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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungszusammensetzung, welche sich insbesondere für Gießereipfannen eignet. Sie betrifft weiterhin mit einer Beschichtungszusammensetzung versehene Behälter, ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters und die Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung zur Beeinflussung der Wärmeabstrahlung eines Behälters.
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In metallurgischen Betrieben werden Gießpfannen für Metallschmelzen eingesetzt, welche naturgemäß hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Dieses gilt sowohl für die Zeit, in der die Gießpfannen die Metallschmelze beinhalten, als auch für die Zeit nach dem Entleeren der Gießpfanne.
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Eine verbreitete Außenbeschichtung von solchen Gießpfannen für Korrosionsschutz- und andere Zwecke sind sogenannte Silberbronzen (Römpp Lexikon – Lacke und Druckfarben, Georg Thieme Verlag 1988, S. 378) auf der Basis von Silikonharzlacken.
WO 97/06220 A1 beispielsweise offenbart Beschichtungsmischungen, enthaltend im wasserfreien Zustand mindestens ein Polysiloxan, mindestens einen reaktiven anorganischen Füllstoff, mindestens ein als Schmelze filmbildendes anorganisches Material und mindestens ein reaktionsfähiges (Oligo)silan, ein Verfahren zur Herstellung sowie deren Verwendung.
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DE 2447813 A1 offenbart ein Verfahren zur Ausstattung eines metallurgischen Behälters mit einer hitzebeständigen Auskleidung bei erhöhten Temperaturen. Die Innenwandungen des Behälters werden mit einem hitzebeständigen Stoff aus angefeuchtetem Material versehen, wenn der Behälter sich auf einer Temperatur zwischen 66 °C und 1649 °C befindet, wobei der trockene hitzebeständige Stoff im Wesentlichen aus 0,25 bis etwa 4 Gewichtsprozent eines Bindemittels mit einem Schmelzpunkt von etwa 66 °C ist 104 °C und etwa 96–99,5 Gewichtsprozent Partikeln eines im Wesentlichen von Al2O3 und/oder SiO2 gebildeten hitzebeständigen Materials besteht. Dem trockenen Stoff werden nachträglich etwa 4–6 Gewichtsprozent Wasser zugesetzt, um den hitzebeständigen Stoff aus dem angeforderten Material zu erhalten. Sodann wird unter Auswertung der fühlbaren Wärme in der Innenwandung des Behälters das osmotisch verteilte Bindemittel innerhalb der Innenfläche zum Schmelzen gebracht, so dass eine klebrige Masse gebildet wird, an der die Partikel des hitzebeständigen Materials haften und man lässt abschließend die Lage eine Auskleidung aus massivem Material bilden.
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DE 2754520 B2 betrifft ein Gefäß zur Aufnahme von Metallschmelze mit einem äußeren Metallgehäuse, einer an das Gehäuse angrenzenden, verhältnismäßig dauerhaften Auskleidung aus feuerfestem Material und eine angrenzend an die verhältnismäßig dauerhafte Auskleidung angrenzenden inneren verbrauchbaren Auskleidung, die aus einer Mehrzahl von Platten aus feuerfestem, wärmeisolierendem Material hergestellt ist. Hinter wenigstens einigen der Verbindungen zwischen benachbarten Platten des feuerfesten wärmeisolierenden Materials sind Kanäle ausgebildet, die mit feuerfestem Material gefüllt sind.
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US 4 423 095 A offenbart homogene Zusammensetzungen umfassend bestimmte flüssige Silikonharze, bestimmte silikonfreie fimbildende organische Polymere und eine Kompatibilisierungsflüssigleit und ein Verfahren zur Herstellung bevorzugter homogener Zusammensetzungen, wobei die Kompatibilisierungsflüssigkeit Wasser ist. Die homogenen Zusammensetzungen finden Verwendung zum Beschichten eines Substrates unter Erhalt einer wasserfesten Bechichtung auf dem Substrat, welche beispielsweise als eine Schutzbeschichtung oder eine Klebstoff-Trennbeschichtung fungieren kann. Ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats wie Papier wird ebenfalls offenbart.
