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Induktionsschmelzofen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
einen elektrischen Induktionsof en zum' Schmelzen von Metallen und insbesondere
auf einen solchen Ofen, bei welchem das Schmelzbecken mit einer als Sekundärwindung
eines Transformators dienenden Schleife von verhältnismäßig geringem Querschnitt
verbunden ist. Der in dieser Schi7eife induzierte Strom er-%,#zärmt das darin enthaltene
Metall, und diese Wärme wird durch Zirkulation des Metalls
und
durch Fortpflanzung dem übrigen SchinelzgUt mitgeteilt. Diese Zirkulation wurde
bei den bisherigen #)fen durch den so--enannten »Piiielieffeh-t« starl, behindert,
die Zirkulation abgeschnürt und der Betrieb des Schmelzofens in Frage gestellt.
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en
Die vorliegende Erfindung verfolgt den Zweck-, das Eintreten
eine-, Pincheffektes zu vermeiden, und zwar im wesentlichen dadurch, (laß Mittel
vorgesehen werden, welche eine Überwachung und Regelung der Zirkii-Z, lation der
geschmolzenen Masse ermöglichen. Zu diesem Zweck wird ein bei Tnduktionsöfen bisher
nicht angewandtes Prinzip befolgt, nämlich das der elektromagnetischen Reaktion
zwischen der Primärspule und der Sekun-(lären, welche so angeordnet sind, daß zwischen
den einzelnen Teilen oder Schichten der Sekundären verschieden große Flüssigkeitsdrücke
entstehen. Es werden wenigstens zwei solcher Schichten verschiedenen Druckes in
der Sekundären, vorzugsweise an den voneinander am meisten entlegenen Stellen des
Behälters für die Sekundären, offen gelasse-i oder stehen durch geeignete Kanäle
mit ver-Z, schiedenen Stellen des Schnielzgefäßes in Verhindun.g, so daß die Differenz
des Druckes die ",ewünschte Zirkulation der Charge er-Z, zeugen kann.
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In den beiliegenden Zeichnungen sind mehrere Ausführungsfornien von
Induktionsöfen dargestellt, bei -welchen der Gegenstand der vorliegenden Erfindun-
verwirklicht ist. Die Abb. i und :2 zeigen eine Ausführung des Induktionsofens in
zueinander rechtwinkligen Vertikalschnitten, Abl). 3 einen Horizontal-und
Abb. 4 einer Vertikalschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform; die Abb.
5
bis 8 zeigen weitere Ausführungsfornien im Vertikalschnitt,
die Abb. 9 im Horizontalschnitt, und die Abb. io ist eine Draufsicht auf
einen kompletten Ofen. Auch, die Abb. i i, 12 und 13 sowie die Abh. 14 und
15 zeigen je eine besondere Ausführungsform, während in den Abb. 16 bis 21
besondere Herstellungsarten des Induktionsofens dargestellt sind.
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Gemäß der Abb. i und 2 besteht der Induktionsofen ans einem hitzebeständigen
Behälter, der die Sekundärschleife i von verhältnismäßig geringem Querschnitt und
den Schinelzeinsatz 2 für die Charg -' e enthält. Das Transformatoreisen
3, welches innerhalb der Sekun,-lärschleife angeordnet ist, trägt die Priniärspule
4. Z-weckmäßig -wird der Schmelzhehälter aus vorgeformten Stück-eii eines widerstandsfähigen
und hitzebestäncligen Materials, z. B. gebrannte 'Magnesia, zusammen 'gesetzt. Die
einzelnen Teile a, b
und C werden dann erst nach der Zusammensetzung
miteinander verkittet.
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Die zwei voneinander am weitesten entfernten Stellen der Sekundärschleife
sind die äußeren Begrenzungsflächen 5 und 6 des Schleifeimylinders.
Bei &r konachsialen Anordnung der Primärspule und der Sekun-(lärschleife, wie
sie in den Abb. i. und .2 darfiestellt ist, tritt der größte Flüssigkeitsdruck
Z, tn l# in der Sekundären vermöge rler Repulsion der Primärspule bei
5, d. i. an derjenigen Stelle, die von der Prii-närspule am weitesten entfernt
ist, auf, während der geringste Druckbei 6 auftritt, d. i. an der
von der Primärspule am wenigsten entfernten Stelle. Die Verbindungskanäle7 und
8 zwischen der Sekundären i und dem Behälter 2 sind daher zwischen diesen
Regionen des größten und des Kleinsten Druckes an getrennten Punkten angeordnet,
um eine Zirkulation des geschmolzenen Metalls in der durch die Pfeile angedeuteten
Richtung zu ermöglichen.
