BRPI0714034A2 - mistura refratária para a produção de um artigo refratário, artigo refratário, e, método para fabricar o artigo - Google Patents
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Abstract
MISTURA REFRATáRIA PARA A PRODUçãO DE UM ARTIGO REFRATáRIO, ARTIGO REFRATáRIO, E, MéTODO PARA FABRICAR O ARTIGO. A presente invenção diz respeito a uma mistura refratária sem cimento. A mistura compreende um tambão de pH e um componente contendo um metal ou sílica defumada. água pode conferir boas características à mistura e pode produzir uma cura a uma baixa temperatura efetiva. A elevadas temperaturas, um artigo formado usando esta mistura tem propriedades refratárias e físicas superiores.
Description
1
"MISTURA REFRATÁRIA PARA A PRODUÇÃO DE UM ARTIGO REFRATÁRIO, ARTIGO REFRATÁRIO, E, MÉTODO PARA FABRICAR O ARTIGO"
CAMPO DA INVENÇÃO 5 A invenção diz respeito a uma mistura refratária. A mistura
contém um tampão de pH e sílica defumada ou silício metálico. A mistura pode ser formada por técnicas convencionais para criar um artigo refratário. O artigo pode ter propriedades físicas superiores, incluindo maior refratariedade, do que materiais como ligantes químicos ou a base de cimento. 10 FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Artigos refratários incluem tanto produtos pré-formados quanto produtos que são modelados in situ. Produtos pré-formados incluem barragens, tubos, placas e tijolos. Produtos formados podem ser usados como revestimentos para vasos, tubos ou canais, e são geralmente providos como 15 uma mistura que pode ser prensada, aspergida, aplicada, jateada, vibrada ou fundida no local.
Artigos refratários têm que resistir a ataques térmicos, químicos e mecânicos. Ataques térmicos incluem alta temperatura, geralmente acima de 1.000 C, e choque térmico causado pela rápida mudança 20 de temperatura do artigo. Freqüentemente, a aplicação na qual o artigo é usado inclui ou gera produtos químicos degradantes. Por exemplo, escória presente no lingotamento contínuo ataca quimicamente os artigos refratários, de forma que os artigos em contato com a escória geralmente incluem óxidos resistentes a escória, tal como zircônia. Similarmente, tubos refratários usados 25 em aços acalmados ao alumínio têm que resistir ao acúmulo de alumina que de outra forma poderia entupir o tubo. Finalmente, o artigo refratário tem que ser forte o bastante para resistir a forças mecânicas, tais como tensões compressivas, de tração ou de torção.
Normalmente, artigos refratários são formados de uma combinação de agregado refratário e um ligante. O ligante mantém o agregado no lugar. Tanto o agregado quanto o ligante podem ser profundamente afetados pelas propriedades do artigo. Agregados comuns incluem sílica, zircônia, carboneto de silício, alumina, magnésia, espinélios, dolomita calcinada, magnesita de cromo, olivina, forsterita, mulita, cianita, andalusita, camote, carbono, cromita e suas combinações.
Ligantes se enquadram em duas classes gerais, cimentícios e "químicos". Ligantes químicos incluem produtos químicos orgânicos e inorgânicos, tais como fenóis, furfural, resinas orgânicas, fosfatos e silicatos. O artigo tem geralmente que ser queimado para ativar o produto químico e iniciar o ligante. Ligantes cimentícios incluem cimento ou outros pós cerâmicos hidratáveis, tais como cimento de aluminato de cálcio ou alumina hidratável. Eles normalmente não exigem aquecimento para ativar o ligante, mas exigem a adição de água. Água reage com o ligante cimentício para endurecer a mistura. Água também serve como um meio dispersante para os pós finos. Pós secos têm baixa fluidez e não são adequados para formar artigos refratários na ausência de alta pressão. Água reduz a viscosidade da mistura, permitindo assim que a mistura agregado/ligante escoe. Infelizmente, a presença de água em um artigo refratário pode ter efeitos desastrosos, a saber, trincamento do artigo quando exposto a elevadas temperatura e mesmo evaporação explosiva a elevadas temperaturas. O artigo com um ligante cimentício geralmente exige uma etapa de secagem para eliminar água residual.
