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Die Erfindung betrifft einen Elektrodentragarm eines schmelzmetallurgischen Ofens, insbesondere eines Lichtbogenofens, wobei der Elektrodentragarm mit mindestens einem Messelement zur Messung einer physikalischen Größe versehen ist.
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Aus der
DE 27 50 271 A1 ist eine Elektrodenanordnung mit einem gattungsgemäßen Elektrodentragarm bekannt. In schmelzmetallurgischen Öfen, insbesondere in Lichtbogenöfen, werden Halteeinrichtungen für die benötigen Elektroden eingesetzt. Diese Einrichtungen bestehen zumeist aus einem Tragmast, der einen Elektrodentragarm trägt; der Elektrodentragarm verläuft dabei in horizontale Richtung. An dem vom Tragmast entfernten Ende des Elektrodentragarms ist eine Elektrode angeordnet, die sich vertikal nach unten erstreckt, d. h. sie hängt am Ende des Elektrodentragarms. Die Stromführung von einem Stromanschluss zur Elektrode erfolgt zumeist durch kupferplattierte Stahlbleche, aus denen der Tragarm besteht. Das Stahlblech übernimmt dabei im Wesentlichen die mechanische Tragfunktion, wobei das aufgebrachte Kupfer den Strom leitet.
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In dem genannten Dokument wird auch bereits erläutert, dass der Elektrodentragarm mit Sensorelementen versehen werden kann, wobei Kraftmessdosen bzw. Dehnmessstreifen zum Einsatz kommen. Mit diesen Sensoren wird die Deformation des Tragarms erfasst. Dabei können die ermittelten sensorisch ermittelten Daten mit Sollwerten verglichen werden, wofür ein Messwertauswertungsgerät zum Einsatz kommt.
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Nachteilig ist bei den vorbekannten Systemen – soweit sie überhaupt auf die Fragestellung der Messwerterfassung im Elektrodentragarm eingehen –, dass infolge der hohen Stromstärke durch den Elektrodentragarm hohe elektrische Störfelder vorliegen, die sowohl Thermoelemente als auch Dehnmessstreifen empfindlich stören. Demgemäß ist es schwierig, thermische Daten (also Temperaturen) und mechanische Daten (also Spannungen bzw. Dehnungen) genau zu ermitteln, was allerdings die Voraussetzung dafür ist, den Elektrodenbetrieb in optimaler Weise zu fahren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrodentragarm der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich wird, thermische und/oder mechanische Belastungen des Elektrodentragarms möglichst genau zu erfassen und so den Betrieb der Elektrodenanordnung verbessert zu steuern. Es soll also eine effiziente Überwachung für den Elektrodentragarm bereitgestellt werden. Dabei soll eine kontinuierliche und präzise Überwachung der Temperaturen bzw. der mechanischen Spannungen des Elektrodentragarms möglich sein, die sich kostengünstig realisieren lässt.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement im Elektrodentragarm zur Messung der Temperatur und/oder der mechanischen Dehnung des Elektrodentragarms ausgebildet ist, wobei das Messelement mindestens einen Lichtwellenleiter umfasst, der zumindest abschnittsweise entlang der Längenerstreckung des Elektrodentragarms verläuft.
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Der Lichtwellenleiter kann dabei in einem diesen umgebenden Rohr angeordnet sein.
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Der Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr können in einer Bohrung im Elektrodentragarm angeordnet sein.
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Alternativ hierzu ist es möglich, dass der Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr in einer Nut im Elektrodentragarm angeordnet sind. Die Nut kann durch ein Verschlusselement verschlossen sein, das den Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr im Nutgrund hält, wobei das Verschlusselement insbesondere ein in die Nut eingesetztes oder ein in die Nut eingegossenes Metallteil ist. Das Verschlusselement ist mit der Nut vorzugsweise durch Reibrührschweißen verbunden. Beim Reibrührschweißen kann vorteilhafterweise die Schweißtemperatur gut kontrolliert werden, wodurch verhindert werden kann, dass der Lichtwellenleiter im Innern der Nut zu heiß wird.
