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1、第4章 陶瓷坯體的成型41 概述陶瓷的成型技術(shù)對(duì)於製品的性能具有重要影響。新型陶瓷成型方法的選擇,應(yīng)當(dāng)根據(jù)製品的性能要求、形狀、尺寸、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益等綜合確定。411成型方法分類(lèi)日用陶瓷製品的種類(lèi)繁多,用途各異,製品的形狀、尺寸、材質(zhì)、燒成溫度不一,對(duì)各種製品的性能和品質(zhì)要求也不盡相同,因此採(cǎi)用的成型方法也多種多樣,造成了成型工藝的複雜化。4.1.2 成型方法的選擇以設(shè)計(jì)圖或樣品為依據(jù),確定工藝路線(xiàn),選擇合適的成型方法。選擇成型方法時(shí),要從以下幾方面來(lái)考慮。(1)產(chǎn)品的形狀、大小、厚薄等。一般形狀複雜、大件、薄壁產(chǎn)品,可採(cǎi)用注漿成型法。而具有簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)體形狀的器皿則可採(cǎi)用旋壓或滾壓成型法。2坯料
2、的工藝性能。可塑性較好的坯料適用於可塑成型法,可塑性較差的坯料可適用於注漿或乾壓成型法。3產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)要求。產(chǎn)量大的產(chǎn)品可採(cǎi)用可塑成型法,產(chǎn)量小的產(chǎn)品可採(cǎi)用注漿成型法。4成型設(shè)備要簡(jiǎn)單,勞動(dòng)力要小,勞動(dòng)條件要好。5技術(shù)指標(biāo)要高,經(jīng)濟(jì)效益要好??傊?、在選擇成型方法時(shí),希望在保證產(chǎn)品產(chǎn)量,品質(zhì)的前提下,選用設(shè)備最簡(jiǎn)單、生產(chǎn)週期最短、本錢(qián)最低的方法。421 注漿成型的特點(diǎn)及影響因素在傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)中,注漿成型己有200餘年歷史。本世紀(jì)30年代開(kāi)始應(yīng)用於碳化物、氮化物等新型陶瓷製品的成型。此法適於生產(chǎn)一些形狀複雜且不規(guī)則、外觀尺寸要求不嚴(yán)格、壁薄及大型厚胎的製品。注漿成型所用的料漿必須具備如下性能:
3、1料漿的流動(dòng)性好;2料漿的穩(wěn)定性要好,即不易沉澱和 分層3料漿的觸變性要小;4料漿的含水量盡可能少,滲透性要好;5料漿的脫膜性要好;6料漿中應(yīng)盡可能不含氣泡。注漿成型法有空心注漿和實(shí)心注漿兩種。為了提高注漿速度和坯體的品質(zhì),又出現(xiàn)了壓力注漿、離心注漿和真空脫氣注漿等方法。注漿成型工藝簡(jiǎn)單,但勞動(dòng)力大,生產(chǎn)週期長(zhǎng),不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;且坯料燒後的密度小、機(jī)械強(qiáng)度差、收縮變形大,對(duì)機(jī)械強(qiáng)度幾何尺寸、電氣性能要求高的新型陶瓷產(chǎn)品。一般不用此法。在實(shí)際生產(chǎn)中,注漿成型的泥漿應(yīng)具有一定的流動(dòng)性和穩(wěn)定性才能滿(mǎn)足成型的要求。(1)固相的含量、顆粒大小和形狀的影響 在一定濃度的泥漿中,固相顆粒越細(xì),顆粒間的平均距
