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110~1~06
La presente invention, concerne un proaede pour
ameliorer l'alimentation en courant de cuves d'électrolyse
ignées, et plus particulierement des séries de cuves destinées
a la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans
de la cryolithe foundue allgnees dans le sens de la longueur.
On sait, en effet, que ces cuves sont, a peu près
universellement, de forme rectangulaire allongée, et qu'elles
` sont électriquement connectées en série. Il est possible de
disposer les cuves, dans le bâtiment qui les abrite, soit "en
travers, c'est-à-dire de façon que le grand coté de chaque cuve
soit perpendiculaire à l'axe de la série, soit "en long", c'est-
a-dire de facon que le grand coté de chaque cuve soit parallele a
l'axe de la série.
.
La présente invention concerne un procédé pour ^
- améliorer l'alimentation en courant de séries de cuves d'~lec-
..
trolyse pour la production d'aluminium, alignées en long, chaque
cuve comportant un croisillon par lequel entre le courant et
auquel sont suspendues les anodes, les extrémités dudit croisillon
étant-appelées tête aval et tête amont, par Péférence au sens
20 du courant, et une pluralité de barres cathodiques, par lesquelles ~
sort le courant, caractérise en ce que l'on separe les barres !;
de sorties cathodiques de chaque coté des cuves, en au moins deux
groupes indépendants, soit un groupe amont, un groupe aval, les
autres groupes éventuels étant disposés au centre, chaque groupe
comportant un nombre de barre sensiblement égal et en ce qu'on
alimente en courant le croisillon de la cuve de rang n à la ~ois
par la tête amont à partir du groupe de barres cathodiques amont
de la cuve de rang n - 1 e par au moins une montée latérale, de `
chaque côté, reliée à au moins un point intermédiaire du croisillon
situé entre la tête`amont et la tête aval a partir du groupe de `
barres cathodiques aval de la cuve de rang n ~
-- 1 -- .
9~
En particulier, la présente invention permet
d'augmenter tres sensiblement le rendement à intensité d'élec-
trolyse égale. Mais elle permet aussi de transformer, au prix
de quelques modifications, les séries a anodes continues en séries
à anodes précuites et, d'augmenter corrélativement l'intensité
du courant d'électrolyse - donc la production d'aluminium - de
pres de 30~ sans modifier la dimension des cuves, et en permettant
un rendement
`
~ 1~0~9q~6
~ ~ .
en courant au moins egal a 88~ du fait d'une meilleure cornpensa- :
tion de l'effet des champs magnetiques induits et des forces de
Laplace qui en r~sultent.
Une forme préférée de l'invention consiste à séparer
les sorties cathodiques de chaque côté de la cuve en au moins
deux groupes- sensiblement égaux en no~brer et 3 alimenter le
croisillon de la cuve suivante de ~Eaçon independante a la fois
par la tête amont et par au moins une montée latérale de chaque
côté de la cuve, reliée ~ un point intermédiaire du croisillon
situé entre la tête amont et la tête aval, les conducteurs reliant:
:,... .
chaque groupe de barres cathodiques respectivement a la tête
.. ,
amont et aux points intermédiaires du croisillon par les montees ~
latérales de la cuve suivante étant indépendants et leur section `~ .
étant calculée de façon que chaque circuit transporte une fraction:;
,
sensiblement égale du courant total d'électrolyse.
Dans un mode particulier de réalisation de l'invention,-
~les barres cathodiques, de chaque côte de la cuve de rang l'n 1l, ,' ~...
sont divisés en deux groupes indépendants comportant un nombre
sensiblement égal de barres, le groupe amont alimentant la tête ~ ~:
amont du croisillon de la cuve de rang n ~ 1, et le groupe aval
alimentant, par une montée latérale, de chaque côté de la cuve,
une prise située sensiblement au milieu du croisillon.
Dans un autre mode particulier de réalisation de ::i
l'invention, convenant plus particulièremant ~ des séries a tres
haute intensite, par exemple a 150.000 ampères, et m~me au-dela,
les barres cathodiques, de chaqu~ côté de la cuve de rang n sont ::
divis~es en trois groupes indépendants, le groupe amont alimentant~
la tête amont du croisillon de la cuve suivante, de rang n ~ 1, le
groupe central alimentant une première montée latérale, de chaque
côté de la cuve située sensiblement au premier tiers côté amont
du croisillon, et le groupe ~val alimentant une deuxieme montée
latéralé de chayue côté de la cuve située sensiblement au deuxieme
-2- : -
., - .. :. : : , , .. . .,.. ... ,, .. , , . , , ~ . .. .. .
