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發(fā)表時(shí)間:2011-5-15 12:00:03 IP:58.20.139.61 |
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主題:磁性材料與技術(shù)在現(xiàn)代能源中的應(yīng)用 |
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磁性材料與技術(shù)在現(xiàn)代能源中的應(yīng)用
1 引言
能源是人類社會(huì)發(fā)展的物展基礎(chǔ)，沒有能源人類是無(wú)法生存的。所謂能源，就是人類取得能量的來(lái)源，它分為1次能源——經(jīng)開采或收集后未經(jīng)任何改變或轉(zhuǎn)換的能源，如原煤、原油、河流的水等；2次能源——經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換后獲得的1次能源，如油料、電力、沼氣、核能等；終端能源——1次、2次能源經(jīng)過輸送、儲(chǔ)存和分配，供給用戶使用的能源，如用于炊事、照明、運(yùn)輸?shù)臒崮芎碗娔艿取?
現(xiàn)在，能源危機(jī)是1個(gè)世界性的問題。由于目前人類的90％以上工業(yè)性能源是來(lái)自煤、石油、天然氣等天然資源，它們是用之有竭的。所以節(jié)約能源、開發(fā)新能源就顯得十分重要，磁性技術(shù)在其中擔(dān)當(dāng)著重要的角色，也是確保人類可持續(xù)發(fā)展的有效措施之一。
2 磁性技術(shù)在節(jié)約能源方面的應(yīng)用
2.1 節(jié)能的永磁材料
降低現(xiàn)有磁性材料的損耗，研發(fā)更低損耗的新材料，便可以在使用磁性材料的各種電機(jī)和電器中節(jié)約能源。例如，用永磁體代替電流在空間形成1個(gè)靜磁場(chǎng)（如永磁電機(jī)中的定子磁場(chǎng)或轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，揚(yáng)聲器和儀器儀表中的氣隙磁場(chǎng)等），這樣，不但節(jié)省了電能，降低了溫度，而且省去1部分電源及控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。利用沒有勵(lì)磁線圈的鐵芯，不發(fā)熱的稀土永磁電機(jī)來(lái)代替常用電動(dòng)機(jī)，可縮小體積，減輕重量，提高效率。如在汽車中用永磁電機(jī)替代傳統(tǒng)的電機(jī)，可使體積和重量減小40％～70％，效率提高50％以上，并可節(jié)省銅材和電力。將電氣設(shè)備中大量使用的電磁開關(guān)、電磁閥的電磁鐵換成永磁體，可節(jié)電90％以上。
在人類活動(dòng)中，大量的能源消耗在克服摩擦力的做功上。利用永磁體之間的排斥力和吸引力，做成各種磁懸浮系統(tǒng)，如果再將系統(tǒng)中的空氣抽出，則摩擦力幾乎按近于零。例如，利用磁懸浮原理制成新型磁軸承，其能源可降低90％以上，轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)。又如，應(yīng)用磁耦合的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以做到不嚙而合，隔而不斷，從而大量節(jié)約能源。再如，有1種在100大氣壓高壓室內(nèi)工作的機(jī)構(gòu)，僅用以克服從動(dòng)軸與高壓室壁間所設(shè)置的軸封摩擦即要消耗25kW的功率，如應(yīng)用磁耦合減速器，用1kW電動(dòng)機(jī)便可操縱高壓室內(nèi)的機(jī)構(gòu)工作。同時(shí)，磁性軸承和磁性傳動(dòng)器均無(wú)需直接接觸，不必潤(rùn)滑，沒有污染。
用永磁體在空間建立1個(gè)磁場(chǎng)，除了在制作該永磁體時(shí)消耗一定能源外，長(zhǎng)期使用過程中不再另外消耗能源，顯然，利用永磁體能夠取得節(jié)約資源、節(jié)省能源的顯著效果。
2.2 奇特的非晶態(tài)磁性合金
非晶態(tài)磁性合金就是磁性玻璃。這種非晶態(tài)合金材料是將熔融的金屬用每秒近100萬(wàn)℃的超急冷方法直接噴在高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪上，使熔化的液態(tài)合金立即凝固成薄帶，來(lái)不及結(jié)晶而形成非晶態(tài)。