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Eine weitere Alternative sieht vor, dass der Lichtwellenleiter und/oder gegebenenfalls das ihn umgebende Rohr in einer Schicht angeordnet sind, wobei die Schicht am oder im Elektrodentragarm angeordnet ist. Die Schicht kann dabei aus Metall oder aus einem temperaturresistenten nichtmetallischen Material bestehen. Der Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr können vollständig vom Material der Schicht umgeben sein. Die Schicht kann galvanisch an den oder in den Elektrodentragarm aufgebracht sein. Sie kann aus Kupfer, Chrom oder Nickel bestehen. Es kann sich um eine Spritzbeschichtung oder eine chemische Beschichtung handeln, wie sie z. B. aus der
DE 10 2009 049 479.0 bekannt ist.
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Durch die Einbringung von Lichtwellenleitern in die Wandungen und tragenden Elemente der Elektrodentragarme können Temperaturen und/oder Spannungen bzw. Dehnungen in den Bauteilen des Elektrodentragarms als Temperatur- bzw. Spannungsprofil über die Oberfläche des Elektrodentragarms gemessen werden. Ebenfalls erfasst werden dynamische Änderungen bedingt durch Strömungen in der Schmelze, die sich im Gefäß unter dem Tragarm befindet. Hierdurch wird eine Beurteilung des Verschleißzustandes und der vorliegenden Belastungssituation des Tragarms durch die Temperatur und/oder die Spannung möglich. Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht eine Darstellung der thermischen bzw. mechanischen Belastung der Bauteile über ihre Oberfläche im jeweiligen Betriebszustand.
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Um genaue Temperatur-Messungen mit dem Lichtwellenleiter durchführen zu können, ist es vorteilhaft, dass der Lichtwellenleiter oder das Metallrohr, das den Lichtwellenleiter umgibt, eng an dem Bauteil bzw. Medium anliegt, und zwar möglichst ohne (isolierenden) Luftzwischenraum, damit eine gute Temperaturübertragung auf den Lichtwellenleiter stattfinden kann. Allerdings darf der Lichtwellenleiter bei der Temperaturmessung nicht eingeklemmt verlegt sein, damit er sich bei einer Temperaturänderung ausdehnen oder zusammenziehen kann.
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Demgegenüber ist es für eine Dehnungsmessung mit dem Lichtwellenleiter erforderlich, dass der Lichtwellenleiter fest mit dem Bauteil verbunden ist, dessen Dehnung oder dessen zeitlicher Dehnungsverlauf gemessen werden soll, damit sich die mechanische Dehnung des Bauteils auf den Lichtwellenleiter überträgt.
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Damit auch eine Dehnung (Spannung) der Wandung des Elektrodentragarms gemessen werden kann, ist es vorteilhaft, wenn der Lichtwellenleiter bzw. das diesen umgebende Rohr mit der Bohrung bzw. dem Nutgrund fest verbunden ist.
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Sofern eine Nut vorgesehen wird, in der der Lichtwellenleiter bzw. das diesen umgebende Rohr verlegt wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Füllstück zum Verschließen der Nut zum Einsatz kommt, das aus Metall bestehen kann. Es kann passgenau zur Form der Nut ausgebildet sein. Dabei kann auch vorgesehen werden, dass das Füllstück durch ein Vergießen oder Spritzen des Materials des Füllstücks in die Nut erzeugt ist. Hiernach wird also das Material, aus dem das Füllstück besteht, gießfähig oder spritzfähig gemacht und dann in die Nut, in die der Lichtwellenleiter ggf. samt Rohr eingelegt wurde, eingegossen bzw. eingespritzt.
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Die vorgeschlagene Ausgestaltung bietet also die Möglichkeit, Spannungszustände in der gemessenen Ebene zu erfassen und so die mechanische Belastung der Bauteile zu erfassen.
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Die Technologie der Messung von Temperaturen, Dehnungen bzw. Spannungen und/oder von Beschleunigungen aus der zeitlichen Verteilung der gemessenen Dehnungen ist als solche bekannt (auch unter der Bezeichnung „optischer Dehmessstreifen”), so dass insoweit auf den Stand der Technik verwiesen wird.