4、離越小,吸引力增大。 位移時(shí)所需克服的阻力增大,流動(dòng)性減小。 此外,由於水有偶極性和膠體粒子帶有電荷,每個(gè)顆粒周?chē)夹纬伤?,固相顆粒所呈現(xiàn)的體積比真實(shí)體積大得多,因而阻礙泥漿的流動(dòng)。泥漿流動(dòng)時(shí),固相顆粒既有平移又有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)顆粒形狀不同時(shí),對(duì)流動(dòng)所產(chǎn)生的阻力必然不同。對(duì)於體積相同的固相顆粒來(lái)說(shuō),等軸顆粒產(chǎn)生的阻力最小;顆粒形狀不規(guī)則,流動(dòng)阻力大。泥漿流動(dòng)性差。1129(2)泥漿溫度的影響 將泥漿加熱時(shí),分散介質(zhì) (水)的黏度下降,泥漿黏度也因而降低。提高泥漿溫度,除增大流動(dòng)性外。還可加速泥漿脫水,增加坯體強(qiáng)度。所以生產(chǎn)中有采用熱模熱漿進(jìn)行澆注的方法。假設(shè)泥漿溫度為35和40。C、模型溫度
5、為35oC左右,則吸漿時(shí)間可縮短一半,脫膜時(shí)間也相應(yīng)縮短。 (3)黏土及泥漿處理方法的影響 生產(chǎn)施工發(fā)現(xiàn),黏土原料經(jīng)過(guò)乾燥後配成的泥漿其流動(dòng)性有所改變。如圖4.1所示,當(dāng)黏土乾燥溫度升高時(shí),一定量泥漿流出時(shí)間縮短,即其流動(dòng)性增加。在某一溫度下乾燥黏土?xí)r,泥漿流動(dòng)性可達(dá)最大值。而進(jìn)一步升高乾燥溫度,泥漿的流動(dòng)性卻又降低。這和黏土乾燥脫水後,外表吸附離子的吸附性質(zhì)發(fā)生變化 (這種現(xiàn)象稱(chēng)為固著現(xiàn)象)有關(guān)。 (4)泥漿的pH值的影響 一些瘠性泥漿由於不含黏土,而且採(cǎi)用的原料密度較大,容易聚沉下降,因而控制這類(lèi)泥漿的穩(wěn)定性和流動(dòng)性更顯得重要。提高瘠性泥漿流動(dòng)性的方法通常有兩種,控制泥漿的pH值;參加有機(jī)
6、膠體或外表活性物質(zhì)作為稀釋劑。瘠性泥漿中的原料多為兩性物質(zhì)。這類(lèi)物質(zhì)在酸性和鹼性介質(zhì)中都能膠溶,但離解的過(guò)程不同,形成的膠團(tuán)構(gòu)造也不同。泥漿的pH值改變時(shí),會(huì)改變膠粒外表作用力和影響。因而使泥漿在一定範(fàn)圍內(nèi)黏度顯著下降。4.2.1.2 注漿過(guò)程的物理化學(xué)變化採(cǎi)用石膏模注漿成型時(shí),既發(fā)生物理脫水過(guò)程,也出現(xiàn)化學(xué)凝聚過(guò)程,而前者是主要的,後者只占次要地位。注漿時(shí)的物理脫水過(guò)程; 泥漿注入模型後,在毛細(xì)管的作用下,泥漿中的水分沿著毛細(xì)管排出??梢哉J(rèn)為毛細(xì)管力是泥漿脫水過(guò)程的推動(dòng)力。這種推動(dòng)力取決於毛細(xì)管的半徑和水的外表張力。毛細(xì)管愈細(xì),水的外表張力愈大,則脫水的動(dòng)力就愈大。當(dāng)模型內(nèi)外表形成一層坯體後
7、。水分要繼續(xù)排出必先通過(guò)坯體的毛細(xì)孔,然後再達(dá)到模型的毛細(xì)孔中。這時(shí)注漿過(guò)程的阻力來(lái)自石膏模和坯體兩方面。注漿開(kāi)始時(shí),模型的阻力起主要作用。隨著吸漿過(guò)程的不斷進(jìn)行,坯體厚度繼續(xù)增加,坯體所產(chǎn)生的阻力越顯得重要,最後起主導(dǎo)作用。坯體所產(chǎn)生阻力的大小,決定於泥漿本身的性質(zhì)和坯體的結(jié)構(gòu)。含塑性原料多的泥漿脫水的阻力大, 形成的坯體密度大,阻力也大。石膏模產(chǎn)生的阻力取決於毛細(xì)管的大小和分佈。這又和製造模型時(shí)水與熟石膏粉的比例有關(guān)。(2)注漿時(shí)的化學(xué)凝聚過(guò)程 泥漿與石膏模接觸時(shí),在其接觸外表上溶有一定數(shù)量的CaSO4 ,它和泥漿中的Na-黏土及水玻璃發(fā)生離子交換反應(yīng):Na-黏土+CaSO4+Na2SiO