~Q(~6
tiers (~ partir de l'amont) du croisillan.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente
invention seront mieux perçus ~ travers une forme préférée de s
réalisation dont la description est donnée ci-apres en référence
aux dessins, dans lesquelles:
Les figures 1, 2, 3 montrent, respectivement en ;
coupe verticale transverse, verticaLe en long et en plan de
façon tres schématisée, des cuves d'électrolyse faisant partie
d'une série " en long" .
Les figures 4 et 5 montrent, respectivement, en coupe
verticale en long, et en plan, deux cellules faisant partie
d'une série en long fonctionnant sous 70,000 ampères.
Les figures 6 et 7 représentent respectivement,
en coupe verticale longltudinale, en plan, de façon tras sché- -
matisée, une disposition de~cuves d'électrolyse en long dont
les conducteurs sont disposés selon l'invention.
Les figures 8 et 9 représentent respectivement, en ; ~-
coupe verticale longitudinale et en plan, schématisée une ;~
autre disposition de conducteurs, selon l'invention, adaptée
a des cuves ~ tres haute intensité.
Les figures 10, 11 et 12 montrent la répartition de
l'intensité dans les conducteurs anodiques et cathodiques selon -
l'art antérieure et selon l'invention. Elles correspondent,
respectivement, aux dispositions des conducteurs représentees
sur les figures 2, 4 et 6.
Les figures 13, 14, 15, 16, 17 et 18 montrent l'in-
tensité des champs magnétiques en divers points de l'interface
électrolyte-aluminium dans une cuve selon l'art antérieur
(figures 13, 14, 15~ et selon l'invention (figures 16, 17, 18).
Les figures 19 et 20 représentent en coupe verticale
longitudinale et en plan la disposition des conducteurs, selon
l'invention, appliquée a des cuves ~ anodes précuites.
3--
9~
Les ~igures 1, 2 et 3 montrent, respecti~ement, en
coupe verticale transverse, verticale en long et en plan de
façon tres schematisee, des cuves d'electrolyse faisant partie
d'une serie " en long" .
Il est d'usage de distinguer les têtes des cuves
par les designations " amont" et " aval" par reference au
sens du courant dans la serie.
Chaque cuve comporte un caisson metallique (1) garni
de blocs de carbone (2) qui ]ouent le rôle de cathode. Des
barres métalliques (3) noyées dans les blocs de carbone, col-
lectent le courant sortant de la cuve qui est ramené sur le
conducteur de liaison (4), qui le conduit par la montée (5)
jusqu'a la cuve suivante, sur les conducteurs (6) constituant
le croisillon auquel est suspendu l'anode (7)0 Le bain d'é-
lectrolyte est en (8?, et la nappe d'aluminium liquide se
forme en (9) sur la cathode (2).
Dans cette disposition, tout à fait classique, les
sorties cathodiques de chaque cuve alimentènt donc la cuve
aval suivante par la tête amont.
~0On sait, par ailleurs, que les coûts d'exploitation
de ces cuves s'améliorent sensiblement lorsqu'on augmente leurs
dimensions - et il est de pratique courante d'operer sous des
intensites qui atteignent et depassent même tres largement
100.000 amperes.
A ces niveaux de puissance l'influence du camp ma~
gnet.ique produit par le passage du courant dans les conducteurs
ne peut plus etre neglisee. ~ ~
Les forces de Laplace, provoquent dans le bain d'e- `
lectrolyse une deformation hydrostatique de l'interface bain- `
métal et des mouvements hydrodynamiques du métal qui le mettent
en mouvement permanent et favorisent sa dispersion dans le bain
d'o~ une baisse cle rendement. Elles provoquent egalement des
deni~ellations importantes de la nappe d'aluminium liquide, qui
..
1~)0~)6
sont à l'origine de courts-circuits avec les anodes, d'usure
irrégulière des anodes, et de mouvements oscillants de l'aluminium
liquide pouvant aller jusqu'a des projections hors de la cuve.
