DE29721941U1

DE29721941U1 - Kühlmittelleitung für Elektrolichtbogenöfen

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Publication number: DE29721941U1
Application number: DE29721941U
Authority: DE
Original assignee: Vom Bovert & Co Schweistechnik
Current assignee: Vom Bovert & Co Schweistechnik
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2007-12-13

Description

29:11.1997

vom Bovert & Co

Schweisstechnik + Rohrleitungsbau GmbH Kaiserswertherstr. 74

40878 Ratingen

Kühlmittelleitung für Elektrolichtbogenofen

Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlmittel leitungen für Wand- oder Deckelkühlelemente in Elektrolichtbogenofen sowie ein Verfahren zur Kühlung von Elektrolichtbogenofen unter Einsatz eines Kühlmittels.

Der Einsatz von Elektrolichtbogenofen erfolgt vornehmlich beim Aufschmelzen von Stahlschrott. Dabei hat sich herausgestellt, daß eine Begrenzung der Leistung derartiger Öfen durch die thermische Belastbarkeit der Ofenwände gegeben ist.

Ein im Stand der Technik bekannter Weg zur Reduzierung der Belastung der Ofenwände besteht darin, in den Wänden und im Deckel des Ofens ein Kühlung vorzusehen. Dabei wird insbesondere Wasser durch geeignete Kühlmittelleitungen geführt. Eine Verfeinerung derartiger Kühlverfahren kann dadurch erfolgen, daß die Kühlmitteltemperatur ständig überwacht wird und in Abhängigkeit von kritischen Werten die elektrische Leistung des Lichtbogens geregelt wird. In der DE 31 03 883 C2 wird ergänzend eine Überwachung der Kühlmitteldichte vorgeschlagen, um auch bei Verdampfen des Kühlmittels, wenn eine Temperaturkontrolle erfolglos ist, regeln zu können.

Auch wenn mit der Temperaturüberwachung zerstörerische Überhitzungen des Kühlmittels vermieden werden können, unterliegen die Kühlmittelleitungen dennoch einem hohen Verschleiß durch thermische Belastung. Während eines Schmelzprozesses vom Chargieren der Schrottkörbe bis zum Abstich des flüssigen Stahls gibt es Schmelzphasen mit niedrigen Kühlflächenbelastungen und mit sehr hohen Belastungen. Durch diese Wärmewechselbelastungen in Verbindung mit dem hohen Temperaturgefälle zwischen der Rohraußen- und

Rohrinnenwand ermüdet der Rohrwerkstoff, und es bilden sich Querrisse in der Rohrwand, die zu Undichtigkeiten führen.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 35 662 A1 wird dieses Problem dadurch vermindert, daß die Wände der Kühlrohre, Umkehrkappen oder Enden, Bogen und sonstigen wärmebeaufschlagten Bauelementen sowie die dazugehörigen Schweißnähte aus einem Verbund des Werkstoffs Stahl und eines aufgeschweißten oder plasmaaufgespritzten, gut wärmeleitenden, nicht oder nur bedingt magnetischen Werkstoff bestehen. Bei den eingesetzten nicht magnetischen Werkstoffen handelt es sich vorzugsweise um Kupfer.

Bedingt durch die sehr hohen Temperaturbelastungen auf der Außenwand der Rohre kann jedoch auf der Innenseite der Rohre ein Dampffilm entstehen. Dieser Dampffilm wirkt als Wärmeisolierschicht, d.h. es wird die Abfuhr von Wärme durch die Rohrwand hindurch ins Kühlwasser verhindert. Sofern auf der Außenwand des Rohres eine Kupferschicht aufgebracht ist, kommt es zu einer starken Erhitzung, die ein Schmelzen des Kupfers zur Folge haben kann. Wird andererseits auf die Auflage einer Kupferschicht verzichtet, kann es durch Überhitzung der Rohrwand zu hohen thermischen Wechselspannungen kommen, die eine Ermüdung des Materials zur Folge haben. Infolgedessen bilden sich nach einer gewissen Anzahl von Chargen Querrisse in den Rohren, die wiederum zu Undichtigkeiten führen, so daß das Kühlwasser aus den Rohren in den Ofen austreten kann. Dies geschieht bei den wassergekühlten Elementen insbesondere in den thermisch hochbelasteten Bereichen (sog. Hot-Spots-Bereiche).