8、3Ca-黏土+CaSiO3+Na2S04 (4.1)這一反應(yīng)使得靠近石膏模外表的一層Na-黏土變成Ca-黏土。泥漿由懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)為聚沉。石膏起著絮凝劑的作用,促進(jìn)泥漿絮凝硬化,縮短成坯時(shí)間。通過(guò)上述反應(yīng)生成溶解度很小的CaSiO3。促使反應(yīng)不斷向右進(jìn)行;生成的Na2S04,是水溶性的,被吸進(jìn)模型的毛細(xì)管中。120242.1.3 增大吸漿速度的方法(1)減少模型的阻力 模型的阻力主要通過(guò)改變模型製造工藝來(lái)加以控制,為了減少模型的阻力,一般可增加水與熟石膏的比值,適當(dāng)延長(zhǎng)石膏漿的攪拌時(shí)間。真空處理石膏漿等。(2)減少坯料的阻力 坯料的阻力取決於其結(jié)構(gòu),而後者又由泥漿的組成、濃度、添加劑的種類(lèi)等因素所
9、決定。泥漿中塑性原料含量多,則吸漿速度小,泥漿含瘠性原料多,則吸漿速度大。因此,在不影響泥漿工藝性質(zhì)和產(chǎn)品品質(zhì)的前提下,適當(dāng)減少塑性原料。增多瘠性原料,對(duì)加速吸漿過(guò)程是有好處的。泥漿顆粒愈細(xì),其比外表積愈大,愈易形成緻密的坯體,疏水性差,吸漿速度因而降低,特別是大件產(chǎn)品的泥漿顆粒應(yīng)增粗。泥漿中參加稀釋劑,可以改善其流動(dòng)性,但由於促使坯體緻密化,則減慢吸漿速度。泥漿中假設(shè)參加少量絮凝劑,形成的坯體結(jié)構(gòu)疏鬆,可加快吸漿過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明參加少量Ca2+、Mg2+的硫酸鹽或氯化物都可增大吸漿速度。(3)提高吸漿過(guò)程的推動(dòng)力 泥漿與模型之間的壓力差是吸漿過(guò)程的推動(dòng)力。在一般的注漿方法中,壓力差來(lái)源於毛細(xì)管
10、力。假設(shè)採(cǎi)用外力以提高壓力差,必然有效地推動(dòng)吸漿過(guò)程加速進(jìn)行。生產(chǎn)中採(cǎi)用提高壓力差的成型在下節(jié)注漿成型中介紹。4.2.2 陶瓷坯體的注漿成型4.2.2.1 根本注漿方法(1)空心注漿 單面注漿,這種方法用的石膏模沒(méi)有型芯。泥漿注滿(mǎn)模型經(jīng)過(guò)一定時(shí)間後,模型內(nèi)壁粘附著具有一定厚度的坯體。將多餘泥漿倒出,坯體形狀在模型內(nèi)固定下來(lái)(圖4.2)。它適於澆注小型薄壁的產(chǎn)品,如坩鍋、花瓶、管件等。這種方法所用的泥漿密度較小。否則空漿後坯體內(nèi)外表有泥縷和不光滑。坯體的厚度決定於吸漿的時(shí)間、模型的濕度與溫度,也和泥漿的性質(zhì)有關(guān)。p11282實(shí)心注漿 (雙面注漿)泥漿注入外模與模芯之間(圖43)。坯體的內(nèi)部形狀由
