DE3312563C2 - Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze - Google Patents

Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze

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DE3312563C2 DE19833312563 DE3312563A DE3312563C2 DE 3312563 C2 DE3312563 C2 DE 3312563C2 DE 19833312563 DE19833312563 DE 19833312563 DE 3312563 A DE3312563 A DE 3312563A DE 3312563 C2 DE3312563 C2 DE 3312563C2
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Abstract

Die Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff hat eine Mischkammer (1) zum Mischen des Brennstoffes und eines gasförmigen Oxydationsmittels, die einen Rohrstutzen (2) zum tangentialen Einführen des Oxydationsmittels in die Mischkammer (1) und eine Sammelkammer (3) mit Öffnungen (4) zum Zuführen des Brennstoffes zur Mischkammer (1) aufweist. Die Öffnungen (4) der Sammelkammer (3) sind so ausgebildet, daß die Achsen der Öffnungen (4) mit den in den Mittelpunkt jeder Öffnung (4) geführten Radien der Sammelkammer (3) in ihrem Schnittpunkt einen Winkel von mindestens 10° bilden, wobei diese Ausbildung der Öffnungen (4) dafür sorgt, daß der Vektor des Stromes des Brennstoffes dem Vektor des Stromes des gasförmigen Oxydationsmittels, das in die Mischkammer (1) über den Rohrstutzen (2) einströmt, entgegengesetzt gerichtet ist. Die Vorrichtung hat weiterhin eine mit der Mischkammer (1) in Verbindung stehende Brennkammer (6), die in einer Düse (7) endet, welche dazu dient, die Verbrennungsprodukte in eine Schmelze einzuführen und Kanäle (8) für ein Kühlmittel und mindestens einen Hohlraum (9) aufweist. Sowohl die Kanäle (8), als auch der Hohlraum (9) sind in der Wandung der Düse (7) ausgebildet. Der Hohlraum (9) befindet sich zwischen der Außenfläche des Kanals (8) und der Innenfläche (10) der Düse (7).

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze, mit einer Mischkammer zum Mischen des Brennstoffes und eines gasiörmigen Oxydationsmittels, die einen Rohrstutzen zum tangentialen Einführen ies Oxydationsmittels in den Hohlraum der Mischkammer und eine Sammelkammcr mit öffnungen zum Zuführen des Brennstoffes zur Mischkammer aufweist und mit einer mit der Mischkammer in Verbindung stehenden Brennkammer zum Verbrennen des Gemisches aus Brennstoff und gasförmigem Oxydationsmittel, die mit einer mit Kühlmittelkanälen versehenen Düse zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in die Schmelze endet.
Die Vorrichtung kann in pyrometallurgischen Betrieben auf Schmelzaggregate zum pneumatischen Mischen der Schmelze und zum Aufrechterhalten einer hohen
Temperatur der Schmelze eingesetzt werden.
Die Vorrichtung wild insbesondere in der Nichteisenmetallurgie beim oxydierenden Schmelzen von Erzen und Konzentraten, beim Verblasen von sublimierbaren Buntmetallen, wie Zinn, Blei, Zink enthaltenden Schlakken und bei der Flammofenraffination von Rohkupfer eingesetzt.
Um die Verbrennungsprodukte eines Brennstoffes einer zähflüssigen Reaktionsmasse, beispielsweise Schmelzen oder Lösungen direkt zuführen zu können, muß der Gasgemischdruck in der Brennzone bzw. Brennkammer auf Werten oberhalb des hydrostatischen Druckes der Reaktionsmassensäule gehalten werden. Dabei müssen Vorrichtungen, die zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in die Schmelze bestimmt sind, eine gute Durchmischung des Brennstoffes mit einem Oxydationsmittel ermöglichen und aufgrund einer intensiven Verbrennung bei erhöhten Drucken eine Brennzone mit hoher Wärmebeständigkeit aufweisen. Die Düse der Vorrichtung wird stark beansprucht, da sie einerseits mit Hochtemperatur-Verbrennungsprodukten und andererseits mit einer aggressiven Reaktionsmasse, insbesondere mit einer Schmelze, in Kontakt steht.
Zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze ist bereits eine Vorrichtung bekannt, die eine Mischkammer zum Mischen des Brennstoffes und eines gasförmigen Oxydationsmittels, eine mit einem Mantel versehene Brennkammer zum Verbrennen des Brennstoff-Oxydationsmittel-GemiEches, und eine gekühlte Düse aufweist (SU-PS 1 89 143).
