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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Herstellung des sogenannten Hüttensandes wird die Schlacke, die bei Hochofenprozessen bei etwa 1500°C bis 1600°C flüssig anfällt, durch verschiedene Verfahren granuliert. Hierzu gehört einerseits das Abschrecken der Hochofenschlacke, was doch zu einem sehr hohen Wasserbedarf und insgesamt zu einem hohen Energiebedarf führt.
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Ein weiteres verbreitetes Verfahren zur Granulierung der Hochofenschlacke ist das sogenannte Rotating Cup-Verfahren. Hierbei wird die flüssige Schlacke auf einen teller- oder scheibenförmigen Rotationskörper gegossen, durch die Zentrifugalkraft wird die flüssige Schlacke in kleinen Tröpfchen nach außen geschleudert und so zerstäubt. Die abgekühlten Tröpfchen ergeben den gewünschten Hüttensand. Dieser Hüttensand kann beispielsweise in der Zementindustrie als Zusatzstoff verwendet werden. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der
EP 0 804 820 B1 beschrieben.
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Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass die teilweise noch flüssigen Tröpfchen, die beim Zerstäuben vom Rotationskörper weggeschleudert werden, bis zur vollständigen Erstarrung einen verhältnismäßig weiten Weg zurücklegen müssen. Auf dieser Flugbahn können die Tröpfchen zwar durch einen Luftstrom gekühlt werden. Um jedoch einen vollständig abgekühlten Partikel zu erhalten, dessen Neigung zu Agglomeratbildung minimiert ist, so dass ein feinkörniger Hüttensand entsteht, muss jedoch die Flugbahn trotz Luftkühlung einen Weg von mindestens 10 bis 15 m betragen. Dies wäre an sich unproblematisch, wenn die flüssige Schlacke weit genug vom Hochofen entfernt abgekühlt werden könnte. Flüssige Schlacke ist jedoch sehr schwer zu transportieren und zu handhaben, wobei hinzukommt, dass in der Nähe des Hochofens, in dem die Schlacke anfällt, stets eine Raumenge vorherrscht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Granulierung von Hochofenschlacke nach dem Rotating Cup-Prinzip bereitzustellen, die jedoch von ihrem benötigten Bauraum bei gleicher Leistung deutlich kleiner ausgestaltet werden kann, als die aus dem Stand der Technik bekannten Granulationsvorrichtungen.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach Patentanspruch 1 umfasst eine Schmelzzuführvorrichtung, durch die die Schmelze einer Drehzerstäubungsvorrichtung zugefügt wird. Die Drehzerstäubungsvorrichtung weist einen drehbar angeordneten Rotationskörper auf, an dessen Oberfläche ein Zerstäuben der Schmelze in Mikropartikel, beispielsweise in Form von kleinen Tröpfchen erfolgt. Die Mikropartikel weißen üblicherweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 500 μm und 5 mm auf. Die so entstandenen Mikropartikel nehmen eine Flugbahn ein, die vom Rotationskörper wegführt. Diese Flugbahn hat eine hohe radiale Komponente bzgl. der Drehachse des Rotationskörpers, sie ist jedoch nicht streng radial nach außen gerichtet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine die Flugbahn der Mikropartikel begrenzende, gekühlte Prallwand vorgesehen ist, an der eine Reflexion der Mikropartikel erfolgt.
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Im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik lehrt die vorliegende Erfindung, dass die erzeugten Mikropartikel gezielt an einer Prallwand abprallen sollen, an der sie durch Reflexion umgeleitet werden. Zur Verhinderung der Problematik, dass die noch nicht vollständig ausgekühlten Mikropartikel an der Wand anhaften, was zu einer Verkrustung und einer Agglomeratbildung führen würde, wird die Prallwand gezielt, bevorzugt durch eine starke Wasserkühlung, gekühlt. Die an die Prallwand anprallenden Mikropartikel werden somit im Idealfall durch einen elastischen Stoß reflektiert.