Die Bildung des Dampffilms wird nach dem Stand der Technik dadurch verhindert, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers erhöht wird. Eine große Wassergeschwindigkeit bedingt jedoch einen hohen Bedarf an Wasser. Solche Wassermengen sind einerseits nicht immer verfügbar und andererseits auch mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden.

Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolichtbogenofens mit kühlmitteldurchflossenen Wänden zur Verfugung zu stellen, bei denen der Ofen mit einer hohen Leistung betrieben werden kann und der thermische Verschleiß des

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Kühlmittelsystems minimiert wird. Gleichzeitig soll der Verbrauch an Kühlmittel auf einem geringen Niveau gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Kühlmittelleitungen gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie im Leitungsinnenraum Schikane zur Erzeugung von Turbulenzen und/oder zur Steigerung der Durchflußgeschwindigkeit enthalten. Zu den Kühlmittelleitungen im Sinne der Erfindung gehören dabei sämtliche Leitungsabschnitte wie z.B. Umkehrkappen, Enden und Bögen. Unter Schikanen werden beliebige Körper verstanden, die sich in der Strömungsbahn des Kühlmittels befinden und dort zu einem Strömungswiderstand führen und/oder die Querschnittsfläche der Kühlmittelleitung verengen.

Der Stand der Technik war gerade bestrebt, Turbulenzen durch eine gerade Rohrführung und glatte Innenrohre zu vermeiden, um die Durchflußrate durch die Rohre zu maximieren. Zudem entsprach es der einfachsten und naheliegendsten Möglichkeit, freie Rohrquerschnitte gleichbleibender Größe - und damit gleichbleibender Durchflußgeschwindigkeit - über die gesamte Länge der Kühlmittelleitung vorzusehen. Im Gegensatz dazu sollen nach der Erfindung Turbulenzen und/oder Steigerungen der Durchflußgeschwindigkeit ausdrücklich durch Schikane erzeugt werden. Dadurch wird erreicht, daß eine sich eventuell bildende Dampfschicht ständig wieder abgebaut, d.h. letztendlich verhindert wird. Ferner verbessert sich die Wärmeaufnahme des Kühlmittels, da ständig frisches, d.h. kühles Medium an die Rohrwand geführt wird und sich nicht ein quasistationäres Temperaturgefälle im Rohr ausbilden kann, wie es bei (vorwiegend) laminarer Strömung der Fall wäre. Weiterhin bewirkt eine erhöhte Durchflußgeschwindigkeit, daß mit einer gesteigerten Rate Wärme aufgenommen und abgeführt werden kann.

Vorzugsweise enthalten die Kühlmittelleitungen im Leitungsinnenraum Schikanen, die im wesentlichen ohne Kontakt zur Innenwand der Kühlmittelleitung angeordnet sind. Darunter ist zu verstehen, daß sich ihr Kontakt zur Rohrwand auf das notwendige Mindestmaß zur Befestigung beschränkt. Die Vermeidung des Kontaktes zur Rohrwand hat den Vorteil, daß sich keine Totzonen in der Strömung ausbilden, in denen sich Feststoffe ablagern können. Durch die erfindungsgemäßen Schikanen muß das Kühlmittel ständig seine Flußrichtung ändern. Dadurch wird es es immer wieder auf die Wand der Kühlmittelleitung zugelenkt wird und in turbulente Strömung versetzt. So wird verhindert, daß sich

