DE2744311A1 - Induktiv beheizte giesspfanne - Google Patents

Description

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DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF PATENTANWÄLTE

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TELEFON: (O711) 34 27 61/3 TELEGRAMME: MENTOR

7 STUTTGART 1, PlSCHEKSTR. 19

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22. September 1977

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INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANgAISE 185, rue President Roosevelt

Saint-Germain-en-Laye, Yvelines (Frankreich)

Induktiv beheizte Gießpfanne

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Die Erfindung betrifft eine induktiv beheizte Gießpfanne zum metallurgischen Behandeln von Metallen und Legierungen mit einem mit einem feuerfesten Futter ausgekleideten unterteilten metallischen Tiegel, dessen Boden mit einem oberen metallischen Reifen mittels metallischer Zuganker verbunden ist, die sich mindestens im Bereich der Heizzone zwischen metallischen Ringflanschen erstrecken, die mit dem Pfannenboden bzw. mit dem oberen Reifen verbunden sind.

Die Entwicklung der Aufbereitung von Metallen und insbesondere von Stahl in Richtung auf eine Metallurgie, bei der die Metalle nicht in Öfen, sondern in Gießpfannen aufbereitet werden, wirft eine große Zahl schwieriger Problemen bei der Erhitzung der Metalle in Gießpfannen auf.

Unter den sich anbietenden Möglichkeiten zur Lösung dieser Probleme, von denen die meisten sich die elektrische Energie zunutze machen, bietet nur die induktive Erhitzung den Vorteil, die elektrische Energie im Schmelzbad mit einem guten thermischen Wirkungsgrad umzusetzen. Im Prinzip geht man hierbei von dem Gedanken aus, eine Gießpfanne in einer Induktionsspule anzuordnen, wie sie bei bekannten Induktionsöfen Verwendung findet. Hierbei stellt sich jedoch dem Fachmann die wichtige Aufgabe, in der zu behandelnden metallischen Charge elektrische Ströme zu induzieren, ohne hierbei gleich-

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zeitig die übrigen Teile und den metallischen Tiegel der Gießpfanne selbst durch unerwünschte Wirbelströme zu überhitzen. Man hat schon vorgeschlagen, die Induktionsspule mit einem Strom niedriger Frequenz, beispielsweise 1 bis 5 Hz, zu beaufschlagen. Die intensive Badbewegung, die umso stärker ist, je niedriger die Frequenz ist, und die Erhöhung der Temperatur des Tiegels machen jedoch eine Begrenzung der eingebrachten Leistung notwendig, so daß das Verfahren bislang nur dazu verwendet wurde, das Metall in einer Gießpfanne zu durchwirbeln, wobei dieses Verfahren sehr häufig durch ein anderes Heizverfahren, meist ein Lichtbogenheizverfahren ergänzt werden mußte.

Eine andere Möglichkeit, sich den Vorteil einer elektrischen Beheizung mit der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz zunutze zu machen, besteht in einer Abwandlung dieser Technologie, die darin besteht, daß die Gießpfanne für das magnetische Wechselfeld durchlässig gemacht wird. Dies kann bekanntermaßen dadurch geschehen, daß man den metallischen Tiegel der Gießpfanne in eine genügend große Zahl einzelner elektrisch gegeneinander isolierter Elemente unterteilt, um die Ausbildung unerwünschte Wirbelströme zu verhindern, wobei gleichzeitig eine ausreichende mechanische Festigkeit und auch eine zuverlässige Dichtheit gewährleistet sein muß, um im Falle eines Bruches der Auskleidung ein etwaiges Ausfließen des flüssi-

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gen Metalls zu verhindern.

In der FR-PS 1 509 043 ist eine Gießpfanne mit induktiver Beheizung beschrieben, deren im allgemeinen zylindrischer metallischer Tiegel in der Beheizungszone durch unmagnetische metallische Platten gebildet wird, die miteinander zu einer mechanisch starren Wandung verbunden und mittels eines feuerfesten Zementes elektrisch gegeneinander isoliert sind.

Eine ähnliche Ausbildung einer Gießpfanne ist auch in der FR-PS 1 534 905 beschrieben.

Bei Gießpfannen dieser Art besteht jedoch aufgrund des kompakten Zusammenbaus die Gefahr, daß sie wegen einer übermäßigen Erhitzung vorzeitig unbrauchbar werden, sobald die Frequenz des Induktorstroms etwa 60 Hz übersteigt oder auch, wenn sie bei normaler Netzfrequenz sehr lange in Betrieb sind.