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Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, dass es besser ist, wenn die Mikropartikel nicht senkrecht auf eine Prallwand auftreffen. Vielmehr ist es zweckmäßig, dass sie in einem spitzen Winkel auftreffen. Das liegt daran, dass die Massen und die Wärmestromdichten bei einem senkrechten Aufprall einen Maximalwert annehmen. Bei bzgl. der Flugbahn in einen spitzen Winkel geneigten Prallwänden ist die Wärmestromdichte, die auf die Prallwand wirkt, geringer. Die somit geringere übertragene Wärmeenergie ist auch wiederum leichter durch die Kühlung der Prallwand abzuführen. Die Wahrscheinlichkeit des Anhaftens des Mikropartikels beim Aufprall auf der Prallwand sinkt damit ab. Ferner unterstützt die Berührung des Mikropartikels mit einer kühlen Prallwand gleichzeitig eine Krustenbildung an der Oberfläche des bereits teilweise erstarrten Mikropartikels.
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Ferner ist zu berücksichtigen, dass eine hohe Massenflussdichte grundsätzlich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ankommende und haftende oder abprallende Partikel aufeinander treffen und sich unerwünschte Agglomerate bilden. Ein senkrechter Aufprall hat noch weitere Nachteile, da grundsätzlich der Massenstrom erhalten bleibt, aber die Teilchengeschwindigkeit beim Abprall je nach dessen Eigenschaften (von vollkommen elastisch bis vollkommen unelastisch) sehr stark absinken kann und danach erst durch die Wirkung der Erdbeschleunigung wieder langsam ansteigt, steigt die Dichte der Partikel im Volumen lokal entsprechend an was nochmals Teilchen-Teilchen-Stöße und damit die Agglomeration begünstigt.
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Auch in wandfernen Zonen soll ein hoher Abstand zwischen den Teilchen vorliegen, um ein Verstopfen der Apparatur zu verhindern. Dazu sind Teilchengeschwindigkeiten von einigen 10 m/s erforderlich, wie man sie mit einem Rotating Cup-Zerstäuber wesentlich energiesparender erreicht als mit einem Gebläsegasstrom. Auf dem Weg zum Fließbett sollte dann diese Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie möglichst nicht durch inelastische Stöße vorzeitig verbraucht werden, da die Schwerkraft dies danach nicht rasch genug kompensieren kann und sich Teilchen durch einen Gasstrom nur mit schlechtem Wirkungsgrad beschleunigen lassen. Der Energie verzehrendste inelastische Stoß ist der gegen eine senkrechte zur Teilchengeschwindigkeit orientierte Wand.
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Daher hat sich herausgestellt, das ein spitzer Winkel bevorzugt kleiner als 60°, weiter bevorzugt kleiner als 45° für das Abkühlverhalten der Mikropartikel besonders geeignet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Fläche der Prallwand kurvenförmig ausgestaltet, beispielsweise in Form eines Rotationsparaboloids. Diese Form bildet eine vorteilhafte Winkelverteilung der anfliegenden Partikel bei der Reflexion, wenn von dem Idealfall ausgegangen wird, dass es sich um eine völlig elastische Reflexion handelt. Die durch die Kurvenform der Prallwand bewirkte höhere Variation der Aufprallwinkel führt zu einer Strahlaufweitung und zu einer daraus resultieren geringeren Zusammenstoßwahrscheinlichkeit der Mikropartikel.
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Da eine völlig elastische Reflexion in der Praxis nicht vorkommt, wird hierbei unter dem Begriff Rotationsparaboloid ein Flächengebilde verstanden, das in etwa bis zu 20 von dem mathematischen Idealgebilde des Rotationsparaboloidens abweichen kann. Es kann auch eine Kurve höherer Ordnung als die Ordnung n = 2 beim Paraboloiden zweckmäßig sein. Im Weiteren wird jegliche für die Prallwand anzunehmende Kurvenform vereinfachend als Rotationsparaboloid bezeichnet.