11、型芯決定。它適於澆注兩面的形狀和花紋不同、大型、壁厚的產(chǎn)品。實(shí)心注漿常用較濃的泥漿,以縮短吸漿時(shí)間。在形成坯體的過(guò)程中,模型從兩個(gè)方向吸取泥漿中的水分??拷1谔幣黧w較緻密。坯體中心局部較疏鬆,因此對(duì)泥漿性能和注漿操作的要求較嚴(yán)。表4.1中列出了一些工廠中澆注日用瓷產(chǎn)品泥漿的性能指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中,往往根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求將空心注漿和實(shí)心注漿同時(shí)採(cǎi)用,即產(chǎn)品的某些部件用空心法成型。例如澆注盥洗池便是這樣。4222 注漿用石膏模的主要缺陷(1)開(kāi)裂 由於石膏模過(guò)分乾燥或太濕,模型各局部乾濕程度不同,漿料中原料顆粒過(guò)粗,電解質(zhì)含量少,漿料陳放時(shí)間不夠,坯體在模內(nèi)存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等原因引起。也可能因乾燥過(guò)快
12、,坯體放得不平等原因而造成開(kāi)裂。(2)氣孔與針眼 產(chǎn)生的原因有模型過(guò)乾、過(guò)熱或過(guò)舊;漿料存放過(guò)久;澆注時(shí)加漿過(guò)急,漿料密度大,黏性強(qiáng);模型內(nèi)浮灰末去掉;模型設(shè)計(jì)不妥,妨礙氣泡排出等。p1202(3)變形 模型太濕、脫膜過(guò)早、漿料水分太多、原料顆粒過(guò)細(xì)等都可能引起變形。(4)塌落 原因是漿中原料過(guò)細(xì),水分多、溫度高、電解質(zhì)多、模型過(guò)濕、 (5)粘模 產(chǎn)生的原因是模型過(guò)濕、過(guò)冷、過(guò)舊、漿料水分過(guò)多等。4.3 乾壓成型4.4.3.1 粉料的根本性質(zhì) (1)粒度和粒度的分佈 粒度是指粉料的顆粒大小,通常以顆粒的半徑或直徑表示,實(shí)際上並非所有的粉料顆粒都是球狀。非球形顆粒的大小可以用等效半徑來(lái)表示。也就
13、是把不規(guī)則的顆粒換算成為和它同體積的球體,以相當(dāng)?shù)那蝮w半徑作為其粒度的量度。 例如棒狀粒子長(zhǎng)度為a,寬度為b、高度為c則其體積為V=abc。假設(shè)與它相同的球體半徑為r 則 V=abc=4/3r3 (4.2)即該顆粒的等效半徑為粒度分佈指各種大小顆粒所占的百分比。從生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中可知,很細(xì)或很粗的粉料,在一定壓力下被壓緊成型的能力較差。表現(xiàn)在相同壓力下坯體的密度和強(qiáng)度相差很大。此外,細(xì)粉加壓成型時(shí),顆粒中分佈著的大量空氣會(huì)沿著與加壓方向垂直的平面逸出,產(chǎn)生層裂。(2) 粉料的堆積性質(zhì)由於粉料的形狀不規(guī)則,外表粗糙,使堆積起來(lái)的粉料顆粒間存在大量孔隙。粉料顆粒的堆積密度和堆積形式有關(guān)。如以等徑球狀粉料
14、為例,排列方式和孔隙率的關(guān)系列於表4.2中。假設(shè)採(cǎi)用不同大小的球體堆積,則可能小球填塞在等徑球體的孔隙中。因此採(cǎi)用一定粒度分佈的粉料可以減少其孔隙率,提高自由堆積的密度。例如,只有一種粒度的粉料堆積時(shí)的孔隙率為40。假設(shè)用兩種粒度 (平均粒徑比為10:1)配合,則其堆積密度增大。單一顆粒(即純粗顆?;蚣?xì)顆粒)的總體積約為1.4,即孔隙率約為40。假設(shè)將粗、細(xì)顆?;旌?,粗顆粒約占70,細(xì)顆粒約占30的混合粉料,其總體積約為1.25,孔隙率最低約為25。假設(shè)採(cǎi)用三級(jí)顆粒配合,則可得到更大的堆積密度。當(dāng)粗顆粒為50,中顆粒為10, 細(xì)顆粒為40,粉料的孔隙率僅為23。 粉料的拱橋效應(yīng) (或稱(chēng)為橋接)
