晶相复合结构高铝砖的研制开发.docx
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晶相复合结构高铝砖的研制开发
吕梁市高新技术企业
项目申报书（攻关）
项目名称：
晶相复合结构高铝砖的研制与开发
项目申报单位：
项目组织单位：
吕梁市科学技术局
吕梁市科学技术局
二○一二年制
企业名称
主要产品
所属
技术领域
产品总收入（元）
高新技术产品（服务）收入（元）
研发机构
合作院校
职工总数（人）
大学专科以上学历的科技人员数（人）
研发人员数（人）
研究开发费用总额占销售收入总额的比例（%）
销售总额小于5000万元
销售总额5000万元至20000万元
销售总额20000万元以上
知识产权
情况
研究开发组织管理水平、科技成果转化能力情况
公司有着单独的生产设备、实验人员，专业进行工艺制作人员，验证并解决新产品小批量投产中所发生的问题，以便批量生产时顺利投产，公司有着独立的研发中心，被吕梁市经信委、财政、税务等联合认定为企业技术中心，以便为研发人员提供良好的研发环境，公司有着严格的研发管理制度，建立了立项制度和开发控制程序和研发核算体系。
公司为了不断提高研发能力，激励研发人员的积极性，制订了研发人员的绩效考核奖励制度，开展系列性研发活动，使研发人员在研发水平上不断提高。
公司还积极与洛阳理工学院、洛阳耐火材料研究院等科研院所进行了科技协作，不断深化技术创新能力。
污染物排放是否符合国家或省规定的标准
符合规定标准
项目名称
晶相复合结构高铝砖的研制与开发
申报单位
单位类型
通信地址
法人代表
电话
传真
邮编
项目联系人
电话
E-mail
职工总数
人
中高级以上职称人员数
人
开户银行
帐号
合作单位
1.
2.
3.
项目起止时间
年月至年月
学科
主题词
类别
技术领域
主要应用行业
预期成果形式
预期取得专利
上年末
财务状况
总收入万元，技术性收入万元，上缴税金万元，净利润万元；总资产万元，流动资产万元，
固定资产万元，其中科研装备万元；资产负债率。
简要说明（项目开发的创新点、工艺路线、主要技术指标级应用领域,限300字）
本项目是以孝义本地出产的被废弃的低品位矾土矿作为开发对象，经过筛选加工，调整烧结工艺，复配本地其它工业废弃物，生产出成本低廉，理化指标相对较优的一种配合料，该配合料的主要结晶相以莫来石为主，然后将该种配合料与以刚玉相为主的矾土熟料或刚玉料配制加工，生产出一种高铝砖。
该高铝砖的晶相以莫来石和刚玉两种晶相为主，形成多晶相的复合结构。
两种主晶相互相穿插，形成复杂的网络结构，这种晶相复合结构结合了莫来石和刚玉两种晶相的优点。
刚玉晶相强度高，抗侵蚀性能强，耐磨性好，热膨胀率低，荷软开始温度高，但热震性较差；莫来石晶相则热震性能好，但耐磨性、抗侵蚀性能等相对较差，两者复合则使该高铝砖的性能最优。
取代当前回转窑上被广泛使用的硅莫砖和电炉顶使用的高铝预制块，比其使用寿命提高50%以上，冶炼成本也可以降低一倍以上，具有显著的经济和社会效益。
立项背景（已从事与该项目有关研究、开发、生产情况，项目单位的科研能力、经济实力等，限300字）
随着优质矾土矿的日趋枯竭，市场上矾土熟料的价格日渐升高，给各耐火材料生产企业带来巨大的成本压力，也降低了耐材企业的竞争优势。
有鉴于此，我公司迎难而上，着眼于被废弃的低品位矾土矿的开发利用。
本项目开始于2008年，以我公司为主，借助于中钢集团洛阳耐火材料研究院和洛阳理工学院的科研优势，联合进行开发，研发的主要目的就是将那些被废弃的低品位矾土矿加以利用。
将低品位矾土矿配合工业废弃物粉煤灰加工，可以得到一种性能优异的中间产品，该产品以莫来石为主晶相，且荷软开始温度高，蠕变率小，性能稳定。