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Der Rotationsparaboloid ist bevorzugt so ausgestaltet, dass der Mittelpunkt seines Brennkreises auf der Drehachse des Rotationskörpers liegt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Rotationsparaboloid bezüglich der Drehachse auseinandergezogen sein kann und somit kein singulärer Mittelpunkt des Brennkreises entsteht sondern vielmehr einer innerer Kreis, um den der Brennkreis konzentrische herum verläuft.
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Ferner kann zur weiteren Abkühlung der Mikropartikel auf ihrer Flugbahn ein Kaltluftstrom vorgesehen sein, der jedoch den Lauf der Flugbahn beeinflusst.
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Die Prallwand ist bevorzugt wassergekühlt, weiterhin kann es zweckmäßig sein, eine Luftstromkühlung der Prallwand an einer Prallseite hinzuzufügen.
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Ferner ist es zweckmäßig, dass die Reflexion der Teilchen in Richtung der Schwerkraft, also nach unten erfolgt. Andererseits kann es ebenfalls zweckmäßig sein, dass die Reflexion der Mikropartikel nach oben erfolgt, diese hat den Vorteil, dass eine größere Flugbahn nach der Reflexion zur Verfügung stehen würde, da die Raumeinschränkung nach oben hin in der Umgebung eines Hochofens verhältnismäßig gering ist.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Abstand zwischen einem Rand des Rotationskörpers und der Prallwand weniger als 3 m beträgt, das würde insgesamt einen Gesamtdurchmesser von weniger als 6 m der Vorrichtung bedeuten. Die beschriebenen Mechanismen während des Zerstäubens der Mikropartikel sind insbesondere auf eine derart kompakte Vorrichtung anzuwenden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Zeichnungen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Granulierung von Schmelzen mit einer Reflexion in Richtung der Schwerkraft,
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2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach
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1 zur Definition der geometrischen Parameter und
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3 eine Vorrichtung nach 1 mit entgegengesetzter Reflexionsrichtung.
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In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung 2 zur Erzeugung eines Granulates aus einer Schmelze 3 gegeben. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Schmelzenzuführvorrichtung 4, die eine Schmelze 3 zu einer Drehzerstäubungsvorrichtung 6 führt. Die Schmelze 3 wird dabei auf einen Rotationskörper 8 gegossen, der sich mit hoher Geschwindigkeit um eine Drehachse 12 dreht. Der Rotationskörper 8 kann beispielsweise aus einem feuerfesten Material oder aus einer gekühlten Stahlplatte bestehen. Dabei kann der Rotationskörper 8 verschiedene Oberflächengeometrien aufweisen. Diese variieren zwischen streng tassenförmig (Cup) mit starken Vertiefungen bis zu ganz flachen Oberflächen. In dem vorliegenden Beispiel ist eine paraboloitische Oberfläche angedeutet.
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Die Schmelze 3 wandert durch die Rotationsbewegung, somit durch die Zentrifugalkraft von der Mitte des Rotationskörpers 8 nach außen zu einem Rand 30 des Rotationskörpers 8. Am Rand 30 des Rotationskörpers 8 wird die Schmelze 3 unter Bildung von feinen Mikropartikeln in Form von Tröpfchen in die Umgebung geschleudert. Die Mikropartikel, die hier nicht explizit dargestellt sind, bewegen sich auf einer Flugbahn 10, die einen starken radialen Anteil bzgl. der Drehachse 12 aufweist, zu einer Prallwand 14.
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Die Flugbahn 10 der Mikropartikel wird einerseits durch die auf den Rotationskörper aufgebrachte Zentrifugalkraft, durch die Reibungskraft (Mitführungskraft) und die dadurch resultierende Corioliskraft und die Schwerkraft beeinflusst. Ferner kann sie noch durch Luftströme, beispielsweise Luftströme zur Kühlung der Mikropartikel, beeinflusst werden. Es handelt sich daher nicht um eine streng radiale Flugbahn bzgl. der Drehachse, sie läuft tendenziell eher entlang einer Tangente bzgl. des Randes des Rotationskörpers.
