Im Zusammenhang mit dem Elektrostahlofen (EAF) ist die Schrottqualität ein entscheidender Faktor für die Energieeffizienz und die Produktivität des gesamten Prozesses. Einer der Schlüsselaspekte bei der Schrottverarbeitung ist die Dichte des Schrotts, die einen direkten Einfluss auf den Energieverbrauch und die Schmelzrate hat. Forscher wie Bosley et al. [36] haben gezeigt, dass jede Minute, in der die Energiezufuhr unterbrochen wird, zu einem Produktivitätsverlust von etwa 5% führt. Dies stellt einen signifikanten Faktor dar, der die gesamte Schrottverarbeitung beeinflusst.

Der Prozess des Einzelkorbanladens, der die Anzahl der Ladezyklen reduziert, ist ein weiterer Faktor, der den Energieverbrauch senkt und gleichzeitig die Produktivität steigert. Laurenti et al. [37] zeigten 2005, dass bei einem EAF mit einer Nennkapazität von 82 Tonnen durch den Einsatz von Einzelkorb-Ladung eine Betriebszeit von weniger als 30 Minuten erreicht werden konnte. Dies führte zu einer Produktivität von 140 Tonnen pro Stunde und einer jährlichen Produktionskapazität von 1 Million Tonnen. Durch die Verwendung von großen Körben mit einem Volumen von 140 m³ und einer Schrottdichte von über 0,65 Tonnen pro m³ war es möglich, den Prozess mit nur einem Korb pro Charge zu betreiben. Für den Fall, dass das Schrottvolumen größer wurde, konnte der Ofen auf bis zu 150 m³ erhöht werden, was zu einer noch effizienteren Nutzung der Energie führte.

Ein weiteres bemerkenswertes Konzept ist das sogenannte "Ultimate"-Modell von VAI Fuchs (Primetals). Dieses Modell, das 2005 in Russland eingeführt wurde, zeichnet sich durch ein größeres Ofenvolumen aus und bietet gleichzeitig eine erhöhte Schmelz- und Raffineriekapazität. Das erste "Ultimate"-EAF in der Türkei, das 2007 in Betrieb genommen wurde, hatte eine Nennkapazität von 250 Tonnen und eine durchschnittliche Produktionsrate von 320 Tonnen pro Stunde. Das Ofen-Design ermöglichte es, mit einer Schrottdichte von 0,75 Tonnen pro m³ und einer Ladehäufigkeit von 2 bis 3 Chargen den Energieverbrauch auf 324 kWh pro Tonne zu senken. Diese Werte sind besonders bemerkenswert, da sie zeigen, wie durch technologisch fortschrittliche Ofen-Designs sowohl die Produktivität als auch die Energieeffizienz gesteigert werden können.

Ein innovativer Ansatz, der 2009 von Fuchs (Inteco) entwickelt wurde, ist das "Teleskop-EAF". Diese Technik ermöglicht es, Schrott ohne zusätzliche Nachladungen zu schmelzen, indem das Ofenoberteil beweglich gestaltet wird, was die maximale Schrotthöhe erhöht. Diese Technologie bietet die Möglichkeit, mit nur einer Schrottladung zu arbeiten, was wiederum den Energieverbrauch reduziert. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass diese Technologie nur dann effektiv ist, wenn die Schrottdichte mindestens 0,75 bis 0,8 Tonnen pro m³ beträgt. Falls diese Dichte nicht erreicht wird, verringern sich die Vorteile der Teleskoptechnologie erheblich.

Schrott, der mit Materialien wie Roheisen oder Direktreduktionseisen (DRI) angereichert wird, verbessert zwar die Schrottdichte, jedoch nicht die thermische Leitfähigkeit. Diese Materialien sind aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit weniger effektiv, wenn es darum geht, die erforderliche Schmelztemperatur zu erreichen. Der erste Teleskop-EAF wurde 2010 in Bastug, Türkei, installiert, mit einer Nennkapazität von 140 Tonnen und einer zusätzlichen heißen Schlacke von 25 Tonnen. Dieser Ofen konnte jedoch nur bei 40% der Ladevorgänge mit einer einzigen Charge arbeiten, was die Begrenzungen der Schrottdichte in diesem Verfahren verdeutlicht.

