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Verfahren zum Herstellen von Eisenlegierungen durch direkte
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Reduktion des Minerals Beschreibunff Die Erfindung betrifft ein neues
Verfahren zum Herstellen von Eisenlegierungen durch direkte Reduktion eines Minerals
unter gleichzeitiger Erzeugung eines Abgases hoher Energieleistungsfähigkeit.
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Es sind verschiedene Verfahren zur Reduktion von Mineralen bekannt,
die im allgemeinen eine aus Mineral und Schmelzmitteln bereitete Phase mit für den
jeweiligen Fall geeigneter Teilchengröße als Teil eines Systems mit Erhitzungsmitteln
enthalten, die aus festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen oder anderen Formen
der Energie, z.B. Elektrizität usw. bestehen, bei dem Metalle oder Legierungen als
Ergebnis entsprechender Reaktionen zwischen den Substanzen entstehen, wie z.B. Gußeisen,
inerale mit hohem Metallanteil usw. , die für industrielle Zwecke geeignet sind.
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Es gibt ferner Verfahren, bei denen in flüssiger Phase gearbeitet
wird und bei denen ein Teil der erforderlichen Wärme aus einer äußeren Gasphase
zu der flüssigen Phase übertragen wird.
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Ein grundlegendes Merkmal des neuen Prozesses besteht in der Verwendung
eines schwenk- und drehbaren Schmelzofens, der mit einem Abstichloch versehen ist
und in den zu Beginn ein Metallbad einer Zusammensetzung, die der herzustellenden
Legierung nahezu gleich ist, bei einer Temperatur eingebracht wird, die wesentlich
höher ist als der Schmelzpunkt, und in den in kontinuierlicher Form jeweils durch
Rohrleitungen, die auf den unteren Teil des Innenraums des Schmelzofens gerichtet
sind, Beschickungen von kohlenstoffhaltiger Substanz, Eisenmineral und Flußmittel
, jeweils in pulverisiertem Zustand, eingeleitet werden, wobei diese Beschickungen
jeweils durch Treibfließmittel eingetrieben werden, von denen wenigstens eines aus
einem sauerstoffreichen Fließmittel besteht, wodurch neue Mengen an Legierung erhalten
werden, die fortlaufend dem im Schmelzofen befindlichen Bad zugeführt werden, während
gleichzeitig ein Abgas aus der Öffnung des Schmelzofens austritt, das im wesentlichen
aus Kohlenmonoxid besteht.
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Das neue Verfahren kann sowohl in kontinuierlicher als auch in diskontinuierlicher
Weise in der Praxis durchgeführt werden.
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In seiner kontinuierlichen Form wird, wenn die Kapazität des Schmelzofens
ausgefüllt ist, der Uberschuß an Legierung, die gebildet wird, kontinuierlich durch
das Abstichloch ausgeleitet und,sofern es angezeigt ist, wird die obere Schlacke
in üblicher Weise extrahert. In seiner diskontinuierlichen Form wird wenn die Kapazität
des Schmelzofens ausgefüllt ist, derselbe geschwenkt und ein Teil der gebildeten
Legierung abgezogen, so daß nur eine Menge an Legierung innerhalb des Schmelzofens
verbleibt, die für den Beginn der nachfolgenden Produktionsstufe erforderlich ist.
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Die jeweiligen Ströme und Anteile an kohlenstoffhaltiger Substanz,
Eisenmineral und Flußmittel, die je Zeiteinheit in den Schmelzofen einzuführen sind,
hängen ( neben den Fassungsvermögen der jeweiligen Rohrleitungen und den Drucken
der Treibfließmittel) von der Dosierung ab, die aufgrund der vorangehend durchgeführten
stöchiometrischen Berechnungen entsprechend den allgemein für die Reduktion von
Mineralen allgemein bekannten Gesetzen und in gewisser Weise bezogen auf die Eigenschaften
und die Güte eines jeden dieser drei Rohmaterialein für den Prozeß ermittelt wurde.