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Die Prallwand 14 ist wassergekühlt, was durch eine Wasserkühlung 22 graphisch dargestellt ist. Sie weist in diesem Beispiel eine Form eines Rotationsparaboloids 16 auf. Es hat sich gezeigt, dass die Mikropartikel bei einer Oberflächentemperatur der Prallwand 14 von kleiner 450°C reflektiert werden und auch ein – auch kurzzeitiges – Anhaften unterbleibt. Es erfolgt – wie gewünscht – ein ”quasi-elastischer” Stoß der nahezu ohne Verminderung der kinetischen Energie einhergeht.
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Die Mikropartikel mit der Flugbahn 10 treffen im Winkel α, hier in verschiedenen Beispielen α1 und α2 auf die Prallwand 14 auf. Die Flugbahn und dadurch der Winkel α kann einerseits durch den Schmelzenfluss der Schmelze 3 auf den Rotationskörper 8 sowie durch die Rotationsgeschwindigkeit und des Durchmessers des Rotationskörpers 8 beeinflusst bzw. gesteuert werden. Sie werden im gleichen Winkel α (in Idealfall das eine rein elastische Reflexion vorliegt) reflektiert.
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Es ist zu bedenken, dass die Fallbeschleunigung im Vergleich zur Beschleunigung beim elastischen Stoß sehr gering ist. Beim elastischen Stoß wird die Geschwindigkeit von etwa 10 m/s vor dem Stoß schon nach einer Flugstrecke erreicht, die kleiner als der Teilchendurchmesser (ca. 1 mm) ist, während die Fallbeschleunigung dafür 5 m benötigt. Dementsprechend ist das Volumen, in dem es zu erhöhter Teilchendichte kommt, beim elastischen Stoß mehr als 1000 mal kleiner als bei einem völlig inelastischen Stoß.
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Der Vorteil der zur ursprünglichen Flugbahn in einem spitzen Winkel stehenden Reflektorwand besteht auch darin, dass es die Möglichkeit eines gleitenden inelastischen Stoßes gibt, d. h. selbst wenn eine zur Prallwand 14 senkrechte Geschwindigkeitskomponente des Mikropartikels auf annähernd Null reduziert wird, bleibt durch eine Gleitbewegung entlang der Wand eine laterale Geschwindigkeitskomponente erhalten, die damit immer noch vergleichbar der Auftreffgeschwindigkeit bleibt. Beim Aufprallwinkel α ist die Lateralgeschwindigkeit vlateral = v0cosα, also bei 45°: vlateral = 0,71·v0 .
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(Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Flugbahn 10 um eine komplexe, durch viele Komponenten beeinflusste nicht radiale Bahn. Mit der obigen Gleichung wird vereinfachend eine Projektion der Flugbahn auf eine Schnittebene durch die Granulationsanlage 2 betrachtet, wie sie auch die Zeichenebene in den 1 bis 3 darstellen.)
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Dazu addiert sich dann wieder die langsam wachsende Fallgeschwindigkeit. Somit erhöht sich die Teilchendichte nur um 1/cosα. Wenn die Wand nicht genügend gekühlt wird, bleiben einige Teilchen (es genügen wenige), die beim Anprall aufplatzen, dort kleben und verhindern dann, dass nachfolgende Teilchen, die nicht platzen, an der Wand entlang gleiten können. Die Gleitbewegung führt dabei üblicherweise über eine Länge, die in der Größenordnung des Partikeldurchmessers liegt. Damit werden diese vollständig abgebremst und die Dichte steigt proportional 1/v, was zu einer Klumpenbildung führen kann. Daher ist eine Oberflächentemperatur der Prallseite 24 von weniger als 450°C zweckmäßig.
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Hierbei ist in 1 das Beispiel dargestellt, dass eine Reflexion nach unten in Richtung der Schwerkraft erfolgt. Eine Reflexion nach unten hat den Vorteil, dass im Fall, dass eine Minderzahl von Teilchen kurzzeitig haften bleibt, diese Teilchen schließlich abfallen können. Hierzu kann fakultativ auch noch eine zusätzliche Luftstromkühlung 26 vorgesehen sein, die eine Innenseite 24 der Prallwand 14 zusätzlich kühlt. Dieser Luftstrom 26 kann auch zusätzlich dazu beitragen, gegebenenfalls kurzzeitig anhaftende Partikel von der Oberfläche wegzublasen.