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Die Größe der Druckdifferenz, welche die Zirkulation bewirkt, und
infolgedessen die Geschwindigkeit der Zirkulation kann hierbei durch --'-#l)äii(leruillg
der -eornetrischen Beziehum, zwischen der Primärspule und der Sekundärschleife geändert
bzw. eingestellt werden. Da nun in der in 2 gezeichneten Stellung der Priniärspule
4 ein -Maximum der Zirkulation erzielt wird, so wird diese letztere vermindert,
sobald die Primärspule nach rechts geschoben -wird. Wenn die Primärspule und die
Sekundäre die gleiche achsiale Länge besitzen, wie dies vorliegend der Fall ist,
und sich in achsialer Richtung Überdecken, so kommt die Zirltilation pralltisch
zum Stillstand. Bei weiterer Bewegung der Prirnärspule nach rechts wird die Zirkulation
umgekehrt. Auf diese Weise ist es
m#)-lich, sowohl die Stärke als auch die
Richtum, der Zirkulation der -eschmolzenen Charge einzustellen.
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Die Zirkulation innerhalb derjenigen Teile der Sekundären, welche
mit den Kanälen 7
und 8 nicht. auf derselben Seite des Zvlinders sich
1--efinden, wird durch ringförtnige Erweiterungen 9 und io an den Enden des
Schleifenzylinders i erleichtert. Die Erweiterung io in Abb.:2 verteilt das vom
Kanal 8
kommende geschmolzene Metall mehr oder weniger glei ehmäßig um das
linke Ende des Sclileifeii7v]inders i, während die Erweiterungg (las Material wieder
sanimelt und es dem Rücklaufkana17 wieder zuführt. Innerhalb des Schleifenkörpers
i ist die Hauptrichtum, der Zirkulation zwischen seinen beiden H'nden achsial von
links nach rechts. Auf , liese Weise wird eine freie und kontinuierliche
Zirkulation zwischen der Sekundären und dein Schmelztopf erzielt, welche den Zylinder
der Sekundären ganz durchdringt und auf diese Weise die gefährliche Bildung heißer
Stellen verhindert. Auf diese Weise
wird audi im Innern des Schmelzofens
eine möglichst gleichmäßige Temperatur in der geschmolzenen Charge erhalten.
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Der hitzebeständige Schmelzofen i und :2 ist von einer Schicht wärmeisolierenden
Materi'als 36 umgeben und mit einer Hülse aus Stahl oder anderem geeigneten
Material bekleidet, die derart angeordnet ist, daß sie von dem Transformatoreisen
3 isoliert ist.
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Der in den Abb. 3, 4 und 5 dargestellte Ofen unterscheidet
sich von dem nach Abb. i und 2, hauptsächlich dadurch, daß die Stellung des Behälters
und der Sekundärschleife- zueinander eine andere ist, und ferner dadurch, daß die
zwei Verbindungskanäle 7 und 8
durch eine einzige Öffnung oder Kanal
ersetzt sind. Während nach den Abb. i und :2 die Sekundärschleife unterhalb des
Behälters mit horizontaler Achse angeordnet ist, befindet sie sich nach Abb.
3 bis 5 seitlich des Behälters mit vertikaler Achse. Die Zirkulation
des Schmelzgutes wird im letzten Falle durch Bewegung der Primärsp,ile in vertikaler
Richtung- geregelt- Bci einer Stellung der Primärspule, wie sie in Abb. 4 gezeichnet
ist, herrscht der größte Druck vermöge der Repulsionswirkung der Pritnärspule am
Boden der Sekundären und der geringste Druck an ihrem Kopfende. Diese Druckdifferenz
erzeugt einen Fluß der geschmolzenen Charge vom Boden der Sekundären zum Behälter
und von diesem zurück zum Kopfende der Sekundären, wie dies durch die Pfeile ("#.bb.