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verhindert, daß sich an der Rohrwand eine Dampfschicht bilden kann bzw. eine solche wird sofort wieder zerstört. Außerdem sorgt die Turbulenz für eine verbesserte konvektive Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel. Insgesamt wird damit sowohl die Kühlleistung verbessert als auch die Bildung einer Wärmeisolierschicht durch den Dampf mit den damit verbundenen kritischen Folgen verhindert. Der erfindungsgemäße Einbau von Schikanen geht dabei in eine völlig andere Richtung als der vom Stand der Technik eingeschlagene Weg. Denn letzterer bestand darin, Kühlleistung und Dampfschichtabbau durch eine Erhöhung der eingesetzten Kühlmittelmenge zu erreichen. Für die dazu notwendige Steigerung der Durchflußraten ist es aber erforderlich, möglichst wenig Hindernisse in den Strömungsweg zu legen, d.h. die Kühlmittelleitungen möglichst geradlinig und glatt auszubilden.

Bei einer möglichen Ausgestaltung der Schikanen werden diese durch mindestens ein parallel zur Längsachse der Kühlmittelleitung ausgerichtetes stabförmiges Element gebildet. Hierbei kann es sich z.B. um eine Stange oder ein Rohr handeln. Solche Elemente können symmetrisch zur Rohrachse angeordnet werden (vorzugsweise drei), insbesondere kann ein Element mittig auf der Achse liegen. Es sind aber auch asymmetrische Anordnungen denkbar, um z.B. den asymmetrischen Temperaturverhältnissen zwischen Ofeninnerem und -äußerem Rechnung zu tragen.

Durch das parallel zur Längsachse der Kühlmittelleitung ausgerichtete stabförmige Element wird das umströmende Kühlmittel an die Wand der Rohrleitung gedrängt und es wird verhindert, daß das normalerweise in der Rohrmitte befindliche Strömungsmaximum entstehen kann. Durch Verringerung der Querschnittsfläche der Rohres kann das Element außerdem zu einer Erhöhung der Flußgeschwindigkeit beitragen. Außerdem trägt ein Element aus gut wärmeleitendem Material zu einer Vergleichmäßigung der axialen Temperaturverteilung innerhalb des Rohres bei und verringert somit die Gefahr lokaler Überhitzungen.

Nach weiteren Ausbildungen der Erfindung können die Schikanen vorzugsweise durch Querstangen von Rohrwand zu Rohrwand, durch spiralförmige Wendel oder Leitbleche gebildet werden. Selbstverständlich kann diese Liste der Möglichkeiten vom Fachmann beliebig fortgesetzt werden. Ebenso ist es möglich, innerhalb eines Kühlmittelsystems verschiedene Formen von Schikanen zu verwenden, um unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der Gefahr einer Dampfbildung oder der Strömungsverhältnisse gerecht zu werden. Es ist

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allerdings von Vorteil, wenn die Schikanen nicht unmittelbaren Kontakt zur Rohrwand haben, damit sich hinter ihnen (im Schatten der Strömung) nicht unerwünschte Schlammansammlungen bilden können.

Zur Erfindung gehört weiterhin als (passive) Maßnahme zur Steigerung der Durchflußrate, daß die Querschnittsfläche der Kühlmittelleitungen in den Bereichen hoher Wärmebelastung verkleinert wird. Dadurch wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erzwungen, so daß mehr Kühlmittel in engeren Kontakt zur Rohrwand kommt, d.h. die Wärmeaufnahme gesteigert wird. Die Querschnittsfläche kann durch eine Verkleinerung des Rohrdurchmessers vermindert werden, welche z.B. durch eine Verdickung der Rohrwand erzielt wird. Die Rohrwandverdickungen wären in diesem Falle Schikane im Sinne der vorliegenden Erfindung.Ebenso führt aber auch der Einbau von innenliegenden Verdrängungskörpern zu einer Verringerung des Querschnitts.