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Die Reflexion der Mikropartikel erfolgt so, dass die Mikropartikel in einem Fließbett 32 landen. Sie häufen sich dort als ein Granulat 34 an. Das Granulat 34 wird entlang der Pfeile 36 abgeleitet.
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Es kann zu dem zweckmäßig sein Kaltluft 20 in die Vorrichtung einzublasen, um eine zusätzliche Kühlung der Mikropartikel zu erzielen. Diese Kaltluft 20 erwärmt sich beim Durchlaufen der Vorrichtung und kann als Warmluft 38 aus der Vorrichtung 2 wieder abzuführen. Die Abluft 38 kann wiederum als Wärmerückgewinnung in anderen thermischen Prozessen genutzt werden.
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Am Beispiel der 2 soll die ideale Form der Prallwand 14, in Form eines Rotationsparaboloids 16 kurz erläutert werden. Bei der geometrischen Form der Prallwand 14 wird demnach eine Parabel so gedreht, dass sie eine geometrische Form ergibt. Diese Form bezeichnet man als Rotationsparaboloiden 16. Der Brennkreis eines Rotationsparaboloids wird so definiert, dass Strahlen, die parallel zur Parabelachse auf die Parabel auftreffen, reflektiert werden und sich in einem Punkt auf der Parabelachse treffen. Dieser Punkt ist der Mittelpunkt des Brennkreises, der in 2 als Brennkreis 18 eingezeichnet ist. Der Mittelpunkt des Brennkreises 18 wird mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet. Dieser Brennkreis 18 des Rotationsparaboloids 16 liegt bevorzugt auf einer Ablöselinie der Teilchen auf dem Rotationskörper 8. Er liegt somit auf dem Rand 30 des Rotationskörpers 8. Der Abstand zwischen dem Rand 30 auf dem Brennkreis 18 bis zur Prallwand 14 wird als Abstand 28 bezeichnet. Dieser Abstand 28 beträgt bevorzugt weniger als 3 m. Dies bedeutet, dass der Gesamtdurchmesser der Vorrichtung 2 nicht größer als 6 m beträgt, bevorzugt nicht größer als 5 m.
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In den 1 und 2 ist die Ausführungsform beschrieben, dass die Reflexion der Mikropartikel an der Prallwand 14 in Richtung der Schwerkraft, also nach unten gerichtet ist. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, wie in 3 beschrieben, die Reflexion der Mikropartikel an der Prallwand 14 nach oben auszurichten. Die Reflexion nach oben hat den Vorteil, dass hier unbegrenzt Flugraum zur Verfügung steht, während er nach unten durch die Bauhöhenbegrenzung der Anlage, die durch den Abstich des Hochofens gegeben ist, begrenzt ist.
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Nach 3 weist die Vorrichtung 2 ebenfalls eine Schmelzzuführungsvorrichtung 4 sowie eine Drehzerstäubungsvorrichtung 6 auf. Das Prinzip der Rotationszerstäubung auf dem Rotationskörper 8 und der erste Teil der Flugbahn 10 der zerstäubten Mikropartikel ist analog wie der in 1 beschrieben ist. Lediglich die Krümmung der Prallwand 14 erfolgt in die entgegengesetzte Richtung, so dass eine Reflexion der Mikropartikel im Winkel α nach oben erfolgt. Die Mikropartikel können auf diese Weise in einer weiteren Flugbahn 11 eine größere Strecke bis zur Abkühlung zurücklegen. Nachdem die maximale Flughöhe erreicht ist, werden die Mikropartikel, angezogen durch die Schwerkraft, wieder nach unten absinken. Die absinkenden Mikropartikel werden wiederum in einem, hier nicht dargestellten Fließbett aufgefangen und als Hüttensand abgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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