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Os processo de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. Conformação é o processo mecânico onde se obtém peças através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades dos moldes. 1 Características Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. Cada um destes trabalhos fornecerá características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão função da matéria prima utilizada como composição química e estrutura metalúrgica (natureza, tamanho, forma e distribuição das fases presentes) e das condições impostas pelo processo tais como o tipo e o grau de deformação, a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado. 2 O processo pode ou não ser executado com o aquecimento da materia- prima, para facilitar o processo ou para modificar das características mecânicas da peça final. Com conformação a quente pode-se conformar peças com menos gasto de energia ( mais produtividade ) e não tornando necessário um tratamento termico, pois a confomação a quente é feita com temperaturas acima do ponto critico do diagrama ferro-carbono, logo a essa temperatura a estrutura se recristaliza simultaneamente com deformção sofrida. Na conformação a frio temos a vantagem de ter um melhor acabamento final na peça, e o material da peça fica encruado, isso ajuda a aumentar a resistência mecânica, mas diminui a ductilidade. 3 PRINCIPAIS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO O número dos diferentes processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas centenas. Não obstante, é possível classificá-los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação. Basicamente, os processos de conformação mecânica podem ser classificados em: 4 Laminação: conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos. Forjamento: conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. Trefilagem: redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira ou trefila) com forma de canal convergente. Extrusão: processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo. Estampagem: o processo de transformação mecânica, geralmente realizado a frio, onde através de ferramentas adequadas à prensa, submetemos os material ao processo de moldagem de formas geralmente propostas a chapas Conformação de chapas: Compreende as operações de: •Embutimento; •Estiramento; •Corte; •Dobramento. 5 6 7 Formas úteis dos metais podem ser obtidas de 2 maneiras: a) Por processos de deformação plástica: volume do metal é conservado; b) Por processos de remoção metálica ou usinagem: retira-se algum material. 8 A conformação mecânica tem 2 efeitos principais: a) Dá forma impor uma geometria CONFORMAÇÃO MECÂNICA b) Altera as propriedades do material. • Elevar a resistência (com prejuízo da ductilidade) Ex.:deformação a frio de barras; • Elevar a resistência (sem prejuízo da ductilidade) Ex.:deform. a quente de placas. 9 Alteração microestrutura de metal deformado plasticamente 10 Tipos de classificação dos processos de conformação: a)Quanto ao tipo de esforço predominante; b)De acordo com o produto obtido; c)Quanto a temperatura de trabalho 11 1a) Classificação quanto ao tipo de esforço predominante: a) Processos do tipo compressão direta; b) Processos de compressão indireta; c) Processos do tipo trativo; d) Processos de dobramento (flexão); e) Processos de cisalhamento; 12 13 14 15 1b) Classificação de acordo com o produto obtido: a) Processos de conformação primária: através dos quais se obtém produtos semi-acabados. Ex.: chapas finas, chapas grossas e barras b) Processos de conformação secundária: através dos quais se obtém produtos acabados, geralmente a partir dos obtidos pela conf. Primária. Ex.: arames, peças forjadas, peças estampadas 16 Classificação quanto a temperatura de trabalho: a)A quente: Ttrabalho >Trecristalização; b)A frio: Ttrabalho < Trecristalização Temperatura de recristalização: é aquela na qual ocorre 100% de recristalização para o tempo de permanência de 1 hora; ou seja o surgimento de novos grãos a partir dos previamente deformados. 1c) Classificação quanto a temperatura de trabalho: a)A quente b)A frio Em função da temperatura de recristalização 17 Vantagens e desvantagens do Trabalho a Quente: De um ponto-de-vista prático o TQ – que é o estágio inicial da conformação dos materiais e ligas – apresenta um certo número de vantagens, mas também de problemas, como listado em seguida. Vantagens: •menor energia requerida para deformar o metal, já que a tensão de escoamento decresce com o aumento da temperatura; •aumento da capacidade do material para escoar sem se romper (ductilidade); •homogeneização química das estruturas brutas de fusão (e.g., eliminação de segregações) em virtude da rápida difusão atômica interna; •eliminação de bolhas e poros por caldeamento; 23 • eliminação e refino da granulação grosseira e colunar do material fundido, proporcionado