DE3122156A1

DE3122156A1 - "magnetischer ruehrer"

Info

Publication number: DE3122156A1
Application number: DE19813122156
Authority: DE
Inventors: David Austin Saffron Wladen Essex Melford; Keith Richard Great Shelford Cambridge Whittington
Original assignee: TI Group Services Ltd
Current assignee: TI Group Services Ltd
Priority date: 1980-06-05
Filing date: 1981-06-04
Publication date: 1982-03-18
Also published as: ZA813647B; IE51298B1; BE889083A; ES502766A0; PT73133B; NL8102682A; DE3122154A1; HU180195B; BE889084A; JPS612457B2; IE811242L; SE8103459L; DD159405A5; DD159859A5; CH645048A5; FR2483817B1; DE3122155A1; US4479531A; FR2483818B1; ES8203248A1

Description

Magnetischer Rührer

Die Erfindung· bezieht sich auf das Rühren geschmolzener Metalle.

Bein Gießen von Metallen, beispielsweise von 3tanl mittels eines kontinuierlichen Gießverfahrens wiri. der geschmolzene Stahl in eine wassergekühlte Kupierform abgegossen, die die ^uerschnittsforra des ^u gießenden Abschnittes bestimmt, der dann aus dem Boden bzw. dem Unterteil der Form als kontinuierlicher Strang austritt. Wenn der geschmolzene Stahl die Form berührt, erstarrt er, so daß sich eine Haut bildet, deren Dicke beim Durchgang des Stranges durch die Form allmählich zunimmt, bis am unteren Ende der Form eine Wandung ausreichender Dicke zur Aufnahme des Kerns des Stranges, der noch geschmolzen ist, aufgebaut ist. Nachdem der Strang die Form verlassen hat, wird er normalerweise durch Wasserstrahlen weiter abgekühlt, so daß der Kern sich allmählich abkühlt und von seiner äußeren Oberfläche her erstarrt, bis der gesamte Strang erstarrt ist.

Wenn der Stahl unter Normalbedingungen erstarren kann, wird eine inhomogene Struktur gebildet, bei der Verunreinigungen bzw. Störstellen nicht-statistisch über den Strang verteilt sind; ferner variiert die Kristallstruktür zwischen den Außenbereichen, die während der Erstarrung hohen Teraperaturgradienten ausgesetzt sind, und den inneren Bereichen, die relativ niedrigen Temperaturgradienten ausgesetzt sind.

Um eine homogene Struktur zu erhalten, ist es wünschenswert, das Metall während des Gießvorgangs zu rühren, ^s ist bekannt, das geschmolzene Metall im Kern des Strangs mittels elektromagnetischer Umwandler, die um den Strang herum angeordnet sind, zu rühren, wenn er aus der For::, austritt. Im allgemeinen jedoch wird durch diese Verfahren das Metall nicht ausreichend im Bereich der For.-a gerührt; die derart hergestellten Schnitte haben eine Diskontinuität, die manchmal als "tfeiß-Band" bezeichnet wir!, Ss ist deshalb wünschenswert, daß irgendeine Art vor.

Rühren im Bereich der Form selbst vorgesehen wird. Versuche sind unternommen worden, derartiges Rühren dadurch vorsusehen, daß elektromagnetische Umwandler rings um die Form angeordnet werden. Bis heute hat es sich jedoch als schwierig herausgestellt, eine ausreichende Rührwirkung innerhalb der Form zu erzielen. Der Hauptgrund hierfür ist die hohe elektrische Leitfähigkeit der Kupferform, durch die das Magnetfeld beträchtlich geschwächt wird; ferner entstehen Schwierigkeiten bei der Anordnung der Umwandler rings um die Form, da sie zur Erzielung der größten Wirkung innerhalb des Mantels der Wasserkühlung der Form angeordnet werden müssen.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Rühren von geschmolzenem Metall in einer oben offenen Form eine oberhalb der Forin angeordnete Einrichtung zur Erzeugung eines sich geradlinig bewe-.

genden Magnetfeldes auf, das nach unten in die Form ein- - .... dringt.

