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Die Erfindung betrifft einen Ltchtbogenschmelz- oder Reduktionsofen,
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terer insbesondere zur Erzeugung von Ferro- oder Silizium-Legierungen
oder dergleichen, mit einem mit länglichen, nicht kippbaren Ofengefäß, dessen Wände
jeweils im rechten Winkel aufeinanderstoßen oder dessen im wesentlichen rechteckiger
Grundriß nur geringfügiq abgerundete Ecken aufweist, wobei zur Zuführung der elektrischen
Energie mindestens sechs Elektroden dienen, welche in Richtung der Längsachse des
Ofengefäßes mit gleichen Abständen angeordnet sind und jeweils zwei benachbarte
Elektroden zu einer von den übrigen Elektroden unabhängigen Einphasenschaltung zusammengefaßt
sind und für jedes solche zusammengefaßte Elektrodenpaar ein mit den Elektroden
Uber Hochstromleitungen mit dicht nebeneinander verlegten, eine bifilare Leitungsführung
bildenden Hin- und Rückleitungen verbundener Transformator vorgesehen ist.
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Zum Schmelzen von Stahl, insbesondere aber für die Herstellung von
Ferro-und Siliziumlegierungen bzw. Kalzium-Karbid, wurden bisher vornehmlich Elektroden
mit einem einen kreisförmigen rlrundrtß aufweisenden Gefäß sowie mit einer Dreieck-El
ektrodenanordnung verwendet (z.B. die Zeitschrift "Technische Rundschau", Bern,
Nr. 48, November 1978, Seite 21 bis 23: U.
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Becker-Barbrock, W. Felix und G. Papachristos: ZLtchtbogenöfen Hochleistungsanlagen
und ihre Baugruppen").
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Durch die ständig expandierende Stahlindustrie weist der Bedarf an
Ferro-Legierungen eine deutlich ansteigende Tendenz auf. Die Hersteller der Ferro-Legierungen
sind dabei durch eine schnell fortschreitende Verteuerung der Energie, der Rohstoffe
sowie der Arbeitskräfte in zunehmendem Maß unter Kostendruck geraten. Um die produktbezogene
Kostendegression durch verminderte Investitionskosten und niedrigere Lohnkosten
so weit wie möglich zu nutzen, werden Anlagen ständig steigender Kapazität konzipiert
und errichtet.
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Die Steigerung der zum Ablauf des metallurgischen Prozesses notwendigen
Wärme, dargestellt als elektrische Wirkleistungen der Ofenanlagen, führt zu Elektroden
und Ofenherden mit immer größeren Durchmessern. Schließlich führt aber der Zusammenhang
zwischen der zu übertragenden Energiemenge durch die Elektroden und der mögliche
bzw. erforderliche Energieumsatz im Herdvolumen bei steigendem Wärmebedarf zu einer
technisch-wirtschaftlichen Lelstungsgrenze des Drei-Elektroden-Rundofens.
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Aus konstruktiver Sicht sind bei der Auslegung von Ofen großer Leistungen
zwei Grenzen zu beachten: Die eine Grenze ist durch den maximal verfügbaren Durchmesser
der Elektroden gesetzt (für Graphit-Elektroden ca. 650 mm, für Kohle-Elektroden
ca.
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1.400 mm und für Söderberg-Elektroden ca. 2.000 mm).
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Die andere Grenze ist durch den maximalen Durchmesser des Rundofens
gegeben. Mit zunehmender Größe des Rundofens nimmt nämlich die Effektivität ab.
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Es hat sich gezeigt, daß ein Oberschreiten der beiden Grenzen bei
einem Drei-Elektroden-Rundofen durch eine Verdoppelung der Elektrodenanzahl und
eine entsprechende Anpassung des Herdraumes zwar möglich, jedoch nicht wirtschaftlich
ist.