In dieser Vorrichtung wird der Brennstoff der Mischkammer axial an ihrer Stirnseite zugeführt, während das gasförmige Oxydationsmittel unter dem Mantel der Brennkammer, die der Mischkammer nachgeordnet ist, zugeführt wird. Das Oxydationsmittel strömt durch den Mantel, kühlt die Oberfläche der Brennkammer und tritt daraufhin in die Mischkammer ein.
In der bekannten Vorrichtung läßt sich die Zusammensetzung der VerbrennungsDrodukte bezogen auf ihren Sauerstoffgehalt in weiten Grenzen nicht regulieren. Außerdem sichert die Kühlung der Brennkammer durch das zum Mischen strömende Oxydationsmittel keinen ausreichenden Wärmeentzug aus den Elementen der Brennkammerauskleidung, weshalb die Vorrichtung schnell ausfällt.
Bekannt ist weiterhin eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze, die aus einer Mischkammer zum Mischen von Brennstoff und Oxydationsmittel, die einen Rohrstutzen zur tangentialen Oxydationsmittel-Zufuhr und eine Sammelkammer mit öffnungen zum Einführen des Brennstoffes in die Mischkammer aufweist, aus einer Brennkammer zum Verbrennen des Brennstoff-Oxydationsmittel-Gemisches und aus einer Düse mit Kanälen für ein Kühlmittel besteht (US-PS 28 33 643).
Zum Mischen des Brennstoffes mit dem Oxydationsmittel wird dieses der Mischkammer tangential unter Bildung eines Stromes zugeführt, der an ihrer Wand auf einer Schraubenlinie verläuft. Der Brennstoff strömt der Mischkammer durch die Öffnungen der die Mischkammer umgebenden Sammelkammer zu, wobei diese öffnungen so ausgebildet sind, daß der Brennstoff ins Innere der Mischkammer radial eintritt. Eine derart gestaltete Zufuhr der Komponenten des Gasgemisches zur Mischkammer hat den Nachteil, daß der Brennstoff-
strom zum Oxydationsmittelstrom senkrecht gerichtet ist und aufgrund dessen eine vollständige Vermischung des Oxydationsmittels mit dem Brennstoff nicht erzielt wird und in den Verbrennungsprodukten ein Überschuß an freiem Sauerstoff auftritt. Das ist bei solchen technologischen Prozessen unerwünscht, die in einer Reduktionsatmosphäre, beispielsweise bei der Sublimation von Zink und Zinnverbindungen, in einem Verblaseofen ablaufen. Außerdem ist der Einsatz der bekannten Vorrichtung in den Prozessen, die in einer Oxydationsatmosphäre ablaufen, bei einem Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsprodukten von über 4% beschränkt, weil dabei die Beständigkeit des Verbrennungsprozesses bei der Zufuhr einer zusätzlichen Menge an Oxydationsmittel gestört wird. Darüberhinaus ergeben sich bei der bekannten Vorrichtung erhebliche Wärmeverluste bei den Verbrennungsprodukten, wenn sie durch die gekühlte Düse strömen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze zu schaffen, deren bauliche Gestaltung mavmale Geschwindigkeitsgradienten zwischen den Strömen des Oxydationsmittels und des Brennstoffs und ihre vollständige Vermischung ermöglicht, so daß ein stabiles Verblasen der Schmelze mit den Verbrennungsprodukten mit vorgegebenen Oxydations- bzw. Reduktionspotentialen bei einer höchstmöglichen Temperatur und bei minimalem Brennstoffverbrauch erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 beschriebenen Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen von Verbrennungsprodukten iu eine Schmelze gelöst
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsprodukten von 3 bis 4 VoI.-°/o auf 13 bis 2 Vol.-% herabgesetzt, die Temperatur der Verbrennungsprodukte aber erhöht werden, was im ganzen eine Verkürzung der Zeitdauer des reduzierenden Schlackenverblasens in einem Verb'iseofen durchschnittlich um 5% unter Aufrechterhaltung des bisherigen Brennstoffverbrauchs ergibt.