Das in dieser Vorrichtung erzeugte Magnetfeld induziert Wirbelströme in dem in der Form enthaltenen Metall; die durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder treten in wecnselwirkung/3era sich bewegenden Magnetfeld und bewirken, daß sich das geschmolzene Metall im oberen Teil der Form geradlinig in zur Oberfläche des geschmolzenen Metalls in der Form parallelen oder im wesentlichen parallelen Ebenen bewegt. Die im geschmolzenen Metall im oberen Teil der Form induzierte Bewegung ist zweckmäßigerweise parallel zu gegenüberliegenden fanden der Form. Bei Erreichen des Endes der Form bewegt sich das geschmolzene Metall nach unten; dann fließt es in der zu der induzierten Bewegung entgegengesetzten Richtung im unteren Teil der Form; anschließend fließt es an der anderen Endwand wieder nach oben; somit zirkuliert das Metall durch die Form. Diese Art von Rührer ist insbesondere brauchbar für längliche rechteckige Formen, wie sie beim kontinuierlichen Gießen von Aluminium verwendet werden.

Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung ist die Einrichtung zur Erzeugung des variierenden Magnetfeldes ein elektromagnetischer Umwandler. Dieser elektromagnetische Umwandler wird zweckmäßigerweise von einer Reihe von elektrischen Leitern gebildet, die hohe Strome zu leiten vermögen; diese Leiter sind parallel oder im wesentlichen parallel zueinander und von dem offenen

Oberteil der Form im Abstand angeordnet; jeder Leiter ist mit einer anderen Phase einer Mehrphasen-Wechselstroaversorgung verbunden; die Reihenfolge der Leiter ist die gleiche wie die Sequenz der Phasen. 35

BAD ORIGINAL

Vorzugsweise sind die elektrischen Leiter aus einem nicht-ferromagnetischen, leitenden Material, beispielsweise Kupfer, in Form geschlossener Schleifen gefertigt. Hohe Ströme werden in diesen Schleifen mittels Erregerspulen induziert, die entweder direkt um die Leiter gewickelt oder mit diesen durch ferromagnetische Kerne gekoppelt sein können. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Reihe geschlossener Schleifen parallel zueinander derart angeordnet, daß jede Schleife in einer Ebene liegt, die parallel oder im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in der Form ist. Die Schleifen können einzeln angeordnet oder miteinander in Form einer Leiter verbunden sein.

Da das Magnetfeld, das von dem Umwandler erzeugt wird, in das geschmolzene Metall in der Form durch das offene Oberteil der Form und nicht durch deren »fände eindringt, wird es verhältnismäßig wenig geschwächt; folglich können normale Netzfrequenzen zwischen 50 und 60 Hz anstelle der niedrigeren Frequenzen verwendet werden, die sich bei rings um die Form angeordneten Rührern als notwendig herausgestellt haben. Typischerweise wird der elektromagnetische Umwandler so ausgelegt, daß, wenn jede Erregerspule mit einer anderen Phase einer 3-Phasen-We.chselstrom-Netzversorgung verbunden ist, ein 10 000 A übersteigender Strom bei einem Spannungsabfall von etwa 1 bis 2 V und bei einer Frequenz von 50 bis 60 Hz in den Leitern induziert wird.

Die Stärke des von den^Leitern induzierten Magnetfeldes, das in die Form eindringt, kann dadurch vergrößert werden, daß ferromagnetische Polschuhe vorgesehen werden. Diese Polschuhe sind so angeordnet, daß sie einen Weg geringen magnetischen Widerstandes für das Magnetfeld über der Oberseite der Leiter bilden, während ein Weg relativ hohen magnetischen Widerstandes unterhalb der. Leiter verbleibt, so daß der Austritt des Magnetfeldes

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- ι/ Ά-

oberhalb der Form verringert und das Feld unterhilb der Leiter konzentriert wird, wo es in die Form eindringt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 eine Vorrichtung zum kontinuerlichen Gießen,bei der ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Rührer eingebaut ist, und

Fig. 2 einen Teil-Querschnitt einer Modifikation des in Fig. 1 gezeigten Rührers.

-o

■ΐς Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Aluminium eine rechteckige Kupferform 10 auf, die durch ein Paar von Längswnnien 11 und ein Paar von Sndwänden 12 begrenzt ist. Gesehnolzi- nes Aluminium 13 wird in das Oberteil der Form 10 abgegössen, wo es beim Kontakt mit den Wänden 11 und 12 der Form 10 erstarrt, so daß eine Haut gebildet wird, deren

_..,,._ , , _π nach ,und, nach , , Dicke beim Durchgang durch die Form TO/zunimmt, bis es am unteren Ende der Form als kontinuierlicher Strang 14· austritt. Wenn der Strang 14· aus dein Boden bzw. dem Unterteil der Form 10 austritt, ist er nur zum Teil erstarrt; die Haut hat jedoch eine ausreichende Dicke, um den geschmolzenen Kern zurückzuhalten, der rasch erstarrt, so daß schließlich ein fester Strang gebildet wird.