La ma;trise de ces champs, et ~a compensation de leurs :
effets, fait l'objet des préoccupations constantes des exploitants,
et de nombreuses solutions ont été proposées.
Le brevet allemand n 1 010 744 de "Vereinigte
Aluminium Werke, A.G." décrit un procëdé pour améliorer l'alimen- :
tation en courant de cuves d'électrolyses alignées en long,
consistant à alimenter lesdites cuves soit par la tête amont et
la tête aval, soit par la tête amont et une mont~e latérale, mais - ~
les deux circuits (tête amont - tête aval ou tête amont - montée :
lat~rale) sont reliés par un conducteur d'equiportentiel qui
présente pour inconvénients d'alourdir notablement les conducteurs
et oDlige ~ en déterminer la section de facon précise pour assurer
une répartition convenable du courantO
Dans le brevet français n 1 143 879 de la
Compagnie Pechiney, on a décrit un procédé pour diminuer les :~
dénivellations du métal fondu dans les cellules d'électrolyse à
amp~rage élevé, et plus particulièrement dans les séries de
cellules "en long", équipées d'anodes continues (anodes dites
"Soederberg").
Ce procedé est base sur une analyse des différentes
composantes du champ magnétique induit par le passage du courant
continu d'électrolyse dans la cuve et dans les conducteurs de
liaison. ~ :
Pour cela, on considère le point central, 0, du fond
du creuset de la cellule d'électrolyse et on définit un système
de coordonnees rectangulaires à trois dimensionso l'axe horizontal
Ox est dirigé dans le sens du courant, parallèlement aux grancls .:
côtés de la cellule, l'axe Oy, dans le même plan horizontal, est
perpendiculaire à Ox, donc parallèle aux petits côtés de la cellule,
~ .
-5~
`` 1~(;)(~9~6
et l'axe 0z est vertical ascendant, donc perpendiculaire au plan
x0y, et le trièdre 0xy~ est direct.
On appelle B la valeur du champ magnétique en un point
donné, et Bx, By et Bz les projections de ~ sur 0x, 0y et 0z. On
appelle J~la valeur de l'intensité du courant d'électrolyse et
Jx, Jy et Jz les projections de J sur 0x, 0y et 0z.
Le procédé, objat du brevet FR n 1 143 879, consiste
annuler les effets magnétiques au point 0. Ces effets subsistent
sur le reste de la cellule, mais ils sont relativement faibles
et leur valeur comporte une certaine symétrie par rapport au
point 0, ce qui assure une stabilité suffisante dans le fonction-
nement de la cellule. Pour obtenir ce résultat, il a été démontré
qu'il fallait réaliser, au point 0, les conditions suivantes:
By _ 0
dBy = 0
dz
Les figures 4 et 5 montrent respectivement en coupe
verticale en long, et en plan, deux cellulesfa~ant partie d'une
serie en long fonctionnant sous 70.000 amperes, dans laquelle
les conducteurs ont été disposés selon l'enseignement du brevet
FR n 1 143 879, de facon ~ réaliser, au point 0, les deux con-
~` ditions By - 0 et dBy - 0.
dz
Les sorties cathodiques, au nombre de 22 (11 pour
chaque côté de la cuve, ce chiffre étant déterminé par des
considérations de densité de courant dans les conducteurs,
connues de l'homme de l'art), sont séparées en deux groupes de 8
et 3 barres. Les deux groupes de huIt barres amont (3) 50nt
reliés aux conducteurs (4) qui alimentent la tête amont de la cuve
~30 suivante par la montée (5), tandis que les deux groupes de trois
.. . .
~ barres aval (3l) sont reliés aux conducteurs ~4'~ qui alimentent
,.
~ la tête aval de la cuve suivante par la montée ~5').
:'' '' '
~ ;
~L~009~6
Alors ~ue la disposition des figures 1, 2 et 3
permettaient difficilement de dépasser 50.000 ampères, la
disposition des figures 4 et 5 a perrnis d'obtenir, sous 70.000
amp~res, une marche stable et régulière, avec un rendement en
courant compris entre 86 et 87%.