然后将这种中间产品用于生产各类高温窑炉用耐火材料，取得了很好的使用效果。
2010年开始，把上述中间产品和刚玉料或以刚玉相为主晶相的矾土熟料配制加工，生产出一种晶相复合结构的高铝砖。
目前该产品已形成规模生产能力，年产量达到两万余吨。
经过几年来的推广使用，已在国内多条回转窑生产线和电炉顶上使用，销售产品量已达六万余吨，实现销售收入一亿两千余万元。
但该产品经过多年使用，发现尚有许多不足之处，制约产品推广发展、质量提高的主要因素是废弃的低品位矾土矿的处理工艺、配合料的烧成工艺、高铝砖的生产工艺等。
技术上的瓶颈主要是废弃的低品位矾土矿成分不均，配合料生产工艺复杂，高铝砖的晶相复合结构机理不清楚，导致生产过程中出现产品质量不稳定状况等。
本项目最终实现废弃的低品位矾土矿的处理工艺成熟，发现高铝砖晶相复合结构机理，完善高铝砖的生产工艺。
项目分阶段具体实施目标
时间区间
实施内容和目标
2014年
文献查阅及分析，计划制定。
2015年
低品位铝矾土矿成分均一技术的实现。
2016年
晶相复合结构机理发现，高铝砖生产工艺完善。
2017年
验收结题。
项目规模、指标和验收内容
项目规模
项目结束后，晶相复合结构高铝砖生产能力将达到年产5万余吨。
项目完成达到的
主要技术指标
形成3项以上研发与产业化的核心关键技术：
形成1项企业技术标准；开发出开发出2项以上晶相复合结构高铝砖的用途；申报3项以上国家专利（其中发明专利不少于2项）；项目实施过程中将完善生产工艺；
项目完成达到的经济指标
项目实施完成后，用低品位矾土矿开发的配合料成本低于500元/吨，原料成本比相类似产品降低了4倍；产品的质量好，重烧线变化率接近为0，蠕变率也远低于同类产品，强度高，气孔率低，体密大，因此具有良好的使用性能，使用寿命比硅莫砖高50%以上
验收内容
提交或展示下列1、3项内容，共2项
1.技术报告2.计算机软件3.生物品种4.样品或样机5.成套技术设备
项目的经费预算单位：
万元
经费来源预算
经费支出预算
科目
预算数
科目
预算数
项目投资合计
支出预算合计
一、申请市科技局拨款
一、人员费
二、其它拨款
其中：
项目负责人
三、单位自筹
主要研究人员
四、其它
二、设备费
1．购置费
2．试制费
三、能源材料费
四、试验外协费
五、资料及印刷费
六、会议差旅费
1．会议费
2．差旅费
七、项目管理费
八、其他费用
说明：
项目组成员所在单位人员工资由财政支付的不得在资助项目经费中列支人员费。
项目主要研究人员
1．课题负责人
姓名
性别
出生年月
技术职称
职务
学位
毕业校名
毕业年份
专业
通讯地址
邮编
联系电话
手机
E-mail
身份证号码
主要论文
或
技术成果
2．主要研究人员
姓名
性别
出生
年月
学位
职称
专业
承担任务
单位
报告正文
按下列提纲填写：
一、项目申请的背景材料与依据
二、项目研究的主要内容与要解决的关键技术
三、创新点及可能获得的成果和知识产权
四、项目已有的研究基础与条件（与本项目有关的研究工作积累和已取得的阶段研究成果）
签订各方意见
项目申报单位
项目负责人（签字）（公章）
单位负责人（签字）年月日
项目组织单位
（公章）
负责人（签字）年月日
吕梁市高新技术企业攻关项目
可行性研究报告
项目名称：
晶相复合结构高铝砖的研制与开发
项目申请单位：
孝义市和中兴耐火材料有限公司
项目组织单位：
吕梁市科学技术局
吕梁市科学技术局
二O一四年制
一、项目概述
1.项目提出背景、意义及必要性
随着优质矾土矿的日趋枯竭，市场上矾土熟料的价格日渐升高，给各耐火材料生产企业带来巨大的成本压力，也降低了耐材企业的竞争优势。