Ein elektromagnetischer Umwandler 15 ist mit Abstand oberhalb des offenen Oberteils der Kupferform 10 angeordnet. Dieser Umwandler wird von dicken Kupferstäben 18 und 19 gebildet und hat die Form eines geschlossenen Schleifen-Paars 16 und 17, das von einem Paar Stäbe 18, die parallel zu den Längswänden 11 der Form 10 sind, sowie drei Querstäben 19 begrenzt wird, die parallel zu den Endwänden 12 der Form 10 sind. Der Umwandler 15 ist

parallel zum Oberteil der Form 10 angeordnet, so daß .. .... die Ebene der Schleifen 16 und 17 im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums 13 in der Form 1o ist.
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Erregerspulen 20,21 und 22 sind um die drei Querstäbe 19 gewickelt und jeweils mit einer anderen Phase einer 3-Phasen-Wechselstromversorgung verbunden ; die Reihenfolge der Spulen 20,21 und 22 ist die gleiche wie die Folge der Phasen. Auf liese Weise induzieren die durch die Spulen 20 und 21 fließenden Ströme einen Strom in der geschlossenen Schleife 16 und die durch die Spulen 21 und 22 fließenden Ströme einen Strom in der geschlossenen Schleife 17. Die Erregerspulen 20,21 und 22 sind so ausgebildet, daß eine Wechselspannungs-iTetzversorgung einen Strom in der Größenordung von 12 000 A bei einem Spannungsabfall von einem Volt in den Schleifen 16 und 17 induziert.

Betrachtet man einen spezifischen Zeitpunkt der 3-Phasen-Netzperiode, so erzeugt der in der Schleife 16 induzierte Strom ein abwärts durch die Schleife 16 gerichtetes Magnetfeld, und der in der Schleife 17 induzierte Strom, der die entgegengesetzte Richtung wie der in der Schleife 16 hat, ein nach oben durch die Schleife 17 gerichtetes Magnetfeld. Folglich bildet die Schleife 16 einen Nordpol zwischen der Schleife und die Schleife 17 einen Südpol zwischen der Schleife. Beim Fortschreiten der Netzperiode kehren sich die Ströme in den Schleifen 16 und 17 um, so daß der Pol unter der Schleife 16 sich von *Nordⁿ auf "Süd" ändert und der unter der Schleife 17 von "Süd" auf "Nord", usw. In Folge hiervon erzeugt der Umwandler ein sich geradlinig bewegendes Magnetfeld.

Die von den Schleifen 16 und 17 erzeugten variierenden Magnetfelder induzieren Wirbelströme in der Oberflächenschicht des geschmolzenen Aluminiums 13 in der Form 10;

diese Wirbelströ.-ne erzeugen wiederum Magnetfeuer. Die Wechselwirkung der von den Wirbelströmen erzeugten Magnetfelder mit dem von dem Umwandler 15 erzeugten Magnetfeld bewirkt, daß sich das geschmolzene Aluminium 13 geneinsam mit dem von dem Umwandler 15 erzeugten Magnetfeld in Richtung des Pfeiles X bewegt, so daß eine Zirkulationsbewegung des geschmolzenen Aluminiums 13 in der Form 10 erfolgt.

Der vorstehend beschriebene elektromagnetische Umwandler

15 erzeugt gleich große und entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder oberhalb und unterhalb jeder der Schleifen

16 und 17. Da aber lediglich das Feld unterhalb der Schleifen 16 und 17 die Bewegung im geschmolzenem Aluminium induziert, ist die Gesaratausbeute des Rührers begrenzt. Der WirkungS2rad des Rührers kann wesentlich durch den Einbau der in Fij.2 gezeigten ferroraajnetischen Polschuhe angehoben werden.

