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電線電纜生產工藝知識
發布日期:2018-06-12 瀏覽次數:0
工 藝
塑料電線電纜的主要絕緣材料和護層材料是塑料。熱塑性塑料性能優越，具有良好的加工工藝性能，尤其是用于電線電纜擠制絕緣層和護層生產時工藝簡便。電線電纜塑料絕緣層和護層生產的基本方式是采用單螺桿擠出機連續擠壓進行的。由于擠出機具有連續擠出的特點，所以塑料絕緣和護套的生產過程也是連續進行的。就電線電纜生產而言，產品規格的差異，擠制部件的不同，往往決定了擠制設備及工藝參數的某些變化。但總的來講，各種產品，各個部件的擠塑包覆工藝是大同小異的，下面以一般為主，個別為輔對擠塑原理、工藝與模具類型進行介紹。
第一節 塑料的擠制
一、塑料擠出的基本原理
擠出機的工作原理是：利用特定形狀的螺桿，在加熱的機筒中旋轉，將由料斗中送來的塑料向前擠壓，使塑料均勻的塑化（即熔融），通過機頭和不同形狀的模具，使塑料擠壓成連續性的所需要的各種形狀的塑料層，擠包在線芯和電纜上。
1.塑料擠出過程
電線電纜的塑料絕緣和護套使是采用連續擠壓方式進行的，擠出設備一般是單螺桿擠出機。塑料在擠出前，要事先檢查塑料是否潮濕或有無其它雜物，然后把螺桿預熱后加入料斗內。在擠出過程中，裝入料斗中的塑料借助重力或加料螺旋進入機筒中，在旋轉螺桿的推力作用下，不斷向前推進，從預熱段開始逐漸的向均化段運動；同時，塑料受到螺桿的攪拌和擠壓作用，并且在機筒的外熱及塑料與設備之間的剪切摩擦的作用下轉變為粘流態，在螺槽中形成連續均勻的料流。在工藝規定的溫度作用下，塑料從固體狀態轉變為熔融狀態的可塑物體，再經由螺桿的推動或攪拌，將完全塑化好的塑料推入機頭；到達機頭的料流，經模芯和模套間的環形間隙，從模套口擠出，擠包于導體或線芯周圍，形成連續密實的絕緣層或護套層，然后經冷卻和固化，制成電線電纜產品。
2.擠出過程的三個階段
塑料擠出最主要的依據是塑料所具有的可塑態。塑料在擠出機中完成可塑過程成型是一個復雜的物理過程，即包括了混合、破碎、熔融、塑化、排氣、壓實并最后成型定型。大家值的注意的是這一過程是連續實現的。然而習慣上，人們往往按塑料的不同反應將擠塑過程這一連續過程，人為的分成不同階段，即為：塑化階段（塑料的混合、熔融和均化）；成型階段（塑料的擠壓成型）；定型階段（塑料層的冷卻和固化）。
第一階段是塑化階段。也稱為壓縮階段。它是在擠塑機機筒內完成的，經過螺桿的旋轉作用，使塑料由顆粒狀固體變為可塑性的粘流體。塑料在塑化階段取得熱量的來源有兩個方面：一是機筒外部的電加熱；二是螺桿旋轉時產生的摩擦熱。起初的熱量是由機筒外部的電加熱產生的，當正常開車后，熱量的取得則是由螺桿選裝物料在壓縮、剪切、攪拌過程中與機筒內壁的摩擦和物料分子間的內摩擦而產生的。
第二階段是成型階段。它是在機頭內進行的，由于螺桿旋轉和壓力作用，把粘流體推向機頭，經機頭內的模具，使粘流體成型為所需要的各種尺寸形狀的擠包材料，并包覆在線芯或導體外。
第三階段是定型階段。它是在冷卻水槽或冷卻管道中進行的，塑料擠包層經過冷卻后，由無定型的塑性狀態變為定型的固體狀態。
3.塑化階段塑料流動的變化
在塑化階段，塑料沿螺桿軸向被螺桿推向機頭的移動過程中，經歷著溫度、壓力、粘度，甚至化學結構的變化，這些變化在螺桿的不同區段情況是不同的。塑化階段根據塑料流動時的物態變化過程又人為的分成三個階段，即加料段、熔融段、均化段，這也是人們習慣上對擠出螺桿的分段方法，各段對塑料擠出產生不同的作用，塑料在各段呈現不同的形態，從而表現出塑料的擠出特性。