A mistura de agregado refratário/ligante tipicamente inclui pelo menos 70 % em peso de agregado e até cerca de 15 % em peso de ligante de cimento. Água é adicionada para constituir o equilíbrio da mistura em uma quantidade suficiente para produzir o escoamento desejado para formar o artigo refratário. Água pode ser adicionada diretamente, ou como um hidrato. Por exemplo, a publicação do pedido de patente europeu 0064863 adiciona 3
água como um hidrato inorgânico que se decompõe a elevadas temperaturas. A US 6.284.688 inclui água em silicato de sódio microencapsulado.
A porosidade do artigo afeta a velocidade de secagem e o dano de evaporação explosiva, em que os poros permitem que água evapore ou 5 volatilize do artigo. A tecnologia anterior aumentou a porosidade da mistura pela adição de pós metálicos. JP 38154/1986 preceitua uma mistura refratária compreendendo agregado, cimento e pó de alumínio. O pó de alumínio reage com água adicionada para produzir gás hidrogênio. O gás borbulhante forma poros através dos quais pode ocorrer a secagem e vapor pode ser liberado. A 10 reação de alumínio produz quantidades copiosas de calor que ajudam ainda mais na secagem. Problemas com pó de alumínio incluem a forte qualidade exotérmica da reação, liberação de gás hidrogênio inflamável, formação de microtrincas no artigo, e vida útil limitada do pó de alumínio. A fim de controlar esta reatividade, US 5.783.510 e US 6.117.373 preceituam uma 15 composição refratária monolítica compreendendo agregado refratário, pó de refratário e pó de metal reativo. O pó refratário inclui cimento aluminoso para ligar no agregado, conferindo assim resistência física a um artigo formado pela composição. O metal reativo inclui alumínio, magnésio, silício e suas ligas. A quantidade de metal reativo é selecionada de forma a controlar a 20 geração de gás hidrogênio e, assim, a porosidade. Alternativamente, a publicação da patente japonesa pendente 190276/1984 preceitua o uso de fibras para formar finos canais através dos quais água pode escapar. Infelizmente, fibras são difíceis de dispersar uniformemente na mistura, e diminuem a fluidez. A porosidade do artigo é também aumentada, com efeitos 25 deletérios nas propriedades físicas do artigo acabado.
Artigos refratários podem incluir um produto químico, ou seja, ligante não cimentício que pode eliminar a necessidade de água. Viscosidade é tipicamente muito alta e misturas de agregado agregado/ligante químico geralmente não escoam bem. Ligantes químicos são tipicamente ativados pelo 4
aquecimento ou queima a elevadas temperaturas, e são usados, por exemplo, em misturas para vibração a seco e muitos artigos pré-formados. A US 6.846.763 inclui betume granulado como um ligante, juntamente com agregado refratário, um pó de metal inflamável e óleo. O aquecimento da 5 mistura inflama o pó de metal, que queima o óleo, e funde e coqueifica o betume. O resultado é um artigo refratário ligado por carbono. Uma composição típica inclui 70 % em peso de agregado, 6 % em peso de silício, 7 % em peso de óleo e 13 % em peso de betume. Embora exigindo alta temperatura para formar a ligação de carbono, o artigo é substancialmente 10 sem água. Artigos ligados por carbono não são tão estáveis quanto artigos ligados por óxidos. A menos que mantidos em uma atmosfera redutora, artigos ligados por carbonos são também suscetíveis a oxidação a elevada temperatura.