Gleiches gilt im Hinblick auf den Strom des technischen Sauerstoffs, der vorzugsweise
gemeinsam als Treibfließmittel für das Eisenmineral und das Flußmittel zu verwenden
ist.
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Die Rohrleitungen, die auf den unteren Teil des Schmelzofens gerichtet
sind, können durch den Boden desselben hindurchgehend angeordnet sein oder auch
in den Schmelzofen durch seine obere Öffnung mit Hilfe von Ansatzrohren allgemein
bekannter Art hineingeführt werden. Ferner können diese Rohrleitungen aus einer
Vielzahl jeweils separater Rohre bestehen, sie können aber auch in Form koaxialer
Rohrleitungen ausgeführt sein, wobei in diesem Fall die äußeren Rohrleitungen der
Koaxialanordnung für die Einleitung der kohlenstoffhaltigen Substanz verwendet werden,
während die inneren Rohrleitungen für die gemeinsame Einleitung von Eisenmineral
und Flußmittel bestimmt sind.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß
die in den unteren Teil des Schmelzofens einzuleitende gemahlene kohlenstoffhaltige
Substanz durch eine Vielzahl von Rohrleitungen. die durch den Boden des Schmelzofens
hindurchgehen, mittels eines Hydrokarbids (hydrocarbide) bzw. Kohlenwasserstoffen,
die gasförmioder flüssig vorliegen können, bei einem geeigneten Druck hinSetrieben
werden können, wofür Stickstoff oder jedes andere, gegenüber Kohlenstoff inerte
Gas, verwendet werden können.
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Im Falle der Verwendung eines Öles als Treibfließmittel für die
kohlenstoffhaltige
Substanz dient die Schmierfunktion dieses Kohlenwasserstoffes in besonderem Maße
dazu, die Errosion der Rohrleitungen, die durch die Teilchen der kohlenstoffhaltigen
Substanz bewirkt wird, herabzusetzen.
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Entsprechend hierzu werden das Eisenmineral und das Flußmittel gemeinsam
in den Schmelzofen durch ein oberes Ansatzrohr eingeleitet, und zwar angetrieben
mit unter Druck stehendem technischen Sauerstoff.
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Untersuchung der Durchführbarkeit O.) Zusammengefaßt besteht das neue
Verfahren in der Zufügung von Eisenmineral, Flußmitteln, Kohle und Sauerstoff zu
einem Bad aus Gußeisen zu dem Zweck, Gußeisen, das dem Bad einverleibt wird, Schlacke
und ein verbrennbares Abgas zu erhalten.
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Die Art des Reduktionsschmelzofens, der für die Durchführung des
Verfahrens vorgeschlagen wird, hat große Ähnlichkeit mit den modernen Konvertern,
die zur Umwandlung von Gußeisen in Stahl bestimmisind.
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Es war in erster Linie nicht voraussagbar, welche der Schmelzöfen,
die im Hüttenwesen typisch für Oxidationsfunktionen bestimmt sind, als Reduktionsanlagen
mit den vorteilhaften Eigenschaften von Hochöfen vorgeschlagen werden können.
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Es ist deshalb eine Frage der Analyse und der Erläuterung der notwendigen
funktionellen shnlichkeiten zwischen beiden Anlagen, um daraus den Schluß zu ziehen,
welche Ähnlichkeiten im Verfahrensergebnis zu berücksichtigen sind.
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1.) Verbrennung von Kohlenstoff in Sauerstoffkonvertern: Es wurde
als Grundlage für die Untersuchung ein Sauerstoffkonverter von 200 t Fassungsvermögen
verwendet, der eine Beschickung aus Gußeisen und Eisenschrott enthielt. Das Kohlenstoffelement,
das sich in der Beschickung befand, betrug etwa 6 Tonnen. Diese Kohlenstoffmenge
wurde in weniger als 15 Minuten verbrannt, wobei ein Teil des Sauerstoffs in diesen
Temperungsprozeß eingetreten ist. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion ist 6 tc 0,4
tC Verbrennungsgeschwindigkeit = = 15 min min Es sind dem Konverter 11 200 Nm3 Abgas
entwichen, das 90 % CO enthielt und einen Wärmewert von 37 220 000 Cal hatte, entsprechend
einer elektrischen Leistung von 69 196 KW.