有鉴于此，我公司迎难而上，着眼于被废弃的低品位矾土矿的开发利用。
被废弃的低品位矾土矿是一种工业废弃物，由于含铁高，熔点低，在高温窑炉上得不到使用，不仅造成资源浪费，而且产生环境污染，将其开发利用是一件造福于民的大好事。
但目前我国开发利用这种矾土矿的单位只有本公司一家，因此本项目由显重要。
本项目开始于2008年，以我公司为主，借助于中钢集团洛阳耐火材料研究院和洛阳理工学院的科研优势，联合进行开发，研发的主要目的就是将那些被废弃的低品位矾土矿加以利用。
将低品位矾土矿配合工业废弃物粉煤灰加工，可以得到一种性能优异的中间产品，该产品以莫来石为主晶相，且荷软开始温度高，蠕变率小，性能稳定。
然后将这种中间产品用于生产各类高温窑炉用耐火材料，取得了很好的使用效果。
2010年开始，把上述中间产品和刚玉料或以刚玉相为主晶相的矾土熟料配制加工，生产出一种晶相复合结构的高铝砖。
目前该产品已形成规模生产能力，年产量达到两万余吨。
经过几年来的推广使用，已在国内多条回转窑生产线和电炉顶上使用，销售产品量已达六万余吨，实现销售收入一亿两千余万元。
但该产品经过多年使用，发现尚有许多不足之处，制约产品推广发展、质量提高的主要因素是废弃的低品位矾土矿的处理工艺、配合料的烧成工艺、高铝砖的生产工艺等。
技术上的瓶颈主要是废弃的低品位矾土矿成分不均，配合料生产工艺复杂，高铝砖的晶相复合结构机理不清楚，导致生产过程中出现产品质量不稳定状况等。
本项目最终实现废弃的低品位矾土矿的处理工艺成熟，发现高铝砖晶相复合结构机理，完善高铝砖的生产工艺。
2.攻关目标和内容
（1）低品位矾土矿成分不均一，而且被大量废弃堆置，贫化非常严重，在加工配合料时各种原料比例难以控制，因此需要解决低品位矾土矿的富集均一化问题。
主要方法有两种，一种是手选和机械选取结合方式；另一种是将低品位矿先磨成粉，除铁，再烧结的方式。
（2）发现晶相复合结构机理。
通过SEM、TEM和XRD等多种先进的技术手段分析，得出晶相复合结构的机理，推导出这种机理是如何影响高铝砖的理化性能和使用性能的，从而得出可靠的高铝砖生产工艺。
3.项目形成成果、知识产权及完成时间
项目完成后，申报专利1-2项，获得低品位矾土矿的处理工艺，发现晶相复合结构的机理，获得晶相复合结构高铝砖的生产工艺。
知识产权将全部为孝义市和中兴耐火材料公司所有。
预计项目在2017完成验收结题。
二、项目立项的必要性及市场需求分析
1.项目技术攻关的必要性
1.1矾土矿是一种不可再生资源，我国的矾土矿产地主要集中在山西、山东、河南和贵州等地，尤其以山西的孝义和阳泉出产的矾土矿质量最好，但在开采优质矾土矿的同时，大量氧化铝含量较低，含铁高的矾土矿往往被废弃不用了，形成了一种污染环境的工业废弃物。
这些被废弃的低品位矾土矿堆置非常随意，贫化也非常严重，初期废弃的低品位矾土矿的氧化铝含量最多的能达到45%左右（如表1），经过烧结后可以达到48%以上，接近于三级矾土熟料的品位。
表1低品位矾土矿的化学成分表
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
TiO2
K2O
Na2O
低品位矿
37.06
45.09
1.13
0.09
0.09
2.6
0.08
0.06
但是由于分选技术的限制，在加工过程中往往出现成分不均一问题，有的部分氧化铝含量达到45%，但有的部分氧化铝含量只能达到30%左右，这样导致在生产配合料时，原料比例难以把握，生产出的中间产品-配合料质量不稳定，也影响到后续晶相复合结构高铝砖的生产质量。
