EP0769126B1 - Rouleaux ceramiques renforces pour fours - Google Patents

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EP0769126B1
EP0769126B1 EP95923366A EP95923366A EP0769126B1 EP 0769126 B1 EP0769126 B1 EP 0769126B1 EP 95923366 A EP95923366 A EP 95923366A EP 95923366 A EP95923366 A EP 95923366A EP 0769126 B1 EP0769126 B1 EP 0769126B1
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EP
European Patent Office
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roller
reinforcing component
external
mullite
alumina
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EP95923366A
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EP0769126A1 (fr
Inventor
Jacques Paul Raymond Schoennahl
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NUOVA SIRMA Srl
Nuova Sirma SpA
Original Assignee
NUOVA SIRMA Srl
Nuova Sirma SpA
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/02Skids or tracks for heavy objects
    • F27D3/026Skids or tracks for heavy objects transport or conveyor rolls for furnaces; roller rails

Definitions

  • the invention relates to ceramic rollers for ovens roller.
  • a roller oven is a pass-through oven with the bottom is composed of ceramic rollers arranged in parallel to each other and rotated around their axis central by means of a drive system. All rollers rotate in the same direction and substantially at the same speed. This movement causes the load to cook at through the oven.
  • ovens are mainly used for cooking ceramic tiles used for flooring and walls.
  • the cooking tiles are placed directly on the rollers at the entrance of the oven.
  • rollers are also used to bake pieces of complex shape: tableware, sanitary, electronic substrates.
  • the products to be cooked are loaded onto slabs forming supports, these then being placed on the rollers.
  • Current rollers have a length of 1200 to 4000 mm and their outside diameter is between 25 and 55 mm for a wall thickness of 5 to 6 mm.
  • Rollers based on oxide baked at moderate temperature have the disadvantage of only supporting modest loads: thus, the best rolls based on alumina-mullite-cordierite are limited to maximum loads such as the total bending stress (load + self-weight), i.e. less than 50 kg / cm 2 for a maximum working temperature less than or equal to 1250 ° C. This greatly limits their usefulness for certain applications.
  • load + self-weight i.e. less than 50 kg / cm 2 for a maximum working temperature less than or equal to 1250 ° C. This greatly limits their usefulness for certain applications.
  • Rolls based on alumina, alumina-mullite or mullite baked at very high temperature withstand bending stresses of up to 80 kg / cm 2 for maximum working temperatures of 1300-1350 ° C or less, but their cost is much higher than that of rolls baked at low temperature.
  • rollers formed from a material based on at least one silicon compound withstand bending stresses of 200 to 500 kg / cm 2 , for a limit temperature of use which can reach 1600 ° C., but their cost is 7 to 20 times that of the oxide-based rollers.
  • roller composite which has a hollow outer metal cylinder and a ceramic inner core which can be a little more short than the outer cylinder to facilitate coupling with mechanical drive systems.
  • the ceramic inner core is the supporting element and the outer metal cylinder has the function of protecting the core against thermal shock and against contact with products to be cooked. Neither the properties (module in particular), neither the composition of the material constituting the core are indicated.
  • rollers with improved properties compared to rollers based on conventional oxides, while being less expensive than rolls based on alumina, alumina-mullite or very high temperature or base sintered mullite of at least one silicon compound currently marketed.
  • the invention aims to satisfy this need.
  • the invention relates to a roller composite for roller ovens comprising a roller hollow exterior made of a refractory ceramic material based of oxides and a reinforcing element of a material refractory with a modulus of elasticity at 1200 ° C more higher than that of the material of the outer roller, disposed at the inside of the outside roller, the largest dimension of the cross section of the reinforcing element being slightly less than the inside diameter of the roller outside.
  • the modulus of elasticity at 1200 ° C. of the reinforcing element material is at least 2 times that of the outer roller and, preferably, at at minus 3 times.
  • the module of the reinforcing element can be up to 20 times, and even more, than that of material of the external element.
  • the outer roller will usually be made in one inexpensive oxide material suitable for manufacture of oven rolls, for example of a material based on oxides cooked at moderate temperature, such as alumina-mullite cordierite material cited above. Such a material typically has a modulus of elasticity at 1200 ° C from 10 to 25 GPa.
  • the wall thickness of the outer roller is typically of the order of 5-6 mm, without these values having critically important.
  • the interior reinforcing element may have various shapes, for example that of a hollow cylinder or that of a hollow bar with a hexagonal, square section, triangular or an X-shaped profile.