Vorzugsweise wird die Querschnittsfläche der Kühlmittelleitung derart variiert, daß sie vom oberen Rand des Elektrolichtbogenofens zu seinem Boden hin abnimmt. Hierdurch wird erreicht, daß die verbesserte Wärmeaufnahme gerade im belasteten Bodenbereich (Hot-Spots) stattfindet.

Die erfindungsgemäßen Schikanen in den Kühlmittelleitungen können problemlos mit anderen Maßnahmen nach dem Stand der Technik kombiniert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Wände der Kühlmittelleitungen aus einem Verbund des Werkstoffes Stahl und einem vorzugsweise aufgeschweißten oder plasmaaufgespritzten, gut wärmeleitenden und nicht oder nur bedingt magnetischen Werkstoff bestehen. Hierbei kann es sich vorzugsweise um Kupfer handeln, welches eine Stärke von 3-12 mm hat. Selbstverständlich kann eine derartige Maßnahme auch bei sonstigen wärmebeaufschlagten Bauelementen vorgenommen werden, also z.B. bei an den Rohren angeordneten Umkehrkappen, Enden und Bogen.

Die erfindungsgemäßen Kühlmittelleitungen mit den verbesserten Maßnahmen zur Wärmeaufnahme (Schikane, Verengungen) werden vorzugsweise in den Bereichen größter Wärmebelastung angeordnet. Diese befinden sich in der Regel zum Boden des Elektrolichtbogenofens hin.

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Zur Erfindung gehört ferner ein Verfahren zur Kühlung von Elektrolichtbogenofen, bei welchem ein Kühlmittel durch die Kühlmittelleitung von Wand- oder Deckelkühlelementen geleitet wird. Ein solches Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmittelfluß die Entstehung von Turbulenzen stimuliert und/oder gefördert wird.

Nach dem Stand der Technik war man gerade bestrebt, Turbulenzen durch eine gerade Rohrführung und glatte Innenrohre zu vermeiden, um die Durchflußrate durch die Rohre zu maximieren. Im Gegensatz dazu sollen nach der Erfindung Turbulenzen ausdrücklich gefördert und stimuliert werden. Durch eine derartige Maßnahme wird erreicht, daß eine sich eventuell bildende Dampfschicht ständig wieder abgebaut, d.h. letztendlich verhindert wird. Ferner verbessert sich die Wärmeaufnahme des Kühlmittels, da ständig frisches, d.h. kühles Medium an die Rohrwand geführt wird und sich nicht ein quasi-stationäres Temperaturgefälle im Rohr ausbilden kann, wie es bei (vorwiegend) laminarer Strömung der Fall wäre.

Für die Erzeugung der Turbulenzen stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Eine bevorzugte besteht darin, innerhalb der Kühlmittelleitungen Schikanen anzuordnen, welche die Strömungsrichtung des Kühlmediums fortlaufend ändern.

Ferner können die Turbulenzen auch durch eine geeignete Leitungsführung der Kühlmittelleitung erzielt werden, wobei es in der Regel ausreichend ist, von den dem Fachmann bekannten Regeln zur Erzeugung einer laminaren Strömung gezielt abzuweichen. Dies ist insbesondere durch einen häufigen Richtungswechsel in der Kühlmittelleitung möglich, wobei die dadurch erzwungenen Richtungswechsel des Kühlmittels zu den gewünschten Turbulenzen führen. Ebenso ist eine Verengung der Querschnittsfläche der Leitung möglich, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit lokal erhöht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels weniger als 4 m/s betragen, was einen entsprechend geringen Durchsatz und damit Verbrauch an Kühlmittel zur Folge hat. Außerdem kann der Aufwand an Pumpen vermindert werden. Vorzugsweise beträgt die Strömungsgeschwindigkeit sogar weniger als 3 m/s, ganz besonders bevorzugt weniger als 2,5 m/s. Demgegenüber liegt sie im Stand der Technik typischerweise über 4 m/s. Der Durchsatz an Kühlmittel kann also nach dem erfindungsgemäßen Verfahren größenordnungsmäßig bis zur Hälfte gesenkt werden.