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Der Erfindung liegt die vordergründige Aufgabe zugrunde, einen Dreiphasen-Elektroofen
der eingangs genannten Art mit vornehmlich hoher Produktionskapazität sowie mit
über prozeßtechnischer und/wirtschaftlicher Grenzleistung eines zur Zeit herkömmlichen
Elektroofens liegenden Ofenleistung zu schaffen, der unter Beibehaltung der Vorteile
der bekannten rechteckigen Ufen mit sechs Elektroden insbesondere durch bessere
Ausnutzung der gesamten Herdfläche als prozeßaktive Fläche einen höheren elektrothermischen
Wirkungsgrad aufweist, worunter der Quotient aus der eingebrachten Energie
abzüglich
der Summe der elektrischen und thermischen Verluste und der eingebrachten Energie
zu verstehen ist. Gleichzeltig sollen, insbesondere durch gleichmäßigere Beaufschlagung
des 8ades sowie weitgehende elektrische Symmetrierung, die elektrischen und metallurgischen
Bedingungen der Prozeßführung verbessert werden.
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Der Ofen soll ferner verminderte Betriebskosten erfordern und einen
ein facheren Aufbau der Anlage ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Die Merkmale des Kennzeichenteils
des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen 2 bis 7 enthalten.
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Aus der DE-PS 677 279 ist zwar ein viereckiges Gefäß eines Lichtbogenofens,
insbesondere für die Herstellung von Eisen und Stahl bekannt. Hierbei handelt es
sich jedoch um einen nur für die Stahl produktion typischen kippbaren Lichtbogenofen,
wobei die sechs in zwei Reihen angeordneten Elektroden, jeweils in Sternschaltung,
an zwei dreiphasige Wechselstromsysteme angeschlossen sind. Die Elektroden sind
entlang den Längsseiten des Ofengefäßes angeordnet. Beim Kippen soll das Gefäß um
eine lotrechte Achse gedreht werden, damit die Gefäßschmalseite, an der die Abstichöffnung
angeordnet ist, in die stark geneigte Lage komnt. Durch die Verwendung von sechs
Elektroden soll offensichtlich eine größere Streuung der eingebrachten Energie erreicht
werden, demgegenüber müssen wegen der Drehbewegung des Gefäßes um lotrechte Achse
die Elektroden im Mittenbereich des Gefäßes angeordnet sein, so daß an den beiden
schmalen Enden des Gefäßes große nicht aktive Flächen entstehen, welche den elektrothermischen
Wirkungsgrad des Ofens beeinträchtigen. Außerdem tritt bei diesem bekannten Ofen
der negative Einfluß der Leistungs-Unsymmetrle in verstärktem Maße auf.
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Aus der DE-OS 25 35 207 ist ein elektrischer Ofen zum Gewinnen von
Stahl aus vorreduziertem, kleinstückigem, eisenhaltigem Material, insbesondere
Pellets
oder Stückerzen bzw. Eisenschwamm, bekannt. Dieser Ofen weist eine längliche, rechteckige
Form auf, wobei mehr als drei Elektroden in einer oder mehreren Reihen angeordnet
sind.
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Hierbei sind die Elektroden in der Längsachse des Gefäßes angeordnet.
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Zweck dieser Erfindung ist, einen Materialfluß im Ofengefäß zu erzeugen,
der durch verschiedene Prozeßzonen geführt wird.
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Ferner sind verschiedene Anordnungen von Transformatoren und Leitungsführungen
für rufen mit drei oder sechs Elektroden in einem Artikel von Dr.-Ing. Möllenkamp
und Dr.-Ing. Kallfelz: "Moderne Elektro-Reduktionsöfen für die Gewinnung von Ferro-Legierungen,
Roheisen und Kalzium-Karbid", electrowärme international, Heft B, 2/79 beschrieben.
Die Anordnung der Transformatoren für einen Sechs-Elektroden-Ofen ist im Bild 4
dargestellt.
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Hierbei handelt es sich jedoch um eine Ofenanordnung mit sechs in
einer Reihe geschalteter Elektroden, wobei die Gesamtleistung auf drei Einphasentransformatoren
aufgeteilt ist. Die Transformatoren stehen in Reihe parallel zum Ofen an der Längsseite.
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Eine solche Anordnung hatte sich die für die Herstellung von Ferro-
und Silizium-Legierungen als ungünstig erwiesen hatte. Hierbei entstehen hohe thermische
und elektrische Verluste. Im Buch Durrer/Volkert: "Metallurgie der Ferro- Legierungen",
2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1972, sind auf Seiten 130 und 131 Leitungsfijhrungen
an Drei-Elektroden-Ufen beschrieben, wobei insbesondere die Probleme der elektrischen
Unsymmetrie berücksichtigt werden, welche die Aufteilung der Gesamtleistung beeinträchtigt.