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US 4 496 469 A beschreibt eine wärmeisolierende Refraktärbeschichtung oder einen wärmeisolierenden Refraktärfilm, welcher hauptsächlich ein Alkalititanat und ein Silikonharz umfasst. Ferner beschreibt dieses Patent eine wärmeisolierende Lage umfassend ein anorganisches Kernmaterial und eine wärmeisolierende Refraktärschicht.
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Es hat sich aber bei herkömmlichen Gießpfannen, insbesondere kleineren Gießpfannen mit geringen Wandstärken, herausgestellt, dass deren Außenseite eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist beziehungsweise langsam abkühlt. Dieses ist unter dem Gesichtspunkt der Arbeitssicherheit im Betrieb nachteilig.
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Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Beschichtungszusammensetzung und eine hieraus erhaltene Beschichtung bereitzustellen, welche mittels einer Erhöhung der Wärmeabstrahlung des beschichteten Körpers zu einer erhöhten Wärmeabfuhr und somit zu einem rascheren Abkühlen des Körpers führt.
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Erfindungsgemäß gelöst wurde diese Aufgabe durch eine Beschichtungszusammensetzung, umfassend ein Silikonharz, wobei die Beschichtungszusammensetzung weiterhin Sand umfasst und wobei das Gewichtsverhältnis von Sand zu Silikonharz in einem Bereich von ≥1:1 bis ≤1,5:1 liegt.
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Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit Beschichtungen auf der Basis solcher Beschichtungszusammensetzungen versehene heiße Behälter schneller abkühlen als unbeschichtete Behälter. Weiterhin kann erreicht werden, dass sich die Außenseite eines solchen Behälters weniger stark aufheizt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "Beschichtungszusammensetzung" eine noch nicht ausgehärtete Zusammensetzung, welche noch nicht beispielsweise durch Trocknung oder Quervernetzung zu einem Feststoff geworden ist. Insofern ist eine "Beschichtungszusammensetzung" noch verarbeitbar.
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Im Gegensatz dazu bezeichnet der Begriff "Beschichtung", welcher in Zusammenhang mit einem weiteren Aspekt der Erfindung später behandelt werden wird, die auf eine Oberfläche aufgetragene Beschichtungszusammensetzung nach Umwandlung durch physikalische und/oder chemische Prozesse wie Trocknung, Erstarrung, Polymerisation, Quervernetzung und/oder Verkieselung.
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Der Begriff "Sand" im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist zunächst nicht auf bestimmte Gesteine oder Mineralien eingeschränkt. In Anlehnung an die Definitionen der Normen EN 12620 und der EN 13139 sind unter "Sand" Gesteinskörnungen aus mineralischen Vorkommen zu verstehen, wobei "Sand" eine Korngrößenbezeichnung darstellt. Im vorliegenden Fall beträgt für "Sand" die Körnung gemäß DIN EN 933, ausgedrückt durch zwei Begrenzungssiebe d/D, 0/4. Dieses entspricht einem Korngrößenbereich von 0 mm bis maximal 4 mm.
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In der nachfolgenden Tabelle sind die Kornzusammensetzungen für die feinen Gesteinskörnungen 0/1, 0/2 und 0/4 in den Kategorien der Anforderungen G
F85 und f
3 zusammengestellt. G
F85 bedeutet, dass der Siebdurchgang des Größtkorns (G
D) beträgt bei feinen Gesteinskörnungen (
F) mindestens 85 % Massenanteil; f
3 bedeutet Siebdurchgang des Feinanteils (
f). Diese Anforderungen gelten gemäß EN 13139 auch für die Gesteinskörnungen für Mörtel in der Kategorie 1.