  • a hollow cylindrical reinforcement element i.e. tube-shaped, having a wall thickness on the order of 1.5 to 4 mm.
  • the reinforcing element can be produced, for example example, a material based on oxides cooked at high temperature, such as an alumina, alumina-mullite material or mullite or a material based on at least one composed of silicon such as those mentioned above, between other.
  • Materials based on alumina, alumina-mullite or of mullite cooked at high temperature typically have a modulus of elasticity at 1200 ° C from 50 to 200 GPa, while the materials based on at least one silicon compound have typically a modulus of elasticity at 1200 ° C from 150 to 400 GPa.
  • the inner reinforcing element has advantageously a length less than or equal to 0.9 times that of the outer roller to be reinforced.
  • an element of reinforcement of length substantially less than that of the outer roller for example of a length representing 0.15 to 0.65 times that of the outer roller.
  • the reinforcing element preferably has a length of 0.5 to 2 m approximately.
  • the maximum dimension of the cross section of the reinforcing element should be slightly less than that of the inside diameter of the outside roller for allow the reinforcing element to be put in place and to exert its action as soon as the outer roller bends a little under a load.
  • a clearance of 0.1 to 0.5 mm is usually satisfactory without these values being critics.
  • the reinforcing element will advantageously be centered relative to the roller bearings on the bearings of the oven supporting the roller, or in relation to the loads supported by the roller in service, so that the exterior oxide roller is reinforced mechanically in the area where, in service, the maximum bending stress.
  • the single figure is a sectional view longitudinal, of a composite roller conforming to the invention.
  • the reference 1 designates the roller exterior based on oxides
  • reference 2 an element of tube-shaped reinforcement less than that of the outer roller
  • reference 3 designates the zones where the roller will be, in service, supported on bearings
  • the reference 4 designates the part of the roller which will project from the oven and will receive means for driving the roller, by example a toothed wheel (not shown).
  • the rolls thus produced were mounted in an oven roller for firing ceramic tiles at one temperature of the order of 1200 ° C.
  • the distance between the supports of each roller on the oven bearings was 2.91 m and the loaded length was of 1.83 m.
  • the weight of the reinforcing elements in Advancer leads to an increase in the deflection composite rolls of about 1 mm, compared to that Unreinforced Siroll LP rollers.
  • the composite rollers of the invention have an arrow about 3 times lower than that of non-rollers reinforced: 3.4 mm instead of 11.1 mm, while the boom rolls in Advancer is 2 mm.
  • the deflection measured is 6.0 mm for composite rollers of the invention supporting the same charge.
  • the present invention therefore makes it possible to obtain service performance far superior to that of rollers based on standard oxides for a cost less than that of rolls made of material baked at high temperature and much lower than that of rollers based on at least one composed of silicon.
  • the reinforcing element used in the invention has a much lower volume to that of a roller made entirely of high-density material performance, because its diameter, thickness wall and its length can be much less.
  • the invention also makes it possible to exploit the good hot stiffness of alumina, alumina-mullite materials or mullite cooked at high temperature (overcooked), without risking rupture by thermal shock, during their introduction into a working oven.
  • the roller exterior, very resistant to thermal shock constitutes a protective cover for the reinforcing element interior, sensitive to thermal shock.

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Heat Treatments In General, Especially Conveying And Cooling (AREA)
  • Furnace Charging Or Discharging (AREA)

Description

L'invention concerne les rouleaux céramiques pour fours à rouleaux.
Un four à rouleaux est un four à passage dont la sole est composée de rouleaux céramiques disposés parallèlement les uns aux autres et mis en rotation autour de leur axe central au moyen d'un système d'entraínement. Tous les rouleaux tournent dans le même sens et sensiblement à la même vitesse. Ce mouvement entraíne la charge à cuire à travers le four.
Ces fours sont principalement employés pour la cuisson des carreaux céramiques utilisés pour le revêtement des sols et des murs. Les carreaux à cuire sont posés directement sur les rouleaux à l'entrée du four. Toutefois, les fours à rouleaux sont également utilisés pour cuire des pièces de forme complexe : articles de vaisselle, éléments de sanitaire, substrats pour l'électronique. Dans ce cas, les produits à cuire sont chargés sur des dalles formant supports, celles-ci étant alors posées sur les rouleaux.
Les rouleaux actuels ont une longueur de 1200 à 4000 mm et leur diamètre extérieur est compris entre 25 et 55 mm pour une épaisseur de parois de 5 à 6 mm.