4) angedeutet ist. In den Abb. 3 bis 5
sind Teile, welche denen in
Abb. i und 2 entsprechen, mit den gleichen Zeichen versehen unter Hinzufügung eines
Indexzeichens. In el der in Abb. 4 gezeichneten Stellung verursacht -die Primärspule
das Maximum der Zirkulationsgeschwindigkeit, welche durch Senken der Spule erniedrigt
werden kann. Senkt man die Primäre über die Symmetriestellung zur Sekundären hinaus,
so wird die Richtung der Zirkulation umgekehrt. Das Heben und Senken der Primären
kann hierbei mittels der Muttern auf den Haltestangen 13 eHOlgen-In dem freien Durchgangskanal
ii zwischen der Sekundären und ' der Primären, welcher sich von dem Punkt
stärksten Drukkes bis zu dem des geringsten Druckes erstreckt, wird ein Fluß erzeugt
von der Sekundären zu dem Behälter am Punkt des stärksten Druckes und vom Behälter
zur Sekundären am Punkt des geringsten Druckes, während innerhalb der neutralen
Druckzone die Charge stehenbleibt. Es ist daher ohne weiteres ersichtlich, daß das
Prinzip der Zirkulationserzeugung das gleiche ist, ob man nun getrennte Verbindungskanäle
oder einen gemeinsamen Kanal vorsieht.
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Der Verbindungskanat ii kann, wenn erwünscht, eine Weite oder Stärke
erhalten, welche der vollen Weite des Schmelzbehälters bzw. einem vollen Durchmesser
der Sekundären entspricht, woraus sich dann ein Behälter ergibt, der etwa eine Erweiterung
der einen Seite der Sekundären bildet, wie dies z. B. in Abb. 9 dargestellt
ist.
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Der vorliegende Erfindungsgedanke kann in Öfen verschiedener Form
angewandt werden, die alle dasselbe Prinzip befolgen. Drei weitere Ausführungsformen
sind z. B. in den Abb. 6, 7 und 8 dargestellt.
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Die aus Abb. 6 ersichtliche Ausführungsform ist ähnlich derjenigen
nach Al)b. i und 2 mit Ausnahme der Form und Stellung der Primärspule. Diese letztere
ist in Scheibenform gehalten und an einern Ende des Sekundärzylinders angeordnet.
Die Zirkulation der geschmolzenen Charge erfolgt ähnlich wie bei dem Ofen nach Abb.
2 durch die Kanäle 15 und 16.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 7 besitzt die Primärspule
17 Zylinderform, während die Sekundäre von der Ringscheibe 18 Z, Crebildet wird.
Die zwei am weitesten voneinander entfernten Begrenzungsflächen der Sekundären sind
hierbei die innere ig und die äußere Zylinderfläche:2o der Scheibe. Bei dieser konzentrisch
symmetrischen Anordnung entsteht infolge der Repulsion der Primären der größte Druck
in der Nähe des äußeren UmfangeS 20, der geringste Druck in der Nähe des inneren
Umfanges ig der Sekundären. Die Verbindungskanäle sind daher zwischen diesen Druckzonen
und verschiedenen Stellen des Schmelzbehälters angeordnet. Der Kanal 21 verbindet
die Zone des stärksten Druckes mitdern Behälter, während die aus Symmetriezründen
angeordneten Kanäle22, und 23 die Zone des- geringsten Druckes mit dem Behälter
verbinden.
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Bei der AusführungJorrn nach Abb. 8 ist sowohl die Primäre
24 als auch die Sekundäre 25 in Scheibenform ausgebildet und in parallelen
Ebenen senkrecht zur gemeinsamen Achse angeordnet. Die Sekundäre steht durch die
Kanäle 26 und 27 mit dem Schmelzbehälter in Verbindung, von denen
der erstere an der äußeren, der letztere an der inneren Peripherie der Sekundären
25, mithin beide an Stellen verschiedenen Druckes angeordnet sind. Die ganze
Primärspule ist größer als die Sekundäre. Ihr innerer Durchmesser ist kleiner, der
äußere größer. Ihre Windung ist mit Zuführungsleitungen 28 und
35 versehen, und in Verbindung n-.it den Anzapfungen 29 bis 34 ist es möglich,
nur einen Teil der Windung mit Strom zu versorgen, wobei der Rest wirkungslos bleibt.