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In der Norm DIN EN 933 sind insbesondere die Teile 1 (Bestimmung der Korngrößenverteilung – Siebverfahren) und 2 (Bestimmung der Korngrößenverteilung – Analysensiebe, Nennmaße der Sieböffnungen) von Interesse.
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"Silikonharze" (Poly(organo)siloxane) sind dem Fachmann geläufig. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Silikonharzlacke, welche nach der Aushärtung durch Abspaltung von Seitengruppen ein stabiles SiO2-Gerüst bilden und somit in besonderem Maße für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind.
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Weitere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Sie können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht das Gegenteil ergibt.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung ist der Sand ein Quarz-, Basalt-, Dolomit-, Feldspat-, Glimmer-, Ilmenit-, Kalzit-, Bauxit-, Andalusit-, Zirkoniumsilikat-, Zirkoniumdioxid-, Magnesit-, Korund-, Spinell-, Siliciumcarbid- und/oder Siliciumnitrid-Sand. Die Angabe des Minerals bezeichnet die Hauptkomponente des Sandes. So enthält beispielsweise ein Quarzsand ≥50 Gewichts-%, vorzugsweise ≥85 Gewichts-% und besonders bevorzugt ≥95 Gewichts-% Quarz. Aufgrund der einfachen Verfügbarkeit und der chemischen Verträglichkeit mit Silikonharz-Lacken ist Quarzsand der bevorzugte Sand.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung weist der Sand eine Körnung gemäß DIN EN 933, ausgedrückt durch zwei Begrenzungssiebe d/D, von 0/2 auf. Vorzugsweise beträgt die Körnung 0/1.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung weist der Sand einen D50-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥0,5 mm bis ≤1,5 mm auf. Der D50-Wert gibt hierbei die Maschenweite eines Siebes an, bei der 50 Gewichts-% einer Sand-Probe das Sieb passieren. Dieser Wert kann aus einer Korngrößenverteilungskurve abgelesen werden. Vorzugsweise beträgt dieser D50-Wert ≥0,8 mm bis ≤1,2 mm.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung ist das Silikonharz ein Methylsilikonharz, Phenylsilikonharz oder Methylphenylsilikonharz.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung liegt das Gewichtsverhältnis von Sand zu Silikonharz in einem Bereich von ≥1:1 bis ≤1,4:1.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung ist die Beschichtungszusammensetzung schwarz eingefärbt. Auch dieses erhöht die Wärmeabfuhr, da im wörtlichen Sinne ein schwarzer Strahler vorliegt.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung beträgt in der Beschichtungszusammensetzung der Gesamtemissionsgrad in Richtung der Flächennormalen εn ≥ 0,85. Vorzugsweise beträgt dieser Wert, insbesondere bei matten Silikonharzlacken, ≥0,95.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Behälter für Metallschmelzen, umfassend eine nach außen gerichtete äußere Oberfläche, wobei die äußere Oberfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, welche ein polymeres Bindemittel und Sand umfasst. Wie bereits im Zusammenhang mit der Beschichtungszusammensetzung beschrieben, kann die Wärmeabfuhr eines derart beschichteten Behälters erhöht werden und die Aufheizung der Außenseite verringert werden. Solche Behälter können insbesondere für Eisen-, Stahl- und Nichteisenmetallschmelzen eingesetzt werden.
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Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyurethane und, vorzugsweise, Polysiloxane oder Folgeprodukte der Reaktion von Polysiloxanen bei Temperaturen von über 200 °C, über 300 °C oder über 400 °C (Bildung von stabilen SiO2-Gerüsten).