Ils sont soumis à divers types de contraintes :
  • Contraintes mécaniques :
    • poids propre et charges provenant des produits à cuire ;
    • fatigue dynamique (rotation).
    Agressions chimiques :
    • par les vapeurs alcalines dégagées par les produits à cuire ;
    • par oxydation (dans le cas des rouleaux en SiC).
  • Gradients thermiques : entre la partie située à l'intérieur du four et les extrémités traversant les parois du four.
  • Chocs thermiques :
    • lors de l'introduction d'un rouleau neuf froid dans un four en fonctionnement pour remplacer un rouleau défaillant ;
    • lors des mises en veilleuse ou arrêts pour entretien.
Il existe trois types de rouleaux sur le marché :
  • les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base d'oxydes cuits à température modérée (< 1500°C), tels que les matériaux alumine-mullite-cordiérite (comme le matériau Siroll LP commercialisé par la Société Nuova Sirma, Italie);
  • les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température (>1500°C) ;
  • les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base de carbure de silicium et/ou de nitrure de silicium et/ou d'oxynitrure de silicium et/ou de sialon (appelés ci-après matériaux à base d'au moins un composé du silicium), tels que les matériaux formés de grains de SiC liés par un liant nitrure de silicium (tel que le matériau Advancer commercialisé par la Société Norton), le carbure de silicium recristallisé (tel que le produit Crystar de Norton), ou les matériaux à base de carbure de silicium imprégnés de silicium.
Les rouleaux à base d'oxyde cuits à température modérée ont l'inconvénient de ne supporter que des charges modestes: ainsi, les meilleurs rouleaux à base d'alumine-mullite-cordiérite sont limités à des charges maximales telles que la contrainte de flexion totale (charge + poids propre), soit inférieure à 50 kg/cm2 pour une température maximale d'emploi inférieure ou égale à 1250°C. Ceci limite fortement leur utilité pour certaines applications.
Les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température supportent des contraintes de flexion pouvant atteindre 80 kg/cm2 pour des températures d'emploi maximales inférieures ou égales à 1300-1350°C, mais leur coût est très supérieur à celui des rouleaux cuits à basse température.
Par contre, les rouleaux formés d'un matériau à base d'au moins un composé du silicium supportent des contraintes de flexion de 200 à 500 kg/cm2, pour une température limite d'emploi pouvant atteindre 1600°C, mais leur coût est de 7 à 20 fois celui des rouleaux à base d'oxydes.
On connaít aussi, d'après EP-A-19077 un rouleau composite qui comporte un cylindre extérieur creux en métal et un noyau intérieur céramique qui peut être un peu plus court que le cylindre extérieur pour faciliter l'accouplement avec les systèmes d'entraínement mécanique. Le noyau intérieur céramique est l'élément porteur et le cylindre extérieur métallique a pour fonction de protéger le noyau contre les chocs thermiques et contre le contact avec les produits à cuire. Ni les propriétés (module notamment), ni la composition du matériau constituant le noyau ne sont indiquées.
Il serait donc très utile à l'industrie de disposer de rouleaux présentant des propriétés améliorées par rapport aux rouleaux à base d'oxydes classiques, tout en étant moins onéreux que les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite frittés à très haute température ou à base d'au moins un composé du silicium actuellement commercialisés.
L'invention vise à satisfaire ce besoin.
Plus précisément, l'invention concerne un rouleau composite pour fours à rouleaux comprenant un rouleau extérieur creux en un matériau céramique réfractaire à base d'oxydes et un élément de renforcement en un matériau réfractaire présentant un module d'élasticité à 1200°C plus élevé que celui du matériau du rouleau extérieur, disposé à l'intérieur du rouleau extérieur, la plus grande dimension de la section transversale de l'élément de renforcement étant légèrement inférieure au diamètre intérieur du rouleau extérieur.
Avantageusement le module d'élasticité à 1200°C du matériau de l'élément de renforcement est égal à au moins 2 fois celui du rouleau extérieur et, de préférence, à au moins 3 fois. Le module de l'élément de renforcement peut être jusqu'à 20 fois, et même plus, supérieur à celui du matériau de l'élément extérieur.