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Die vorstehend genannten Veröffentlichungen enthalten keine Hinweise
auf Maßnahmen, durch die der thermische Wirkungsgrad des Ofens durch bessere Nutzung
der gesamten Herdfläche sowie durch die funktionelle Verbindung
der
Form des Ofengefäßes und der Elektrodenanordnung erhöht wird. Ebenso sind den zitierten
Veröffentlichungen keine Anweisungen zur Verbesserung der proleßtechnischen und
elektrischen Bedingungen beim Ofenbetrieb zu entnehmen, die der vorliegenden Erfidung
zugrunde liegen.
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Eine Schaltung von Stromzuführunge n für einen Gleichstrom-Reduktionsofen
mit vier im Rechteck angeordneten Elektroden zeigt die norwegische Auslegeschrift
139 796. Hier wird eine andere Problematik angesprochen als die der Wechselstrom-Ufen.
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Die Erfindung geht von den folgenden Oberlegungen aus: 8ei einem Rundofen
verringert sich mit zunehmendem Elektrodendurchmesser der Herdwiderstand des Ofengefäßes,
in dem unter den Elektroden die zum Prozeßablauf notwendige Energie umgesetzt wird.
Entsprechend dem sich verringernden Herdwiderstand muß der Strom zusätzlich gesteigert
werden, um die notwendige Leistung zu erhalten. Das bedeutet, daß die Wirkungskraft
des Stromes mit steigendem Elektrodendurchmesser abnimmt.
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Im Hinblick auf diese ZusammenhAnge weist ein rechteckiger Elektrodenofen
mit sechs Elektroden, z.B. nach dem bereits zitierten Artikel von Dr.
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Möllenkamp und Dr. Kallfelz: "Moderne Elektro-Reduktionsöfen ..."
folgende Vorteile auf: - gegenüber einem Rundofen mit drei Elektroden vergleichbarer
Wirkleistung arbeitet der rechteckige 6-Elektroden-Ofen mit kleineren Elektroden
und weist somit einen größeren elektrischen Wirkungsgrad auf, - durch kleinere Elektrodendurchmesser
werden geringere Leiteuerschnitte im Bereich der Elektroden verwendet, - da die
Herdhöhe u.a. abhängig vom Elektrodendurchmesser ist, weist der 6-Elektroden-Ofen
eine geringere Herdhöhe und somit auch geringere Längen der Systemleiter im Bereich
der Elektroden auf,
- da dieser Ofen wesentlich kürzere Hochstromleitungen
mit kleineren Leiterquerschnitten erlaubt, wird die Induktivität des Leitersystems
wesentlich verringert, - die erreichte geringere Induktivität (und somit ein geringerer
induktiver Widerstand) führt in Verbindung mit vergleichbar kleineren El ektrodenströmen
zu geringeren Blindleistungen, - die Anwendung der Einphasensysteme ermöglicht eine
bifilare Leiteranordnung vom Transformator bis zu den Elektrodenspitzen, - durch
entsprechende Wahl der Phasenfolge und damit Vorgabe der Stromrichtung in den Elektroden
läßt sich das Gesamtsystem von sechs Elektroden als bifilares Leitersystem ausführen,
- durch erhebliche Verringerung der Impedanz-Verluste eröffnet sich die Möglichkeit,
den erfindungsgemäßen Ofen bei einem besseren Leistungsfaktor mit Transformatoren
und Blindleistungskompensations- anlagen kleinerer Leistung auszurüsten, - durch
die induktivitätssenkende bifilare Anordnung wird ein Drehfeld vermieden, durch
das bei den üblichen Ufen das Bad in Drehbewegung versetzt und dadurch die Trennung
von Metall und Schlacke, insbesondere im Grenzbereich, erschwert wird, - der Aufbau
eines rechteckigen Ofengefäßes ist in baulicher Hinsicht einfacher und weniger aufwendig
als derjenige eines Rundofens, sowohl was die Stahl konstruktion als auch die feuerfeste
Zustellung anbelangt.