Durch die erfindungsgemäße Einführung der Ausgangsreaktionspartner in die Mischkammer 1 wird ein maximales Geschwindigkeitsgefälle zwischen den Strömen des -Brennstoffes und des Oxydationsmittels erzielt. Die relative Geschwindigkeit von zwei Strömen bestimmt den Verwirbelungsgrad an deren Grenzfläche und somit die Intensität der Vermischung der Komponenten. Da die Geschv.'indigkeit eine vektorielie Größe ist, erhält man bei dem vorgegebenen absoluten Wert dieser Kenngröße, der sich ausgehend von der Menge an Brennstoff und Oxydationsmittel bestimmen läßt, die maximale relative Geschwindigkeit der Ströme, wenn diese einander entgegengesetzt gerichtet sind. Die Intensität der Vermischung der Komponenten ist der Hauptfaktor, der die Vollkommenheit der Gemischverbrennung beeinflußt. Beim Einsatz der Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze soll der Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsprodukten möglichst klein sein. Durch die Ausrüstung der Mischkammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den beschriebenen Zufuhrelementen, mit denen die Ausgangskomponenten des Gemisches der Mischkammer zugeführt werden, erzielt man ein besseres Vermischen der Komponenten und soTJt einen niedrigeren Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsprodukten.
Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren wirkungsvolle Vermischung von Gas und Luft hat ein beständiges Brennen des Brennstoff-Oxydationsmittel-Gemisches zur Folge und führt somit zur Verbesserung der technisch-wirtschaftlichen Kennzahlen des Prozesses, zur Einsparung an Brennstoff und an sekundären Energiereserven sowie zur Stabilisierung des Betriebes von Schmelzaggregaten.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglieh, den Wärmestrom der Verbrennungsprodukte, die in die Schmelze geführt werden, zu erniedrigen und die Temperatur de:r Verbrennungsprodukte gegenüber der bekannten Vorrichtung um 70° zu steigern. Ein solcher Temperaturanstieg reicht aus, die Zufuhrdauer der Verbrennungsprodukte im Durchschnitt um 20 min. zu verkürzen, was einer Steigerung der Leistungsfähigkeit eines Verblaseofens um 12% entspricht.
Mit der Vorrichtung nach Anspruch 2 läßt sich ein stabiler Betrieb bei erhöhten Sauerstoff-Gehalten der in einen Verblaseofen in die Schmelze zugeführten Verbrennungsprodukte sichern, und c;;ie Verkürzung der Zeitdauer des oxydierenden Schmelzcnverblasens im Durchschnitt um 35 bis 40% erreichen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3 dient zur Aufrechterhaltung einer hohen Temperatur der in die Schmelze durch die von einem Kühlmittel gekühlte Düse zugeführten Verbrennungsprodukte. Mit Hilfe des Schirms kann der technologische Prozeß intensiviert werden, d. h. die Zeitdauer des Durchblasen der Schmelze mit den Verbrennungsprodukten bei oxydierender sowie reduzierender Arbeitsführung wird verkürzt, was einer Steigerung der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung im Durchschnitt um 15% entspricht.
Zur Beibehaltung einer optimalen Lebensdauer der Düse unter gleichzeitiger Erhöhung der Temperatur der in die Schmelze zugeführten Verbrennungsprodukte dient die Vorrichtung nach Anspruch 4.
Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig.] schematisch eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Ver!>rennungsprodukte in eine Schmelze im Längsschnitt;
F i g. 2 den Schnitt H-II von F i g. 1 und
F i g. 3 den Schnitt IH-III von F i g. 1.
Die Vorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffes und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze hat eine Mischkammer 1 zum Mischen des Brennstoffes und eines gasförmigen Oxydationsmittels, die einen Rohrstutzen 2 zum tangentialen Einführen des Oxydationsmittels aufweist. Außerdem ist an der Mischkammer 1 eine Sammelkammer 3 mit Öffnungen 4 zum Zuführen des Brennstoffes zur Mischkammer 1 angebracht. Die Öffnungen 4 der Sammelkammer 3 sind so ausgeführt, daß ihre Achsen mit den in den Mittelpunkt
jeder Öffnung 4 geführten Radien der Sammelkammer 3 in ihrem Schnittpunkt einen Winkel von mindestens 10° bilden. Dabei sind die Öffnungen 4 derart angeordnet, daß der Vektor des Stromes des in die Mischkammer 1 eintretenden Brennstoffes dem Vektor des Stromes des in die Mischkammer 1 über den Rohrstutzen 2 eintretenden gasförmigen Oxydationsmittels entgegengesetztgerichtet ist.