Le rouleau extérieur sera habituellement réalisé en un matériau à base d'oxydes bon marché convenant à la fabrication de rouleaux de fours, par exemple en un matériau à base d'oxydes cuit à température modérée, tel qu'un matériau alumine-mullite cordiérite précité. Un tel matériau a typiquement un module d'élasticité à 1200°C de 10 à 25 GPa. L'épaisseur de paroi du rouleau extérieur est typiquement de l'ordre de 5-6 mm, sans que ces valeurs aient une importance critique.
L'élément de renforcement intérieur peut présenter diverses formes, par exemple celle d'un cylindre creux ou celle d'un barreau creux à section hexagonale, carrée, triangulaire ou d'un profilé en forme de X.
De préférence, pour des raisons d'économie de matière, de résistance mécanique et de facilité de fabrication, on utilisera un élément de renforcement cylindrique creux, c'est-à-dire en forme de tube, ayant une épaisseur de paroi de l'ordre de 1,5 à 4 mm.
L'élément de renforcement peut être réalisé, par exemple, en un matériau à base d'oxydes cuits à haute température, tel qu'un matériau à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite ou un matériau à base d'au moins un composé du silicium tel que ceux mentionnés ci-dessus, entre autres. Les matériaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à haute température ont typiquement un module d'élasticité à 1200°C de 50 à 200 GPa, tandis que les matériaux à base d'au moins un composé du silicium ont typiquement un module d'élasticité à 1200°C de 150 à 400 GPa.
L'élément de renforcement intérieur présente avantageusement une longueur inférieure ou égale à 0,9 fois celle du rouleau extérieur à renforcer. Pour des raisons d'économie de matière, on préfère employer un élément de renforcement de longueur substantiellement inférieure à celle du rouleau extérieur, par exemple d'une longueur représentant 0,15 à 0,65 fois celle du rouleau extérieur. Par exemple, pour un rouleau extérieur de 3 m de long, l'élément de renforcement a de préférence une longueur de 0,5 à 2 m environ.
La dimension maximale de la section transversale de l'élément de renforcement doit être légèrement inférieure à celle du diamètre intérieur du rouleau extérieur pour permettre à l'élément de renforcement d'être mis en place et d'exercer son action dès que le rouleau extérieur fléchit un peu sous une charge. Par exemple un jeu de 0,1 à 0,5 mm est habituellement satisfaisant sans que ces valeurs soient critiques.
L'élément de renforcement sera avantageusement centré par rapport aux appuis du rouleau sur les paliers du four supportant le rouleau, ou encore par rapport aux charges supportées par le rouleau en service, de façon que le rouleau extérieur à base d'oxydes se trouve renforcé mécaniquement dans la zone où règne, en service, la contrainte de flexion maximale.
L'expérience a montré qu'il n'était pas nécessaire d'interposer du feutre céramique ou une couche de colle ou de ciment entre l'élément de renforcement et le rouleau extérieur. Au cours de l'assemblage, l'élément de renforcement peut être maintenu en place par un peu de colle organique. Lors de la mise en service, celle-ci brûle et l'élément de renforcement sera maintenu en place dans la position choisie par l'effet de flèche.
Sur le dessin, la figure unique est une vue, en coupe longitudinale, d'un rouleau composite conforme à l'invention.
Sur la figure, la référence 1 désigne le rouleau extérieur à base d'oxydes, la référence 2 un élément de renforcement en forme de tube et de longueur inférieure à celle du rouleau extérieur, la référence 3 désigne les zones où le rouleau sera, en service, en appui sur des paliers, et la référence 4 désigne la partie du rouleau qui saillera du four et recevra des moyens d'entraínement du rouleau, par exemple une roue dentée (non représentée).
L'exemple non limitatif suivant est donné dans le but d'illustrer l'invention.
EXEMPLE
On a réalisé des rouleaux composites du type de celui représenté sur la figure dont le rouleau 1 était réalisé en SIROLL LP (matériau du type Alumine-Mullite-Cordiérite commercialisé par la Société Nuova Sirma) et présentait les caractéristiques suivantes :
  • rayon extérieur    : 20 mm
  • rayon intérieur    : 15 mm
  • longueur    : 3 m
  • module d'Young à 1200°C    : 22000 Mpa
  • coefficient de dilatation    : 5,2 x 10-6K-1
  • masse volumique    : 2360 kg/m3
L'élément de renforcement 2 était réalisé en ADVANCER (grains de SiC liés par un liant nitrure de silicium commercialisé par la Société Norton) et présentait les caractéristiques suivantes :
  • rayon extérieur    : 14,5 mm
  • rayon intérieur    : 12,5 mm
  • longueur    : 0,5 m
  • module d'Young à 1200°C    : 225000 Mpa
  • coefficient de dilatation    : 4,8 x 10-6K-1
  • masse volumique    : 2820 kg/m3
Les rouleaux ainsi produits ont été montés dans un four à rouleaux destiné à la cuisson de carreaux céramiques à une température de l'ordre de 1200°C.