Es wurde festgestellt, dass der Energieverbrauch um 40 bis 70 kWh pro Tonne gesenkt werden konnte, wenn mit nur einer Charge gearbeitet wurde. Jedoch mussten bei weniger dichtem Schrott mehrere Nachladungen vorgenommen werden, was die Energieeffizienz beeinträchtigte. Um den Schmelzprozess zu stabilisieren, wurde der Ofen mit neun Brennern ausgestattet, die eine maximale Leistung von 5 MW erbringen können. Diese Brenner sorgen für eine gleichmäßige Wärmeverteilung und unterstützen den Schmelzprozess, wenn eine ungleichmäßige Dichte des Schrotts vorliegt.

Neben der Optimierung der Schrottdichte ist das Vorwärmen von Schrott ein weiterer wichtiger Aspekt. Studien von Zhang und Oeters [41] aus dem Jahr 1999 zeigten, dass das Vorwärmen von Schrott die Oxidation des Eisens erheblich beeinflusst. In ihren Experimenten mit einem Schachtofen wurde eine Schrottmenge von 167 Tonnen pro Stunde bei einer Vorwärmzeit von 1 Stunde erhitzt. Das Modell untersuchte die Wärmeübertragung zwischen Gas und Schrott sowie die Auswirkungen der Oxidation. Dabei wurde festgestellt, dass die Oxidation nur einen minimalen Einfluss auf die Produktion hatte, was auf den kontinuierlichen Bewegungsprozess des Schrotts und die geringe Aufenthaltsdauer in den hoch oxidierenden Gasen zurückzuführen ist.

Die ersten experimentellen Studien zum Schrottvorwärmen wurden von Mandal und Irons [42–45] zwischen 2008 und 2013 durchgeführt. In einem speziell entwickelten Versuchsöfen wurden verschiedene Schrottarten mit unterschiedlichen Brennerleistungen untersucht. Es zeigte sich, dass bei verschiedenen Schrottgrößen und Brennerleistungen unterschiedliche Temperaturverteilungen im Ofen entstehen, was wiederum Einfluss auf die Schmelzrate und die Effizienz des Schmelzprozesses hatte.

Die Ergebnisse dieser Studien verdeutlichen, dass sowohl die Schrottqualität als auch das Vorwärmen eine entscheidende Rolle für die Effizienz des EAF-Schmelzprozesses spielen. Schrott mit höherer Dichte und geringerer Oxidation führt zu einer besseren Energieausnutzung, während minderwertigerer Schrott mit niedrigeren Dichten und höheren Oxidationsraten den Energieverbrauch und die Produktionskosten signifikant erhöht.

Welche WCP-Technologien sind am effektivsten für die Kühlung des Dachbereichs eines EAF?

Die Entwicklung von wassergekühlten Paneelen (WCP) für das Dach eines Lichtbogenofens (EAF) hat sich über Jahrzehnte hinweg kontinuierlich verbessert, um den extremen thermischen Belastungen durch den Lichtbogenbetrieb standzuhalten. Dabei ist es besonders wichtig, sowohl die Effizienz der Kühlung als auch die Haltbarkeit der Materialien zu gewährleisten. WCPs spielen eine entscheidende Rolle, um die Temperaturen auf den Dachflächen eines EAF zu kontrollieren und Schäden durch thermische Spannungen und den Kontakt mit aggressiven Substanzen wie Schlacke zu verhindern.

Die erste Erwähnung von wassergekühlten Dächern für EAFs stammt aus dem Jahr 1935, als Blagg ein Design vorschlug, das wassergekühlte Rohre auf dem Dach integrierte. Diese frühen Designs waren jedoch nicht immer optimal, da die Kühlung oftmals ungleichmäßig war und es zu tödlichen Überhitzungen kam, die Risse in den Rohren und Verbindungsstellen verursachten. Kudrin und Kollegen berichteten bereits 1959 über eine ähnliche Entwicklung in Russland, wobei sie auf eine indirekte Wasserabkühlung mit röhrenförmigen Ringen setzten, um eine gleichmäßigere Kühlung zu erreichen.