非晶態(tài)合金具有鐵芯損耗小、電阻率高、頻率特性好、磁感應(yīng)強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。在漏電保護(hù)器、電感濾波器、電力配電變壓器和開關(guān)電源等方面已獲得廣泛應(yīng)用。由于非晶態(tài)材料的厚度只有0.03mm，所以鐵芯的占空系數(shù)較小，約在0.4～0.7之間，其鐵芯損耗也僅為硅鋼片的1/3，用作變壓器鐵芯，不但具有優(yōu)良的高頻電磁性能，而且與常規(guī)產(chǎn)品相比，體積可縮小30％，總能量損耗減少40％～60％。據(jù)資料顯示，由于鐵芯發(fā)熱，日本每年要損耗60億度電，相當(dāng)于2000億日元的價(jià)值。據(jù)估計(jì)，我國(guó)變壓器的總損耗占系統(tǒng)發(fā)電量的10％左右，損耗每降低1％，每年可節(jié)約上百億度電，其節(jié)能效果十分顯著。
2.3 磁性節(jié)能器件
磁水器在鍋爐和熱交換系統(tǒng)中的使用，不但提高了熱效應(yīng)，節(jié)約了能源，而且還減少了管道和設(shè)備的除垢工作。根據(jù)美國(guó)商業(yè)部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的資料，鍋爐的水垢厚度為0.4mm～9.6mm，平均效率損失為4％～48％，每千升（或每千加侖）燃油浪費(fèi)40升～480升（或加侖）。按照美國(guó)的運(yùn)行情況，某些鍋爐在進(jìn)行酸洗除垢之前，其積垢厚度有的可達(dá)8mm左右，其燃油的浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重。其它國(guó)家和地區(qū)，因水質(zhì)和維護(hù)水平不同，嚴(yán)重者會(huì)造成更大損失。如果采用磁力除垢器或磁水器均可節(jié)約能源并提高維護(hù)保養(yǎng)水平。我國(guó)某油田用磁水器處理石油，使石油除蠟降粘，熱洗周期由12天增加到140天，單井年節(jié)電達(dá)1.4萬(wàn)度，年節(jié)約天然氣1.8萬(wàn)m3，年增產(chǎn)原油180噸，多獲利2萬(wàn)元。
將磁化節(jié)油減煙器，燃油增能器或磁力強(qiáng)化節(jié)能器用于以碳?xì)浠衔铮ㄓ�、氣）為燃料的燃燒設(shè)備中，其節(jié)能效果明顯。例如煉鋼爐、鍋爐、電站、各種發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備均可裝設(shè)此類節(jié)能器，令其燃料在使用之前進(jìn)行磁化，使油、氣分子鍵斷裂霧化，使其充分燃燒，提高燃燒效率，從而省油、省氣5％～15％。由于燃燒室溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)（引擎）輸出增加，可防止積垢，可使CO、NO等有害氣體的排放降低25％～65％，同時(shí)還可使廢氣中的含塵量降低25％～40％。在開采或煉制石油的輸油管道中，采用此類設(shè)置，也可取得有利于油氣輸送、除蠟降粘的效果。
用于石油鉆井7km深處打撈作業(yè)的稀土鈷永磁強(qiáng)磁力打撈器，可將掉落井里的鉆頭、齒輪、軸承、工具、碎片及其它雜物打撈干凈，確保鉆井速度，并保護(hù)油井不致報(bào)廢。我國(guó)研制成功的60kVA永磁副勵(lì)磁機(jī)，選用釤鐠鈷稀土永磁體裝在切面磁路的轉(zhuǎn)子上，電機(jī)功率等級(jí)是原型機(jī)的2.45倍，軸長(zhǎng)縮短了1半，稀土永磁的用量?jī)H為鋁鎳鈷副勵(lì)磁的47％，成本只有電磁副磁機(jī)系統(tǒng)總成本的1/3左右。
2.4 綠色節(jié)能磁冰箱
利用“絕熱去磁”（給1種磁性材料施加磁場(chǎng)時(shí)發(fā)熱，去掉磁場(chǎng)時(shí)冷卻）全新原理工作的磁冰箱，其致冷工作效率為常規(guī)氣體致冷機(jī)的2倍～4倍，能耗低，可節(jié)電50％。由于使用固體工質(zhì)，故而體積小、重量輕，又無(wú)壓縮機(jī)，很少有零件磨損和擠壓現(xiàn)象。即使有運(yùn)動(dòng)部件，其轉(zhuǎn)速也十分緩慢，故而省電、便于維護(hù)、壽命長(zhǎng)、無(wú)振動(dòng)噪音，沒有氟里昂對(duì)環(huán)境的污染，可保護(hù)臭氧層，因此被稱為綠色冰箱。
近來(lái)美國(guó)埃姆茲實(shí)驗(yàn)室制成1臺(tái)以釓顆粒為致冷材料的樣機(jī)，其循環(huán)系統(tǒng)較復(fù)雜，要求的工作磁場(chǎng)較高（5T），這樣高的磁場(chǎng)只有超導(dǎo)磁體才能達(dá)到。我國(guó)包頭稀土研究院與包頭鋼鐵學(xué)院共同承擔(dān)的“稀土磁致冷技術(shù)開發(fā)”課題，已制成1種采用釹鐵硼永磁磁場(chǎng)裝置，其強(qiáng)度為1.3T～2.0T，使室溫磁致冷技術(shù)向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)一大步。