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Der Lichtwellenleiter steht hierzu bevorzugt mit einer Auswerteeinheit in Verbindung, in der die Temperaturverteilung im Elektrodentragarm ermittelt werden kann. Mit dieser Auswerteeinheit kann auch entsprechend die mechanische Belastung der Wandung des Elektrodentragarms erfasst werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 schematisch in der Seitenansicht eine Elektrodenanordnung eines Lichtbogenofens mit einem horizontal verlaufenden Elektrodentragarm,
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2 die Einzelheit „X” gemäß 1 in geschnittener Darstellung,
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3 den Schnitt A-B gemäß 1 und
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4 den Bereich einer Bohrung gemäß 3 in vergrößerter Darstellung.
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In 1 ist eine Elektrodenanordnung 6 zu sehen, die in einem Lichtbogenofen zum Einsatz kommt. Die Elektrodenanordnung 6 hat einen Tragmast 8, der sich vertikal erstreckt. An seinem oberen Ende ist ein Elektrodentragarm 1 angeordnet, der horizontal verläuft. An dem vom Tragmast 8 abgewandten Ende des Elektrodentragarms 1 ist eine Elektrode 7 hängend angeordnet, über die der Lichtbogen im Lichtbogenofen erzeugt wird. Der Elektrodentragarm 1 verläuft dabei in eine Längenerstreckung L, die vorliegend der horizontalen Richtung entspricht. Die Stromversorgung der Elektrode 7 erfolgt über einen Stromanschluss 9.
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Der Elektrodentragarm 1 besteht aus Stahlblech, mit dem eine ausreichende mechanische Festigkeit erreicht wird. Zur elektrischen Leitung des Stromes vom Stromanschluss 9 zur Elektrode 7 ist eine Plattierung mit Kupfer vorgesehen.
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Wie der Schnittdarstellung gemäß 2 und gemäß 3 entnommen werden kann, ist der Elektrodentragarm 1 flüssigkeitsgekühlt. Hierfür weist der Elektrodentragarm 1 einen Kühlkanal 10 auf, der von einem Kühlmittel durchströmt wird. Die hierfür erforderlichen Medienversorgungsleitungen sind nicht dargestellt.
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Um sowohl die Temperatur im Elektrodentragarms 1 als auch die mechanischen Dehnungen in demselben genau erfassen zu können, weist der Elektrodentragarm 1 in seinem oberen und in seinem unteren Bereich je eine Bohrung 5 auf (s. 2 und 3), in denen ein Messelement 2 untergebracht ist, mit dem die Temperatur und die Spannung gemessen werden kann. Hierbei handelt es sich um einen Lichtwellenleiter 3, der in einem schützenden Rohr 4 untergebracht ist. Die beiden, noch leeren Bohrungen sind in 3 zu sehen; in diese wird der Lichtwellenleiter samt Rohr 4 eingebracht, wie es aus 4 hervorgeht.
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Der Lichtwellenleiter 3 hat typischer Weise einen Durchmesser von z. B. 0,12 mm; mit Hüllrohr 4 ergibt sich zumeist ein Durchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 2,0 mm.
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Der Lichtwellenleiter 3 besteht aus einer Grundfaser, die in die Bohrungen 5 oder in ähnliche Kanäle oder Nuten im Elektrodentragarm 1 eingebracht wird. Der Lichtwellenleiter 3 kann dabei Temperaturen bis zu 800°C Dauerbelastung aushalten. Das Rohr 4 ist dabei nur optional, nicht zwingend vorgesehen. Dabei stellt der Lichtwellenleiter 3 ohne Rohr 4 durch die Anbindung an das Grundmaterial des Elektrodentragarms 1 Dehnungen besonders günstig dar; dasselbe gilt für die Temperaturen, die vom Lichtwellenleiter 3 im Hüllrohr 4 auch gut erfasst werden können.
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In 3 ist dargestellt, dass je eine Bohrung 5 im oberen und unteren Bereich des Elektrodentragarms 1 vorgesehen ist, in die jeweils ein Lichtwellenleiter 3 eingebracht wird. Es ist auch möglich, in allen vier Seitenbereichen des Profils, wie es aus 3 hervorgeht, Bohrungen einzubringen und Lichtwellenleiter 3 zu platzieren.