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In einer Ausführungsform ist die Beschichtung aus einer Beschichtungszusammensetzung erhältlich, welche ein Silikonharz und Sand umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters ist die Beschichtung aus einer Beschichtungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung erhältlich. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird auf die vorangegangenen Ausführungen zur Beschichtungszusammensetzung verwiesen, auf welche in vollem Umfang Bezug genommen wird. Mit eingeschlossen ist der Fall, dass die Beschichtung durch Erhitzen auf Temperaturen von über 200 °C, über 300 °C oder über 400 °C (Bildung von stabilen SiO2-Gerüsten) erhalten wird.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters weist die Beschichtung eine Schichtdicke von ≥10 µm bis ≤500 µm auf, wobei der Sand nicht in die Bestimmung dieser Schichtdicke einbezogen wird. Vorzugsweise ist die Schichtdicke ≥100 µm bis ≤400 µm.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters ist der Behälter eine Gießpfanne, ein Vergießofen, eine Abstichrinne, ein Vorherd oder ein Kupolofen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters für Metallschmelzen, umfassend den Schritt des Auftragens einer Beschichtungszusammensetzung auf zumindest einen Teil einer nach außen gerichteten äußeren Oberfläche eines Behälters für Metallschmelzen, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Polymerharz und Sand umfasst.
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Vorzugsweise ist die Beschichtungszusammensetzung eine wie zuvor beschriebene erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung. Das Verfahren kann weiterhin den Schritt des Einbrennens der Beschichtungszusammensetzung enthalten, insbesondere im Zusammenhang mit Silikonharz-Bindemitteln.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung, umfassend ein Polymerharz und Sand, zur Beeinflussung der Wärmeabfuhr und/oder der Beeinflussung der Außentemperatur eines Behälters für Metallschmelzen, wobei die Beschichtungszusammensetzung eine Beschichtungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Auch hier ist bevorzugt, dass die Beschichtungszusammensetzung auf zumindest einen Teil einer nach außen gerichteten äußeren Oberfläche des Behälters aufgetragen wird. Die gewünschte Beeinflussung der Wärmeabfuhr ist vorzugsweise eine Erhöhung der Wärmeabfuhr. Die gewünschte Beeinflussung der Außentemperatur liegt vorzugsweise darin, dass sich die Temperatur der äußeren Oberfläche des Behälters gar nicht erst so stark wie im nicht erfindungsgemäßen Vergleichsfall erhöht, dass sich die Außenseite des Behälters folglich gar nicht erst so stark aufheizt.
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Mit eingeschlossen bei der erfindungsgemäßen Verwendung ist auch, dass die Beschichtungszusammensetzung durch Erhitzen auf Temperaturen von über 200 °C, über 300 °C oder über 400 °C (Bildung von stabilen SiO2-Gerüsten) umgewandelt wird.
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Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit den nachfolgenden Figuren und Beispielen weiter erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine Versuchsanordnung gemäß Beispiel 1
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2 eine Versuchsanordnung gemäß Beispiel 2
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Beispiel 1
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Bei diesem Versuch wurde eine Stahlplatte (Dicke = 3 mm) vor die Öffnung eines Hochtemperatur-Ofens gehangen. Dieses ist in 1 dargestellt. Der obere Bereich der Stahlplatte blieb unbehandelt, während der untere Teil mit einer Mischung aus Silikonharz-Lack (Meyer zu Natrup GmbH) und Quarzsand angestrichen wurde (Gewichtsverhältnis Lack:Sand = 1:1,3).
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Der Ofen wurde auf 280 °C aufgeheizt, dann geöffnet und anschließend wurde die Stahlplatte davor gehangen. Als nach 20 Minuten Wartezeit die Temperaturanzeige des Ofens nur noch 230 °C anzeigte, wurde mit der Temperaturmessung begonnen. Die einzelnen Messpunkte sind in 1 zu sehen. Die zusammengehörenden Messpunkte (zum Beispiel a, A) wurden dabei direkt nacheinander gemessen.