Das üblicherweise verwendete Kühlmittel ist Wasser, welches leicht und kostengünstig erhältlich ist.

Ferner wird das Kühlmittel vorzugsweise im Temperaturbereich bis zu seiner Siedetemperatur eingesetzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Elektrolichtbogenofen im Querschnitt.

Fig. 2 zeigt in Querschnitten eine Schikane mit mittiger Stange.

Fig. 3 zeigt in Querschnitten eine Schikane mit Querstangen.

Fig. 4 zeigt in Querschnitt und Seitenansicht eine Schikane mit Wendel.

Fig. 5 zeigt in Querschnitten eine Schikane mit Leitblechen.

In Figur 1 ist schematisch ein befüllter Lichtbogenofen 2 im Querschnitt dargestellt. Er besteht aus einem Ober- und einem Untergefäß. Das Untergefäß ist durch Feuerfestmaterial ausgemauert und mit einer Stahlabstichvorrichtung ausgestattet (nicht dargestellt). Das Obergefäß weist auf dem Umfang Wandkühlelemente 1 auf. Typischerweise befinden sich in einer Rohrwand ca. 20 Rohrwindungen (schematisch dargestellt sind 4). Diese Rohrwindungen unterliegen unterschiedlich starken thermischen Belastungen, wobei die unten gelegenen Rohre in der Regel stärker belastet sind und daher die meisten Defekte (z.B. Querrisse) aufweisen. In diesem Bereich liegen auch die sog. "Hot-Spots" des Ofens.

Der Lichtbogenofen 2 ist durch einen Deckel verschließbar, der zur Kühlung ebenfalls mit Wasserrohren 1 ausgestattet ist. Durch den Deckel werden gewöhnlich ein bis drei Elektroden geführt. Im Falle des Einsatzes einer Elektrode handelt es sich um Gleichstromofen, bei mehreren Elektroden um Drehstromöfen.

Im Rahmen der Erfindung werden die Kühlmittelleitungen 1 in Wand und Deckel des Ofens ganz oder teilweise in ihrem Inneren mit Schikanen versehen und/oder in ihrer Querschnittsfläche verengt, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Dabei können sich diese Maßnahmen auf die besonders gefährdeten Bereiche beschränken. So werden vorzugsweise in einer Rohrwand mit 20 übereinanderliegenden Rohrwindungen ca. bis zur 12. Windung von unten

Schikane vorgesehen. Außerdem kann die Menge und Art der Schikane sowie die Querschnittsfläche der Rohre kontinuierlich oder stufenweise den Belastungen angepaßt werden.

Beispielhafte Ausgestaltungen der Schikanen sind in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.

Figur 2 zeigt in radialem und axialem Querschnitt durch das Kühlmittelrohr 1 eine durch eine zentral angeordnete Stange 3 gebildete Schikane. Diese Stange wird z.B. in regelmäßigen Abständen von drei symmetrisch angeordneten Stützen 7 an der Rohrinnenwand abgestützt. Diese Stützen 7 können ebenfalls zur Bildung von erwünschten Turbulenzen beitragen. Durch die Stange 3 wird das Kühlmittel an die Rohrwand gedrängt und die Ausbildung eines (für die Kühlung nutzlosen) Strömungsmaximums auf der Rohrachse verhindert. Anstelle einer mittigen Stange können auch drei (oder eine andere Anzahl) um die Rohrachse herum angeordnete Stangen vorgesehen werden. Anstelle massiver Stangen 3 könnten selbstverständlich auch Rohre verwendet werden.

