的解決方案。
1．焊接煙塵的過濾與排放
（1）焊接煙塵的治理 金屬焊接產(chǎn)生的懸浮在空氣中的顆粒非常小，是“可呼吸”的，并稱其為焊接煙霧。這種焊接煙霧中含有氣態(tài)和顆粒狀態(tài)對人體有害的污染物質(zhì)。治理的目的：一是使室內(nèi)有害污染物的濃度小于強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和《工作場所有害因素職業(yè)接觸界限值》所規(guī)定的車間空氣中焊接煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（電焊煙塵高允許濃度為6mg/m3，鋁合金焊接煙塵為4mg/m3 ）；二是排向大氣的污染物濃度達(dá)到環(huán)保要求。
由于焊煙的塵埃粒徑微小，一般的過濾材質(zhì)無法過濾焊接煙塵，應(yīng)采用聚四氟乙烯覆膜濾筒式過濾器，采用集中式整體煙塵處理設(shè)備，脈沖反吹清灰，確保過濾精度。其工作過程如圖1所示。
（2）高效覆膜聚酯濾筒的性能特點(diǎn) 聚四氟乙烯（PTFE）覆膜聚酯濾材是一種高科技產(chǎn)品，它的微孔結(jié)構(gòu)可在特殊條件下經(jīng)機(jī)械拉伸得到，而絲毫未改變其原有特性。微孔過濾覆膜孔徑可控制在0.2～0.3mm，過濾方法屬于膜表面過濾。膜表面光滑又具備的化學(xué)穩(wěn)定性，能抗腐蝕，耐酸堿。不老化又憎水性。在過濾時(shí)膜表面截留的粉塵很容易剝落，其通氣量能長時(shí)期保持在同一水平上。由于覆膜濾材是用其光滑不粘的表面截留粉塵，利用這一特性即可節(jié)約脈沖清灰系統(tǒng)的壓縮空氣量，又可避免煙塵對薄膜基布的磨損，延長了濾筒的使用壽命。同時(shí)為設(shè)備提供低而平穩(wěn)的壓降差。
由于覆膜式濾筒面積大，體積小，可降低能量損耗，加大氣流量，延長免保養(yǎng)時(shí)間，所以高效覆膜聚酯濾筒是焊接煙塵收集系統(tǒng)的佳選擇。
2. 分層送風(fēng)的原理及特征
（1）分層送風(fēng)的原理 分層送風(fēng)是利用空氣密度差而在室內(nèi)形成由下而上的通風(fēng)氣流。新鮮空氣以極低的流速從空氣分布器流出，通常溫度低于室溫2~4℃，送風(fēng)的密度大于室內(nèi)空氣的密度。在重力作用下送風(fēng)下沉到地面并蔓延到全室，地面上形成一薄薄的冷空氣層稱其為空氣湖。空氣湖中的新鮮空氣受熱源上升氣流的卷吸作用，后續(xù)新風(fēng)的推動作用及排風(fēng)口的抽吸作用而緩慢上升，形成類似活塞流的向上單向流動，因此室內(nèi)熱濁的空氣被后續(xù)的新鮮空氣抬升到車間頂部并被設(shè)置在上部的排風(fēng)口所排出。
（2）分層送風(fēng)的特征 分層送風(fēng)是一種垂直置換流動的特殊形式，車間內(nèi)的熱源（人員、電源、焊接及切割）在置換流的上方形成向上的熱煙羽，由于熱煙羽所引起的垂直流運(yùn)動要強(qiáng)于置換流，因此，部分空氣會形成回流。但由于該氣流已被加熱，因此不能下降到空氣湖處。由此，分層送風(fēng)形成了熱力分層現(xiàn)象：靠近地面處為置換流區(qū)（空氣的質(zhì)量近于送風(fēng)），上方為混合流區(qū)。
空氣溫度場和污染物濃度場在這兩個區(qū)域有非常明顯的不同特征，下部單向流動區(qū)存在一明顯垂直溫度梯度和污染物濃度梯度，室內(nèi)溫度和污染物濃度會隨著高度的增加而增加。上部紊流混合區(qū)、溫度場和濃度場則比較均勻，接近排風(fēng)的溫度和污染物濃度。由于焊接、切割、人體及電器熱污染源形成的煙羽因密度低于周圍空氣而上升，煙羽沿程不斷卷吸周圍空氣并流向頂部。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，室內(nèi)空氣在流態(tài)上分成兩個區(qū)域，即上部紊流混合區(qū)和下部單向流動清潔區(qū)。分層送風(fēng)原理見圖2，分層送風(fēng)氣流如圖3所示。