Bei einer anderen in der FR-PS 2 100 553 beschriebenen Gießpfanne sind diese Nachteile weitgehend vermieden. Der Tiegel besteht bei dieser Ausführungsform in der Beheizungszone aus elektrisch gegeneinander isolierten metallischen Elementen, die einen offenen elektrischen Stromkreis bilden und im Verhältnis zu ihrer Länge nur einen kleinen Querschnitt aufweisen. Aber auch solche Ausführungsformen geben nicht immer eine ausreichende Garantie für einen dauerhaften mechanischen

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Verbund. Andere Ausführungsformen dieser Art weisen in der Beheizungszone metallische, über den Pfannenumfang gleichmäßig verteilte Zuganker auf, die zwischen Ringflanschen angeordnet sind und so einen besseren mechanischen Zusammenhalt aufweisen. Ihre Konstruktion ist jedoch häufig etwas umständlich und führt beim Auswechseln schadhafter oder abgenutzter Teile zu Schwierigkeiten. Darüberhinaus führt das Vorhandensein zusammenhängender metallischer Teile am Umfang der Gießpfanne zu deren Erhitzung durch Wirbelströme, wenn, wie dies im allgemeinen der Fall ist, eine Induktionsspule Verwendung findet, deren Achse mit der Achse der Gießpfanne zusammenfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gießpfanne der vorgenannten Art zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und sowohl hinsichtlich ihrer Abdichtung gegenüber dem flüssigen Metall als auch hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität sowohl bei langem Betrieb bei Netzfreqenz als auch bei kürzerem Betrieb bei erhöhten Frequenzen von etwa einigen 100 Hz den an sie gesteilen Anforderungen genügt.

Diese Aufgabe wird bei einer Gießpfanne der vorgenannten Art, deren Zuganker mittels Keile elektrisch gegeneinander isoliert sind, die aus feuerfestem Material bestehen und in die Längszwischenräume zwischen zwei aufeinander folgenden Zugankern eingefügt sind, gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

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daß die Zuganker so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie zwischen sich Zwischenräume belassen, die sich nach außen verengen und je einen eng sich an die Zuganker anschmiegenden Keil aus feuerfestem und elektrisch isolierendem Material aufnehmen.

Vorteilhafterweise weisen die Zuganker einen trapezförmigen Querschnitt mit innenliegender, zur Grundlinie parallelen Schmalseite auf.

Bei einer so aufgebauten Gießpfanne sind die Zuganker vorteilhafterweise hohl ausgebildet, so daß durch sie ein Kühlmedium geleitet werden kann.

Die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Gießpfanne bestehen demnach darin, daß die Wandung des Tiegels aus länglichen, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Gießpfanne verteilten Elementen, sowie aus zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Elementen besteht und daß die metallischen Elemente derart angeordnet sind, daß der Tiegel die Struktur eines metallischen Käfigs aufweist, der gleichzeitig eine gute mechani-

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sehe Festigkeit und eine weitgehende magnetische Permeabilität aufweist, da im Bereich der Induktionsspule keine horizontal orientierten metallischen Elemente vorhanden sind, wie dies bei bekannten Gießpfannen der Fall ist.

Dieser Aufbau der Gießpfanne bewirkt, daß die isolierenden Verbindungselemente, die unter der Wirkung starker thermischer Druckspannungen stehen, eine Selbsthemmung erfahren, und andererseits, daß die Wandung des Tiegels an den aneinander anliegenden Flächen der Zuganker und der isolierenden Elemente eine ausreichende Dichtheit aufweist, so daß ein Ausfließen des schmelzflüssigen Metalls bei einem eventuellen Bruch der Auskleidung nicht zu befürchten ist. Darüberhinaus können beschädigte oder abgenutzte Teile, insbesondere die isolierenden Verbindungselemente, leicht ausgewechselt werden, da es hierzu nach Erkalten der Gießpfanne lediglich eines Druckes auf die Außenwandung der Gießpfanne bedarf, um diese isolierenden Elemente aus den zwischen zwei Zugankern bestehenden Lücken herauszulösen.