Gemäß Fig. 2 werden die Kupferstäbe 18 und 19 von ferromagnetischen Polschuhen 25 umgeben, die aus umgedrehten "Kanalabschnitten" bestehen, die die Oberkante sowie die Seitenkanten der Stäbe 18 und 19 umgreifen. Diese Polschuhe 25 bilden einen Weg geringen magnetischen Widerstandes für die Magnetfelder , die von den durch die Schleifen 16 und 17 fließenden Strömen erzeugt werden, und reduzieren somit wesentlich die Stärke des oberhalb des Urawandlers 15 austretenden Magnetfeldes und konzentrieren, wie in Fig. 2 gezeigt ist, das Magnetfeld unterhalb des Umwandlers 15. Vorteilhafterweise haben die ferromagnetischen Polschuhe 25 einen Vielschicht-Aufbau. Wenn Vielschicht-Polschuhe verwendet werden, werden die freiliegenden Enden der Schichten zweckmäßigerweise von einem Blech bzw, einer Platte aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, bedeckt, um Schäden durch Spritzer geschmolzenen Metalls 13 aus der Form zu vermeiden.

- yf- it

Ferner wird bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine 2-?hasen-Wechselstromversorgung verwendet, wobei jede Schleife 16 bzw. 17 lediglich eine 2rregerspule 26 bzw. 27 aufweist, die um einen der Längsstäbe 18 gewickelt ist.

Selbstverständlich ist es zweckdienlich, eine 3-Phasen-Wechselstrom-Netzversorgung zu verwenden. Es kann jedoch, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, irgendeine Mehrphasen-

TO Versorgung verwendet werden, um die Zahl der geschlossenen Schleifen in dem Umwandler anzupassen. Die Zahl der verwendeten geschlossenen Schleifen ist abhängig von den Abmessungen der Form; bei den meisten Anwendungsfällen ist es notwendig, einen relativ ungehinderten Zugang zum Oberteil der Form freizulassen. Eine Doppelschleif en-Anordnung, wie sie in Fig.1 gezeigt ist, oder eine Anordnung mit einem Vielfachen von 3 Schleifen mit einer einzigen Erregerspule pro Schleife ist zur Verwendung mit einer 3-Phasen-Wechselstrom-iietzversorgung am besten geeignet.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Erregerspulen 20,21,22,26 und 27 direkt um die Kupferstäbe 18 bzw. 19 gewickelt. Diese Stäbe werden jedoch durch die Strahlungswärme des geschmolzenen Metalls sowie durch die hohen durch sie hindurchfließenden Ströme erwärmt; infolgedessen besteht die Gefahr, daß die Erregerspulen durch übermäßige Erwärmung beschädigt werden. Diese Gefahr kann dadurch beseitigt werden, daß die Erregerspulen 20,21,22,26 und 27 mit den Kupferstäben durch ferromagnetische Kerne gekoppelt werden. ^: Diese Kerne haben vorteilhafterweise einen Vielschicht-Aufbau. Ein weiterer oder zusätzlicher Weg, Schäden an den Erregerspulan 20,21,22,26 und 27 zu vermeiden, ist, entweder die Kupferstäbe 18 und 19 oder die Erregerspulen 20,21,22,26 bzw. 27 selbst zu kühlen. Eine Möglichkeit hierfür ist, Leitungen in den Kupferstäben 18

und 19 vorzusehen, durch die ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser zirkulieren kann.

Zwar sind Rührer des beschriebenen Typs insbesondere zur Verwendung mit länglichen,rechteckigen Formen, wie sie üblicherweise beim kontinuierlichen Gießen von Aluminium verwendet werden, geeignet, sie können aber auch für Formen unterschiedlicher Form und zum Rühren anderer geschmolzener Metalle eingesetzt werden. Die Rührer können ferner in Verbindung mit anderen Arten oben offener Formen, wie beispielsweise Barren-bzw. Brammenformen verwendet werden. Ferner ist der beschriebene Umwandler zwar insbesondere nützlich beim Rühren von geschmolzenem Metall in offenen Behältern mit v/änden, die aus Material hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt sind, welches das Bindringen des Magnetfeldes beträchtlich schwächen würde, sie können aber auch zin Rühren von geschmolzenen Metall in offenen oder geschlossenen Behältern eingesetzt werden, die aus einem Material geringer Leitfähigkeit oder ohne Leitfähigkeit gefertigt sind.

Innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedankens sini die verschiedensten Modifikationen möglich. Beispielsweise ist es bei jedem Ausführungsbeispiel, bei dem die Erregerspulen direkt um die Kupferleiter gewickelt sind, notwendig, eine ausreichende Isolation vorzusehen. Ferner werden die Spulen vorzugsweise um geeignet geformte ferromagnetische Kerne mit beispielsweise toroidaler Form ,gewickelt.