A US 5.366.944 preceitua uma composição refratária usando 15 tanto ligantes de baixa temperatura quanto de alta temperatura. Água não é adicionada à composição. O ligante de baixa temperatura inclui ligantes orgânicos tais como resinas fenólicas. O ligante de alta temperatura inclui um pó de metal de alumínio, silício, magnésio e suas ligas e misturas. Um artigo pode ser formado da composição e curado a baixa temperatura para ativar o 20 ligante de baixa temperatura. O ligante de baixa temperatura agrupa o artigo até que ele seja instalado e o ligante de alta temperatura seja ativado. O ligante de metal não pode ser ativado até que a temperatura do refratário seja atingida. Vantajosamente, o ligante de metal produz um artigo de refratariedade mais alta do que ligantes a base de cimento. 25 Existe uma necessidade de uma mistura refratária sem ser a
base de cimento com um baixo teor de água e baixa porosidade que produza artigos refratários com alta resistência a altas temperaturas. SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção diz respeito a uma mistura de produção de composições refratárias, tais como fornos, panelas, distribuidores e cadinhos. As composições podem também ser usadas para artigos, no todo ou em parte, que direcionam o fluxo de metais líquidos. A mistura precisa menos água que sistemas a base de cimento tradicionais, reduzindo assim os tempos de secagem e o risco de explosão. A mistura não exige queima para atingir a cura inicial. Vantajosamente, a mistura também aumenta a refratariedade e a resistência do artigo resultante, quando comparada com mistura a base de cimento.
Em um aspecto abrangente, a invenção inclui uma mistura sem cimento de um agregado refratário e uma substância que produz um tampão de pH. A mistura pode conter um ligante contendo um componente de metal finamente pulverizado. A aplicação dita a escolha e a gradação de matérias- primas, tais como composição química e tamanho de partícula do agregado refratário e ligante. Acredita-se que um componente agregado com uma grande área superficial, tal como sílica defumada, produza um gel que age na formação de um material refratário com baixo teor de água e baixa porosidade de água. Considera-se aqui que referências a sílica defumada como um componente agregado diga esteja relacionada com a sílica defumada seca, diferente de sílica coloidal. Acredita-se também que a presença de uma substância que produz um tampão de pH, tais como magnésia, alumina, zircônia ou compostos de cálcio não cimentício, ajam para formar um material refratário com baixo teor de água e baixa porosidade de água.
A mistura da invenção exige menos água que as misturas a base de cimento tradicionais. Adicionalmente, a adição de uma dada quantidade de água na mistura agregado/ligante resulta em maior fluidez do que misturas a base de cimento. As propriedades físicas do artigo são também menos dependentes da quantidade de água adicionada do que artigos a base de cimento.
Em uma modalidade, a mistura compreende um agregado 6
refratário e de 0,5 % em peso a 5 % em peso de pó de metal com um tamanho de partícula de -200 mesh ou menos. Uma quantidade suficiente de água é adicionada à mistura, dependendo da aplicação. O pH da mistura é ajustado de forma que a evolução de gás hidrogênio seja impedida ou reduzida a um 5 nível baixo aceitável. Agentes de tamponamento, conhecidos pelos versados na técnica, podem ser usados para manter o pH. Opcionalmente, um desfloculante pode ser adicionado para melhorar as características de escoamento ou reduzir as exigências de água. A combinação agregado/ligante/água pode então ser feita em qualquer forma desejada. A 10 forma se endurece para formar um artigo. Aquecimento, tanto em um forno quanto à temperatura de uso, produz um artigo ligado por óxidos.
Um uso preferido do ligante é em uma formulação de refratário fundido. O ligante pode também ser usado em outros tipos de refratários, por exemplo, materiais plásticos, materiais triturados, tijolos e 15 formas prensadas. Versados na técnica percebem a necessidade de ajustar a vida útil e seqüências de formação para atingir uma fixação da ligação em um intervalo de tempo adequado.
Em uma modalidade específica, agregado refratário compreendendo agregado e argila queimada e sílica defumada é combinado 20 com 1 % em peso de pó de alumínio, 0,5 % em peso de tampão de magnésia e 0,2 % em peso de desfloculatne. Água é adicionada a 5 % em peso e feita na forma desejada. O controle do pH reduz a evolução de hidrogênio e a porosidade resultante. A queima produz um artigo a base de óxido denso com baixa porosidade. 25 DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A mistura da invenção contém um agregado e uma substância que produz um tampão de pH. A mistura da invenção produz uma composição refratária sem o uso de cimento. Misturas sem cimento de acordo com a presente invenção contêm menos que 3,3 % em peso de cimento do 7
exemplo comparativo aqui apresentado e pode conter menos que 0,2 % em peso de cimento.