15、粉料自由堆積的孔隙率往往比理論計(jì)算值大得多。這因?yàn)閷?shí)際粉料不是球形,加上外表粗糙,結(jié)果顆?;ハ嘟诲e(cuò)咬合,形成拱橋形空間。增大孔隙率。這種現(xiàn)象稱(chēng)為拱橋效應(yīng) (見(jiàn)圖44)。粉體雖然由固體顆粒所組成,但由於其分散度較高,具有一定的流動(dòng)性。當(dāng)堆積到一定高度後,粉料會(huì)向四周流動(dòng)。始終保持為圓錐形,其自然安息角 (偏角),保持不變。當(dāng)粉料堆的斜度超過(guò)其固有的角時(shí),粉料向四周流瀉,直到傾斜角降至角為止。因此可用此角反映粉料的流動(dòng)性。一般粉料的自然安息角為20o40o。如粉料呈球形。外表光滑,易於向四周流動(dòng),角就小。粉料的流動(dòng)性取決於它的內(nèi)摩擦力。設(shè)顆粒本身重為G(圖4.5)。它可以分解為沿自然斜坡發(fā)生的推動(dòng)
16、力:F=Gsin和垂直於斜的正壓力:N=Gcos F=N/cosSin=Ntan當(dāng)粉料維持自然安息角時(shí),顆粒不再流動(dòng),此時(shí)產(chǎn)生與F力大小相等,方向相反的摩擦力,才能維持平衡。r12094.3.2 壓製過(guò)程坯體的變化在壓制成型過(guò)程中,隨著壓力增加,鬆散的粉料迅速形成坯體。坯體的相對(duì)密度有規(guī)律地發(fā)生變化,假設(shè)以成型壓力為橫坐標(biāo),以坯體的相對(duì)密度為縱坐標(biāo),作圖,可定性地得到如圖4.6所示的關(guān)係曲線(xiàn)。加壓的第一階段,坯體密度急劇增加;第二階段,當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí)。坯體密度增加緩饅,後期幾乎無(wú)變化。第三階段,當(dāng)壓力超過(guò)某一數(shù)值 (極限變形壓力)後,坯體的密度又隨壓力增高而加大。塑性材料的粉料壓制時(shí),第二階
17、段不明顯,第一、三階段直接銜接。只有脆性粉料第二階段才明顯表現(xiàn)出來(lái)。 P1206對(duì)於壓製成型,坯體的成型密度主要有以下影響因素。1粉料裝模時(shí)自由堆積的孔隙率越小,則坯體成型後的孔隙率也越小。因此,應(yīng)控制粉料的粒度和級(jí)配,或採(cǎi)用振動(dòng)裝料時(shí)減少起始孔隙率,從而可以得到較緻密的坯體。 。2增加壓力可使坯體孔隙率減少,而且它們呈指數(shù)關(guān)係。實(shí)際生產(chǎn)中受設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制以及坯體質(zhì)量的要求,壓力值不能過(guò)大。 3延長(zhǎng)加壓時(shí)間也可以降低坯體氣孔率,但會(huì)降低生產(chǎn)率。 (4減少顆粒間內(nèi)摩擦力也可使坯體孔隙率降低。實(shí)際上,粉粒經(jīng)過(guò)造粒 (或通過(guò)噴霧乾燥)得到球形顆粒,參加成型潤(rùn)滑劑或採(cǎi)取一面加壓一面升溫 (熱壓)等方法
18、均可達(dá)到這種效果。 5坯體形狀、尺寸及粉料性質(zhì)對(duì)坯體密度的關(guān)係反應(yīng)在數(shù)值影響上。在壓制過(guò)程中,粉料與模璧產(chǎn)生摩擦作用,導(dǎo)致壓力損失。坯體的高度H與直徑D的比值 (H/D)愈大,壓力損失也愈大,坯體密度更加不均勻。模具不夠光滑、材料硬度不夠,都會(huì)增加壓力損失。模具結(jié)構(gòu)不合理,出現(xiàn)銳角。尺寸急劇變化,某些部位粉末不易填滿(mǎn)。會(huì)降低坯體密度,使密度分佈不均勻。 12064.3.2.2 強(qiáng)度變化坯體強(qiáng)度,隨成型壓力的變化大致分為三個(gè)階段。第一階段壓力較低,雖然由於粉料顆粒,位移填充孔隙,坯體孔隙減小,但顆粒間接觸面積仍小,所以強(qiáng)度並不大。第二階段是成型壓力增加。不僅顆粒位移和填充孔隙繼續(xù)進(jìn)行,而且能使顆