3．分層送風(fēng)與混合通風(fēng)的比較
傳統(tǒng)的混合通風(fēng)系統(tǒng)采用稀釋原理，送風(fēng)口通常安裝在頂部，也可以安裝在側(cè)墻，它以極大的推動力將氣流送入室內(nèi)，然后由于誘導(dǎo)與室內(nèi)空氣混合，使得風(fēng)速沿著送風(fēng)路徑迅速衰減。送風(fēng)與室內(nèi)空氣混合得極為充分，從而了除送風(fēng)口附近外其他區(qū)域溫度與污染物濃度都是一致的（混合空氣品質(zhì)）?；旌贤L(fēng)的缺點(diǎn)在于室內(nèi)空氣品質(zhì)、空氣流速無法滿足室內(nèi)舒適性和人體對空氣品質(zhì)的要求。
而分層送風(fēng)是采用置換原理，以浮力控制為動力，充分利用氣體熱輕冷重的自然特性和污染物自身的浮力特性（焊接煙塵具有這種特性），是一種垂直置換流動的特殊形式。分層送氣的另一特點(diǎn)是送風(fēng)口附近風(fēng)速高，其他地方風(fēng)速相對很低，原則上分層送風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)溫度和污染物濃度會隨著高度的增加而增加，因此排風(fēng)口應(yīng)布置在靠近屋頂處。分層送風(fēng)與混合通風(fēng)方式的比較見表4。
4．分層送風(fēng)的突出優(yōu)點(diǎn)
（1）創(chuàng)造和利用上升氣流，室內(nèi)空氣溫度和污染物質(zhì)濃度隨高度上升。
（2）在室內(nèi)形成空氣湖，在人員停留區(qū)域送風(fēng)空氣品質(zhì)，排風(fēng)空氣品質(zhì)僅出現(xiàn)在頂板附近。
（3）由于送風(fēng)溫差及送風(fēng)速度均較低，了無吹風(fēng)感。
（4）為在工作區(qū)域獲得同樣的溫度，分層送風(fēng)系統(tǒng)所要求的送風(fēng)溫度高于混合通風(fēng)，這為一年中更長時(shí)間地利用自然通風(fēng)冷卻提供了可能性，以達(dá)到節(jié)能的效果。在工業(yè)廠房內(nèi)能以低耗能獲取所要求的停留區(qū)空氣品質(zhì)，相比混合通風(fēng)可節(jié)能20%～30%。
（5）可以對工作區(qū)的CO2等污染物進(jìn)行直接有效的控制，它的通風(fēng)效能系數(shù)大于混合通風(fēng)，能有效達(dá)到改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的。
（6）適用于熱量和污染物同時(shí)產(chǎn)生的車間（如焊接車間、裝配車間等）。
5．末端送風(fēng)裝置——送風(fēng)筒
分層送風(fēng)末端送風(fēng)器十分重要。根據(jù)分層送風(fēng)的原理和特性，工業(yè)建筑送風(fēng)風(fēng)速v＜0.5m/s，可避免送風(fēng)速度過大對CO2氣體保護(hù)焊接工藝的影響，和對人體造成吹風(fēng)感。目前選用進(jìn)口電動送風(fēng)筒，該送風(fēng)裝置具備冬夏季節(jié)送風(fēng)方向角度變換的功能，充分利用冷熱空氣密度的不同，有利于氣流組織。在夏季送冷風(fēng)時(shí)，通過內(nèi)部調(diào)節(jié)板，使冷空氣向上方送，由于冷空氣的比重大于車間熱空氣的比重，冷空氣落向地面，避免低溫低含濕量（高相對濕度）的送風(fēng)直接干擾工作區(qū)濕度。冬季送熱風(fēng)時(shí)，通過內(nèi)部調(diào)節(jié)板使熱空氣向下送，克服因熱空氣比重小而產(chǎn)生浮力的作用，不能送到工作區(qū)，并將臟空氣擠向車間上方，真正達(dá)到分層送風(fēng)的目的。電動送風(fēng)筒送風(fēng)場景圖和不同季節(jié)送風(fēng)如圖4所示。