Um ligante pode ser usado na presente invenção em combinação com agregados cerâmicos, particularmente agregados cerâmicos refratários. O ligante é sem cimento e pode consistir essencialmente em pó de metal. Uma mistura é formada compreendendo agregado, ligante de pó de metal e um tampão de pH. Uma quantidade suficiente de água é adicionada à mistura. A mistura incluindo a água é então formada em um artigo. Diferente de ligantes a base de cimento, o presente ligante feito usando o ligante de metal pode também exceder os artigos feitos usando sistemas ligantes tradicionais.
A invenção não estão limitada a nenhum agregado cerâmico particular, ou seja, o agregado cerâmico pode ser de qualquer composição química, ou tamanhos, formas ou distribuições de partículas adequadas. Agregados comuns incluem sílica, zircônia, carboneto de silício, alumina, magnésia, espinélios e suas combinações. Os agregados podem incluir materiais pirogênicos. Em uma modalidade da invenção, o agregado contém sílica defumada e uma substância, tais como alumina, magnésia, zircônia ou compostos de cálcio não cimentícios, ou combinações desses materiais, que produzem um tampão de pH. A aplicação na qual o artigo refratário deve ser usado a grosso modo dita a composição do agregado refratário. A ligação é da mesma forma adequada para produzir peças fundidas para uso em aplicações não refratárias. Metais adequados e agregados podem ser empregados para produzir materiais fundidos que podem ser usados em estruturas à temperatura ambiente. Aplicações típicas são estruturas e engenharia civil (pontes, edifícios, estradas, etc.), concreto especial e materiais de reparo.
O ligante pode consistir essencialmente em um pó de metal e não conter cimento, tal como cimento de aluminato de cálcio, que tipicamente tem uma menor resistência e refratariedade do que agregado cerâmico. O pó 8
de metal inclui qualquer metal capaz de reagir com água para formar uma matriz entre as partículas agregadas. A matriz pode ser, por exemplo, um gel de hidróxido. O pó de metal não deve ser muito reativo de forma que a velocidade de reação com água seja descontrolável. A reatividade depende 5 pelo menos do pH da solução, do metal usado e do tamanho e forma do metal. Por exemplo, metais alcalinos reagem violentamente com água, independente do pH. O pó de metal também não deve ser muito inerte de forma que o tempo de cura seja excessivo, ou inexistente. Metais não reativos incluem metais nobres e outros metais de transição com um baixo potencial químico. 10 Metais adequados para o ligante incluem, mas sem limitações,
alumínio, magnésio, silício, ferro, cromo, zircônio e suas ligas e misturas. A reatividade desses metais pode ser controlada ajustando-se vários fatores, incluindo pH e o tamanho de partícula do pó de metal. Um gel forma-se depois da mistura com água, que liga o artigo até que, a temperatura elevada, 15 uma ligação de óxido se forme, a qual liga no agregado. A ligação de óxido é mais refratária que o cimento de aluminato de cálcio e muitas outras tecnologias de ligação.
O pH da mistura agregado/ligante/água tem que ser controlado de forma que a evolução de gás hidrogênio seja mantida em limites aceitáveis. 20 A geração de hidrogênio pode ser extrema e explosivamente exotérmica. Efeitos deletérios adicionais de evolução de hidrogênio incluem maior porosidade e decomposição prematura de uma matriz de gel de hidróxido. O pH necessário para controlar a evolução de hidrogênio dependerá do metal que está sendo usado. Este pH é calculado e é baseado no potencial químico 25 do metal. Pode-se escolher um agregado que é capaz de manter o pH. Alternativamente, pode ser necessário um tampão para manter o pH desejado. Tampões adequados são conhecidos pelos versados na técnica e incluem magnésia, alumina, zircônia e compostos de cálcio não cimentícios, e combinações dessas substâncias. Preferivelmente, o tampão é por si refratário 9
ou se decomporá e volatilizará a temperaturas de uso. Um agente sequestrante, tais como ácido cítrico ou ácido bórico, pode ser adicionado para controlar os tempos de cura. A invenção pode ser praticada com uma mistura com um pH não superior a 10,0.