因为配合料的氧化铝含量较低时，配合料的主晶相莫来石含量会非常低，配合料中将以二氧化硅作为主晶相。
再生产高铝砖时，原料中的刚玉相和二氧化硅合成莫来石相，减少产品中刚玉相含量，高铝砖的性能将会大打折扣，影响其使用性能。
因此，低品位矾土矿的分选技术非常必要。
1.2晶相复合结构是高铝砖产品性能优异的主要微观基础，可以说没有这种晶相结构的形成，就没有这种高铝砖优异的理化性能指标。
表2表述的是普通高铝砖和晶相复合结构高铝砖的理化指标对比表。
表2普通高铝砖和晶相复合高铝砖理化指标对比表
理化指标
普通高铝砖
晶相复合结构高铝砖
化学成份
%
Al2O3
67.5
66
SiO2
19.0
21.1
Fe2O3
1.7
1.5
体积密度，g／cm3
2.45
2.47
耐压强度，MPa
62
77
荷重软化点，0.2MPa,℃
1510
1570
烧后线变化
%
1400℃，3h
-
-
1500℃，3h
-0.3
+0.08
蠕变率，%
1250℃，50h，0.2MPa
-
-
1350℃，50h，0.2MPa
-
-0.45
从表2中可以看出，晶相复合结构高铝砖的铝含量虽然比普通高铝砖低，但其它指标均比普通高铝的各项指标优异，说明晶相复合结构有助于微观结构的改善，改善了产品的烧结性能。
虽然我们知道晶相复合结构对于提高高铝砖的性能起到至关重要的作用，但是对其机理并不清楚，例如：
刚玉相和莫来石相是独立存在，还是交叉存在，是形成网络结构，还是形成分散结构，是独自起作用，还是复合起作用，二者的合理比例是多少，刚玉多了好，还是少了好等等问题困扰着我们的生产，影响到工艺的完善。
生产中通常是固定的工艺，但经常出现高铝砖质量不稳定情况。
这些问题的出现急需我们弄清其机理，完善生产工艺。
2.项目的市场需求分析
2.1技术市场需求
国内对含铁高的废弃的低品位矾土矿的研究开发尚处于初期阶段，将其用于生产高铝砖只有我公司进行。
郝玉凤在“由低品位铝矾土矿制取聚硫氯化铝”一文中提到：
低品位铝矾土矿是指三氧化二铝含量在25～4O％之间，三氧化二铁大于2的高铁铝矾土矿。
由于其含铁量较高，既不适合作工业铝的生产原料，又不能作耐火材料，铝士矿业都将其作为回填废料而弃之。
王爱华等在“低品位铝土矿研制聚合氯化铝”一文中提出，将三氧化二铝含量大于35%的低品位矾土用于研制聚合氯化铝。
钟白茜和杨南如在“用低品位矾土研制海洋水泥”一文中提出，用三氧化二铝含量在46%左右，二氧化硅含量在23%左右的高铁铝矾土矿研制海洋工程用的特种水泥。
余其俊等在“低品位铁矾土综合利用的试验研究”中提到，可以将高铁低铝矾土矿用于研制抗硫酸盐水泥的原料。
张占梅等在“高铁铝矾土制备聚合氯化铝铁及其在污水处理中的应用研究”中提出，利用含铁的低品位铝矾土（三氧化二铝的含量32%左右）为主要原料，添加适量铝酸钙粉，制备出絮凝剂聚合氯化铝铁。
同样，黎奉武在“利用钙铝渣和低品位铝矾土制备贝利特硫铝酸盐水泥的研究”一文中也提到用低品位矾土制备水泥。
国内有对于低品位矾土矿的研究，一方面说明对于低品位矾土矿的研究开发得到学界的关注，但另一方面也说明低品位矾土矿的研究范围比较窄，层次也比较低，尤其是大家普遍认为这种矾土只能用于水泥行业，或者废弃掉。
表明将这种原料开发成耐火材料行业可用的资源是非常必要的。
这种技术一旦完全成熟，将会有广阔的利用空间，除了我公司利用之外，还可以转让给其它公司，让这种技术给矾土产业带来新的勃勃生机。
2.2产品市场需求
晶相复合结构高铝砖是一种新产品，可以替代回转窑使用的硅莫砖和电炉顶使用的预制块，不仅性能优异，使用寿命也长。