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2.) Reduktion von Eisenmineral in Sauerstoffkonvertern: Bei Sauerstoffkonvertern
ist es üblich, kühlende Zusätze zu verwenden, um den Rest der freien Energie, die
bei der Oxidationsreaktion der wärmeerzeugenden Elemente entsteht, zu absorbieren.
Auf diese Weise wird verhindert, daß die Temperatur des Stahls Werte erreicht, die
oberhalb der erforderlichen Werte liegt.
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Infolge der oben ausgeführten Gründe werden Eisenschrott oder hocheisenhaltiges
Mineral in Mengenverhältnissen aeweils von 25 bis 30 % oder 8 bis "10 % zugefügt.
^ ese Anteile werden dem zu erzeugenden Stahl beim Schmelzen des Eisenschrotts oder
bei der Reduktion des Minerals einverleibt.
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Im letzten Fall sind die Wärmeaufnahme (sensitive heat) des Minerals
und die Zersetzungswärme die Faktoren, die den Uberschuß an freier Energie, die
oben erwähnt absorbieren
und die beim Studium der entsprechenden
Wärmegleichungen beurteilt werden können.
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Betrachtet man einen Konverter mit einer nominalen Kapazität von
200 t, der mit 21 t hocheisenhaltigen Minerals und 200 t Gußeisen beschickt ist,
und dessen Umwandlungszeit etwa 14 Minuten beträgt, kann gefolgert werden, daß die
Reduktionsgeschwindigkeit des Minerals, ausgedrückt in Teilen metallischen Eisens
pro Minute, sich wie folgt ergibt: 0,66tFe 1 Reduktionsgeschwindigkeit = 2ltftIin.
x t Mineral x l4min n 1 t Fe Minute 3.) Kohlenstoffverbrennung und Reduktion von
Eisenmineral in einem Hochofen mit 1500 t pro Tag: Es kann angenommen werden, daß
ein Hochofen 500 kg Koks je Tonne erzeugten Eisens verbraucht, wenn er mit Mineralen
hoher Qualität beschickt wird.
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Die Reduktionsgeschwindigkeit ergibt sich wie folgt: 1500 t Fe /Tag
1,041t Fe Reduktiongsgeschwindigkeit 5 1440 min/Tag = min Verbrennungsgeschwindigkeit
des Kohlenstoffs = 1;041t Fe x 0,5t C x 0,9 t = 0,468 t C/min min t Fe t C 4.) Neues
Verfahren zur Erzeugung von Gußeisen durch direkte Reduktion: Bisher wurden die
Geschwindigkeiten der Oxidation-Xeduktion-Prozesse in einem Hochofen und in einem
Konverter untersucht
mit dem Ergebnis, daß bestimmte und berechnete
Dimensionen der Anlagen eine ähnliche chemische Kinetik für die in Betracht gezogenen
Reaktionen haben.
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Im Falle der Versorgung einer flüssige Phase von Gußeisen als Beschickung
in einem Schmelzofen, der jetzt der Reduktion dienen soll, jedoch dem vorher betrachteten
Konverter ähnlich ist, mit Mineral, Kohle und Sauerstoff in einer solchen Weise,
daß die Konzentration an Kohlenstoff und die Temperatur konstant und gleich mit
den Anfangsbedingungen gehalten wird, sollte deshalb eine Oxidations-Reduktions-Reaktion
mit stationärer Geschwindigkeit und bekannter Kinetik bestimmbar sein, solange die
Zuführung von Ausgangsmaterialien in den Schmelzofen fortgesetzt wird. Als Reaktionsprodukte
werden kohlenstoffhaltiges Eisen, Schlacke und ein Abgas erhalten, dessen Zusammensetzung
von der für das Verfahren gewählten Arbeitstemperatur abhängt.