5 A cinética da reação metal/água é também controlada pelo
tamanho de partícula do pó de metal. A reatividade do pó de metal é proporcional à área superficial disponível. Maior área superficial resulta em maior reatividade. Um tamanho de partícula efetivo do pó de metal é -70 mesh (212 mícrons) ou menos. Um tamanho de partícula muito grande limita 10 a reatividade, e um tamanho de partícula muito pequeno tornaria a cinética da reação difícil de controlar. Um tamanho convencional é -200 mesh (75 mícrons) a -325 mesh (45 mícrons). Tamanho de partícula é apenas um meio de controlar a área superficial. A forma ou textura do pó de metal poderiam também ser alterados. Alternativamente, a superfície do ρ [o de metal poderia 15 ser revestida com um agente de passivação, tais como um polímero, cera ou óxido.
A quantidade de ligante de metal varia, entre outras coisas, com a aplicação pretendida, o agregado refratário, o metal e a velocidade de cura esperada. Uma pequena quantidade de até 0,1 % em peso tem sido 20 efetiva, e uma grande quantidade de até 10 % em peso é contemplada. Menores quantidades de ligante podem reduzir a velocidade de cura e a resistência do artigo acabado. Uma quantidade suficiente de ligante deve ser incluída na mistura para atingir as propriedades desejadas. Maiores quantidades de ligante aumentam os custos e o risco de reações espontâneas. 25 Para alumínio metálico, uma concentração de cerca de 1 % em peso funciona satisfatoriamente para aplicações em fundições. Se certos componentes agregados, tal como sílica defumada, forem usados, a mistura da invenção pode ser produzida sem o uso de ligante de metal. Especificamente, as misturas de acordo com a invenção podem ser preparadas sem pó de liga de 10
alumínio.
Opcionalmente, vários aditivos podem ser incluídos para melhorar as propriedades físicas durante ou depois da preparação do artigo. Um desfloculante pode ser adicionado para melhorar o escoamento e reduzir 5 exigências de água. Carbono, por exemplo, como negro-de-fiimo, pode ser adicionado para resistir a penetração de escória durante serviço. Antioxidantes são bem conhecidos pelos versados na técnica. Exemplo
Duas misturas de agregado/ligante fundido foram produzidas. 10 Ambas as misturas foram destinadas a revestimentos refratários para canais de corrida de alto-forno e canais de vazamento. Uma primeira mistura foi um cimento ultrabaixo fundido compreendendo 74 % em peso de alumina, 17,5 % em peso de carboneto de silício, 3,3 % em peso de cimento de aluminato de cálcio, 2,5 % em peso de sílica defumada e 0,2 % em peso de pó de metal. 15 Uma segunda mistura foi uma composição sem cimento da presente invenção compreendendo 69 % em peso de alumina, 22,5 % em peso de carboneto de silício, 6 % em peso de sílica defumada, 0,75 % em peso de silício e 0,5 % em peso de alumínio.
r
Agua foi adicionada a ambas as misturas. A mistura a base de 20 cimento precisou de 4,25 % a 6,25 % de água para obter um escoamento ASTM C-1445 de 20 - 100 %. A composição sem cimento precisou de cerca da metade de água para tingir um escoamento desejado.
A mistura e água curaram naturalmente. Durante a cura, o cimento na primeira mistura aumento o pH acima de 10,0, favorecendo assim 25 a reação de hidrólise entre pó de alumínio e água. A reação produziu hidrogênio e calor. Hidrogênio se desprendeu da mistura e produziu poros e vazios. O calor acelerou o tempo de secagem. Ao contrário, o pH da segunda mistura permaneceu abaixo de 10,0, em parte por causa da ausência de cimento. Hidrólise foi assim verificada como o desprendimento de gás. A 11
densidade da mistura sem cimento variou de 16-24 %. A porosidade da mistura sem cimento foi 13-15 %.