In der Mischkammer 1 ist ein Luftzuleitungsstutzen 3 vorgesehen, der auf der Achse der Mischkammer 1 angeordnet ist und i.. die Mischkammer auf einer Länge hineinragt, die mindestens das 0,15fache der Länge der Mischkammer 1 beträgt. Wenn der Luftzuleitungsstutzen 5 in der Mischkammer 1 weniger als das 0,15fache
der Länge der Mischkammer I einnimmt, erfolgt das öffnen des Strahles des in die Mischkammer 1 über diesen Luftzuleitungsstutzen 5 eintretenden Luftstromes noch vor dessen Austritt aus der Mischkammer 1. so daß die Hydrodynamik der Wechselwirkung der Ströme des Hauptoxydationsmittels und des Brennstoffes stark gestört werden kann. Wenn die Länge das l.Ofache der Länge der Mischkammer 1 übertrifft, kommt die Ausströmkante des Luftzuleitungsstutzens 5 in der Hochtemperaturzone zu liegen, wo sie schnell verbrennen würde.
Mit der Mischkammer 1 steht eine Brennkammer 6 zum Verbrennen des Gemisches des Brennstoffes und des gasförmigen Oxydationsmittels in Verbindung. Die Brennkammer 6 endet mit einer Düse 7. über die die Verbrennungsprodukte des Brennstoffes und des Oxydationsmittels in eine Schmelze eingeführt werden. Die Düse 7 besteht aus einem chromreichen Gußeisen oder aus Stahl damit die Lebensdauer der Düse 7 bei gesteigerter Temperatur der über die Düse 7 in die Schmelze :o geführten Verbrennungsprodukte wesentlich erhöht werden kann. Um die Wärmeabgabe von den auf hohe Temperaturen erhitzten Verbrennungsprodukte an in Kanälen 8 umlaufendes Kühlmittel zu vermindern, wird in der Wandung der Düse 7 mindestens ein Hohlraum 9. .'5 und zwar zwischen der Außenfläche des Kanals 8 für das Kühlmittel und der Innenfläche 10 der Düse 7 ausgebildet. Die Hohlräume 9 können auch in einer der Anzahl der Kanäle 8 für das Kühlmittel entsprechenden Anzahl vorgesehen werden. Zur Verminderung der Wärmeverluste der Verbrennungsprodukte an das durch die Kanäle 8 durchfließende Kühlmittel ist im Hohlraum 9 der Düse 7 ein Schirm 11 angeordnet, der sich mit einem Spiel über den gesamten Umfang erstreckt und der Form des Hohlraumes 9 entspricht. Durch die Verminderung der Wärmeabgabe der VernüngSpi uuüKtc 5Π u35 r^Uir-^5""-
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ratur der Innenfläche 10 der Düse 7.
Der Werkstoff für den Schirm 11 wird so gewählt, daß der Schirm 11 beim Gießen der Düse 7 nicht schmilzt und seine Oberfläche mit dem geschmolzenen Metall, aus dem die Düse 7 hergestellt wird, nicht benetzt wird. Die Unbenetzbarkeit des Schirmes 11 durch ias Metall, aus dem die Düse gegossen wird, ist Voraussetzung für die Bildung eines Spiels im Hohlraum 9 zwischen dem Schirm 11 und der Oberfläche des Hohlraumes 9. Durch das Spiel wird ein großer Wärmewiderstand gewährleistet, wodurch der Wärmestrom von den Verbrennungsprodukten an die Oberfliiche der Düse 7 verringert werden kann.
Durch Variieren der Anzahl der Schirme 11 läßt sich eine Abkühlung der Düse 7 erreichen, bei der der Wärmestrom minimal ist und die Temperatur der Innenfläche 10 den höchstmöglichen, vom Werkstoff der Düse 7 noch verträglichen Wen erreicht.
Der Körper der Düse 7 wird durch Umgießen einer Rohrschlange, die die Kanäle 8 für das Kühlmittel bildet, mit einer einen erhöhten Chromgehalt von 10 bis 30 Gew.-% aufweisenden Stahl- oder Eisenschmelze hergestellt Aufgrund des hohen Chromgehaltes des Gusses kann die zulässige Betriebstemperatur an der Innenfläche 10 der Düse 7 auf 61DO0C erhöht werden, ohne daß die Beständigkeit des Werkstoffes gefährdet wird.
Der hohe Chromgehalt wirkt sich auf die Wärmeleitung des Werkstoffes negativ aus und trägt dazu bei, daß der Wärmewiderstand auf dem Wege des Wärmestromes von den Verbrennungsprodukten zum Kühlmittel mit dem die Düse 7 gekühlt wird, wesentlich steigt.