Wenn man nun die Stromzuführung an die Klemmen 31 und 35
heranlegt, erfolgt
die Zirkulation von der Sekundären
durch den Kanal 26 zu
dein Behälter und von dort durch den Kanal 27 wieder zur Sekundären. Verbindet
man die Kleillinen 30 und 34 all Stelle der Klemme" 31 Und
35 mit der Stroniquelle, so erfolgt die Zirktilation zwar in derselben Richtung,
aber mit geringer * er Geschwindigkeit. Bei einer 'Verbindung der Stromquelle
mit den Klemmen z# 29 ulld 355 wird die Richtung fler Zirk-ulation
umgekehrt, und schließlich bei einer Verbindung der Stroinquelle init den Kleminen:28
und 32 erhält die umgekehrte Zirkulation die größte Geschwindigkeit. Die
Ausführtingsform nach Abb. 8 unterscheidet sich als(-) von denjenigen nach
den übrigen Abbildungen nicht nur durch die besondere Anordnung des t' Transformators,
sondern auch durch die besondere Art der Regelung der Richtung und Z, el
der Geschwindigkeit der Zirkulation. Während bei den ersten Anordnungen diese Regelung
durch Verschiel,ung der relativen Lage der Primärspule zui Sekundären erfolgte,
wird sie hier bei feststehender Primärspule durch Verlegung der wirksamen Windungen
el erzielt. Zum besseren Verständnis des Entstehens der Druckunterschiede, welche
die Zirkulation in dem Ofen bewirken, -ei folgendes aus-1.-eführt: Man denke
' sich den Inhalt des Sekundärzylinder,; nach Ab'). C) in eine Anzahl
voll Ringen durch parallele, senkrecht zur gemeinsainen Achse Schnitte unterteilt.
Das: magnetische Streufeld zwischen der Priinären und Sekundären erstreckt sich
in diesein Falle in radialer Richtung und parallel zu den gedachten Schnitten.
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Die Dichte des Feldes Ist am größten innerhalb der Zone zwischen der
Primären 14 undrlein linken, dein nächsten Ende der Sektiii-:lären 15, all-er es
erstreck' sich auch in -lein Raum, welcher durch die Sekundäre selbst ein-(Yelionlinen
wird, und zwar mit einer voll 25 links nach rechts abnehiiieiicl--n Dichte. In jedem
magnetischen F, eld ist eine Kraft vorhanden in F orin eines Druckes senkrecht zur
Richtung des Feldes. Die Größe dieser Kraft ist all jedein Punkt proportional der
entsprechenden Felddichte. Innerhalb eines jeden Feldabschilittes und senkrecht
zu seiner Richtuncy wirken die nia-iietischen Kräfte in den verschiedenen Punkten
aufeinanrIer und machen sich mechanisch bemerkbar nvischen, den Punkten verschiedener
Dichte, wo die sich widersetzenden magnetischen Kräfte un-,gleich sind.
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Betrachtet inan iltin die Aktion des niagne-Z, tischen Streufeldes
auf einen gegebenen Ringabschnitt der Sekundären, --so findet man, daß der Druck
auf die linke Seite des Rin,-ai:-schiiittes größer ist als der ent-e-e#iryeset7te
Z, el t# Druck auf der rechten Seite, Die Differenz zwischen diesen Drücken
überträgt sich daher niechanisch als Flüssigkeitsdruck von dem Zedachten Ringabschnitt
auf den nächsten zur Rechten. Von dein der Primärspule am nächsten gelegenen linken
Ende der Sekün-23 därspule pflanzt sich dieser nicht ausgeglichene Druck zu dein
entferntesten Ende fort, wobei:'t die Druckdifferenzen der einzelnen Ringabschnitte
sich addieren. Der größte Flüssigkeitsdruck ergibt sich daher all deni voll der
Prilnärspule entferntesten Ende der Sekundären, -wo die Dichte des magnetischen
Streufeldes die kleinste ist, während der kleinste Flüssigkeitsdruck bei dem der
Primärspule am nächsten liegenden Ende der Sektindären vorhanden ist, wo die Felddichte
am größten ist.