Die Temperaturverteilung im EAF, besonders auf den heißen Oberflächen des Dachs, ist von entscheidender Bedeutung. So kann eine zu niedrige Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers die Kühlleistung erheblich verringern, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung und letztlich zu Überhitzung und Rissen führen kann. In den 1960er Jahren experimentierte man mit verschiedenen Rohrdesigns, bei denen die Kühlkanäle in einer Reihe von Geometrien integriert wurden, wie etwa in quadratischen oder zylindrischen Rohren. Diese Designs ermöglichten eine verbesserte Temperaturkontrolle, jedoch traten auch hier Probleme durch "tote Zonen" auf, in denen das Wasser nicht ausreichend zirkulierte und somit zu einer Verringerung der Wärmeübertragung führte.

Ein bahnbrechendes Design kam 1974 von Nanjyo, der einen wassergeschützten, sekundären Schichtaufbau aus Metallboxen patentierte, die zwischen 200 und 500 mm über der Schmelzflüssigkeitsebene platziert wurden. Diese Boxen verbesserten die Kühlung durch direkte Wassereinspeisung und verhinderten somit ein Überhitzen und Entweichen des Wassers. Dies war ein weiterer Schritt in Richtung einer effektiveren Lösung, da es die Lebensdauer des EAF-Dachs verlängerte und gleichzeitig die Betriebskosten im Vergleich zu früheren Designs reduzierte.

Der nächste große Schritt kam 1976 mit Mizuno von Daido Steel, der das Konzept eines wassergekühlten Boxpaneels, das direkt der Lichtbogenstrahlung ausgesetzt war, vorstellte. Diese Boxen beinhalteten mehrere Riegel oder Finnen, die es ermöglichten, dass flüssige Schlacke daran haftete, wodurch die Wärmeübertragung zusätzlich isoliert wurde und die Wassertemperatur nur um 3 bis 5 °C anstieg. Diese Methode bot nicht nur eine bessere Kontrolle über die Kühlung, sondern auch eine effizientere Nutzung der Materialressourcen, was zu einer deutlichen Kostenersparnis führte.

In den 1980er Jahren wurde eine neue Technologie entwickelt, die sogenannte Sprühkühlung. Diese Technologie, die besonders für das EAF-Dach relevant ist, hat sich als effizienter und sicherer erwiesen als die herkömmlichen Rohrsysteme. Die Sprühkühlung reduziert das Risiko von Wasseraustritten und Explosionen, die durch das Entweichen von Dampf oder Luftblasen in den Rohrsystemen verursacht werden können. Ein Vorteil dieser Technologie ist die gleichmäßigere Kühlung und die Möglichkeit, die Wärmeübertragung durch die Verdampfung des Wassers weiter zu verbessern, was besonders an heißen Stellen des Daches von Vorteil ist. Sprühkühlung hat sich in Bezug auf Kosten und Sicherheit als überlegen erwiesen und ermöglicht eine einfachere Wartung der EAF-Dachsysteme im Vergleich zu traditionellen Rohrkühlsystemen.

Es gibt verschiedene Ausführungen von WCP, wobei alle auf die Maximierung der Kühlleistung und die Minimierung der thermischen Spannungen abzielen. Zu den häufigsten Designs gehören sowohl rechteckige als auch zylindrische Rohre, die strategisch im Dachbereich angeordnet werden, um die Temperatur über die gesamte Fläche gleichmäßig zu regulieren. Zudem sind Verbesserungen wie die Verwendung von Finnen oder anderen strukturellen Änderungen entscheidend, um eine effektive Schlackeadhäsion zu gewährleisten und so die Lebensdauer des WCP zu verlängern.

Neben der Kühlung selbst ist es wichtig, den gesamten Prozess der Kühlmittelzirkulation zu berücksichtigen. Dabei spielt die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers und die Wassertemperatur eine entscheidende Rolle. Zu hohe Temperaturen im Kühlmittel können die Kühlleistung beeinträchtigen, während eine zu geringe Strömungsgeschwindigkeit zu den bereits erwähnten "toten Zonen" führt, die eine effektive Wärmeübertragung verhindern. Daher ist die genaue Überwachung und Anpassung der Kühlparameter für eine nachhaltige und langfristige Funktionalität der WCP-Systeme unerlässlich.