6．組合式通風(fēng)除塵空調(diào)機(jī)組
組合式除塵空調(diào)機(jī)組是在組合式空調(diào)機(jī)組中增加PTFE高效濾筒過濾除塵功能段，回風(fēng)經(jīng)高效濾筒過濾段，有效率達(dá)99%，再與新風(fēng)混合后，經(jīng)冷卻（加熱）處理送入室內(nèi)。除塵空調(diào)機(jī)組功能段組合見圖5。
高效濾筒式過濾除塵段，采用脈沖反吹自動清灰方法。無油無水壓縮空氣工作壓力P=0.6MPa。多路電磁閥按設(shè)定程序自動對濾筒定期輪流有序進(jìn)行清灰，以濾筒過濾效率，煙塵經(jīng)集塵斗落入灰桶內(nèi)定期傾倒。
由于采用了PTFE高效濾筒式除塵段，所以在確保新風(fēng)量的前提下，可充分利用回風(fēng)，在過渡季節(jié)，可全新風(fēng)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。
7．整體廠房焊接煙塵凈化示意圖
（1） 除塵空調(diào)送、回風(fēng)管系統(tǒng) 除塵空調(diào)送、回風(fēng)管系統(tǒng)如圖6所示。
（2） 除塵空調(diào)送、回風(fēng)管剖面 除塵空調(diào)送、回風(fēng)管剖面如圖7所示。
8．整體廠房焊接煙塵治理工程分類
我國幅員遼闊，按照各城市的建筑氣候分區(qū)，整體廠房焊接煙塵治理可分以下幾類：
（1）夏熱冬冷地區(qū)（南京、上海、株洲、重慶、武漢等地） 該地區(qū)夏季供冷冬季供暖，除塵和空調(diào)相結(jié)合。鋁合金焊接廠房，應(yīng)以濕度優(yōu)先，控制相對濕度≤65%。除濕方法以冷凍除濕為主。冬、夏季新風(fēng)控制在≤20%，過渡季節(jié)全新風(fēng)運(yùn)行。
（2）夏熱冬暖地區(qū)（福州、廈門、廣州、南寧、?？诘鹊兀?nbsp; 該地區(qū)僅夏季供冷，除塵與空調(diào)相結(jié)合。冬季全新風(fēng)運(yùn)行，鋁合金焊接需除濕。
（3）嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)（哈爾濱、長春、沈陽、北京、西安等地） 該地區(qū)僅冬季供暖可采用蒸汽、熱水空氣加熱器，或電加熱。除塵與供暖相結(jié)合，夏季全新風(fēng)運(yùn)行。鋁合金焊接根據(jù)該區(qū)域不同氣象條件決定除濕工況。
三、局部焊接煙塵凈化技術(shù)
直接針對焊接煙塵生產(chǎn)點(diǎn)進(jìn)行捕捉、收集、凈化，投資少，凈化效果好。局部焊接煙塵凈化技術(shù)主要包括移動式焊接煙塵凈化器，集中式焊接煙塵凈化系統(tǒng)。
1．移動式焊接煙塵凈化器
適用于單雙工位，采用德國進(jìn)口元件組裝。風(fēng)量大、噪聲低，吸煙效果好。過濾效率達(dá)99.99%，可室內(nèi)排放。PLC微電腦，自動控制清灰。使用維護(hù)方便，可任意移動（如圖8所示），處理風(fēng)量1200～2400m3/h。
2. 集中式多工位焊接煙塵凈化系統(tǒng)