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Die erforderlichen und ausreichenden Mengen an Ausgangsmaterialien,
d.h. Mineral, Flußmittel, Kohle und Sauerstoff, um das Verfahren in Gang zu halten,
sind in einfacher Weise auf der Basis der Massen- und Wärmegleichungen zu bestimmen.
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5.) Technische Mittel für die Durchführung des Verfahrens: Es wurde
die Einsatzfähigkeit von Sauerstoffkonvertern für Reduktionsbehandlungen untersucht.
Auf der Grundlage dieser Art von Schmelzöfen wurden neue Bauelemente für eine Reauktionsfabrik
entwickelt.
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Die Abläufe bei Produktionsreakt-oren sind in den Punkten 1 und 2
bestimmt worden.
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Es wurden deshalb hinsichtlich der Dimensionen für die Reduktionsschmelzöfen
derartige Sauerstoffkonverter mit 200 t angenommen. Die minimale tägliche Produktion
soll 1500 t
pro Tag sein, entsprechend dem, was in Punkt 3 ausgeihrt
ist.
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5.1.) Reduktionsschmelzofen, Fig. 1 Feuerfester Behälter mit Grundbeschichtung,
montiert auf Laufzapfen mit Ansatzrohren im Boden für die vorgemischte Beschickung.
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5.2.) Ansatzrohre Es sind dies konzentrische Rohrleitungen mit zwei
Wegen.
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Durch die innere Rohrleitung, die als Ausgangsende eines verflüssigten
Transportsystems dient, treten pulverisierte Feststoffe, Flußmittel und Sauerstoff
der Beschickung in den Mineralschmelzofen ein.
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Durch das äußere Rohr tritt die Kohle ein, die mit einem gegenüber
den Kohlepartikeln inerten Fließmittel eingepreßt wird.
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Es wird mit einem Arbeitdruck von 12 Atmosphären gearbeitet, und
die Anzahl der Rohre beträgt zwischen 10 und 18 Einheiten.
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5.3.) Ergänzende Elemente: Vorratsbehälter; diese sind als Druckbehälter
und für kontinuierliche Zuführung mit einer Bescbckungseinrichtung bei Arbeitsdruck
ausgeführt.
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Bedienungspult; die Bedienungsstation dient zur Dosierung der automatischen
Beschickung entsprechend den Werten der Aufzeichnungsinstrumente und hält die Konzentrationen
und die Temperatur im stationären Zustand.
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Stickstofftank, dieser wird verwendet, um das Rohleitungssystem zu
kühlen, während der Schmelzofen in horizontaler Position ist und dient damit als
Sicherheitssystem.
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einlage zur Trocknung der Ausgangsmaterialien.
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einlage zur Pulversierung der Ausgangsmaterialien.
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Anlage zur Extraktion und Reinigung von Rauch und Kohlenmonoxid ohne
Verbrennung.
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Wannen für das Gußeisen und Behälter für die Schlacke.
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Folgerungen: Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht es, folgende
Vorteile gegenüber den bis jetzt benutzten Verfahren zu erzielen: Brennstoff: Alle
Kohlarten sind geeignet, einschließlich solcher mit hohem flüchtigen Anteil.
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Minerale: Alle Minerale sind geeignet und die Notwendigkeit ihrer
Pulverisierung ermöglicht mehrere Möglichkeiten für die Konzentrierungsmethoden,
was heutzutage von zunehmender Bedeutung ist.
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Flußmittel: Die Möglichkeit der Verwendung von Kalk schließt Energieersparnis
ein.
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Die thermodynamsiche Durchführung der Temperaturregelung der Reduktion
und die Vergasung von Kohlenstoff sind verbessert.
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Geringere Anlagekosten je produzierter Tonne.