2.5 其它節(jié)能實(shí)例
電子鎮(zhèn)流器只需傳統(tǒng)式鎮(zhèn)流器的70％的電功率便能令螢光燈發(fā)出同樣的光度。由于使用較小的磁性電感器，不需要啟動(dòng)器，可節(jié)能30％，具有快速、重量輕、噪音低的特點(diǎn)，效率高達(dá)65％～85％。小損耗的開關(guān)電源必須使用的變壓器，扼流圈，雜波濾波器、飽和電抗器等4種磁性元件，全部可由磁性材料制造。
不用水和色漿的磁性染色工藝就是利用磁力和分散染料升華作用的1種連續(xù)染色法，可用于染素色和圖案印花。它無(wú)需使用水、溶劑和印花紙，且能耗大大減小。
沒有火患的安全灶——電磁爐，是1種新型“冷加熱”電氣灶具。這是通過高頻交變磁場(chǎng)與鐵鍋（或不銹鋼鍋）相互作用來(lái)加熱的，其熱效率高，節(jié)省電力。同樣是1.2kW，一般加熱器的熱效率只有56％，而電磁爐的熱效率卻達(dá)到83％，燒沸同量水的時(shí)間可縮短1/3。溫度可調(diào)，安全衛(wèi)生，與微波爐相比，還具有價(jià)格低、宜炒菜特別是做中餐的特點(diǎn)，目前在我國(guó)已經(jīng)實(shí)用化、商品化。
利用磁場(chǎng)制作的水泥，具有松散，不結(jié)塊的特點(diǎn)。由于磁場(chǎng)的作用使水泥旋轉(zhuǎn)，只要在水泥中添加1種可與水泥吸附在一起的鐵磁材料，使之具有韌性和彈性。因無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，磨損極小，耗能少。磁性水泥混凝土的形狀和大小不受限制，具有良好的持久性，在水中和海洋工程方面，可用于磁性定位；在危險(xiǎn)地區(qū)可作成磁性地段，便于檢測(cè)；在路面上作磁性標(biāo)記以引導(dǎo)盲人步行，使汽車通行無(wú)阻。
3 磁性技術(shù)與新能源開發(fā)
3.1 磁流體發(fā)電
磁流體發(fā)電就是“等離子體發(fā)電”，是將熱能轉(zhuǎn)換為電能的1種方式，其基本原理仍是導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。不同的是磁流體發(fā)電中的導(dǎo)電流體代替了普通發(fā)電機(jī)中的金屬導(dǎo)體。即當(dāng)高溫高速氣流通過強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，氣流由于高溫電離變成等離子導(dǎo)電流體，并切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電能。目前，世界上主要研究燃燒礦物燃料的開環(huán)磁流體發(fā)電，燃煤磁流體聯(lián)合循環(huán)等高效率、低污染、大功率發(fā)電的高新技術(shù)。其發(fā)電效率比傳統(tǒng)的水力、火力、核能發(fā)電提高50％～60％。1個(gè)百萬(wàn)kW的磁流體發(fā)電廠，年節(jié)煤可達(dá)100萬(wàn)噸，造價(jià)僅為火力發(fā)電廠的1/4。
3.2 磁約束與受控核聚變
目前，原子能發(fā)電是利用重原子核的裂變反應(yīng)釋放的能量。據(jù)估計(jì)，地球上的裂變材料藏量只夠用幾千年，如果改用輕原子核（如氘）聚變反應(yīng)釋放能量發(fā)電，則地球上的氘可用幾千億年。要實(shí)現(xiàn)可控聚變反應(yīng)則需要上億度（>108K）的高溫和一定密度的重氫等離子體維持一定時(shí)間。目前，1種有效方法就是利用一定形狀和強(qiáng)度的強(qiáng)磁場(chǎng)——磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)。最近，美國(guó)科學(xué)家在探討核聚變研究新方向時(shí)，由普拉格等人提出的4種約束等離子體新方法中最重要的就是磁約束技術(shù)。
德國(guó)力求在新能源探索中占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位，將建造世界最大仿星器受控核聚變裝置。該裝置的關(guān)鍵部件是產(chǎn)生磁場(chǎng)的超導(dǎo)線圈和隔熱箱，二者目前已研制成功并通過試驗(yàn)。德國(guó)科學(xué)家采用鈮鈦合金導(dǎo)線作為超導(dǎo)線圈材料，由200根超導(dǎo)線材制電纜，共外用強(qiáng)化鋁合金冷凝管中的液態(tài)氮冷卻至4K，整個(gè)裝置所使用的超導(dǎo)線長(zhǎng)度達(dá)60km。加熱與約束等離子體是受控核聚變研究的兩大課題，其中約束主要有磁約束和慣性約束2種途徑。磁約束曾使用過多種裝置，至今前途較明朗的閉式環(huán)形裝置有托卡馬克和仿星器。托卡馬克主要利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)電流等來(lái)約束等離子體，而仿星器對(duì)等離子體的約束主要借助外導(dǎo)體的電流等產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)。