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Ausgehend von dem zuletzt beschriebenen bekannten rechteckigen Ofen
mit sechs Elektroden wird durch den erfindungsgemäßen Ofen zusätzlich eine Anzahl
von Vorteilen erzielt, die sich gegenüber den bisher bekannten Ofenanlagen mit vergleichbarer
Wirkleistung insbesondere als Erhöhung des elektrothermischen Wi rkungsgrades auswirken:
Durch die Ausgestaltung des Ofengefäßes sowie die Anordnung der Elektroden werden
Reaktionsräume geschaffen, die fast den vollen horizontalen Querschnitt des Gefäßes
abdecken.
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Die aktive Reaktionsfläche zusammen mit der bereits früher erwähnten
geringeren Herdhöhe ergibt wesentlich kleinere Abstrahlungsflächen. Dies führt zu
einem in metallurgischer Sicht besser genutzten Herdraum und ferner zu verbesserten
elektrischen Verhältnissen; vor allem aber wird dadurch der elektrothermische Wirkungsgrad
des Ofens positiv beeinflußt.
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Durch die Ausnutzung der gesamten Herdfläche als proze(3aktive Fläche
kann das bei Rundöfen erforderliche Drehen oder Bewegen des Ofengefäßes zur Streuung
der Energiebelegung des Herdes entfallen.
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Durch die Aufteilung der Gesamtleistung auf drei (oder ein Vielfaches
von drei) Einphasensysteme in Verbindung mit der symmetrischen Anordnung dieser
Einphasensysteme um die Ofenlängsachse zusammen mit der bereits erwähnten weitgehenden
Bifilarität des Gesamtsystems werden die störenden Einflüsse einer geometrischen
und elektrischen Unsymmetrie beseitigt.
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Die symmetrische Anordnung der Transformatoren um die Längsachse des
Ofengefäßes enmöglicht, eine Schmalseite des Ofengefäßes für dte Abstichvorrichtungen
und dergleichen freizuhalten.
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Schließlich wird auch die bauliche Anordnung der ganzen Hochleistungsanlage
dadurch vereinfacht, daß die Beschickungsbunker in zwei parallelen Reihen vorgesehen
sein können; bei zwei nebeneinander angeordneten Ufen können die Beschickungsbunker
in nur drei parallel zu den Elektrodenreihen verlaufenden Reihen vorgesehen sein.
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Die im Versuchsbetrieb worgenommenen Untersuchungen und Messungen
haben nachgewiesen, daß ein erfindungsgemäßer 40 MW-Ofen im Vergleich mit einem
40 MW-Rundofen mit drei Elektroden sowie mit einem 40 MW-Rechteckofen mit einer
Anordnung von sechs Elektroden in einer Reihe wesentlich günstigere Wirtschaftl
lchkeitsfaktoren aufweist.
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Die Ergebnisse der Vergleichsmessungen sind in der beigefügten Tabelle
1 ausgeführt.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Elektroofen mit sechs
Elektroden, in Draufsicht, Fig. 2 eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Ofens mit
zwölf Elektroden, ebenfalls in Draufsicht und Fig. 3 eine andere Ausführung eines
erfindungsgemäßen Zwölf-Elektroden-Ofens mit einer anderen Anordnung der Hochstromleitungen,
ebenfalls in Draufsicht.
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Fig. 1 stellt einen geschlossenen Reduktionsofen mit einem feststehenden,
längilchen, rechteckigen Ofengefäß 7 dar. Wie die Abbildung zeigt, sind sechs Elektroden
1 bis 6 mit jeweils gleichem gegenseitigen Abstand in zwei
parallel
zur Längsachse des Ofengefäßes verlaufenden Reihen derartig angeordnet, daß jede
Reihe drei Elektroden enthält. Die Elektroden 1, 2, 5, 6 sowie die Elektroden 2,
3, 4, 5 liegen - in Draufsicht gesehen - in den Ecken eines gedachten Quadrates.
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Um eine optimale Energiestreuung über dem Bad zu erreichen, sind die
Elektroden derart voneinander sowie von den Gefäßwänden beabstandet, daß die einzelnen,
sich jeweils um die Elektroden 1-6 herum erstreckenden prozeßtechnisch aktiven Badoberflächen
eine zusammenhängende Fläche bilden. Die jeweils benachbarten Elektroden, nämlich
1 und 2, 3 und 4, 5 und 6 sind zu einer von den übrigen Elektroden unabhängigen
Einphasenschaltung zusammengefaßt. Die Elektroden 1 und 2 sind über Hochstromleitungen
mit einem Transformator A verbunden; das Elektrodenpaar 3 und 4 mit einem Transformator
B und das Elektrodenpaar 5 und 6 mit einem Transformator C verbunden.