grãos menores, recristalizados e equiaxiais; • aumento da tenacidade e ductilidade do material trabalhado em relação ao bruto de fusão. Vantagens: (Continuação) 24 Desvantagens: • necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de energia para aquecimento das peças; • reações do metal com a atmosfera do forno, levando as perdas de material por oxidação e outros problemas relacionados (p.ex., no caso dos aços, ocorre também descarbonetação superficial; • metais reativos como o titânio ficam severamente fragilizados pelo oxigênio e tem de ser trabalhados em atmosfera inerte ou protegidos do ar por uma barreira adequada); • formação de óxidos, prejudiciais para o acabamento superficial; 25 • desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil; • necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e contração térmicas; • estrutura e propriedades do produto resultam menos uniformesdo que em caso de TF seguido de recozimento, pois a deformação sempre maior nas camadas superficiais produz nas mesmas uma granulação recristalizada mais fina, enquanto que as camadas centrais, menos deformadas e sujeitas a um resfriamento mais lento, apresentam crescimento de grãos. Desvantagens: (Continuação) 26 27 Forjamento - Histórico É o mais antigo processo de conformar metais, tendo suas origens no trabalho dos ferreiros de muitos séculos antes de Cristo. A substituição do braço do ferreiro ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. 28 Martelamento: é feito aplicando-se golpes rápidos e sucessivos no metal. Desse modo, a pressão máxima acontece quando o martelo toca o metal, decrescendo rapidamente de intensidade à medida que a energia do golpe é absorvida na deformação do material. Observações importantes: o martelo e a bigorna foram substituídos por máquinas e matrizes que permitem a produção constante de milhares de peças. 29 Forjamento Atualmente existe um variado maquinário de forjamento, capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos, desde alfinetes, pregos, parafusos e porcas até rotores de turbinas e asas de avião. O forjamento é o processo de conformação mecânica pelo martelamento ou pela prensagem. Há dois tipos gerais de equipamentos para forjamento: os martelos de forja, ou martelos de queda, e as prensas. Nos primeiros, golpes rápidos e sucessivos são aplicados no metal, enquanto, nos segundos, o metal fica sujeito à ação de força de compressão a baixa velocidade. 30 Forjamento No martelamento, a pressão atinge a máxima intensidade quando toca o metal, decrescendo rapidamente a seguir de intensidade, à medida que a energia do golpe é absorvida na deformação do metal. Na prensagem, atinge-se o máximo valor da pressão pouco antes que ela seja retirada. Enquanto o martelamento produz deformação principalmente nas camadas superficiais, a prensagem atinge as camadas mais profundas e a deformação resultante é mais regular do que a que é produzida pela ação dinâmica do martelamento. 31 Forjamento As operações de forjamento são realizadas a quente, ou seja, a temperaturas acima das de recristalização do metal, embora alguns possam ser forjados a frio. A máxima temperatura de forjamento corresponde àquelas em que pode ocorrer fusão incipiente ou aceleração da oxidação e a mínima corresponde àquela abaixo da qual poderá começar a ocorrer encruamento. Para os aços-carbono, a faixa usual de temperatura é 800ºC – 1.000ºC. Em aços altamente ligados, as temperaturas empregadas são mais elevadas, devido à complexidade da estrutura do material. 32 A maioria das operações de forjamento é executada a quente; contudo, uma grande variedade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões são produzidas por forjamento a frio. Usos 33 é uma deformação plástica de metais, sem aquecimento, onde o material é forçado por compressão, a fluir entre uma matriz e um macho, resultando na obtenção de peças com forma e tolerâncias de precisão. Suas aplicações estão crescendo rapidamente e seu potencial e desenvolvimento para peças com formas geométricas mais complexas, fabricadas com matérias-primas que permitem maior grau de deformação. FORJAMENTO A FRIO 34 Menor quantidade de matéria-prima requerida (a peça pode ser obtida em sua forma final sem nenhuma perda de material. Alta produtividade; Possibilita a substituição de um material de custo maior (alta liga) forjado a quente, por outro de custo menor (aço carbono) forjado a frio, obtendo-se assim peças forjadas com propriedades mecânicas equivalentes. VANTAGENS 35 Necessidade de prensas de maior capacidade; Pressões elevadas nas ferramentas, necessitando assim de materiais especiais e geralmente de alto custo; Necessidade de recozimentos intermediários para obterem-se grandes deformações; Viável economicamente apenas para lotes grandes de peças; Tempos de preparação de máquinas e ajuste do ferramental maiores. DESVANTAGENS 36 Geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. Como o interior do produto estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que as superfícies externas, pode ocorrer crescimento de grão no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho. FORJAMENTO A QUENTE 37 Para se obter peças forjadas com boa qualidade, o processo precisa ser completado a uma temperatura definida para cada tipo de material. Alcance da temperatura dos diferentes metais: 38 Na conformação a quente deve-se se tomar cuidado com as quedas de temperatura. Esta queda de temperatura pode ocorrer devido ao esfriamento da peça em contato com o ar (radiação) e a transmissão de calor da peça para a ferramenta fria. Sendo que os fatores que influem na transmissão do calor são tempo de contato peça-ferramenta e a superfície da peça. Durante a conformação ocorre também um aquecimento da peça devido à energia de deformação, porém menos importante do que as perdas acima mencionadas. 39 Menor energia requerida para deformar o metal, já que a tensão de escoamento decresce com o aumento da temperatura; Aumento da capacidade do material para escoar sem se romper (ductilidade); Homogeneização química das estruturas brutas de fusão em virtude da rápida difusão atômica interna; Eliminação de bolhas e poros por caldeamento; Eliminação e refino da granulação grosseira e colunar do material fundido, proporcionado grãos menores, recristalizados e equiaxiais; Aumento da tenacidade e ductilidade do material trabalhado em relação ao bruto de fusão. Vantagens 40 Necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de energia para aquecimento das peças; Reações do metal com a atmosfera do forno, levando a perdas de material por oxidação e outros problemas relacionados Formação de óxidos Desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil; Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e contração térmica; Desvantagens 41 Forjamento – forças atuantes 42 Processo de Forjamento O forjamento é, pois, o processo de deformação a quente em que, pela aplicação de força dinâmica ou estática, se modifica a forma de um bloco metálico. O termo forjamento abrange os seguintes processos de conformação: Prensagem, em que esforço de deformação é aplicado de forma gradual; Forjamento simples ou livre, em que o esforço de deformação é aplicado mediante golpes repetidos, com o emprego de matrizes abertas ou ferramentas simples; Forjamento em matriz, que difere do anterior, porque é uma deformação vinculada, obtida mediante o emprego de matrizes fechadas; 43Prensagem Utilizado para a deformação inicial de grandes lingotes, resultando produtos a serem posteriormente forjados ou, então, para forjar os lingotes em grandes eixos, como os de navio, ou para forjar peças simétricas com secção circular ou cônica. As prensas são de grande capacidade, a qual pode atingir 50.000 toneladas ou mais; essas prensas são acionadas hidraulicamente. O êmbolo é movimentado por cilindros hidráulicos e pistões que fazer parte de sistema hidráulico de alta pressão ou por um sistema hidropneumático. 44 Prensagem 45 Prensagem Devido à quase ausência de choque, o custo de manutenção é mais baixo do que o martelamento, entretanto o custo inicial de um prensa hidráulica é maior do que uma prensa mecânica de mesma capacidade. Prensagem em matrizes fechadas é empregada na conformação de peças de metais e ligas não-ferrosas, pois esses materiais apresentam maior grau de plasticidade, necessária para preencher as cavidades das matrizes, mediante operação de esmagamento. 46 Prensagem Uma aplicação muito importante desse processo é feita na indústria aeronáutica e outros setores industriais, em peças de alumínio que, pela prática eliminação de conicidade, exigem menos usinagem e, portanto, resultam em maior economia. 47 Forjamento Livre É uma operação preliminar em que, a partir de blocos, tarugos, etc, procura-se esboçar formas que, em deformação posteriores por forjamento em matriz ou outro processo, são transformadas em objetos de formas mais complexas. 48 Forjamento Livre Contudo, o forjamento livre, pelo emprego de ferramentas simples, manuseadas por um operador experiente, permite uma série se operações de natureza elementar, entre as quais as seguintes: 49 Forjamento Livre 50 Forjamento em Matriz Neste processo, o forjamento é realizado em matrizes fechadas, que conformam a peça de acordo com uma forma definida e precisa. 51 Forjamento em Matriz Inicialmente, procede-se ao esboçamento, ou seja, ao preparo grosseiro da forma da peça, por intermédio de uma operação de forjamento livre. O pedaço esboçado é colocado sobre uma metade da matriz, presa na bigorna do martelo de queda. A outra metade da matriz está presa no martelo. Pela aplicação de golpes sucessivos, o material, aquecido acima da temperatura de recristalização, flui e preenche completamente a cavidade das duas meias matrizes. 