Ein solcher Vorteil findet sich bei keinem entsprechenden bekannten Gerät der einschlägigen Technik, wie auch die GB-PS

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274 008 zeigt. Bei diesem Ofen ist die Induktionsspule zwischen den Zugankern und der feuerfesten Auskleidung angeordnet und bildet so den eigentlichen, als Träger der feuerfesten Auskleidung dienenden und die Dichtheit gegenüber dem flüssigen Metall gewährleistenden Tiegel. Zu diesem Zweck weist der die Induktionsspule bildende, hohl ausgebildete und von einem Kühlmittel durchflossene Leiter einen längli-

auf chen Querschnitt mit einwärts gekrümmten Breitseiten/, so daß das zwischen den einzelnen Windungen angeordnete isolierende Material einen bikonvexen Querschnitt aufweist und gegen jede seitliche Verschiebung gesichert ist.

Auch wenn in dem Tiegel keine Wirbel ströme auftreten, so verursacht doch der durch die Auskleidung hindurch sich ausbreitende Wärmefluß eine Erhitzung des Tiegels. Um daher eine übermäßige Steigerung der Temperatur des Tiegels bei induktiver Beheizung der Charge zu vermeiden, wird des weiteren gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Zuganker hohl auszubilden. Der Grund hierfür ist ein dreifacher:

die Möglichkeit der Kühlung der Zuganker mittels eines sie durchströmenden Kühlmediums, beispielsweise Luft;

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■··- die Verwendung hohler Zuganker vermindert die Ausbildung von Wirbel strömen in den Zugankern, und zwar um so mehr, je geringer die Wandstärke der Zuganker ist, die,ohne die Festigkeit zu gefährden, weitgehend verringert werden kann ;

- die Verwendung hohler Zuganker gibt die Möglichkeit, Zuganker besserer Qualität zu verwenden, da hohle Zuganker im Streckverfahren hergestellt werden können, während massive Zuganker im Drahtziehverfahren hergestellt werden und einer Schmiedenachbehandlung bedürfen, um ihnen eine den hohlen Zugankern gleichwertige Festigkeit zu verleihen. Im übrigen besitzen Zuganker gleichen Querschnitts dieselbe Biege- und Knickfestigkeit, einerlei ob sie hohl oder massiv ausgebildet sind.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist wirtschaftlicher Art. Hohle Zuganker, beispielsweise solche mit trapezförmigem Querschnitt können aus Rohren aus nichtrostendem Stahl hergestellt werden, die am Markt vorhanden sind. Die zu ihrer Bearbeitung notwendigen Geräte sind einfacher Bauart und ihre Anschaf-

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fungskosten/kurzer Zeit amortisiert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen

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Fig. 1 die Seitenansicht einer Gießpfanne mit einer am linken Rand im Schnitt angedeuteten, sie umgebenden Induktionsspule,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch einen Zuganker und seine Verbindung mit dem oberen Ringflansch,

Fig. 3 einen waagerechten Schnitt durch einen Ausschnitt aus der Wandung der Gießpfanne.

Die Gießpfanne besteht aus einem Tiegel 1 zylindrischer Gestalt, der im Inneren mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten feuerfesten Auskleidung versehen ist. Der Tiegel besteht aus einem beckenförmigen metallischen Boden 2,einem ebenfalls metallischen oberen Reifen 3 und einer Mehrzahl zwischen diesen beiden Teilen angeordneter, gleichmäßig über den Umfang der Gießpfanne verteilter metallischer Zuganker 4, die die feuerfeste Auskleidung umschließen. Zwischen den einzelnen Zugankern 4 sind aus isolierendem und feuerfestem Werkstoff bestehende Keile 5 angeordnet, die dicht an den Flächen der Zuganker anliegend deren Zwischenräume ausfüllen. Diese Keile 5 müssen einen hohen Wärmeisolationswert und eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, um die bei Inbetriebnahme der Gießpfanne aufgrund der Ausdehnung der Metallstruktur auftretenden Spannungen aufnehmen zu können. Vorteilhafterweise ver-

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wendet man für diese Keile ein Material, das unter dem Handelsnamen "Syndanio" bekannt ist und ein Agglomerat aus mineralischem Gestein und staubförmigem Asbest ist.

Die Zuganker greifen mit ihren beiden Enden an zwei ebenen Ringflanschen 6 und 7 an, von denen der eine mit dem oberen Reifen 3 und der andere mit dem Boden 2 verbunden ist, an denen sie vorstehende Ränder bilden. Die Verbindung der Zuganker 4 mit diesen Ringflanschen 6 und 7 erfolgt mittels einzelner Teile 8, die in Fig. 2 im einzelnen dargestellt und im folgenden beschrieben sind.