目前国内有水泥回转窑1400余条，每年需要硅莫砖大约40万吨，电炉顶预制块大约10万吨，产值可以达到21亿元人民币左右，同时，我们还可以将这种砖推广用于其他高温窑炉部位，其市场价值非常巨大。
三、相关领域国内外技术现状、发展趋势及国内现有工作基础
1．国内外技术现状、专利等知识产权情况分析和国内现有的工作基础
铝矾土是用来生产氧化铝（alumina）和铝（aluminium）的一种自然界存在的不均匀的物质。
铝矾土的主要成份包括三水铝矿（gibbsITe）、薄水铝矿（boehmite）和水铝石（diaspore）。
全球开采出来得铝矾土，超过85％是用来生产氧化铝，继而生产金属铝。
10％用于生产非金属使用的氧化铝，剩余的用于非冶炼铝矾土应用。
澳大利亚是世界上拥有铝矾土资源最多的国家，其次是几内亚，巴西，牙买加，中国，印度。
我国山西省铝矾土资源最多，其储量占全国储量的41%，贵州、广西、河南次之；生产铝矾土熟料主要在山西、河南和贵州，次为湖南、广西等地区。
国外的铝矾土主要用来冶炼金属铝，用于生产铝矾土熟料的非常少，因为生产铝矾土熟料的附加值相对较低，而且金属冶炼用的耐火材料大量用于中国市场。
因此国外技术市场对于低品位矾土矿的利用基本为零。
国内对于低品位铝矾土矿的研究利用也非常少，郝玉凤在“由低品位铝矾土矿制取聚硫氯化铝”一文中提到：
低品位铝矾土矿是指三氧化二铝含量在25～4O％之间，三氧化二铁大于2的高铁铝矾土矿。
由于其含铁量较高，既不适合作工业铝的生产原料，又不能作耐火材料，铝士矿业都将其作为回填废料而弃之。
王爱华等在“低品位铝土矿研制聚合氯化铝”一文中提出，将三氧化二铝含量大于35%的低品位矾土用于研制聚合氯化铝。
钟白茜和杨南如在“用低品位矾土研制海洋水泥”一文中提出，用三氧化二铝含量在46%左右，二氧化硅含量在23%左右的高铁铝矾土矿研制海洋工程用的特种水泥。
余其俊等在“低品位铁矾土综合利用的试验研究”中提到，可以将高铁低铝矾土矿用于研制抗硫酸盐水泥的原料。
张占梅等在“高铁铝矾土制备聚合氯化铝铁及其在污水处理中的应用研究”中提出，利用含铁的低品位铝矾土（三氧化二铝的含量32%左右）为主要原料，添加适量铝酸钙粉，制备出絮凝剂聚合氯化铝铁。
同样，黎奉武在“利用钙铝渣和低品位铝矾土制备贝利特硫铝酸盐水泥的研究”一文中也提到用低品位矾土制备水泥。
因此，国内外对于低品位铝矾土矿的研究非常少，研究范围比较窄，层次也比较低，
高铝砖的矿物组成根据所使用的铝矾土所定，熟料的矿物组成一般是莫来石、刚玉和玻璃相。
莫来石理论组成为Al2O371.8％，SiO228.2％，其熔融分解温度为1840℃。
具有针状结晶，呈网络交叉结构，高温状态表现出较好的强度。
刚玉以α-Al2O3形态存在，熔点为2050℃，硬度为莫氏9级，呈粒、柱状晶体，有良好的化学稳定性，对酸、碱性炉渣都有一定的抵抗能力。
以莫来石矿物组成为基础，根据Al2O3含量，可以判断高铝砖的相组成。
砖中Al2O3低于71.8％时，组成基础是莫来石和SiO2，如LZ-48牌号砖。
因含有大量的SiO2在高温下形成的液相可达20％～30％；砖中Al2O3超过71.8％时，多余的Al2O3在高温下形成刚玉晶体，同时生成2个高温晶相，共熔温度由低Al2O3含量砖的1595℃上升到1840℃，如牌号为LZ-75的砖。
实际上，生产中不可能反应达到完全的相平衡状态，但形成的玻璃相甚少，存在于晶相的局部间隙中，含量不超过10％。
目前，国内外高铝砖都是采用含氧化铝的材料制成的，主要原料是铝矾土熟料和硅线石一族，铝矾土熟料Al2O3含量均高于48%。
高铝砖中的刚玉相和莫来石相是由铝矾土熟料和硅线石带入的。
国内外高铝砖的研发已有百余年的历史了，研究成果非常多。