Cependant cette disposition s'est révélée insuffisante
au-delà de 100.000 ampères, et, même ~ des niveaux d'intensité
inférieurs, elle laisse subsister un champ magnétique et ne permet
pas de d~passer un rendement en courant de l'ordre de 87%, considéré
aujourd'hui comme insuffisant par les producteurs d'aluminium.
; Sur les autres figures 6 à 20, les conducteurs de
liaison ont été représentés schématiquement, de façon à rendre ~ -
les dessins lisibles, mais leur disposition n'est pas nécessaire-
~ . ;. , .
` ment identique a leur emplacement réel. Les sorties cathodiques,
en particulier, sont généralement placées dans un plan horizontal. ~
- Sur les figures 6 et 7, la cuve de rang n, dans la ~-
série, est aliment~e par les conducteurs provenant de la cuve
J~ precedente, de rany n - 1, située en amont, et elle alimente, `
par des conducteurs disposés d'une facon identique, la cuve
~20 suivante de rang n + 1 située en aval. Sur les différents
. `1 : ~. ~ :,
-~ conducteurs~ les flèches indiquent le sens conventionnel de circu-
lation du courant.
Les deux branches du croisillon de la cuve n sont alimen-
tées à la fois par la tête amont et par deux points intermédiaires
A et A'. i~
Les sorties cathodiques, de chaque côté de la cuve,
au nombre de 11, sont divisées en deux groupes, un groupe de six,
côté amont, ~repère 3~, et un groupe de cinq, côté aval, (repere
3')~ Les six sort:ies cathodiques amont (3) alimentent, par le
collecteur ~4) et La montée (5), le croisillon (6) de la cuve
n t 1 par la tête amont. Les cinq sorties cathodiques aval (3')
alimentent, par le collecteur ~4') et la montée ~5') le poin-t
_7_
~OU911~ ~
intermédiaire A.
La cuve étant symétrique, la même disposition se
retrouve sur l'autre côté, de façon à alimenter les deux branches
des croisillons en A et A'.
Bien que la mise en oeuvre de l'invention permette une
certaine latitude dans la répartition des sorties cathodiques entre
le groupe amont et dans le groupe aval, ain~i que dans le choix de
la position des points A-A' sur le croisillon, il apparalt que les
meilleurs résultats sont obtenus lorsque les sorties cathodiques
sont r~parties en deux g~oupe~ sensiblement équivalents, et r
lorsque les points A-A' se trouvent sensiblement au niveau du
plan median transversal de l'anode. De cette façon, la longueur
totale du groupe de conducteurs alimentant la tête amont du
croisillon est tr~s sensiblement ~gale à la longueur totale du
groupe de conducteurs alimentant les points intermédiaires A-A' du
croisillon, ce qui permet d'avoir des barres de meme section dans
les deux circuits.
Les figures 8 et 9 repr~sentent, en coupe verticale
., .:
longitudinale et en plan, deux cuves d'une série en long, dont
les conducteurs de liaison sont egalement disposes selon l'inven-
tion. I1 s'àgit d'une serie à tres grande intensité (150.000 ;
amperes~, dans lesquelles les sorties cathodiques comportent
15 barres de chaque côté de la cuve, soit 30 en tout, qui sont
séparees en trois groupes, pour chaque côté~
` Le groupe de 5 barres aval t3) de la cuve de rang n
est relie à la tête du croisillon (6) de la cuve de rang n ~ 1 t
par le conducteur (4) e-t la mont~e ~5~.
Le groupe de 5 barres centrales (3') de la cuve de rang
n est relié à un point intermédiaire A, situé au premier tiers
amont du croisillon, par le conducteur (4') et la montée latérale
(5').
Le groupe de 5 barres aval (3") de la cuve de rang n
' ~,
8- ~
~ 19~6
est relie à un deuxième point interm~diaire B de la cuve de
rang n ~ 1, situé au deuxième tiers du croisillon, par le conduc-
teur ~4"~ et la montée latérale (5"~. La cuve étant symétrique,
la même disposition se retrouve sur :L'autre côt~, pour alimenter
; les points Ai et B' du croisillon.
On remarque, aussi bien sur les figures 6 et 7, que sur
les figures 8 et 9, que les conducteurs (4) et ~5~ d'une par~,
(4') et (5') d'autre part, ou ~4) - ~5), (4') - ~5') et ~4") -
(5") on une longueur sensiblement égale, ce qui permet d'utiliser
des barres de même section.