Der obere Reifen 3 weist zwei seitliche Schwenkzapfen 9 auf, mittels derer die Pfanne in das Krangehänge des Gießkranes eingehängt werden kann. Der Reifen 3 weist darüberhinaus einen Kranz 8 auf, der über den Radius des durch die Zuganker gebildeten Kreises übersteht und so eine Auskragung bildet, mit der die Gießpfanne auf den Rändern eines Heizkessels aufliegt, wie dies die Fig. 9 der schon erwähnten FR-PS 2 100 zeigt. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Boden der Gießpfanne ein herausziehbarer Stopfen 10 angeordnet, der die Gießöffnung freigibt. Am linken Rand der Figur ist eine die Gießpfanne umschließende Induktionsspule 11 angedeutet, die von einem ringförmigen ferromagnetischen Joch 12 seitlich umfasst wird. Die Höhe der Induktionsspule übersteigt die Länge der Zuganker nicht, so daß der Reifen 3,

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der Boden 2 und auch die beiden Ringflansche 6 und 7 sich außerhalb der mit a bezeichneten Heizzone befinden. Die Stahlkonstruktion besteht vorzugsweise aus unmagnetischem Material, beispielsweise unmagnetischem nichtrostendem Stahl, um eine sich auf die zu behandelnde Charge nachteilig auswirkende Ausbildung von der Induktionsspule 11 erzeugter magnetischer Feldlinien zu verhindern.

Wie auch aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die Zuganker 4 hohl ausgebildet, um durch sie ein Kühlmittel leiten zu können, das vorzugsweise gasförmig, beispielsweise Luft ist. Zur Zuleitung des Kühlmittels dient eine Ringleitung 13, die unter der Pfanne mittels Laschen 14 an dem den Boden 2 begrenzenden Flansch 8 befestigt ist. Von dieser Ringleitung 13, in die eine Druckleitung 15 mündet, führen kurze Verbindungsrohre 16 zu den einzelnen Zugankern 4. Um die Zeichnung nicht zu über lasten, sind nur einige dieser Rohrstücke eingezeichnet. Das in den Zugankern aufsteigende Kühlmedium entweicht am oberen Ende der Zuganker durch Öffnungen 17 ins Freie.

Eine praktische Ausführung einer Gießpfanne nach dem in Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine Kapazität von ungefähr 7 Tonnen Stahl und einen Durchmesser von etwa 1,50 m auf. 60 am Umfang der Pfanne angeordnete Zuganker weisen ei-

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nen Querschnitt auf, der etwa der Hälfte des zwischen den Zugankern frei bleibenden Querschnitts entspricht. Die Abmessungen des trapezförmigen Querschnitts, wie er aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind folgende: große Basislinie 3,5 cm, kleine Basislinie 2,5 cm, Höhe des Trapezes 5,5 cm. Die Wandstärke beträgt 0,8 cm. Die Zahl der Zuganker und deren Querschnitt bestimmt sich nach der ihnen zukommenden Aufgabe, die feuerfeste Auskleidung zu halten und'das gesamte Gewicht der Pfanne, das sich aus dem Gewicht des Pfannenbodens, der Auskleidung und der zu behandelnden Charge zusammensetzt, mechanisch aufzunehmen.

Da es bekannt ist, daß elektromagnetische Wellen bei einer Frequenz von etwa 50 oder 60 Hz in Stahl eine Eindringtiefe von etwa 6 cm aufweisen, begünstigt jeder Zuganker mit einer Wandstärke unter 6 cm und vorzugsweise mit einer noch geringeren Wandstärke, die Verringerung der parasitären Wirbelströme und verringert so eine Erhitzung der Zuganker.

Wie aus Fig. 1 und insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, besteht der oberhalb der Heizzone a gelegene Teil der Gießpfanne aus dem metallischen Reifen 3, an den an seinem unteren Rand der mit Bohrungen 19 zur Aufnahme der Zugankerenden versehene Ringflansch 6 angeschweißt ist. Die einstückig ausgebildeten Zuganker 4 sind an ihren Enden so verformt, daß sie

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durch die Bohrungen 19 des Ringflansches hindurchgesteckt werden können. An dem Reifen 3 ist des weiteren oberhalb des Ringflansches ein ringförmiger Kranz 18 angeschweißt, der, wie oben ausgeführt wurde, dazu dient, die Gießpfanne zu tragen, wenn sie in einen induktiv beheizten Kessel 'eingesetzt wird, auf dessen Randflansch der Kranz 18 aufliegt. Auf die mit einem Gewinde versehenen, durch die Bohrungen 19 des Ringflansches 6 hindurchreichenden Enden der Zuganker 4 ist unter Zwischenlage von Unterlegscheiben 21 und isolierenden Dichtungsringen 22 eine Mutter 20 aufgeschraubt. Die Bohrungen 19 des Ringflansches 6 weisen einen etwas größeren Durchmesser als die Enden der Zuganker auf, um in dem so gebildeten Ringraum eine isolierende Dichtmanschette 23 anordnen zu können.