適用于焊接工位多且相對固定。系統(tǒng)由集中式焊煙凈化器、煙塵輸送管道及伸縮式吸氣臂組成，多工位集凈化設(shè)備有濾筒式（見圖10）和濾管式凈化器，前者采用聚酯基料表面覆（PTFE）膜濾筒過濾器；后者采用高效濾管過濾器，凈化效率達(dá)99.99%，滿足室內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)，微電腦控制脈沖自動清灰。主機(jī)處理風(fēng)量：濾筒式除塵器3000～5000m3/h，濾管式除塵器2000～8000m3/h。
四、新研發(fā)動態(tài)及發(fā)展趨勢
在黨的“以人為本、全面、健康”科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，有力地促進(jìn)了新的環(huán)保技術(shù)的不斷發(fā)展。過濾式除塵設(shè)備核心是過濾單元，SINBRAN燒結(jié)板是目前的過濾單元。
1．SINBRAN過濾元件
SINBRAN以燒結(jié)多孔的聚乙烯材料為基料，并在其表面碾壓PTFE膜的結(jié)合物，同時(shí)具有膜過濾和剛性機(jī)體過濾的特點(diǎn)。堅(jiān)固的剛性過濾體能承受較高的工作壓力，不需任何骨架支撐，并能受一定的機(jī)械沖擊力，反吹時(shí)濾板不變形。安裝和更換濾板極為方便。
SINBRAN過濾元件性能特點(diǎn)如下：
（1）粉塵捕集效率高 燒結(jié)板過濾元件的捕集效率是由其本身特有的結(jié)構(gòu)和涂層來實(shí)現(xiàn)的，通常對0.2mm以上超細(xì)粉塵的捕集效率可達(dá)99.99%。
（2）壓力損失穩(wěn)定 由于波浪式燒結(jié)板是通過表面的PTFE涂層對粉塵進(jìn)行捕捉的，其光滑的表面使粉塵很難透過與停留，過濾板母體層中不會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，阻力損失僅與過濾風(fēng)速有關(guān)，而不會隨時(shí)間上升。
（3）清灰效果好 濾片的剛性結(jié)構(gòu)，使得脈沖反吹氣流向空隙噴出時(shí)，濾片無變形，表層被氣流托付的粉塵，在瞬間即可被消去。
（4）適用于極細(xì)和特殊粉塵 燒結(jié)板除塵器對于0.2mm以上細(xì)粉塵的捕集效率可達(dá)99.99%以上，由于焊接煙塵大部分<1mm，因此，特別適合金屬焊接煙塵的凈化過濾。
（5）使用壽命長 燒結(jié)板的剛性結(jié)構(gòu)，消除了纖維織物濾袋因骨架磨損引起的壽命問題，濾片的無故障運(yùn)行時(shí)間長，不需要經(jīng)常的維護(hù)與保養(yǎng)，使用壽命一般在10年以上。
（6）兼容性強(qiáng) 過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了它們與已有的過濾系統(tǒng)的兼容，適用于現(xiàn)有的過濾系統(tǒng)。
2．KTLG系列濾管式凈化器
（1）工作原理 如圖11所示污濁的空氣通過凈化器吸入口，進(jìn)入凈化器。首先由導(dǎo)流板改變氣流方向，使氣流向上流動，進(jìn)入凈化器室體內(nèi)經(jīng)過濾管過濾分離（見圖12）。過濾后的干凈空氣通過風(fēng)機(jī)消聲段排出凈化器室體外，完成過濾分離全過程。被分離的粉塵顆粒通過自動清灰裝置吹掃，落入粉塵收集器內(nèi)。
（2）特點(diǎn) 采用高效濾管過濾；凈化效率達(dá)99.99%，滿足室內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)；濾管耐破性好，使用壽命長；粉塵不易板結(jié)易清理；風(fēng)阻小，透氣性好，運(yùn)行成本低；適應(yīng)于各種干式粉塵及煙塵凈化。
3. 大力推廣燒結(jié)板除塵器的應(yīng)用