3.3 磁性材料與風(fēng)能技術(shù)
風(fēng)能是太陽(yáng)輻射造成地球各部分受熱不均勻，引起空氣運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量。地球上近地層風(fēng)能總儲(chǔ)量約為1.3 × 1012kW，估計(jì)我國(guó)風(fēng)能總儲(chǔ)量達(dá)1.6×109kW，在世界上排列第三，可開發(fā)利用的約為1/10。風(fēng)能量是利用風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)力機(jī)而產(chǎn)生的。利用風(fēng)力可以發(fā)電、提水、助航、致冷和致熱等。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其它形式能量（如電能、機(jī)械能、熱能等）的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。用永磁材料制成的大輸出旋轉(zhuǎn)機(jī)械在風(fēng)力機(jī)中獲得了應(yīng)用，例如在轉(zhuǎn)子外側(cè)而定子在內(nèi)側(cè)的外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)中，永磁體粘結(jié)在圓筒形轉(zhuǎn)子輪的內(nèi)圓周面，因此轉(zhuǎn)子輪本身可防止永磁體的飛脫，因而磁通不會(huì)降低。
風(fēng)能是1種干凈的綠色可再生能源，在技術(shù)上已日漸成熟，在價(jià)格上逐步具有競(jìng)爭(zhēng)力，如美國(guó)目前的風(fēng)能電價(jià)格僅為每度9美分。
4 超導(dǎo)磁體的功能
把某種金屬物質(zhì)冷至特定溫度以下，其電阻為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)性。這種超導(dǎo)性將使電力傳輸、電機(jī)及其各種電力電子設(shè)備完全不消耗能量，可以制成超強(qiáng)的磁鐵用于巨大的粒子加速器。如何將其實(shí)用化，這是科技人員開發(fā)的重點(diǎn)。一旦金屬線圈在超導(dǎo)狀態(tài)下被接通電流以后，電流就會(huì)持久地流動(dòng)，并會(huì)產(chǎn)生比普通永久磁鐵大十幾倍的磁場(chǎng)。這一超導(dǎo)電性與磁性若能共存而不互相破壞，則會(huì)加速超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
4.1 磁懸浮列車
這種列車是利用直流電機(jī)原理，在磁力作用下使車輛浮起并沿著特制的導(dǎo)軌運(yùn)行，是介于常規(guī)鐵路與航空之間的1種交通運(yùn)輸工具。它具有速度高、振動(dòng)小、噪音低、無(wú)污染、安全舒適、可靠、占地面積小、運(yùn)輸費(fèi)用低等特點(diǎn)，成為繼“海陸空”之后的“第四大交通運(yùn)輸工具”。磁懸浮列車的原理已提出20多年，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相開發(fā)，德、日、英等位居前列，日本取得的最高速度達(dá)517km/h。目前速度達(dá)350km/h的磁懸浮列車已在發(fā)達(dá)國(guó)家投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。
磁懸浮列車的核心是產(chǎn)業(yè)巨大磁力的永磁體（或電磁體）。這種永磁體可以是常導(dǎo)和超導(dǎo)磁鐵，而超導(dǎo)磁體的制造費(fèi)用相當(dāng)高，采用常導(dǎo)磁體代替超導(dǎo)磁體一直是人們努力的方向。將超導(dǎo)電性與磁性經(jīng)“優(yōu)化組合”而成的新材料——超導(dǎo)磁鐵，是演繹本世紀(jì)交通工具革命的前題。最近美國(guó)1位科學(xué)家宣布，已研究出1種由鐵、硼和釹合金制成的永磁體，它可以不用借助外力就能讓沉重的機(jī)車懸浮起來(lái)，這一成果有望使磁懸浮列車很快進(jìn)入實(shí)用階段。我國(guó)第一臺(tái)載人常導(dǎo)磁懸浮車于1997年在西南交通大學(xué)試驗(yàn)運(yùn)行。據(jù)最新報(bào)道，我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的第一條中低速磁懸浮列車試驗(yàn)線在國(guó)防科技大學(xué)建成通車，并通過驗(yàn)收評(píng)審，已無(wú)故障運(yùn)行2000km。四川磁懸浮列車采用高溫超導(dǎo)技術(shù)建造，有望在2008年落戶北京奧運(yùn)賽場(chǎng)。據(jù)成都最新城市規(guī)劃透露，中美雙方共同合作的磁懸浮飛機(jī)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)全球第一架可容納100余名乘客的磁懸浮飛機(jī)將于2004年起飛。