Die Ringscheiben 22 und die Manschette 23 sollen die Zuganker 4 gegenüber dem ebenfalls metallischen Ringflansch 6 elektrisch isolieren, so daß es sich empfiehlt, für diese Teile ein Material zu verwenden, wie es etwa zur Herstellung der Keile 5 Verwendung findet. In gleicher Weise sind die unteren Enden der Zuganker mit dem unteren Ringflansch 7 verbunden.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weisen die Zuganker 4 einen trapezförmigen Querschnitt mit innenliegender, zur Grundlinie

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paralleler Schmalseite 25 auf. Demzufolge weist auch der zwischen zwei Zugankern befindliche Zwischenraum einen trapezförmigen Querschnitt auf, so daß sich dieser Zwischenraum nach außen verengt. In diese Zwischenräume sind die Keile 5 eingesetzt, wobei der Zusammenbau entweder so erfolgen kann, daß sie zwischen die bereits verankerten Zuganker von innen her eingesetzt werden oder jeweils im Wechsel mit den Zugankern bei deren Einbau eingesetzt werden.

Diese Ausbildung und Anordnung der Keile hat den Vorteil, daß sie, wenn sie bei Inbetriebnahme der Gießpfanne unter der Wirkung des Innendrucks nach außen gepresst werden, eine Selbsthemmung erfahren. Wenn die Keile andererseits ausgewechselt werden sollen, so genügt ein verhältnismäßig geringer Druck auf die schmalere Außenfläche 26, um den Keil zu lösen. Der so gebildete Tiegel weist am ganzen Umfang der Gießpfanne einen stabilen mechanischen Verbund auf, an dessen Innenwandung

27 die feuerfeste Auskleidung 28 angebracht ist. Auch im Falle eines auf auftretende Wärmespannungen zurückzuführenden Bruches oder Risses der Auskleidung bleibt die Dichtheit des Tiegels erhalten, so daß keine Gefahr des Austritts von flüssigem Metall besteht. Als zusätzlicher Wärmeschutz kann zwischen den Zugankern 4 bzw. den Keilen 5 und der Auskleidung

28 noch eine Asbestschicht 29 vorgesehen sein.

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Das Kühlmittel kann den Zugankern, wenn dies aus besonderen Gründen zweckmäßig erscheint, auch von oben zugeführt werden, wozu es nur notwendig ist, die in Fig. 1 dargestellte Konstruktion so abzuändern, daß die Rohre 16 am äußeren Umfang der Gießpfanne bis zu den oberen Mündungen 17 der Zuganker hochgeführt werden. In Abwandung einer solchen Konstruktion könnte aber auch die Ringleitung 13 oberhalb des oberen Reifens 6 angeordnet sein.

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Claims (3)

IRSID A 12 117 22.9.1977 i - dm Patentansprüche

1. Induktiv beheizte Gießpfanne zum metallurgischen Behandeln von Metallen mit einem mit einem feuerfesten Futter ausgekleideten Tiegel, dessen metallischer Boden mit einem oberen metallischen Reifen mindestens im Bereich der Heizzone mittels metallischer Zuganker verbunden ist, die sich zwischen metallischen Ringflanschen erstrecken, die mit dem Pfannenboden bzw. dem oberen Reifen ve'rbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuganker (4) so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie zwischen sich Zwischenräume belassen, die sich nach außen verengen und je einen eng sich an die Zuganker (4) anschmiegenden Keil (5) aus feuerfestem und elektrisch isolierendem Material aufweisen.

2. Gießpfanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuganker (4) einen trapezförmigen Querschnitt mit innenliegender, zur Grundlinie paralleler Schmalseite (25) aufweisen.

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3. Gießpfanne nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuganker (4) hohl ausgebildet und von einem Kühlmedium durchströmt sind.

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