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Um die Robustheit der Signalübertragung im Lichtwellenleiter 3 und zu nicht dargestellten Auswertegeräten zu erhöhen, werden die Lichtwellen über Linsenstecker von dem Elektrodentragarm aus in der jeweiligen Ruheposition zur Auswerteeinheit geführt.
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Neben der dargestellten Möglichkeit der Unterbringung des Lichtwellenleiters 3 in Bohrungen 5 besteht auch die bevorzugte Möglichkeit, eine Nut in den Elektrodentragarm 1 einzuarbeiten und den Lichtwellenleiter 3 – ggf. samt Rohr 4 – im Nutgrund zu verlegen. Die Nut kann dann wieder verschlossen werden, wozu die oben erwähnten Maßnahmen eingesetzt werden können.
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Ebenfalls möglich ist die Einbringung des Lichtwellenleiters 3 – ggf. samt Rohr 4 – in eine Schicht aus metallischem Material oder aus temperaturresistentem nichtmetallischem Material, die auf den Elektrodentragarm 1 aufgebracht wird.
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Alternativ sind die Lichtwellenleiter LWL-Sensoren in Modulen, das heißt, in vorgefertigten baulichen Einheiten eingefasst. Für eine Temperaturmessung sind die Lichtwellenleiter in den Modulen locker verlegt, so dass eine temperaturbedingte Längenänderung des Lichtwellenleiters innerhalb des Moduls spannungsfrei möglich ist. Für eine Dehnungsmessung sind die Lichtwellenleiter dagegen vorzugsweise über ihrer gesamten Länge fest mit dem Material des Moduls oder mit dem Gehäuse des Moduls verbunden, so dass sich eine Dehnung des Moduls oder von dessen Gehäuse auf die Lichtwellenleiter überträgt. Die Module mit den Lichtwellenleitern sind auf den Elektrodentragarm aufgeklebt oder aufgeschweißt und insofern wirkverbunden. Eine Dehnung oder Temperaturänderung des Elektrodenarms überträgt sich deshalb über das Modul auf den Lichtwellenleiter. Die Module bzw. die Lichtwellenleiter in den Modulen sind geeignet, die Temperatur, die mechanische Spannung bzw. Dehnung und/oder – über den zeitlichen Verlauf der Dehnung – auch das Beschleunigungsverhalten des Bauteils, hier insbesondere des Elektrodentragarms, messtechnisch zu erfassen. Für die Beschleunigungsmessung kann eine spezielle Messeinrichtung erforderlich sein, welche in das Modul integriert sein kann. Insbesondere die Dehnungs- oder Beschleunigungsmesswerte können dazu verwendet werden, unerwünschte Schwingungen des Bauteils regelungstechnisch zu dämpfen, das heißt, auszuregeln.
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Die Schicht kann (im Falle von Metall) aufgalvanisiert werden, wobei der Lichtwellenleiter 3 samt Rohr 4 vollständig ummantelt werden. Die galvanische Schicht kann beispielsweise aus Kupfer, aus Chrom oder aus Nickel bestehen.
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Der Lichtwellenleiter 3 ist mit einem nicht dargestellten Temperaturerfassungssystem bzw. einem Erfassungssystem für mechanische Spannungen bzw. Dehnungen verbunden. Mittels des Erfassungssystems wird Laserlicht erzeugt, das in den Lichtwellenleiter 3 eingespeist wird. Die von der Lichtwellenleitfaser 3 gesammelten Daten werden mittels des Erfassungssystems in Temperaturen oder Spannungen umgerechnet und den verschiedenen Messorten zugeordnet.
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Die Auswertung kann beispielsweise nach dem sog. Faser-Bragg-Gitter-Verfahren (FBG-Verfahren) erfolgen. Hierbei werden geeignete Lichtwellenleiter verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindexes bzw. Gitters mit solchen Variationen eingeprägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindexes führt dazu, dass der Lichtwellenleiter in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Temperaturänderung an einem Punkt wird die Bragg-Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg-Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst. Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann aufgrund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detaillierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter sowie die entsprechenden Auswerteeinheiten sind allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch die Anzahl der eingeprägten Messstellen gegeben. Die Größe einer Messstelle kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen.