但对于晶相复合结构高铝砖的研发在国内外尚属首次提出，尤其是将前述的低品位高铁铝矾土矿作为主要原料生产晶相复合高铝砖还不曾有文献报道，即使在铝矾土出产的主要省份山西也没有发现有企业在生产这种产品。
晶相复合结构高铝砖是利用低品位矾土矿制成的配合料和刚玉料或者含刚玉相的矾土熟料制成的。
低品位矾土制成的配合料作为高铝砖的原料有利于降低高铝砖的烧成温度降低，烧成温度为1450℃-1480℃，而其他类高铝砖的烧成温度一般要高于1550℃，有的更高的达到1600℃。
晶相复合结构的高铝砖的烧成温度低，因而有利于该砖中的刚玉相保留，形成莫来石相和刚玉相复合的结构，而其他类高铝砖由于烧成温度高，砖中的刚玉相容易与二氧化硅反应生成莫来石相，因而保留的刚玉相相对较少，有的甚至只有莫来石相。
硅莫砖，有“耐磨砖”的谐音，20世纪90年代初试制成功，曾叫HMS高耐磨砖，耐磨系数高于磷酸盐结合高铝砖五倍以上。
就其物相成分来讲应该为碳化硅一莫来石制品，简称硅莫砖。
这个称谓大多在建材行业流行，其他行业一般称为高铝碳化硅砖、三氧化二铝一碳化硅砖。
硅莫砖是由铝矾土熟料和碳化硅，再配以粘土烧成的制品，Al2O3含量一般在58-65%之间，根据莫来石相形成的规律，这种制品中刚玉相含量非常低，不能有效形成晶相复合结构。
晶相复合结构高铝砖在使用时比硅莫砖有更好的使用性能，从目前使用情况来看，水泥回转窑分解带部位和三次风管部位使用，均比硅莫砖的使用寿命长50%左右。
高铁低品位矾土矿目前国内外基本没有被开发，因此可以借鉴的资料几乎为空白，而将其用于生产晶相复合结构高铝砖也是我公司独有的技术，所以，在生产使用过程中还有许多理论和技术问题需要得到解决，这种技术尚处于初级阶段。
由于近些年钢铁、建材等行业的迅猛发展，对高性能耐火材料的及其制品的需求也越来越多，因此对这种技术和产品的完善需要国内外各种技术力量和生产单位的通力合作，使其得以提高，造福社会。
2．国内外技术发展趋势
低品位铝矾土矿和晶相复合结构高铝砖的研制开发只是这项技术的初级阶段，远没有达到完善的地步，其中的生产工艺和机理研究还需进行大量研究。
由于受地理位置限制，低品位铝矾土矿比较集中在铝矾土产区，许多研究者还没有注意到它的存在，而当地很多铝矾土开采者受到知识和眼界所限，加之利益驱动，往往对这些低品位矾土不屑一顾，一般都是堆弃在荒沟野岭，对于其加工利用，尤其是成分均化技术更本不屑一提，因此导致这种产品的技术不能得以发展。
但是随着优质铝矾土矿资源越来越少，开采难度加大，这些被废弃的低品位矾土的再生利用必然会得到重视。
其均化技术、分离提纯技术都将得到发展，正如当年粉煤灰一样，初期粉煤灰作为工业废弃物被埋葬在荒沟中，倾倒者还得付费购买埋灰点，但随着技术的发展，粉煤灰却成了工业的宠儿，在很多行业被加以利用。
晶相复合结构高铝砖也是一项新技术，新产品，还不被耐火材料企业所重视，但其有着低廉的价格，优异的使用性能，必将引起广大企业的重视，最终成为硅莫砖等产品的替代品。
而且这种高铝砖还将用于其它高温窑炉。
四、项目计划目标及主要研究内容
1． 主要目标
本项目最终要实现低品位铝矾土矿的成分均一工艺，使其氧化铝含量平均达到42%以上，得出晶相复合结构高铝砖的机理，完善其生产制造工艺。
同时还形成多项技术和产业化成果：
1）形成3项以上研发与产业化的核心关键技术；
2）形成1项企业技术标准；
3）开发出2项以上晶相复合结构高铝砖的用途；
4）申报3项以上国家专利（其中发明专利不少于2项）；
5）项目实施过程中将完善生产工艺；
6）将技术
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