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Obige an Hand der Abb. 6 angestellte Betrachtung möge auf die
Ausführungsform nach Ahb. 7 Übertragen werden, wobei jedoch zu beachten ist,
daß das magnetische Streuf eld zwischeii der Primären und der Sekundären sich in
achsialer Richtung erstreckt statt wie vorher in radialer. Das Maximum des Druckes
ist in diesem Falle in der Nähe der äußeren Peripherie der Sekundären vorhanden,
weiche von der Primären am meisten entfernt ist und wo die Felddichte am kleinsteil
ist, während das Druckmaxii-nurn sich an -der inneren, der Prii-närspule nächsten
Peripherie befindet, wo die Felddichte am größten ist.
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In den Ausführungsformen der Z--)fen nach den Ahb. i bis
5 ist die Richtung des niagnetischen Streufeldes weder achsial noch radial,
sondern mehr oder weniger diagonal. Bei der Erzeugung der Druckdifferenz zwischen
den zwei Enden des Sekundärzylinders ist allein die radiale Komponente wirksam.
Es ergibt sich, daß all dein von der Prililärspule als Ganzes am weitesten entfernten
Ende die Dichte dieser Komponente am kleinsten, der Druck daher am größten ist.
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In der Ausführungsform nach Abb. 8 ist die Richtung des magnetischen
Streufeldes ebenfalls mehr oder weiger diagonal, und in Iiesein Falle ist bei der
Erzeugung d2r Druckrlifferenz zwischen der inneren und äußeren Peripherie der Sekundärscheibe
nur die achsiale Komponente des Feldes wirksam.
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In der Abb. io ist ein vollständiger Ofen etwa nach Abb. i und
2, in Seitenansicht dar-Erestellt. Der Ofen ist auf einem Gestell
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derart angeordnet, daß er zwecks E ntleerung !ler Charge gekippt
werden kann. Dies erfolgt mittels des Handrades 39. Die Charge wir1-1 durch
eine Tür 4o eingeführt und durch len Ausguß 41 entleert. Ein im Zapfen gelagcrter
Deckel 4:2 ermöglicht den Zugang ztliii Schilielzbehälter für alle Zwecke; der
ganze
Ofen kann mittels der Augbolzen 43 hoch-ehoben werden. Die Kühlluft für die Primarspule
wird durch das Rohr 4-4 zu-,geführt.
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In den Abb. 11, 12 und 13 ist eine weitere Ausführungsform eines Induktionsofens
nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei welcher die Primärspule 45 zylindrisch,
die Sekundäre46 dagegen scheibeilförmig senkrecht und symmetrisch zur ersteren angeordnet
ist. Die Verbindungskanäle 47 und 48 zum Schmelzbehälter49 sind dagegen unsyminetrisch,
d. h. an Stellen verschiedenen Drukkes angebracht, so daß eine starke Zirkulation
der geschmolzenen Charge in der Richtung zn der Pfeile erfolgt.
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In Abb. 14 und 15 ist eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens
dargestellt. Die mit der Primärspule 5o konzentrisch angeordnete Sekundärspule 51
überragt die erstere nach beiden Seiten um ein beträchtliches, so daß analog den
oben beschrielyenen Wirkungen des magnetischen Streufeldes der größte Druck an den
beiden Enden des Sekundärzylinders, der kleinste in seiner Mitte entsteht. Infolgedessen
tritt in dem Ofen eine Zirkulation der geschmolzenen Charge ein von dem Schmelzbehälter
nach der Mitte des die ganze Länge der Sektindären einnehmenden Verbindungskanals
5:2
und von dort durch die Mitte der Sekundären nach ihren äußeren Enden und
zum Behälter zurück. Infolge der großen Breite der Sekundärschleife und ihres Verbindungskanals
und infolge der die Kräfte im Innern der Sekundärschleif e verteilenden Gesamtanordnung
des Transformators kann der eingangs erwähntePincheffekt nicht wirksam eintreten,
und die Gefahr des Abreißens der Sekundären ist behoben.
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Die öfen nach der vorliegenden Erfindung eignen sich vorzüglich zum
SchnidIzen von Metallen verhältnismäßig hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie z.