,.
Les figures 10, 11 et 12 montrent comment se répartit
.~ . .. .
le courant dans les conducteurs anodiques et cathodiques le long
q d'une série de cuves en long. La figure 10 se rapporte à une série,
selon l'art antérieur, où le croisillon de chaque cuve est alimenté
uniquement par la tête amont, à partir des barres cathodiques de
la cuve précédente. ~a figure 11 se rapporte a une série, selon
1, l'enseignement du brevet FR n 1 143 879, où le croisillon de
,, ~, .
chaque cuve est alimenté par les deux têtes, la tete amont a ;
partir de 8 barres cathodiques amont de la cuve précédente, et la
,. :: .i
~20 tête aval ~ partir de 3 barres cathodiques aval de la cuve précé-
dente. La iigure 12 se rapporte à l'objet de l'invention: le
, ":. :
croisillon de cha~ue cuve est alimenté par l'amont, à partir des
6 barres cathodiques amont de la cuve précédente, et en un point
intermédiaire, situé sensiblement en son milieu, à partir des ~-
;: .
5 barres cathodiques aval de la cuve précédente.
Sur les trois figures, on a porté en abcisses, en
échelle arbitraire, la longueur des cuves et de la projection
horizontale des circuits de connexion entre elles, et en
ordonnées, en echelle arbitraire, l'intensité du courant.
Les diagrammes reperés par la lettre A se rapportent
aux conducteurs anodiques, ceux reperes par la lettre K se
rapportent aux conducteurs cathodiques. Les flèches verticales
_9_
~ )09~6
indiquent l'endroit, localise arbitrairernent au milieu de
l'espace qui separe la tete aval d'une cuve de la tete amont de
la suivante, o~ le courant cathodique de la cuve n - 1 devient
le courant anodique de la cuve n.
Comme les cuves sont symetriques par rapport a un plan
vertical longitudinal, on n'a considere que les conducteurs (ano-
diques et cathodiques) d'un seul côte. et, du fait qu'il y a 11
barres cathodiques de chaque côte, on a exprimé les intensit~s
en fraction I/11, I étant égale à la moiti~ de l'intensit~
totale J qui parcourt la série.
On constate que la répartition des intensités le
long des conducteurs anodiques et cathodiques est très nettement
améliorée, et, en particulier, que le rebroussement de courant
anodique (point -3~ qui existait dans le cas de la figure llj
entre la tête aval et le point M, a disparu (le signe - indiquant
que le courant anodique circule en sens inverse du sens général
du courant dans la série).
Les avantages résultant de l'invention apparaissent
encore plus nettement, si l'on établit la carte des valeurs du
champ magnétique induit en divers points d'une cuve d'électrolyse,-`
dans le plan de l'interface électrolyte-aluminium.
Les figures 13, 14 et 15 concernent une cuve d'électro-
~
lyse selon la brevat FR n 1 143 879 talimentation par les deux
têtes) et les figures 16, 17 et 18 une cuve selon l'invention.
Sur les figures 13 et 16, le chiffre sup~rieur indique que la
composante Bx du champ magnétique, et le chiffre inférieur, la ~-
composante By du champ magnetique, en 9 points de la surface
anodique de la cuve: aux quatre angles, au milieu des quatre
côtés, et au centre. ;
Sur les figures 14 et 17 le chiffre indique la valeur
de la résultante Bxy (composition vectorielle de Bx et By~.
On constate que la mise en oeuvre de l'invention amène
.
~10- ~ ~
: .. : ~ .. , . .... ,. ,., . .,. - .
ll~)U~6
une diminution très sensible de Bxy aux deux extrémités, et une
diminution importante de l'écart entre le champ au milieu et
le champ aux extrémités de la cuve.
Sur les figures 15 et 18, les chiffres representent
les valeurs des champs verticaux Bz, selon l'art antérieur :~
(figure 15) et selon l'invention ~figure 18)~ On constate
également que la mise en oeuvre de l'invention amene une diminu- :
tion importante de Bz dans les angles et une diminution sensible
de l'écart entre les différentes valeurs de ce champ le long des
grands côtésO
Enfin, un autre avantage important de l'invention, par ~ ~
rapport au brevet FR n 1 143 879, réside dans l'économie ~: :
` importante de barre d'aluminium pour constituer les circuits
d'alimentation.