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Alternativ kann zur Messung der Temperatur auch das „Optical-Frequency-Domain-Reflectometry”-Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das „Optical-Time-Domain-Reflectometry”-Verfahren (OTDR-Verfahren) eingesetzt werden. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung am Punkt eines Lichtleiters eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht. Mittels der Auswerteeinheit (z. B. einem Raman-Reflektometer) können dann die Temperaturwerte entlang einer Faser ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters gemittelt wird. Diese Länge beträgt ca. einige Zentimeter. Die verschiedenen Messstellen werden wiederum durch Laufzeitunterschiede voneinander getrennt. Der Aufbau solcher Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allgemein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb des Lichtwellenleiters 3 erzeugen.
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Mit der Ausstattung des Elektrodentragarms 1 in der erläuterten Weise wird eine Überwachung von Temperaturen und/oder Dehnungen möglich, was in folgender Weise im Betrieb der Elektrodenanordnung genutzt werden kann:
- 1. Der stromführende Kupferleiter des Elektrodentragarms verändert seine Leitfähigkeit mit der Temperatur. Durch die genau ermittelten Temperaturmesswerte und die Kenntnis der zugehörigen Leitfähigkeit des Kupfers kann ein konstanter Stromfluss eingestellt bzw. geregelt werden.
- 2. Weiterhin ist ein Selbstschutz des Elektrodentragarms durch Kenntnis von Temperatur und Dehnung möglich. Diese ermittelten Daten können in einer Steuerung bzw. Regelung mit zulässigen Werten verglichen werden; die Regelung kann dann Korrekturen für den Stromfluss und die Positionierung des Tragarms vorgeben, so dass die zulässigen Werte eingehalten werden können.
- 3. Eine weitere sehr vorteilhafte Anwendung ist die Vermeidung von Schwingungen in der Elektrodenanordnung. Schwingungen im Elektrodentragarm, auch Grenzzyklen, können durch die Dehnungsmessung erkannt werden. Als Konsequenz können kritische Arbeitspunkte vermieden werden, es können namentlich die Einstellwerte für Strom und Spannung so angepasst werden bzw. es kann das Signal so moduliert werden, dass der Schwingung entgegengewirkt und diese kompensiert wird.
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Als größter Stellhebel zur Schwingungskompensation dient zumeist die Regelung des Stellzylinders der Höhenregelung des Tragarms (s. hierzu insbesondere die oben genannte
DE 36 08 338 A1 ). Diese Höhenregelung kann zur Kompensation der durch die Dehnungsmessung identifizierten Schwingungen und Verformungen genutzt werden. Zu dieser an sich bekannten Vorgehensweise wird auf den Beitrag von
Prof. Dr.-Ing. Klaus Krüger „Anforderungen an eine moderne Elektrodenregelung für Drehstrom-Lichtbogenöfen" in „elektrowärme international" 4/2007, Vulkan-Verlag GmbH, Essen, ISSN 0340-3521-K 5548 F, verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrodentragarm
- 2
- Messelement
- 3
- Lichtwellenleiter
- 4
- Rohr
- 5
- Bohrung
- 6
- Elektrodenanordnung
- 7
- Elektrode
- 8
- Tragmast
- 9
- Stromanschluss
- 10
- Kühlkanal
- L
- Längenerstreckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2750271 A1 [0002]
- DE 2750186 A1 [0004]
- DE 3608338 A1 [0004, 0041]
- EP 1537372 B1 [0004]
- EP 0094378 B1 [0004]
- DE 102009049479 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Prof. Dr.-Ing. Klaus Krüger „Anforderungen an eine moderne Elektrodenregelung für Drehstrom-Lichtbogenöfen” in „elektrowärme international” 4/2007, Vulkan-Verlag GmbH, Essen, ISSN 0340-3521-K 5548 F [0041]