在加料段，首先就是為顆粒狀的固體塑料提供軟化溫度，其次是以螺桿的旋轉與固定的機筒之間產生的剪切應力作用在塑料顆粒上，實現對軟化塑料的破碎。而最主要的則是以螺桿旋轉產生足夠大的連續而穩定的推力和反向摩擦力，以形成連續而穩定的擠出壓力，進而實現對破碎塑料的攪拌與均勻混合，并初步實行熱交換，從而為連續而穩定的擠出提供基礎。在此階段產生的推力是否連續均勻穩定、剪切應變率的高低，破碎與攪拌是否均勻都直接影響著擠出質量和產量。
在熔融段，經破碎、軟化并初步攪拌混合的故態塑料，由于螺桿的推擠作用，沿螺槽向機頭移動，自加料段進入熔融段。在此段塑料遇到了較高溫度的熱作用，這是的熱源，除機筒外部的點加熱外，螺桿旋轉的摩擦熱也在起著作用。而來自加料段的推力和來自均化段的反作用力，使塑料在前進中形成了回流，這回流產生在螺槽內以及螺桿與機筒的間隙中，回流的產生不但使物料進一步均勻混合，而且使塑料熱交換作用加大，達到了表面的熱平衡。由于在此階段的作用溫度已超過了塑料的流變溫度，加之作用時間較長，致使塑料發生了物態的轉變，與加熱機筒接觸的物料開始熔化，在機筒內表面形成一層聚合物熔膜，當熔膜的厚度超過螺紋頂與機筒之間的間隙時，就會被旋轉的螺紋刮下來，聚集在推進螺紋的前面，形成熔池。由于機筒和螺紋根部的相對運動，使熔池產生了物料的循環流動。螺棱后面是固體床（固體塑料），物料沿螺槽向前移動的過程中，由于熔融段的螺槽深度向均化段逐漸變淺，固體床不斷被擠向機筒內壁，加速了機筒向固體床的傳熱過程，同時螺桿的旋轉對機筒內壁的熔膜產生剪切作用，從而使熔膜和固體床分界面的物料熔化，固體床的寬度逐漸減小，知道完全消失，即由固態轉變為粘流態。此時塑料分子結構發生了根本的改變，分子間張力極度松弛，若為結晶性高聚物，則其晶區開始減少，無定形增多，除其中的特大分子外，主體完成了塑化，即所謂的“初步塑化”，并且在壓力的作用下，排除了固態物料中所含的氣體，實現初步壓實。
在均化段，具有這樣幾個突出的工藝特性：這一段螺桿螺紋深度最淺，即螺槽容積最小，所以這里是螺桿與機筒間產生壓力******的工作段；另外來自螺桿的推力和篩板等處的反作用力，是塑料“短兵相接”的直接地帶；這一段又是擠出工藝溫度最高的一段，所以塑料在此階段所受到的徑向壓力和軸向壓力******，這種高壓作用，足以使含于塑料內的全部氣體排除，并使熔體壓實，致密。該段所具有的“均壓段”之稱即由此而得。而由于高溫的作用，使得經過熔融段未能塑化的高分子在此段完成塑化，從而最后消除“顆粒”，使塑料塑化充分均勻，然后將完全塑化熔融的塑料定量、定壓的由機頭均勻的擠出。
4.擠出過程中塑料的流動狀態
在擠出過程中，由于螺桿的旋轉使塑料推移，而機筒是不動的，這就在機筒和螺桿之間產生相對運動，這種相對運動對塑料產生摩擦作用，使塑料被拖著前進。另外，由于機頭中的模具、多孔篩板和濾網的阻力，又使塑料在前進中產生反作用力，這就使塑料在螺桿和機筒中的流動復雜化了。通常將塑料的流動狀態看成是由以下四種流動形式組成的：
1）正流――是指塑料沿著螺桿螺槽向機頭方向的流動。它是螺桿旋轉的推擠力產生的，是四種流動形式中最主要的一種。正流量的大小直接決定著擠出量。