Es ist auch entscheidend, dass das verwendete Kühlmaterial, insbesondere die Rohre und Paneele, aus hochgradig korrosionsbeständigen Materialien bestehen, die in der Lage sind, den extremen chemischen und thermischen Bedingungen im EAF zu widerstehen. Zusätzlich muss die Wartungsinfrastruktur so ausgelegt sein, dass alle Teile der WCP leicht zugänglich und austauschbar sind, ohne die Produktionszeit signifikant zu verlängern.

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Welche Rolle spielt die Automatisierung bei der Effizienzsteigerung in der Stahlproduktion?

Die Einführung von Industrie 4.0 in Fertigungsunternehmen hat das Ziel, Produktionsprozesse so zu gestalten, dass sie nicht nur ressourceneffizienter, sondern auch hochgradig automatisiert und anpassungsfähig sind, um auf sich schnell verändernde Kundenanforderungen zu reagieren. Die digitale Transformation, so wie sie in der Industrie 4.0 verstanden wird, erfordert eine tiefgreifende Veränderung nicht nur in den Produktionsmethoden, sondern auch in der Struktur der Arbeitswelt und der Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Die Umsetzung dieser Konzepte ist jedoch abhängig von der Verfügbarkeit qualifizierter Arbeitskräfte, die die Technologie bedienen und optimieren können. Gleichzeitig zeigt sich, dass die Automatisierung in verschiedenen Bereichen der Stahlproduktion enorme Fortschritte gemacht hat, die sowohl die Produktivität als auch die Energieeffizienz steigern.

Ein zentraler Aspekt in der Stahlproduktion, der stark von manuellen Eingriffen betroffen ist, sind die Verzögerungen während der Fertigung. Diese Verzögerungen können erheblichen Einfluss auf die Produktivität und den Energieverbrauch haben. Sie entstehen durch manuelle Prozesse wie das Abzapfen von Schrott, das Entschlacken oder das Umstellen der Öfen. Jede Verzögerung, sei sie auch noch so gering, führt zu Energieverlusten, die sich in der Stahlproduktion in Kilowattstunden pro Tonne umrechnen lassen. Beispielsweise liegen die Energieverluste aufgrund von Verzögerungen zwischen 0,4 und 1,7 kWh/Tonne pro Minute, abhängig von den Bedingungen der Schlackenbildung.

Ein weiterer bedeutender Faktor sind die manuellen Eingriffe während des Aufschmelzens und Umstellens des Ofens. Insbesondere das "Tapping" – das Abzapfen des flüssigen Stahls – erfordert noch immer viel manuelle Arbeit, insbesondere wenn ältere Verfahren wie das Spout-Tapping verwendet werden. Moderne Elektrolichtbogenöfen (EAF) haben jedoch Fortschritte in der Automatisierung gemacht. Die Bewegungen der Öfen, wie das Kippen und das Anheben des Daches, werden heute zum Teil automatisch gesteuert, was eine Beschleunigung des Prozesses ermöglicht. Darüber hinaus ist die Verkürzung der Umstellzeiten zwischen den Schmelzvorgängen ein weiterer Schritt hin zu einer höheren Effizienz. Diese Umstellzeiten, die traditionell mit manuellen Aufgaben wie dem Einstellen der Elektroden und der Inspektion des Ofens verbunden sind, können durch den Einsatz von Automatisierung und Robotik deutlich reduziert werden.

Ein weiterer zentraler Aspekt in der Automatisierung der Stahlproduktion ist die Wartung der Anlagen. Häufige Wartungsarbeiten, sei es planmäßige oder außerplanmäßige, beeinträchtigen die Produktivität und steigern die Betriebskosten. Der Vergleich von Wartungsphilosophien in verschiedenen Regionen zeigt, dass durch den Einsatz von minimaler Wartung eine höhere Produktivität erzielt werden kann. Studien aus den USA und Europa zeigen, dass mit einem "Zero-Maintenance"-Ansatz die Anzahl der Produktionsvorgänge pro Tag erheblich gesteigert werden kann, auch wenn dies gleichzeitig die Lebensdauer bestimmter Anlagenkomponenten verringert. Das Konzept der Lebenszykluskostenanalyse (LCCA) hilft dabei, ein optimales Wartungskonzept zu entwickeln, das sowohl den Betriebskosten als auch der Anlagenlebensdauer gerecht wird.