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Eine gute thermodynamische Durchführung in Kleinstanlagen ist möglich.
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Die Möglichkeit zur Ausnutzung von Anlagen mit Siemens-Martin-Ofen
und die Installation von Konvertern an ihrer Stelle bestätigen die Erfahrungen,
die auf diesem Gegenstand bestehen.
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Beispiel einer Ausführungsform In 1 Fig, 1 ist ein Reduktionsschmelzofen
mit einer nominalen Eapazität von 200 t gezeigt. Die Form des Ofens ist im wesantlichen
zylindrisch, und er wird durch seitliche Drehzapfen 1 getragen, die eine Umdrehung
um eine horizontale Achse ermöglichen.
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Durch die spezielle Anordnung der Öffnung 2 und eine angemessene Ausbildung
des Längsteiles läßt das innen vorhandene Bad den Bereich der Rohre 3 (Rohrleitungen
bzw. Ansatzrohre), die im Boden des Ofens vorhanden sind, frei, wenn die Lage der
Längsachse des Schmelzofens horizontal ist.
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Der Schmelzofen ist mit einer Eisenlegierung ähnlich der , die bei
etwa 15000 C hergestellt werden soll, bis zu zwei Drittel seines Fassungsvermögens
gefüllt, wenn er in horizontaler Lage ist.
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Der Ofen wird dann in vertikale Position gebracht und gleichzeitig
treten die Beschickungsströme an Ausgangsmaterial ein, die zu einer Teilchengröße
unterhalb 200/um pulverisiert sind, entsprechend folgender Bemessungen: Kohle: Kohlenstoff
98%, flüchtige Anteile 1%, Asche 1%, Menge: 1.054 t C /min; sie wird mittels Stickstoff
in einer Menge von 30 Nm3 Stickstoff pro Tonne eingeblasener Kohle in den Ofen gefördert,
und zwar durch die äußeren Rohrleitungen 4 der Rohrleitungen, die durch den Boden
des Ofens eintreten.
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Eisenmineral: Eisenkonzentrat mit 69% Fe, Menge: 1,5 t Mineral pro
Minute.
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Flußmittel: 15 kg Kalziumoxid pro Minute.
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Diese beiden Substanzen werden gemeinsam durch die inneren Rohrleitungen
5 der durch den Boden des Ofens eintretenden Rohrleitungen
eingeführt,
und zwar durch einen Druckstrom, der durch technischen Sauerstoff mit 96 % O2 in
einer Menge von 1,193 t O2 /min mit einem Druck von etwa 8 bis 12 Atmosphären erzeugt
wird.
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Das Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt
werden, entsprechend den obigen Ausführungen.
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Erhaltenes Produkt: 1) Gußeisen (C 4%) bei einer Temperatur von 15000
C in einer Menge von etwa 1440 t pro Tag.
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2) Thermochemische Energie, die im Abgas in C02-Form enthalten ist,
mit einem Wert von 5800 M Kalorien pro Tonne Eisen.
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3) Schlacke: 30 kg pro Tonne Eisen.
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Wie es bei entsprechenden Techniken allgemein bekannt ist, kann die
Badendtemperatur und die Temperatur des Abgases bei entsprechender Variation des
Verhältnisses zwischen Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Abgas erhöht oder erniedrigt
werden, indem die Menge an Kohlenstoff und an erhitztem Sauerstoff, die in den Prozeß
eingeleitet werden, erhöht oder gesenkt werden, wobei sich die Variationen einstellen.
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Es wird darauf hingewiesen, daß obige Beschreibung für eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung gilt, und zwar nicht begrenzend, sondern zur Erläuterung
und anhand des Beispiels, so daß verscuiedene ì*odifisationen Im Umfang, der Konstruktion,
der Mengenverhältnisse und anderer Details möglich sind, ohne daß dabei der Rahmen
der vorliegenden Erfindung gemäß den Ansprüchen und der Beschreibung überschritten
wird.