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Die Messungen wurden mit einem Messgerät 830-T4 der Firma Testo mit einem kalibrierten Oberflächenfühler durchgeführt (Kontaktmessung). Man erhielt die folgenden Ergebnisse:
| Messwerte an blanker Oberfläche (Vergleich) | Messwerte an lackierter Oberfläche (erfindungsgemäß) | Differenz |
| a: 104,0 °C | A: 77,1 °C | 26,9 °C |
| b: 110,0 °C | B: 57,8 °C | 52,2 °C |
| c: 102,5 °C | C: 52,5 °C | 50,0 °C |
| d: 127,0 °C | D: 91,6 °C | 35,4 °C |
| e: 108,0 °C | E: 82,0 °C | 26,0 °C |
| f: 108,0 °C | F: 60,0 °C | 48,0 °C |
| g: 123,0 °C | G: 86,6 °C | 36,4 °C |
| h: 117,0 °C | H: 71,0 °C | 46,0 °C |
| i: 103,0 °C | I: 57,0 °C | 46,0 °C |
| | | |
| j: 104,0 °C | J: 91,3 °C | 12,7 °C |
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Der durchschnittliche Temperaturunterschied ohne die "Ausreißer"-Werte für j und J betrug 40,1 °C. Man erkennt folglich, dass die erfindungsgemäße Beschichtung eine erhöhte Wärmeabfuhr an den entsprechenden Stellen der Stahlplatte bewirkt.
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Beispiel 2
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Eine herkömmliche Gießpfanne für Metallschmelzen (Vergleichspfanne) und eine mit einer erfindungsgemäßen Mischung aus Silikonharz-Lack (Meyer zu Natrup GmbH) und Quarzsand (Gewichtsverhältnis Lack:Sand = 1:1,3) an der Außenseite versehene Gießpfanne für Metallschmelzen (erfindungsgemäße Pfanne) wurden erhitzt.
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Nach einer Anwärmphase von ca. 40 bis 50 Minuten wurden Oberflächentemperaturen mittels Kontaktmessung (Messgerät 830-T4 der Firma Testo) sowie einer Wärmebildkamera bestimmt. Die Lage der Mess-Stellen ist schematisch in 2 dargestellt: eine Gießpfanne ist mit einem Tragring 1 versehen. Oberhalb des Tragrings 1 befinden sich die Messpunkte 2 für die erste Temperatur "Temp. 1", unterhalb des Tragrings diejenigen für die zweite Temperatur "Temp. 2". Beide Temperaturen wurden an der Ausguss-Seite gemessen. Zeitlich nacheinander wurden die Messungen Nr. 1 bis Nr. 6 durchgeführt.
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Die erhaltenen Ergebnisse sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.
| Kontaktmessung |
| | Vergleichspfanne | Erfindungsgemäße Pfanne |
| | Temp. 1 [°C] | Temp. 2 [°C] | Temp. 1 [°C] | Temp. 2 [°C] |
| Messung Nr. | | | | |
| 1 | 270 | 391 | 288 | 340 |
| 2 | 356 | 431 | 295 | 298 |
| 3 | 353 | 455 | 303 | 317 |
| 4 | 352 | 465 | 323 | 343 |
| 5 | 394 | 475 | 335 | 340 |
| 6 | 338 | 470 | 333 | 365 |
| Wärmebildkamera |
| | Vergleichspfanne | Erfindungsgemäße Pfanne |
| | Temp. 1 [°C] | Temp. 2 [°C] | Temp. 1 [°C] | Temp. 2 [°C] |
| Messung Nr. | | | | |
| 1 | | | 362 | 427 |
| 2 | 419 | 470 | 390 | 402 |
| 3 | 424 | 477 | 382 | 403 |
| 4 | 471 | 488 | 407 | 441 |
| 5 | 465 | 506 | 416 | 438 |
| 6 | 447 | 506 | 405 | 464 |
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Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass die gemessenen Außentemperaturen der erfindungsgemäßen beschichteten Panne tendenziell um 10 bis 20% unterhalb der Außentemperaturen der Serienpfanne lagen.