2）倒流――又稱逆流，它的方向與正流的流動方向整好相反。它是由于機頭中的模具、篩板、和濾網等阻礙塑料的正向運動，在機頭區域里產生的壓力（塑料前進的反作用力）造成的。由機頭至加料口形成了“壓力下的回流”，也稱為“反壓流動”。它能引起生產能力的損失。
3）橫流――它是沿著軸的方向，即與螺紋槽相垂直方向的塑料流動。也是由螺桿旋轉時的推擠所形成的。它的流動受到螺紋槽側壁的阻力，由于兩側螺紋的相互阻力，而螺桿是在旋轉中，使塑料在螺槽內產生翻轉運動，形成環狀流動，所以橫流實質是環流。環流對塑料在機筒中的混合、塑化成熔融狀態，是和環流的作用分不開的。環流使物料在機筒中產生攪拌和混合，并且利于機筒和物料的熱交換，它對提高擠出質量有重要的意義，但對擠出流率的影響很小。
4）漏流――它也是由機頭中模具、篩板和濾網的阻力產生的。不過它不是螺槽中的流動，而是在螺桿與機筒的間隙中形成的倒流。它也能引起生產能力的損失。由于螺桿與機筒的間隙通常很小，故在正常情況下，漏流流量要比正流和倒流小的多。在擠出過程中，漏流將影響擠出量，漏流量增大，擠出量將減小。
塑料的四種流動狀態不會以單獨的形式出現，就某一塑料質點來說，既不會有真正的倒流，也不會有封閉的環流。熔體塑料在螺紋槽中的實際流動是上述四種流動狀態的綜合，以螺旋形軌跡向前的一種流動。
5.擠出質量
擠出質量主要指塑料的塑化情況是否良好，幾何尺寸是否均一，即徑向厚度是否一致，軸向外徑是否均勻。決定塑化情況的因襲除塑料本身外，主要是溫度和剪切應變率及作用時間等因素。擠出溫度過高不但造成擠出壓力的波動，而且導致塑料的分解，甚至可能釀成設備事故。而減小螺槽深度，增大螺桿長徑比，雖然有利于塑料的熱交換和延長受熱時間，滿足塑化均勻要求，但將影響擠出量，又為螺桿制造和裝配造成困難。所以確保塑化的重要因素應是提高螺桿旋轉對塑料所產生的剪切應變率，以達到機械混合均勻，擠出熱交換均衡，并由此為塑化均勻提供保障。這個應變率的大小由螺桿與機筒間的剪切應變力所決定，其剪切的應變率數值為：
其中：Δ――為剪切應變率（1/min）
D ――為螺桿直徑（cm）
N ――為螺桿轉速（r/min）
――為螺槽深度（cm）
由此可見，在保證擠出量的要求下，可以在提高轉速的情況下加大螺槽深度。此外，螺桿與機筒的間隙也對擠出質量有影響，間隙過大時則塑料的倒流、漏流增加，不但引起擠出壓力波動，影響擠出量；而且由于這些回流的增加，使塑料過熱而導致塑料焦燒或成型困難。
二、 塑料擠出機的操作規程
塑料擠出機組是由擠塑機（主機）和多臺輔助設備組成的，生產中機組人員應密切配合操作.操作人員必須熟悉生長過程和操作規程。
1.塑料擠出機的擠塑過程
塑料擠出機是熱擠設備。成盤的電纜或纜芯放置在放線裝置上，并保證要有一定的張力，在經過張緊校直裝置后進入擠塑機頭擠包絕緣層或護套層。
塑料顆粒經料斗加入擠出機機筒，由于螺桿的轉動，進入機膛，一方面加熱，一方面由螺桿轉動攪拌，促使塑料塑化，并推向機頭，從模口擠出，完整緊密的連續擠包在電線電纜線芯或纜芯上。
為控制塑料層的厚度和擠出壓力，應調節好模芯與模套間的環形間距，使塑料層均勻。
機組中各單機采用單獨傳動，各機組之間的工作速度可分別調整。螺桿和牽引的速度應互相配合好，保證電線電纜擠出外徑和塑料層厚度的均勻，并符合工藝尺寸的要求。放線和收排線速度要和電線電纜的生產速度配合好，防止出現其他的質量問題。
按工藝規定的控制溫度，選配好合適的模具，經常觀察加溫系統的變化、外徑的變化、速度的變化，防止塑料層的偏心、焦燒、塑化不良等現象出現。