Ein wichtiger Fortschritt ist die zunehmende Automatisierung bei der Entnahme von Proben für die chemische Analyse und die Anpassung der Stahlzusammensetzung. In der Vergangenheit mussten diese Prozesse manuell durchgeführt werden, was zu Verzögerungen und ungenauen Ergebnissen führte. Heute ermöglichen automatisierte Systeme eine schnellere Reaktion und genauere Analysen, wodurch die Produktionszeit verkürzt und die Produktqualität verbessert wird. Zudem können moderne Steuerungssysteme zur Überwachung und Regelung von Prozessparametern wie der Elektrodenlänge und der Wasserzufuhr eingesetzt werden, um den Energieverbrauch zu optimieren.

Neben diesen technologischen Fortschritten spielt die Produktivität eine entscheidende Rolle in der Stahlproduktion. Ein höherer Produktionsoutput pro Zeiteinheit senkt nicht nur die Kosten, sondern erhöht auch die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. Die Produktivität kann auf verschiedene Weisen gemessen werden: zum Beispiel als Verhältnis zwischen der Energie im flüssigen Stahl und der gesamten zugeführten Energie (thermische Effizienz), als Menge an produziertem Stahl pro Stunde oder als Arbeitsproduktivität (Tonnen Stahl pro Arbeitsstunde). Moderne Technologien und Automatisierung können dazu beitragen, die Produktivität zu steigern, indem sie menschliche Arbeitskraft ersetzen und gleichzeitig die Effizienz der Prozesse verbessern.

Die Kapazität des Ofens hat ebenfalls direkten Einfluss auf die Produktivität. Eine größere Ofenkapazität führt zu einer höheren Produktionsmenge pro Stunde, allerdings gibt es hier auch physische und technologische Grenzen. Höhere Ofenkapazitäten erfordern in der Regel größere Elektroden und leistungsstärkere Transformatoren, was zu höheren Betriebskosten führen kann. Daher wird oft diskutiert, ob es sinnvoller ist, größere Einzelöfen zu installieren oder mehrere kleinere Öfen zu betreiben. Eine gut abgestimmte Entscheidung in Bezug auf die Anzahl und Größe der Öfen ist entscheidend, um die Produktivität und die langfristige Wirtschaftlichkeit zu maximieren.

Die fortschreitende Automatisierung hat nicht nur die Effizienz der Produktionsprozesse revolutioniert, sondern auch neue Wege für die Optimierung von Wartung, Energieverbrauch und Arbeitsabläufen eröffnet. Der kontinuierliche Fortschritt in der Technik und die enge Integration von Automatisierungslösungen ermöglichen es der Stahlindustrie, ihre Produktionskosten zu senken und gleichzeitig die Qualität der Endprodukte zu steigern.

Wie beeinflusst die Gasstrahlinjektion die Decarburierung und den Metallurgischen Prozess im Lichtbogenofen?

Die Einführung von Gasstrahlen in den Lichtbogenofen (EAF) hat sich als eine der Schlüsseltechnologien für die Verbesserung der Effizienz in der Stahlherstellung etabliert. Insbesondere die Injektion von Sauerstoff hat einen wesentlichen Einfluss auf die Decarburierung des geschmolzenen Stahls und den gesamten metallurgischen Prozess. Es ist wichtig, die physikalischen und chemischen Mechanismen hinter dieser Technologie zu verstehen, um ihre Vorteile voll ausschöpfen zu können.

Ein entscheidender Faktor in diesem Zusammenhang ist die Penetrationstiefe des Gasstrahls und die Bildung von Tropfen an der Grenzfläche zwischen Gas und flüssigem Metall. Diese Phänomene beeinflussen sowohl die Dynamik des Flusses im Ofen als auch die Reaktionskinetik zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff im geschmolzenen Stahl. Die genaue Bestimmung der Kavitätsdimensionen, die durch den Aufprall eines Gasstrahls auf die Metalloberfläche entstehen, ist ein wesentlicher Bestandteil der Untersuchung. Solche Modelle und Simulationen zeigen, wie sich Gasstrahlen auf die Oberfläche auswirken und welche Konsequenzen dies für den Materialtransport und die Temperaturverteilung hat.