,.. ' i ,
~ Si l'on compare les circuits de la figure 5 tart ~ :
1 antérieur) et de la figure 7 ~selon l'inventio~), on constate que,
selon l'invention, les circuits ~3) t ~4) t (5) et (3') ~ (4')
~5') sont de longueur égale et minimale, alors que, selon l'art
anterieur, le circuit ~3') ~ (4') ~ (5'~ est nettement plus long .
que le circuit (3) ~ t4~ ~ ~5). Pour ne pas déséquilibrer la ~.
cathode de la cuve précédente, il faut utiliser pour le circuit
(3') ~ (4') ~ (5') une densité de courant (en A/cm2) nettement ;
inférieure a celle du circuit (3) ~ ~4) ~ (5~, donc différente
de la densi~e dite "économique". Comme cette faible densité est
:, ~
appliquée au oircuit le plus long, il en résulte un accroisse- . `
ment de poids important des conducteurs qui crolt d'ailleurs avec
:- :
la dimension de la cuve, alors que, dans la disposition selon .
l'invention, la densité de courant ~étant ide~ique dans chaque
circuit, on peut le prendre égale a la valeur optimale, la plus
~conomique ~O. :-
Pour une cuve de ~0.000 amperes, le gain de poids sur
` les conducteurs de liaison est de 8 % en faveur de la cuve selon
: '
- 1 1 -
.. ~.
. . ~
~ ~os~ .
l'invention, soit environ 1.000 kg de barre d'aluminium par cuve.
Pour une cuve de 150.000 ampères, ce gain est de l'ordre de
1.800 kg. ~ r
L'exp~rience montre que la présence d'une ou meme de
deux mont~es laterales de chaque côté des cuves d'electrolyse
n'apporte pas de gene pour l'intervention des engins de services
des cuves: piquage, alimentation en alumine, soutirage de
l'aluminium liquide, lorsqu'ils sont du type semi-portique ou pont
roulant, tels qu'ils sont décrits, en particuli.er, dans les
brevets français n 1 245 598 ~Pechiney), 1 526 766 IPechiney~ ~ -
Exemple
Une série de cellulas d'électrolyse "en long",
équipées d'anodes Soederberg, fonctionnant sous 70.000 amperes, et
connectées conformément aux figures 4 et 5 (art antérieur) produi ~ -
sait 485 kg d'aluminium par cuve et par jour, ce qui correspondait
à un rendement en courant ~rendement Faraday) de 86 %, que l'on
peut considérer comme insuffisant. ;~ ~`
Sa~s modifier les caissons, on a remplacé les anodes `
continues "Soederberg" ~7) par des anodes précuites (10) selon
les figures 19 et 20, où l'on a représenté 2 x 4 anodas, pour :~.
simpli~ier le dessin, le nombre exact étant en r~alité 2 x 10. ~
.
Les connexions ont été réalisées conformément aux .-
figures 6 et 7, selon l'invention, de fa~on a réduire les pertur-
. . . .
bations dûes au champ magnetique.
En outre, du fait du remplacement de l'anode continue par
des anodes précuites, il a eté possible de porter l'intensité de : :~
la série ainsi modifiée de 70.000 a 90.000 amperes, soit une `~
augmentation de 28,6 %. ~
La production d'aluminium est passee a 640 kg par cuve ~`
et par jour, ce qui correspond a un rendement Faraday de 88 %.
Malgré l'augmentation de 28,6 % de l'intensit~.fqui
aurait entralné une augmentation corrélative des champs magnetiques
'
114)09~6
si l'on n7avait pas modifié la disposition des conducteurst le
fonctionnement de cet~e série, ainsi modifiée, a été stable et
regulier.
La mise en oeuvre de l'invention permet donc aussi bien
d'améliorer des séries existantes, en augmentant très sensible-
ment leur rendement Faraday, par réduction des perturbations dûes
au champ magnétique, que d'augmenter l'intensité d'électrolyse -
tout en conservant un bon rendement. :
~ ll est également possible d'appliquer aux conducteurs
disposes selon l'invention, des disposi~ions particulieres pour
la compensation du champ magnetique induit par la file voisine.
'.~':.
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