Figur 3 zeigt in radialem und axialem Querschnitt durch das Kühlmittelrohr 1 eine Schikane, die durch Querstangen 4 gebildet wird. Die Querstangen 4 können dabei wie dargestellt von Rohrwand zu Rohrwand durch den Rohrmittelpunkt verlaufen und in axialer Richtung jeweils um 90° rotiert angeordnet werden. Ebenso sind aber auch außermittige Anordnungen und andere Rotationswinkel denkbar. Anordnung, Größe und Abstand der Querstangen 4 wird vom Fachmann nach den individuellen Anforderungen vor Ort zu wählen sein.

Figur 4 zeigt in radialem Querschnitt und in einer axialen Seitenansicht des Kühlmittelrohres 1 eine Schikane, die durch eine Wendel 5 gebildet wird. Die Wendel 5 verläuft spiralförmig an der Rohrinnenwand entlang. Denkbar ist jedoch auch, daß zwischen Wendel und Rohrinnenwand ein Spalt gebildet wird, durch den das Kühlmittel strömt. Ebenso könnte die Wendel zentral auf der Innenachse des Rohres 1 angeordnet sein, was einer schraubenförmigen Stange gemäß Figur 2 entspräche.

Figur 5 zeigt in radialem und axialem Querschnitt durch das Kühlmittelrohr 1 eine Schikane, die durch Leitbleche 6 gebildet wird. Die Leitbleche 6 sind in der dargestellten Ausgestaltung an der Rohrinnenwand angebracht und stehen senkrecht von ihr ab zur Rohrachse hin. Sie sind in axialer Richtung in regelmäßigen Abständen und jeweils um 90° rotiert angeordnet, wobei

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selbstverständlich auch andere Rotationswinkel denkbar sind. Ferner ist es denkbar, daß die Fläche der Leitbleche nicht vollständig senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmittels steht, sondern schräg.

Bei den Anordnungen nach den Figuren 4 und 5 (Wendel, Leitbleche) ist es vorteilhaft, wenn die Schikane (anders als dargestellt) einen Abstand zur Rohrwand aufweisen und zu diesem Zweck z.B. von Stützen getragen werden. Ein derartiger Abstand verhindert nämlich, daß sich hinter den Schikanen im Schatten der Strömung Feststoffe (Schlamm) ablagern können.

Die in den Figuren 2 bis 5 beispielhaft dargestellten Schikanen können beliebig miteinander kombiniert und durch andere, dem Fachmann bekannte Formen ergänzt werden.

Claims

10 nsprüche

1. Kühlmittelleitung für Wand- oder Deckelkühlelemente in Elektrolichtbogenofen (2),

dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung (1) im Leitungsinnenraum Schikanen (3, 4, 5, 6, 7) zur Erzeugung von Turbulenzen und/oder zur Steigerung der Durchflußgeschwindigkeit enthält.

2. Kühlmittelleitung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen (3, 4, 5, 6, 7) im wesentlichen ohne Kontakt zur Innenwand der Kühlmittelleitung (1) angeordnet sind.

3. Kühlmittelleitung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen durch mindestens ein parallel zur Längsachse der Kühlmittelleitung (1) ausgerichtetes stabförmiges Element (3) gebildet werden.

4. Kühlmittelleitung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Element (3) mittig in der Kühlmittelleitung (1) angeordnet ist.

5. Kühlmittelleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen durch Querstangen (4), Wendel (5) und/oder Leitbleche (6) gebildet werden.

6. Kühlmittelleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen zu einer Verringerung der Querschnittsfläche der Kühlmittelleitung im Bereich großer Wärmebelastung führen.

7. Kühlmittelleitung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der KCihlmittelleitung vom oberen Rand des Elektrolichtbogenofens zu seinem Boden hin abnimmt.

8. Kühlmittelleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Kühlmittelleitung (1) aus einem Verbund des Werkstoffes Stahl und einem vorzugsweise aufgeschweißten oder plasmaaufgespritzten, gut wärmeleitenden und nicht oder nur bedingt magnetischen Werkstoff bestehen.