燒結(jié)板除塵器因其極高的凈化效率，優(yōu)越的不粘粉塵的表面過濾性能，以及超長的使用壽命，在特定的除塵領(lǐng)域產(chǎn)生了其他布袋、靜電、濕法除塵設(shè)備無法替代的作用，它可廣泛用于工業(yè)各種超細(xì)、微粘性、油性的工業(yè)粉塵凈化除塵；超凈空氣凈化系統(tǒng)。電子、醫(yī)療、食品、制藥等高潔凈空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)。我公司正進(jìn)一步加強(qiáng)同國外的合作，降低除塵過濾元件成本，開發(fā)大風(fēng)量濾管式凈化器，滿足不同凈化除塵領(lǐng)域的需求。使這種捕集微塵效率高，體積小，維護(hù)保養(yǎng)方便，使用壽命長的除塵設(shè)備，在改善勞動條件和環(huán)境保護(hù)中，發(fā)揮有益的作用。
（20060718）
表2 有毒的氣態(tài)有害物質(zhì)作用 有害物質(zhì)作 用有毒
物質(zhì)HCN阻礙了血的載氧能力
中毒
呼吸停頓CO阻礙了血的載氧能力
頭痛
中毒
呼吸停頓
后失去知覺COCL2
NO2對粘膜的刺激
刺激性氣體中毒
遲發(fā)性肺水腫（危及生命）TDI對呼吸道有強(qiáng)烈的刺激作用（支氣管氣喘?。〤H2O對粘膜具有強(qiáng)烈的刺激作用
引起呼吸道的發(fā)炎并可引起癌變O3對粘膜的刺激
急性刺激氣體中毒
肺水腫
有致癌的可能致癌
表3 顆粒狀有害物質(zhì)的作用有害物質(zhì)作用
對肺壓迫氧化鋁 灰塵在肺中沉積，鋁土病
鐵的氧化物 灰塵在肺中沉積，鐵質(zhì)沉積病
氧化鉀 灰塵在肺中沉積
氧化鈉 灰塵在肺中沉積
二氧化鈦 灰塵在肺中沉積
鋇化物
（可溶性） 惡心，人體組織缺鉀
氧化鉛 惡心，消化不良，對神經(jīng)和腎臟的損害
氟化物 刺激性粘膜，損害神經(jīng)系統(tǒng)
錳的氧化物 刺激性粘膜，損害神經(jīng)系統(tǒng)
五氧化釩 對眼睛和呼吸道有刺激作用，損害肺功能
氧化銅、
氧化鋅 金屬煙霧中毒性“發(fā)熱”
氧化鈹 金屬煙霧中毒性“發(fā)熱慢性肺炎”
氧化鎘 對粘膜有強(qiáng)烈的刺激，肺水腫
六價(jià)鉻化物 對粘膜有強(qiáng)烈的刺激，對呼吸系統(tǒng)致癌
氧化鈷 損害呼吸系統(tǒng)
氧化鎳 對呼吸道有致癌作用
二氧化釷 放射性物質(zhì)，對支氣管和肺的輻射會導(dǎo)
致癌癥
有毒物質(zhì)致癌物質(zhì)
放射性
表4 分層送風(fēng)與混合通風(fēng)方式的比較
項(xiàng)目 混合通風(fēng) 分層送風(fēng)
目標(biāo) 全室溫濕度均勻 工作區(qū)舒適性
動力 流體動力控制 浮力控制
機(jī)理 氣流強(qiáng)烈參混 氣流擴(kuò)散浮力提升
措施1 大溫差、高風(fēng)速 小溫差、低風(fēng)速
措施2 上送下回 下側(cè)送上回
措施3 風(fēng)口紊流系數(shù)大 送風(fēng)紊流小
措施4 風(fēng)口參混性好 風(fēng)口擴(kuò)散性好
流態(tài) 回流區(qū)為紊流區(qū) 送風(fēng)區(qū)為層流區(qū)
分布 上下均勻 溫度、濃度分層
效果1 消除全室負(fù)荷 消除工作區(qū)負(fù)荷
效果2 空氣品質(zhì)接近于回風(fēng) 空氣品質(zhì)接近于送風(fēng)
徐文漢，男，1945年12月生，總工程師，暖通工程師。
葉明強(qiáng)，男，1966年 1 月生，總經(jīng)理，焊接碩士研究生。
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