52 Forjamento em Matriz 53 Forjamento em Matriz Inicialmente, procede-se ao esboçamento, ou seja, ao preparo grosseiro da forma da peça, por intermédio de uma operação de forjamento livre. O pedaço esboçado é colocado sobre uma metade da matriz, presa na bigorna do martelo de queda. A outra metade da matriz está presa no martelo. Pela aplicação de golpes sucessivos, o material, aquecido acima da temperatura de recristalização, flui e preenche completamente a cavidade das duas meias matrizes. 54 Os equipamentos para forjar Martelo de queda livre. Martelo dedupla ação. Martelo de dupla ação. 55 a- martelo em queda livre: consiste de uma base que suporta colunas, nas quais são inseridas as guias do suporte da ferramenta, e um sistema para a elevação da massa até a altura desejada. b- martelo de dupla ação: a massa de carga é conectada a um pistão contido em cilindro no topo do martelo. 56 Recalque O recalque é considerado similar ao forjamento livre, onde um recorte bruto do material é reduzido por compressão entre duas interfaces paralelas, geralmente planas. 57 Métodos do Forjamento em Matriz As operações de obtenção das formas intermediárias de uma peça constituem a conformação intermediária, que se compõe normalmente de três etapas: • distribuição de massas; • dobramento (se for o caso); • formação da seção transversal. Na etapa de distribuição de massas se procede à retirada de material das porções nas quais a seção transversal deva ser reduzida, e o acúmulo do material nas posições onde a seção deva ser aumentada (fase (b) da figura abaixo). As operações mais empregadas para esta etapa são: o estiramento, o encalcamento, o alargamento, a laminação, a extrusão e o rolamento, sendo o recalque usado para aumentar a secção transversal. 58 O dobramento (segunda etapa), pode ser executado durante o forjamento, sem um estágio especial, quando for paralelo ao movimento da ferramenta. Em caso contrário, é efetuado numa etapa específica durante (fase (c) da figura abaixo) ou mesmo após o forjamento da peça. Pode envolver ou não uma redução da seção transversal da peça e uma defasagem do eixo da mesma como o caso do forjamento de virabrequins (ver Dobramentos Intermediários abaixo). 59 A formação da seção transversal, ou esboçamento é a última etapa da conformação intermediária, na qual as seções transversais são aproximadas das secções definitivas da peça, de modo que as ferramentas acabadoras imprimam a forma e dimensões exatas da peça, com um consumo mínimo de energia. Esta etapa envolve uma distribuição de massa perpendicularmente ao eixo longitudinal da peça (ver fase (d) da figura acima). Observação: Por vezes é necessário mais de um estágio de esboço, quando uma única ferramenta não é capaz de estabelecer o fluxo adequado de metal ou exige um consumo de energia além da capacidade do equipamento disponível. 60 61 Formação da Rebarba- Funções 62 Na etapa de conformação final, ao iniciar-se a formação da rebarba, em virtude da presença do estrangulamento ou garganta da rebarba entre as duas matrizes, as tensões compressivas na cavidade das matrizes elevam-se consideravelmente e causam o preenchimento de todos os recessos dessa cavidade. As funções da rebarba, portanto, são duas: Atuar como "válvula de segurança" para o excesso de metal na cavidade das matrizes; e Regular o escapamento do metal, aumentando a resistência ao escoamento do sistema de modo que a pressão cresça até valores elevados, assegurando que o metal preencherá todos os recessos da cavidade. A figura abaixo é uma curva típica da variação da pressão ou carga de forjamento em função do avanço das matrizes. 63 Laminação Neste processo de conformação mecânica, o metal é forçado a passar entre dois cilindros, girando em sentido oposto, com a mesma velocidade superficial, distanciados entre si a uma distância menor que o valor da peça a ser deformada. 64 Laminação: Ao passar entre os cilindros, o metal sofre deformação plástica, a espessura é reduzida e o comprimento e a largura aumentados. Pela laminação, o perfil obtido pode ser o definitivo e a peça resultante pronta para ser usada; por exemplo, trilhos, vigas, etc.; ou o perfil obtido corresponde ao de um produto intermediário a ser empregado em outros processos de conformação mecânica como, por exemplo, tarugos para forjamento, chapas para estampagem profunda, etc. 65 Laminação a quente: Quando o aço é lingotado convencionalmente, a primeira operação de laminação ocorre em um laminador desbastador (“blooming”, “slabbing mill”), que é usualmente um duo reversível cuja distância entre os rolos pode ser variada durante a operação. Na operação de desbaste utiliza-se também laminadores universais, o que permite ummelhor esquadrinhamento do produto. Os produtos desta etapa são blocos (“blooms”, seção quadrada) ou placas (“slab”, seção retangular). 