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Rühren von geschmolzenem Metall in einer oben offenen Form bei "beispielsweise einem kontinuierlichen Gießverfahren; diese Vorrichtung weist eine oberhalb der Form angeordnete Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf, das sich geradlinig bewegt und nach unten in die

Form eindringt. Das Magnetfeld kann von einer Reihe .elektrischer Leiter erzeugt werden, die oberhalb der Form und parallel zueinander angeordnet sind; jeder Leiter ist mit einer anderen Phase einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung verbunden. Ferromagnetische Polschuhe können mit den Leitern zur Bildung eines Flußweges geringen magnetischen Widerstandes verbunden sein, der den Austritt des Magnetfeldes oberhalb der Leiter reduziert und das Feld unterhalb der Leitor konzentriert» wo es nach unten in die Form eindringt. ; ■; --_■.--- - _: - -

* /Ib . Leerseite

Claims

- BriMI IMr - Kimme: Patentanwälte urd

DUHLING IVINNE Vertreter beim EPA

GrUPF - PfllmANM Dipl.-Ing. H.Tiedtke

V3RUPE TELLMANN Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 20 24 8000 München 2

Tel.: 089-5396

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

Iv. Juni 1931 D3 1273

PP1286 TIRL (Case C)

Patentansorüehe

1. Vorrichtung zum Rühren von geschmolzenem Metall (13) in einer oben offenen Form (10), gekennzeichnet durch eine einrichtung (15), die oberhalb der For:, zur Erzeugung eines sich geradlinig bewegenden Majnet· feldes (M) angeordnet ist, das nach unten in die For::, eindringt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS die Einrichtung zur Erzeugung eines '!agnotfeldes einen stationären elektromagnetischen Umwanller aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Umwandler von einer Reihe elektrischer Leiter (18,19) gebildet wird, die hohe Ströme zu leiten vermögen, parallel oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und vom offenen Oberteil der Form beabstandet sind, wobei jeder Leiter mit einer anderen Phase einer Wechselstromversorgung verbunden und die Reihenfolge der Leiter die gleiche wie die Sequenz der Phasen ist.

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- Υ-l

U. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter die Fora geschlossener Schleifen (16,17) haben, die aus Stäben aus nichtferromagnetischem, elektrisch leitendem Material gefertigt sind, und Erregerspulen (20,21,22,26,27) zum Induzieren von Wechselströmen in diesen Schleifen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4·» dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von geschlossenen Schleifen parallel oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet ist, und daß die Schleifen derart angeordnet sind, daß jede Schleife in einer Ebene liegt, die parallel oder im wesentlichen parallel zur Oberfläche des geschmolzenen Metalls in der Form ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dalL die geschlossenen Schleifen in Form einer Leiter verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter aus Kupfer gefertigt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter mit ferromagnetischen Polschuhen (25) versehen sind, die den Austritt des Magnetfeldes oberhalb des Umwandlers verringern und das Feld unterhalb des Umwandlers konzentrieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 in Verbindung mit einem der Ansprüche 4· - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Polschuhe aus umgedrehten Kanalabschnitten bestehen, so daß sie die Oberkante und die Seitenkanten der nicht-ferromagnetischen, elektrisch leitenden Stäbe umgreifen.

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- r-2

• 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Polschuhe einen Vielschichtaufbau haben.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden Enden der Schichten mit einem Streifen aus nicht-ferromagnetischen Material bedeckt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-11» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter gekühlt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter mit Leitungen versehen sind, durch die ein Kühlmittel zirkulieren kann.

H. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4· - 13» daiurch gekennzeichnet, daß jede 3rregerspule (20,21,22,26,27) um den zugehörigen elektrischen Leiter gewickelt ist. 20

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4· - 13» dadurch gekennzeichnet, daß jede Erregerspule mit dem zugehörigen elektrischen Leiter durch einen ferromagnetischen Kern gekoppelt ist.

16. Vorrichtung nach oinem der Ansprüche 2-15, dadurch gekennzeichnet,daß der Umwandler durch eine Mehrphasen-Wechselstromversorgung mit einer Frequenz zwischen 50 und 60 Hz erregt wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom von mindestens 10 000 A bei einem Spannungsabfall von etwa 1 - 2 V in den Leitern fließt.

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18. Kontinuierliche Gießvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Form und einen Rührer genäS einem der Ansprüche 1-17, der oberhalb der Form angeordnet und derart ausgebildet ist, daß er ein sich geradlinig bewegendes Magnetfeld erzeugt, das in die Form eindringt.

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