Die Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprudukte in die Schmelze arbeitet folgendermaßen:
Ein gasförmiges Oxydationsmittel, beispielsweise Luft von hoher Temperatur und mit Sauerstoff angereichert, oder Sauerstoff, wird der Mischkammer 1 über den Rohrstutzen 2 tangential zugeführt. Über den Luftzuleitungsstutzen 5 wird in die Mischkammer 1 außerdem ein zusätzlicher Strom des Oxydationsmittels eingeführt. Ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise ein Dampf-Schweröl-Gemisch oder ein Brenngas, wird der Mischkammer 1 über die Sammelkammer 3 durch die Öffnungen 4 entgegen dem Strom des gasförmigen Oxidationsmittels zugeführt. Die Verhältnisse, unter denen die gasförmigen Reaktionspartner der Mischkammer 1 zugeführt werden, sind für ihr Vermischen am günstigsten. Das entstehende Brennstoff-Oxydationsmittel-Gemisch gelangt in die Breiiiikuiiiiiiei 6. wu es düi'Ch einen am Anfang der Brennkammer 6 vorgesehenen Zünder gezündet wird und verbrennt. Wenn in der Brennkammer 6 Verbrennungsprodukte mit einem Reduktionspotential, z. B. für die Prozesse der Verarbeitung von zinnhaltigen Materialien in einem Verblaseofen, anfallen, so kann aufgrund der Verhältnisse, wie sie für das Vermischen der Komponenten des Brennstoff-Oxydationsmittel-Gemisches vorliegen, der Gehalt an freiem Sauerstoff \n den Verbrennungsprodukten auf ein Mindestmaß reduziert werden.
Falls die Verbrennungsprodukte einem hohen, beispielsweise 1 bi; 10 Vol.%-igeii. Gehalt an freiem Sauerstoff haben sollen, wird über aen Luftzuleitungstutzen 5 zusätzlich gasförmiges Oxydationsmittel zugeleitet. Die Reaktion zwischen Brennstoff und Oxydationsmittel verläuft dabei wie zuvor beständig ohne Abreißen der Flamme.
Nach BeSnCU0UP.*7 der Verbrennur^sresktion in d?r Brennkammer 6 gelangen die Verbrennungsprodukte in die Düse 7 und werden, indem sie die Innenfläche 10 der Düse 7 umspülen, der Schmelze zugeleitet, die sich beispielsweise in einem Verblaseofen befinden kann.
Während die auf hohe Temperaturen erhitzten Gase die Düse 7 durchströmen, wird die Wärme von der Innenfläche 10 der Düse 7 zu den Kanälen 8 für das Kühlmittel geleitet. Dabei bildet der Hohlraum 9 mit dem in ihm angeordneten Schirm 11 einen zusätzlichen Widerstand.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff und zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in eine Schmelze, mit einer Mischkammer (1) zum Mischen des Brennstoffes und eines gasförmigen Oxydationsmittels, die einen Rohrstutzen (2) zum tangentialen Einführen des Oxydationsmittels in den Hohlraum der Mischkammer (1) und eine Sammelkammer (3) mit Öffnungen (4) zum Zuführen des Brennstoffes zur Mischkammer (1) aufweist und mit einer mit der Mischkammer (1) in Verbindung stehender. Brennkammer (6) zum Verbrennen des Gemisches aus Brennstoff und gasförmigem Oxydationsmittel, die mit einer mit Kühlmittelkanälen (8) versehenen Düse (7) zum Zuführen der Verbrennungsprodukte in die Schmelze endet, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Öffnungen (4) der Sammelkammer (3) mit den in die Mittelpunkte cSeser Öffnungen (4) geführten Radien der Sammelkammer (3) in ihrem Schnittpunkt einen Winkel von mindestens 10° bilden und derart gerichtet sind, daß der Vektor des in die Mischkammer (1) eintretenden Brennstoffstromes dem Vektor des in diese Mischkammer (1) eintretenden Oxydationsmittelstromes entgegengesetzt gerichtet ist und daß in der Wandung der Düse (7) mindestens ein Hohlraum (9) ausgebildet ist, der zwischen der Außenfläche des Kühlmittelkanals (8) und der Innenfläche (10) der Düse (7) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnef, daß die Mischkammer (1) einen Luftzuleitungstutzen (5) aufweist, der an der Achse der Mischkammer (1) angeordn c ist und in die Mischkammer auf eine Länge hineinragt, die mindestens das 0,15fache der Länge der Mischkammer (i), jedoch weniger als das l.Ofache dieser Länge beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (9) der Düse (7) mit einem Spiel über dem gesamten Umfang ein Schirm (11) angeordnet ist, dessen Form der des Hohlraumes (9) entspricht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (7) aus einem chromreichen Gußeisen oder aus Stahl hergestellt ist.
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