塑料電線電纜的主要絕緣材料和護層材料是塑料。熱塑性塑料性能優越，具有良好的加工工藝性能，尤其是用于電線電纜擠制絕緣層和護層生產時工藝簡便。電線電纜塑料絕緣層和護層生產的基本方式是采用單螺桿擠出機連續擠壓進行的。由于擠出機具有連續擠出的特點，所以塑料絕緣和護套的生產過程也是連續進行的。就電線電纜生產而言，產品規格的差異，擠制部件的不同，往往決定了擠制設備及工藝參數的某些變化。但總的來講，各種產品，各個部件的擠塑包覆工藝是大同小異的，下面以一般為主，個別為輔對擠塑原理、工藝與模具類型進行介紹。
第一節 塑料的擠制
一、塑料擠出的基本原理
擠出機的工作原理是：利用特定形狀的螺桿，在加熱的機筒中旋轉，將由料斗中送來的塑料向前擠壓，使塑料均勻的塑化（即熔融），通過機頭和不同形狀的模具，使塑料擠壓成連續性的所需要的各種形狀的塑料層，擠包在線芯和電纜上。
1.塑料擠出過程
電線電纜的塑料絕緣和護套使是采用連續擠壓方式進行的，擠出設備一般是單螺桿擠出機。塑料在擠出前，要事先檢查塑料是否潮濕或有無其它雜物，然后把螺桿預熱后加入料斗內。在擠出過程中，裝入料斗中的塑料借助重力或加料螺旋進入機筒中，在旋轉螺桿的推力作用下，不斷向前推進，從預熱段開始逐漸的向均化段運動；同時，塑料受到螺桿的攪拌和擠壓作用，并且在機筒的外熱及塑料與設備之間的剪切摩擦的作用下轉變為粘流態，在螺槽中形成連續均勻的料流。在工藝規定的溫度作用下，塑料從固體狀態轉變為熔融狀態的可塑物體，再經由螺桿的推動或攪拌，將完全塑化好的塑料推入機頭；到達機頭的料流，經模芯和模套間的環形間隙，從模套口擠出，擠包于導體或線芯周圍，形成連續密實的絕緣層或護套層，然后經冷卻和固化，制成電線電纜產品。
2.擠出過程的三個階段
塑料擠出最主要的依據是塑料所具有的可塑態。塑料在擠出機中完成可塑過程成型是一個復雜的物理過程，即包括了混合、破碎、熔融、塑化、排氣、壓實并最后成型定型。大家值的注意的是這一過程是連續實現的。然而習慣上，人們往往按塑料的不同反應將擠塑過程這一連續過程，人為的分成不同階段，即為：塑化階段（塑料的混合、熔融和均化）；成型階段（塑料的擠壓成型）；定型階段（塑料層的冷卻和固化）。
第一階段是塑化階段。也稱為壓縮階段。它是在擠塑機機筒內完成的，經過螺桿的旋轉作用，使塑料由顆粒狀固體變為可塑性的粘流體。塑料在塑化階段取得熱量的來源有兩個方面：一是機筒外部的電加熱；二是螺桿旋轉時產生的摩擦熱。起初的熱量是由機筒外部的電加熱產生的，當正常開車后，熱量的取得則是由螺桿選裝物料在壓縮、剪切、攪拌過程中與機筒內壁的摩擦和物料分子間的內摩擦而產生的。
第二階段是成型階段。它是在機頭內進行的，由于螺桿旋轉和壓力作用，把粘流體推向機頭，經機頭內的模具，使粘流體成型為所需要的各種尺寸形狀的擠包材料，并包覆在線芯或導體外。
第三階段是定型階段。它是在冷卻水槽或冷卻管道中進行的，塑料擠包層經過冷卻后，由無定型的塑性狀態變為定型的固體狀態。
3.塑化階段塑料流動的變化
在塑化階段，塑料沿螺桿軸向被螺桿推向機頭的移動過程中，經歷著溫度、壓力、粘度，甚至化學結構的變化，這些變化在螺桿的不同區段情況是不同的。塑化階段根據塑料流動時的物態變化過程又人為的分成三個階段，即加料段、熔融段、均化段，這也是人們習慣上對擠出螺桿的分段方法，各段對塑料擠出產生不同的作用，塑料在各段呈現不同的形態，從而表現出塑料的擠出特性。