66 Laminação a frio: A laminação a frio é empregada para produzir folhas e tiras com acabamento superficial e com tolerâncias dimensionais superiores quando comparadas com as tiras produzidas por laminação a quente. Além disso, o encruamento resultante da redução a frio pode ser aproveitado para dar maior resistência ao produto final. 67 Estrutura dos Laminadores: Um laminador consiste basicamente de cilindros (ou rolos), mancais, uma carcaça chamada de gaiola ou quadro para fixar estas partes e um motor para fornecer potência aos cilindros e controlar a velocidade de rotação. 68 As forças envolvidas na laminação podem facilmente atingir milhares de toneladas, portanto é necessária uma construção bastante rígida, além de motores muito potentes para fornecer a potência necessária. O custo, portanto de uma moderna instalação de laminação é da ordem de milhões de dólares e consome-se muitas horas de projetos uma vez que esses requisitos são multiplicados para as sucessivas cadeiras de laminação contínua (“tandem mill”). Estrutura dos Laminadores: 69 Tipos de Laminadores Duo – composto apenas de dois cilindros de mesmo diâmetro, com a mesma velocidade periférica e colocados um sobre o outro. Trio – três cilindro são dispostos um sobre o outro; a peça é introduzida no laminador, passando entre o cilindro inferior e o médio e retorna entre o cilindro superior e o médio. Quádruo – compreende quatro cilindros, montados uns sobre os outros; dois desses cilindros são denominados trabalho (os de menor diâmetro) e dois denominados suporte ou apoio (os de maior diâmetro). Estes laminadores são empregados na laminação de chapas que, pela ação dos cilindros de suporte, adquirem uma espessura uniforma em toda a secção transversal. 70 Nos duos não reversíveis, figura a), o sentido do giro dos cilindros não pode ser invertido e o material só pode ser laminado em um sentido. Nos reversíveis, figura b), a inversão da rotação dos cilindros permite que a laminação ocorra nos dois sentidos de passagem entre os rolos. No laminador trio, figura c), os cilindros sempre giram no mesmo sentido. Porém, o material pode ser laminado nos dois sentidos, passando-o alternadamente entre o cilindro superior e o intermediário e entre o intermediário e o inferior. Tipos de Laminadores 71 À medida que se laminam materiais cada vez mais finos, há interesse em utilizar cilindros de trabalho de pequeno diâmetro. Estes cilindros podem fletir, e devem ser apoiados por cilindros de encosto, figura d). Este tipo de laminador denomina-se quádruo, podendo ser reversível ou não. Quando os cilindros de trabalho são muito finos, podem fletir tanto na direção vertical quanto na horizontal e devem ser apoiados em ambas as direções; um laminador que permite estes apoios é o Sendzimir, figura e). Um outro laminador muito utilizado é o universal, que dispõe de dois pares de cilindros de trabalho, com eixos verticais e horizontais, figura f). Existem outros tipos de laminadores mais especializados, como o planetário, “passo peregrino”, Mannesmann, de bolas, etc. Tipos de Laminadores 72 LAMINADOR DUO TÍPICO , com cilindro regulável durante a operação a). 73 Laminador Universal e Laminador tipo Sendzimir 74 Órgãos mecânicos de um laminador As duas estruturas metálicas que constituem a cadeira de laminação são chamadas gaiolas, as quais, por meio de mancais, suportam os cilindros. Essas gaiolas são geralmente construídas em aço fundido e são ligadas entre si por peças fundidas ou forjadas. 75 Órgãos mecânicos de um laminador Os cilindros de laminação são peças inteiriças, fundidas ou forjadas que apresentam uma parte central chamada corpo, a qual executa o esforço direto de deformação. Essa parte pode ser lisa – para laminação de chapas – ou pode apresentar reentrâncias, de modo a permitir reduções ou conformações diferentes no mesmo cilindro. Essas reentrâncias, também chamadas caneluras, possibilitam, por exemplo, pelo emprego de passes sucessivos, a redução paulatina de secção de barras redondas, quadradas, etc., por intermédio do mesmo par de cilindros ou no mesmo laminador. 76 Operações de Laminação Laminadores primários, também chamados de desbaste, têm a função de transformar os lingotes de metal em produtos intermediário ou semi-acabados, como blocos, placas e tarugos, os quais serão transformados nos laminadores acabadores em produtos acabados, tais como perfilados em geral, trilhos, chapas, tiras, etc. A laminação de desbaste é sempre feita a quente; a laminação de acabamento é geralmente iniciada a quente e, em casos de perfis mais simples, como tiras e chapas, terminada a frio. 77 78 Laminação de produtos planos Os produtos laminados planos incluem chapas em geral (pretas, estanhas, galvanizadas), tiras, barras, chatas, etc. São obtidos em laminadores com cilindros de corpo plano; além disso, nesses produtos a relação da largura para a espessura é geralmente maior que no caso de outros produtos laminados. 79
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