19、粒發(fā)生彈-塑性變形。顆粒間接觸面積大大增加。出現(xiàn)原子間力的相互作用,因此強(qiáng)度呈直線(xiàn)提高。壓力繼續(xù)增大至第三階段,坯體密度和孔隙變化不明顯。強(qiáng)度變化也較平坦。 壓制成型遇到的一個(gè)問(wèn)題是坯體中壓力分佈不均勻,即不同的部位受到的壓力不等,因而導(dǎo)致坯體各局部的密度出現(xiàn)差別。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是顆粒移動(dòng)重新排列時(shí),顆粒之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力,顆粒與模壁之間產(chǎn)生外摩擦力。這兩種摩擦力妨礙著壓力的傳遞。坯體中離加壓面的距離愈大,則受到的壓力愈小。摩擦力對(duì)坯體中壓力及密度分佈的影響隨高徑比(H/D)而變化。H/D值愈大,則不均勻分佈現(xiàn)象愈嚴(yán)重。因此高而細(xì)的產(chǎn)品不適於採(cǎi)用壓制法成型。4.3.3.1成型壓力的影響在壓制
20、過(guò)程中,加於粉料上的壓力主要消耗在以下兩個(gè)方面: 1克服粉料的阻力Pl,稱(chēng)為靜壓力。它包括顆粒相對(duì)位移時(shí)所需克服的內(nèi)摩擦力及使粉料破粹變形所需的力。2克服粉料顆粒對(duì)模壁摩擦所消耗的力,稱(chēng)為消耗壓力。 所以壓制過(guò)程中的總壓力為P=P1+P2 ,這就是一般所說(shuō)的成型壓力。它一方面與粉料的組成和性質(zhì)有關(guān),另一方面與壁模和粉料的摩擦力和摩擦面積有關(guān),即與坯體大小和形狀有關(guān)。如果坯體橫截面不變,而高度增加,形狀複雜,則壓力損耗增大。假設(shè)高度不變,而橫截面尺寸增加,則壓力損耗減。對(duì)於某種坯料來(lái)說(shuō),為了獲得緻密度一定的坯體所需要施加的單位面積上的壓力是一個(gè)定值,而壓制不同尺寸坯體所需的總壓力等於單位壓力乘以
21、受壓面積。一般工業(yè)陶瓷的單位成型壓力為401OOMPa。含黏土的坯料塑性較好,可用較低的壓力:106OMPa。產(chǎn)品性能要求嚴(yán)格的瘠性坯料需用較大的壓力。4332 加壓方式的影響單面加壓時(shí),坯體中壓力分佈是不均勻的圖4.7(a)。不但有低壓區(qū),還有死角,為了使坯體的緻密度完全一致,宜採(cǎi)用雙面加壓。雙面同時(shí)加壓時(shí),可使底部的低壓區(qū)和死角消失,但坯體中部的密度較低 【圖4.7b】假設(shè)雙面先後加壓,兩次加壓之間有間歇,利於空氣排出,使整個(gè)坯體壓力與密度都均勻【圖4.7(c】。如果在粉料四周都施加壓力 (也就是等靜壓成型),則坯體密度最均勻 【圖47(d)】。 r1210LApe4%SHxmb0#PEt
22、j8)WMBqf4&TIxnc1#QFuj9-XMCrg5*UJyod2!RGvka+YNDsh6(VKzpe3$RHwla0ZODti7(WLApf4%SIxmb1#PEuj8)XMBqg5&TJync2!QFvk9-XNCrgod2$RGvla+YODsh7(VKApe3%SHwmb0ZPEti8)WLBqf4%TIxmc1#PFu5&UJynd2!QGvk9+YNCsh6*UKzod3$RGwla+ZODsi7(VLApe4%SHxmb0#PEtj8)WMBqf5&TIync1#QFuj9-XMCrg5*UJyod2!RGvka+YNDsh6(VKzpe3$SHwlb0ZOEti7(WL
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