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Die Transformatoren A und C mit den dazugehörigen Hochstromleltungen
sind an den Längsseiten des Ofengefäßes, der Transformator 8 an der Schmalseite
angeordnet. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist die Anordnung der Hochstromleitungen
zur Längsachse des Ofengefäßes 7 symmetrisch. Der nicht dargestellte Abstich ist
an der freien Schmalseite des Gefäßes 7 angeordnet.
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Wie aus allen Figuren ersichtlich ist, sind die Hin- und Rückleitungen
zwlschen dem Transformator und den daran angeschlossenen Elektroden dicht nebeneinander
verlegt und bilden somit eine bifilare Leitungsführung, die den induktiven Blindwiderstand
durch elektromagnetische Felder entgegengesetzter Stromrichtung erheblich herunterdrückt.
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Die drei Transformatoren A, B und C sind in dem dargestellten Belspiel
primärseltig zu einem Drehstromsystem geschaltet, wobei die jeweils zu diesen drei
Transformatoren gehörenden Einphasenschaltungen sekundärseitig durch das Im Ofen
befindliche metallische Produkt zu einem Drehstromsystem verbunden sind, welches
ein Gleichgewicht zu dem Primärsystem bildet.
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Zur Spannungsregelung in jedem der Einphasensysteme ist jeder Transformator
(A, B, C) mit einem Regel-Lastschalter versehen. Jede Elektrode kann einzeln nach
ihrem prozeßwirksamen Leistungseinbringen regelbar sein. Dem in Fig. 2 dargestellten
Ofen wird die Energie über zwölf Elektroden 21 bis 32 zugeführt. Die Anordnung der
Elektroden 21 bis 32 in bezug auf den gegenseitigen Abstand sowie auf den Abstand
von den Gefäßwänden ist analog der Anordnung gemäß Fig. 1. An jeder Längsseite des
Gefäßes 7 sind drei Transformatoren mit Hochstromleitungen 8 vorgesehen.
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Die Anordnung gemäß Fig. 3 ist ähnlich der Anordnung gemäß Fig. 2,
nur mit dem Unterschied, daß von den sechs Transformatoren D, E, F, G, H, K jeweils
zwei Transformatoren, nämlich D und E bzw. H und G an den Längsseiten des Gefäßes
7 angeordnet sind. Die Transformatoren F und K mit ihren Hochstromleitungen sind
an den Schmalseiten des Ofengefäßes 7 vorgesehen.
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Ta@el@e 1 Ver@leich der Daten für 40 MW-Öfen kreisförmiger Bauart
(mit 3 @lektroden) und rechteckiger Bauart (mit 6 Elektroden)
| Daten für Bezeichnuncç Bauart |
| /o1 Erii;lli a il |
| to o! Lco ol . . i ~. |
| Ofen-Pnschlußleistuna P MTA 83 62 68 |
| Primërstrom I1 A 1380 1040 1100 |
| 1 |
| notwendige Kondensator- |
| leistung für die Blind- |
| leistunqskompensation |
| Summe aller sekundärer |
| s: Ströme |
| 0 |
| õ elektr. verlustleistung . kW 3350 3080 3140 |
| c: |
| rl |
| H |
| gesamte Konstruktions- A m 990 1090 1350 |
| Oberfläche des Ofens |
| p, |
| umbauter Raum des V m 22850 28900 |
| k Ofengebäudes G 22850 28700 |
| < .. |
| c Gasbeaufschlagung der V Nm3/m2h 46 k:j. |
| H |
| Herdoberfläche |
| Fläce der Wärmeabstrahlun |
| 2 71 39 |
| < des Metallbades |
| 4 . . |
| o 2 150 153 197 |
| x Abstrahlungsoberfläche im |
| Bereich des Ml)llers |
| 0> |
| >4 |
| Abstrahlungsoberfläche des A AD |2 246 228 |
| 0> |
| m Gefaßdeckels |
| >4 |
| 0> |
| ca |