B. Aluminium, Magnesium und Kupfer.
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In der Abb. 16 ist ein Ofen dargestellt, Blessen Herstellungsweise
aus den Abb. 17, 18 und ig ersichtlich ist. Gemäß der weiteren Erfindung wird dieser
Ofen aus mehreren ineinander einsetzbaren Einzelteilen zusarninengebaut, wodurch
die bisherige Schwierigkeit der Ausbildung des Hohlraumes für die Sekundärschleife
behoben wird. Die vorgeformten Einzelteile des Schmelzofens können dabei in jeder
beliebigen Anzahl auf Lager ,gehalten und jedes beliebige schadhafte Stück kann
durch ein Reservestück ersetzt werden. Der vollständige Induktionsofen
t>
nach Abb. 16 zeigt die Zusammengehörigkeit ei
der Einzelteile. Der
0f en besitzt ähnlich dem nach Abb. i und 2 das Transforinatoreisen
53, auf dem die Primärspule54 verschiebbar ist. Die Sekundäre besteht aus
einem die Primäre konzentrisch umgebenden und von der Charge' angefüllten Zylinder
55, welcher mit dem Hauptbehälter 56 durch die Kanäle 58 und
57 in Verbindung steht. Der Schmelzhehälter wird oben durch einen Deckel
59 verschlossen und ist oben rechts mit einer Einf ührungstür 6o sowic einem
Ausguß 61 versehen. Die Einzelteile des Ofens sind von einer wärmeisolierenden Schicht7o
umgeben.
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Der Ofenkörper besteht, wie aus den Abb. i- und 18 ersichtlich, aus
den zylindrischen Teilen62 und 63, die derart ausgebildet sind, daß bei ihrer
Zusammensetzung sich der Hohlraum für die Sekundärschleife von selbst ergibt, und
aus dem zylindrischen Teil 64, welcher auf den Teil 63 aufgesetzt wird und
den Schmelzbehälter bildet. Der Teil63 ist mit einer Aussparung65 an der einen Seite
und mit einem Flansch 66 an der anderen Seite versehen, in welche der Flansch
67 bzw. das abgesetzte Ende 68 des Zylinders 62 hineinpassen
und darin geführt werden, wodurch ein fester Zusammenbau dieser Teile gewährleistet
ist. Die Teile 62" 63, 64 bestehen aus feuerfesten Ziegeln oder ähnlichem
widerstandsfähigen Material und werden vor der Zusammensetzung geformt und gebrannt.
Wie aus den Abb. 18 und ig ersichtlich, erhält die obere Fläche des Teiles
63 einen vorspringenden Teil, welcher zum Aufsetzen des Behälterkörpers 64
dient, der, wie bei 69 ersichtlich, auf den unteren Teil aufzeinentiert wird.
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Das Aufzementieren 4er einzelnen Teile erfolgt gemäß der weiteren
Erfindung wie folgt: Eine Quantität feuerfesten Tons oder Zements, welcher durch
Beigabe von Wasser im formbaren Zustand erhalten wird, wird zwischen die Lagerstellen
der einzelnen Teile eingeführt, die dann zusammengedrückt werden. In dem zwischen
den Teilen übrigbleibenden Raum werden trockene Stückchen feuergebrannter Ziegel
eingeführt, welche sich mit dem formbaren Ton mischen und einen großen Teil der
Feuchtigkeit absorbieren. Diese Teile werden dann festgestampft, und die Verbindungsstelle
wird dann sofort gebrannt. Diese Methode verhindert Jas Platzen und Poröswerden
des Zements und zeitigt einen vollständig homogenen Ofenkörper.
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In Abh. 16 ist bei 71 eine äußere Is-Iaminer für einen Teil der Verbindungsstelle
angeel gesehen deutet, an welcher kein Absatz vor ist, #%,elcher das Austreten der
Charge k' an dieser Stelle verhindern könnte. Wie aus den Abb. 2o und 21 ersichtlich
ist, besteht diese Klammer aus stählernen Gurten, welche durch
Bolzen-;72
zusammengehalten werden. Diese beiden Abb.:2o und 21 zeigen einen-Schiiielzofen,
in welchem die Teile73 Und 74 ineinandergesteckt- -%v---!7(Ieii, wo-ei sie den Hohlraum
für die Sekundärschleife bilden, die init entgegengesetzten Punkten des Behälter"
7,3
in Verbindung steht.