4.2 超導(dǎo)磁分離技術(shù)
磁分離是根據(jù)各種物質(zhì)磁性的差別來(lái)進(jìn)行分選的1種方法。由于具有不同磁性的顆粒在磁分離裝置分選空間中，受到磁力、機(jī)械力（重力、離心力、摩擦力和水、氣流動(dòng)力等）不同的作用，會(huì)沿著不同路徑運(yùn)動(dòng)，因此可以分別接取，從而得到磁性和非磁性產(chǎn)品。超導(dǎo)磁分離就是用超導(dǎo)磁體取代磁分離裝置中的常規(guī)磁體。現(xiàn)已實(shí)用的鈮鈦和鈮三錫超導(dǎo)線材，其臨界電流密度高達(dá)104A/cm2～105A/cm2，比銅線材的最高允許電流密度高幾百倍至幾千倍。所以超導(dǎo)磁體可在數(shù)米的工作口徑內(nèi)產(chǎn)生幾萬(wàn)Gs以上的磁場(chǎng)強(qiáng)度。另外，超導(dǎo)磁體通電勵(lì)磁后，如經(jīng)超導(dǎo)開關(guān)閉合，再切斷供電電路，可構(gòu)成閉合的超導(dǎo)持續(xù)電流回路，長(zhǎng)期運(yùn)行僅消耗維持低溫致冷所需的很小功率，是常規(guī)磁體不可比擬的。據(jù)估計(jì)，超導(dǎo)磁體與常規(guī)磁體能耗之比為1∶25，處理量之比大于10，尺寸可減小1/3～1/2。超導(dǎo)磁分離可用來(lái)分離黑色金屬、有色金屬、稀有金屬和其它工業(yè)原料。過去，在工廠，通常是用水冷式的銅線圈電磁鐵分離器，耗用大量電力。現(xiàn)在，磁場(chǎng)為5T的超導(dǎo)磁鐵所消耗的電能只是原來(lái)2T傳統(tǒng)磁鐵的5％左右。
4.3 超導(dǎo)磁力推進(jìn)船
超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)因不帶推進(jìn)器而沒有噪聲和振動(dòng)，無(wú)需燃料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度達(dá)150km/h以上，其推進(jìn)力是按照弗萊明左手定則產(chǎn)生的。安裝在靠近船底部的超導(dǎo)磁體在海水中產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)電流在垂直于磁場(chǎng)的方向上流過時(shí)，便會(huì)在與電流和磁場(chǎng)相垂直的方向下產(chǎn)生1種動(dòng)力，把大量的海水向前或向后推進(jìn)，從而把船體推向前進(jìn)。由于這種超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)海水的作用面積大而推動(dòng)力大，使船舶航速很高。1萬(wàn)噸輪船在航速達(dá)160km/h時(shí)倒車和變速都很方便，控制性能良好，特別適用于各種高速船如半潛式雙體船、潛艇、可潛式油船、海洋考察船和破冰船等。
4.4 制造強(qiáng)磁場(chǎng)
凝聚態(tài)物理研究需要強(qiáng)磁場(chǎng)，而強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用反映出1個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展水平。強(qiáng)磁場(chǎng)分為穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)、超導(dǎo)磁場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)3大類。粒子加速器靠強(qiáng)磁場(chǎng)加速原子、粒子，并使這些粒子沿著環(huán)行軌道行進(jìn)。磁場(chǎng)強(qiáng)度增加1倍，就可使加速器的規(guī)格尺寸縮小一半。目前，超導(dǎo)磁場(chǎng)已達(dá)到21T的程度。
5 結(jié)束語(yǔ)
能源是人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)代化建設(shè)的先驅(qū)，是世界各國(guó)十分重視的領(lǐng)域之一。磁性技術(shù)在解決當(dāng)前能源危機(jī)中扮演著重要的角色，尤其在節(jié)約能源、開發(fā)新能源方面，其效果十分顯著，應(yīng)當(dāng)加以推廣。
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