在加料段，首先就是為顆粒狀的固體塑料提供軟化溫度，其次是以螺桿的旋轉與固定的機筒之間產生的剪切應力作用在塑料顆粒上，實現對軟化塑料的破碎。而最主要的則是以螺桿旋轉產生足夠大的連續而穩定的推力和反向摩擦力，以形成連續而穩定的擠出壓力，進而實現對破碎塑料的攪拌與均勻混合，并初步實行熱交換，從而為連續而穩定的擠出提供基礎。在此階段產生的推力是否連續均勻穩定、剪切應變率的高低，破碎與攪拌是否均勻都直接影響著擠出質量和產量。
在熔融段，經破碎、軟化并初步攪拌混合的故態塑料，由于螺桿的推擠作用，沿螺槽向機頭移動，自加料段進入熔融段。在此段塑料遇到了較高溫度的熱作用，這是的熱源，除機筒外部的點加熱外，螺桿旋轉的摩擦熱也在起著作用。而來自加料段的推力和來自均化段的反作用力，使塑料在前進中形成了回流，這回流產生在螺槽內以及螺桿與機筒的間隙中，回流的產生不但使物料進一步均勻混合，而且使塑料熱交換作用加大，達到了表面的熱平衡。由于在此階段的作用溫度已超過了塑料的流變溫度，加之作用時間較長，致使塑料發生了物態的轉變，與加熱機筒接觸的物料開始熔化，在機筒內表面形成一層聚合物熔膜，當熔膜的厚度超過螺紋頂與機筒之間的間隙時，就會被旋轉的螺紋刮下來，聚集在推進螺紋的前面，形成熔池。由于機筒和螺紋根部的相對運動，使熔池產生了物料的循環流動。螺棱后面是固體床（固體塑料），物料沿螺槽向前移動的過程中，由于熔融段的螺槽深度向均化段逐漸變淺，固體床不斷被擠向機筒內壁，加速了機筒向固體床的傳熱過程，同時螺桿的旋轉對機筒內壁的熔膜產生剪切作用，從而使熔膜和固體床分界面的物料熔化，固體床的寬度逐漸減小，知道完全消失，即由固態轉變為粘流態。此時塑料分子結構發生了根本的改變，分子間張力極度松弛，若為結晶性高聚物，則其晶區開始減少，無定形增多，除其中的特大分子外，主體完成了塑化，即所謂的“初步塑化”，并且在壓力的作用下，排除了固態物料中所含的氣體，實現初步壓實。
在均化段，具有這樣幾個突出的工藝特性：這一段螺桿螺紋深度最淺，即螺槽容積最小，所以這里是螺桿與機筒間產生壓力******的工作段；另外來自螺桿的推力和篩板等處的反作用力，是塑料“短兵相接”的直接地帶；這一段又是擠出工藝溫度最高的一段，所以塑料在此階段所受到的徑向壓力和軸向壓力******，這種高壓作用，足以使含于塑料內的全部氣體排除，并使熔體壓實，致密。該段所具有的“均壓段”之稱即由此而得。而由于高溫的作用，使得經過熔融段未能塑化的高分子在此段完成塑化，從而最后消除“顆粒”，使塑料塑化充分均勻，然后將完全塑化熔融的塑料定量、定壓的由機頭均勻的擠出。
4.擠出過程中塑料的流動狀態
在擠出過程中，由于螺桿的旋轉使塑料推移，而機筒是不動的，這就在機筒和螺桿之間產生相對運動，這種相對運動對塑料產生摩擦作用，使塑料被拖著前進。另外，由于機頭中的模具、多孔篩板和濾網的阻力，又使塑料在前進中產生反作用力，這就使塑料在螺桿和機筒中的流動復雜化了。通常將塑料的流動狀態看成是由以下四種流動形式組成的：
1）正流――是指塑料沿著螺桿螺槽向機頭方向的流動。它是螺桿旋轉的推擠力產生的，是四種流動形式中最主要的一種。正流量的大小直接決定著擠出量。
2）倒流――又稱逆流，它的方向與正流的流動方向整好相反。它是由于機頭中的模具、篩板、和濾網等阻礙塑料的正向運動，在機頭區域里產生的壓力（塑料前進的反作用力）造成的。由機頭至加料口形成了“壓力下的回流”，也稱為“反壓流動”。它能引起生產能力的損失。