Der Prozess der Decarburierung – der oxidierende Abbau von Kohlenstoff aus dem Stahl – wird durch die Injektion von Sauerstoff maßgeblich beschleunigt. Eine effiziente Sauerstoffinjektion ermöglicht es, die Kohlenstoffgehalte im Stahl schnell zu reduzieren, was für die Herstellung hochwertiger Stähle von entscheidender Bedeutung ist. In modernen Stahlwerken werden daher zunehmend verschiedene Injektionssysteme eingesetzt, um den Prozess zu optimieren. Dies umfasst die Verwendung von überkritischen Sauerstoffstrahlen oder sogar die Kombination von Sauerstoff und anderen Gasen wie Argon, um eine gleichmäßige Verteilung der Gasstrahlen und eine hohe Decarburierungsrate zu gewährleisten.

Ein zentraler Aspekt dieser Technologie ist die Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Gasstrahl und Schmelze. Verschiedene wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass die Effektivität der Decarburierung durch den Impakt des Gasstrahls auf die Metalloberfläche beeinflusst wird. Hierbei spielen auch die Eigenschaften der Slagschicht und deren Einfluss auf den mehrphasigen Charakter des Prozesses eine Rolle. Es wird zunehmend erkannt, dass die Gasstrahlinjektion nicht nur die chemischen Reaktionen fördert, sondern auch den mechanischen Fluss innerhalb des Ofens beeinflusst, was zu einer besseren Homogenisierung und einer Reduktion der Reaktionszeiten führt.

Des Weiteren hat die Forschung gezeigt, dass die Schichtdicke der Schlacke und ihre chemische Zusammensetzung eine entscheidende Rolle bei der Effizienz der Gasstrahlinjektion spielen. Besonders in der Sauerstoff-Stahl-Herstellung ist es wichtig, die physikalischen Parameter wie Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Gasdurchsatz genau zu steuern, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Dies ist besonders relevant für die Entwicklung neuer Methoden zur Optimierung der Injektionstechnologie in Hochofenprozessen und die Verbesserung der Produktionsrate und -qualität.

Ein weiterer bedeutender Aspekt, der nicht nur für den praktischen Betrieb, sondern auch für die Forschung von Relevanz ist, betrifft die Simulation und numerische Modellierung des gesamten Prozesses. Fortschritte in der computergestützten Modellierung haben es ermöglicht, detaillierte Einsichten in die komplexen Interaktionen zwischen Gasstrahlen, flüssigem Metall und Schlacke zu gewinnen. Diese Modelle helfen dabei, die Effizienz des Prozesses zu maximieren und gleichzeitig die Umweltauswirkungen zu minimieren, indem sie präzise Vorhersagen über den Einfluss von Variablen wie Gasdurchsatz und Temperaturverteilung liefern.

Zusätzlich zur Decarburierung und Gasinjektion wird zunehmend auf die Bedeutung der Materialtransporte im Ofen geachtet. Hierbei geht es nicht nur um die Reaktion zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff, sondern auch um die Kontrolle über die Verteilung von Schlacke und Metallen im Schmelzbad. Eine ausgewogene Steuerung der Strömungsdynamik im EAF führt zu einer stabileren Produktion und einer besseren Ausbeute an hochwertigem Stahl. Dies erfordert präzise Messungen und Steuerungssysteme, die eine kontinuierliche Überwachung des Prozesses ermöglichen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt für den Leser ist, dass nicht alle Gasstrahlinjektionssysteme gleich effizient sind. Es gibt unterschiedliche Injektionsmethoden, die je nach Ofenart und spezifischen Produktionsanforderungen variieren. Daher ist es von Bedeutung, bei der Implementierung von Sauerstoffinjektionstechnologien in der Stahlherstellung die spezifischen Bedürfnisse des jeweiligen Produktionsprozesses zu berücksichtigen.

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