O cimento ultrabaixo e misturas sem cimento devem ser secos antes do uso para remover toda água residual. Vantajosamente, conforme descrito anteriormente, a quantidade de água necessária no artigo sem cimento é significativamente menor que na mistura a base de cimento, e assim a secagem é facilitada. Uma vez seco e levado para a temperatura de uso acima de 800 0C, o material sem cimento apresentou um maior módulo de ruptura (HMOR) do que o material de cimento ultrabaixo. HMOR foi realizado de acordo com a ASTM C-583. HMOR de material fundido sem cimento foi 10,3, 20,7, 8,6 e 2,8 MPa a 800, 1.100, 1.370 e 1.480 0C, respectivamente. O material fundido de cimento ultrabaixo tem menor HMOR a cada temperatura, ou seja, 62, 4,8, 5,5 e 2,1 MPa a 800, 1.100, 1.370- e 1.480 0C, respectivamente.
Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação a suas modalidades particulares, muitas outras variações e modificações ficarão aparentes aos versados na técnica. A presente invenção não deve ser limitada pela revelação específica apresentada.
Claims (20)
1. Mistura refratária para a produção de um artigo refratário, caracterizada pelo fato de que não tem cimento e que compreende: a) um tampão de pH; e b) um agregado refratário compreendendo sílica defumada e/ou ligante de metal.
2. Mistura refratária, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tampão de pH compreende zircônia, magnésia ou um composto de cálcio não cimentício, ou combinações destes.
3. Mistura refratária, de acordo com as reivindicações 1-2, caracterizada pelo fato de que a mistura inclui um ligante compreendendo metal com um tamanho de partícula não maior que 70 mesh.
4. Mistura refratária, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que compreende a presença de pelo menos 65 % em peso de agregado refratário e 0,1 - 10 % em peso de metal.
5. Mistura refratária, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o metal compreende alumínio, silício, magnésio, cromo, zircônio ou ferro, ou combinações ou ligas destes.
6. Mistura refratária, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o metal compreende silício.
7. Mistura refratária, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende um pH não maior que 10,0, quando misturada com água, para criar uma mistura com uma fluidez desejada.
8. Artigo refratário, caracterizado pelo fato de ser formado a partir da mistura como definido na reivindicação 1, feito por um processo que compreende: a) misturar o agregado refratário e o tampão de pH; b) adicionar uma quantidade suficiente de água para criar uma mistura com uma fluidez e um pH desejados; c) formar a mistura em um artigo; d) deixar que o artigo cure; e e) secar a forma para remover água em excesso.
9. Artigo refratário, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que é formado pelo aquecimento do artigo na temperatura de uso depois da secagem.
10. Artigo refratário, de acordo com as reivindicações 8-9, caracterizado pelo fato de que o tampão de pH é zircônia, alumina, magnésia, ou um composto de cálcio não cimentício, ou combinações destes.
11. Artigo refratário, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende misturar o agregado refratário com um ligante compreendendo metal com um tamanho de partícula não maior que 70 mesh.
12. Artigo refratário, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o metal é alumínio, silício, magnésio, cromo, zircônio e/ou ferro, ou combinações ou ligas destes.
13. Artigo refratário, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o metal é silício.
14. Artigo refratário, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o pH não é maior que 10,0.
15. Método para fabricar o artigo como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: a) misturar o agregado refratário e o tampão de pH; b) adicionar uma quantidade suficiente de água para criar uma mistura com fluidez desejada; c) formar a mistura em um artigo; d) deixar que o artigo cure; e e) secar a forma para remover água em excesso.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o tampão de pH compreende zircônia, alumina, magnésia ou um composto de cálcio não cimentício, ou combinações destes.
17. Método, de acordo com a reivindicação 15 — 16, caracterizado pelo fato de que compreende misturar o agregado refratário com um ligante compreendendo metal com um tamanho de partícula não maior que 70 mesh.
18. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o metal compreende alumínio, silício, magnésio, cromo, zircônio e/ou ferro, ou combinações ou ligas destes.
19. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o metal compreende silício.
20. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o pH não é maior que 10,0.
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