3）橫流――它是沿著軸的方向，即與螺紋槽相垂直方向的塑料流動。也是由螺桿旋轉時的推擠所形成的。它的流動受到螺紋槽側壁的阻力，由于兩側螺紋的相互阻力，而螺桿是在旋轉中，使塑料在螺槽內產生翻轉運動，形成環狀流動，所以橫流實質是環流。環流對塑料在機筒中的混合、塑化成熔融狀態，是和環流的作用分不開的。環流使物料在機筒中產生攪拌和混合，并且利于機筒和物料的熱交換，它對提高擠出質量有重要的意義，但對擠出流率的影響很小。
4）漏流――它也是由機頭中模具、篩板和濾網的阻力產生的。不過它不是螺槽中的流動，而是在螺桿與機筒的間隙中形成的倒流。它也能引起生產能力的損失。由于螺桿與機筒的間隙通常很小，故在正常情況下，漏流流量要比正流和倒流小的多。在擠出過程中，漏流將影響擠出量，漏流量增大，擠出量將減小。
塑料的四種流動狀態不會以單獨的形式出現，就某一塑料質點來說，既不會有真正的倒流，也不會有封閉的環流。熔體塑料在螺紋槽中的實際流動是上述四種流動狀態的綜合，以螺旋形軌跡向前的一種流動。
5.擠出質量
擠出質量主要指塑料的塑化情況是否良好，幾何尺寸是否均一，即徑向厚度是否一致，軸向外徑是否均勻。決定塑化情況的因襲除塑料本身外，主要是溫度和剪切應變率及作用時間等因素。擠出溫度過高不但造成擠出壓力的波動，而且導致塑料的分解，甚至可能釀成設備事故。而減小螺槽深度，增大螺桿長徑比，雖然有利于塑料的熱交換和延長受熱時間，滿足塑化均勻要求，但將影響擠出量，又為螺桿制造和裝配造成困難。所以確保塑化的重要因素應是提高螺桿旋轉對塑料所產生的剪切應變率，以達到機械混合均勻，擠出熱交換均衡，并由此為塑化均勻提供保障。這個應變率的大小由螺桿與機筒間的剪切應變力所決定，其剪切的應變率數值為：
其中：Δ――為剪切應變率（1/min）
D ――為螺桿直徑（cm）
N ――為螺桿轉速（r/min）
――為螺槽深度（cm）
由此可見，在保證擠出量的要求下，可以在提高轉速的情況下加大螺槽深度。此外，螺桿與機筒的間隙也對擠出質量有影響，間隙過大時則塑料的倒流、漏流增加，不但引起擠出壓力波動，影響擠出量；而且由于這些回流的增加，使塑料過熱而導致塑料焦燒或成型困難。
二、 塑料擠出機的操作規程
塑料擠出機組是由擠塑機（主機）和多臺輔助設備組成的，生產中機組人員應密切配合操作.操作人員必須熟悉生長過程和操作規程。
1.塑料擠出機的擠塑過程
塑料擠出機是熱擠設備。成盤的電纜或纜芯放置在放線裝置上，并保證要有一定的張力，在經過張緊校直裝置后進入擠塑機頭擠包絕緣層或護套層。
塑料顆粒經料斗加入擠出機機筒，由于螺桿的轉動，進入機膛，一方面加熱，一方面由螺桿轉動攪拌，促使塑料塑化，并推向機頭，從模口擠出，完整緊密的連續擠包在電線電纜線芯或纜芯上。
為控制塑料層的厚度和擠出壓力，應調節好模芯與模套間的環形間距，使塑料層均勻。
機組中各單機采用單獨傳動，各機組之間的工作速度可分別調整。螺桿和牽引的速度應互相配合好，保證電線電纜擠出外徑和塑料層厚度的均勻，并符合工藝尺寸的要求。放線和收排線速度要和電線電纜的生產速度配合好，防止出現其他的質量問題。
按工藝規定的控制溫度，選配好合適的模具，經常觀察加溫系統的變化、外徑的變化、速度的變化，防止塑料層的偏心、焦燒、塑化不良等現象出現。
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