La distance entre les appuis de chaque rouleau sur les paliers du four était de 2,91 m et la longueur chargée était de 1,83 m.
Première expérience
On a comparé la flèche prise par ces rouleaux composites à celle de rouleaux identiques en SIROLL LP non renforcés et à celle de rouleaux en Advancer de géométrie identique ayant une épaisseur de paroi de 5-6 mm.
On constate que le poids des éléments de renforcement en Advancer entraíne à vide un accroissement de la flèche des rouleaux composites d'environ 1 mm, par rapport à celle des rouleaux en Siroll LP non renforcés. Par contre, en faisant circuler une charge dans le four, correspondant à une charge de 1,25 kg par rouleau répartie sur la portion centrale du rouleau, de longueur 1,83 m, on remarque que les rouleaux composites de l'invention présentent une flèche environ 3 fois plus faible que celle des rouleaux non renforcés : 3,4 mm au lieu de 11,1 mm, tandis que la flèche des rouleaux en Advancer est de 2 mm.
Deuxième expérience
On a chargé les rouleaux en Siroll LP avec une charge de 3 kg par rouleau répartie sur une longueur de 1,83 m. La flèche mesurée est de 12 mm et la rupture survient très rapidement, après quelques heures de fonctionnement.
Par contre, la flèche mesurée est de 6,0 mm pour les rouleaux composites de l'invention supportant la même charge.
La présente invention permet donc d'obtenir des performances en service très supérieures à celles des rouleaux à base d'oxydes standards pour un coût inférieur à celui des rouleaux en matériau cuit à haute température et très inférieur à celui des rouleaux à base d'au moins un composé du silicium. En effet, l'élément de renforcement utilisé dans l'invention présente un volume très inférieur à celui d'un rouleau réalisé entièrement en matériau à haute performance, du fait que son diamètre, son épaisseur de paroi et sa longueur peuvent être bien moindres.
L'invention permet également d'exploiter la bonne rigidité à chaud des matériaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à haute température (surcuits), sans risquer une rupture par choc thermique, lors de leur introduction dans un four en marche. En effet, le rouleau extérieur, très résistant au choc thermique constitue une enveloppe protectrice pour l'élément de renforcement intérieur, sensible au choc thermique.
Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et l'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques.

Claims (10)

  1. Un rouleau composite pour fours à rouleaux comprenant un rouleau extérieur creux (1) en un matériau réfractaire et un élément de renforcement (2) en un matériau réfractaire, disposé à l'intérieur du rouleau extérieur, la plus grande dimension de la section transversale de l'élément de renforcement étant légèrement inférieure au diamètre intérieur du rouleau extérieur, caractérisé en ce que le rouleau extérieur (1) est en un matériau céramique à base d'oxydes et en ce que l'élément de renforcement (2) présente un module d'élasticité à 1200°C plus élevé que celui du matériau du rouleau extérieur.
  2. Un rouleau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de renforcement intérieur (2) présente la forme d'un tube.
  3. Un rouleau selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de renforcement (2) présente une épaisseur de paroi de 1,5 à 4 mm.
  4. Un rouleau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de renforcement (2) est plus court que le rouleau extérieur.
  5. Un rouleau selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur de l'élément de renforcement (2) présente 0,15 à 0,65 fois celle du rouleau extérieur.
  6. Un rouleau selon la revendication 1, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'élément de renforcement (2) est centré par rapport aux appuis (3) du rouleau sur les paliers du four supportant le rouleau.
  7. Un rouleau selon la revendication 1, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'élément de renforcement (2) est centré par rapport aux charges supportées par le rouleau en service.
  8. Rouleau selon les revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le module d'élasticité à 1200°C du matériau constituant l'élément de renforcement (2) est au moins 2 fois supérieur à celui de la partie extérieure.
  9. Rouleau selon les revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le module d'élasticité à 1200°C du matériau constituant l'élément de renforcement (2) est au moins 3 fois supérieur à celui du rouleau extérieur (1).
  10. Rouleau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le rouleau extérieur (1) est en alumine-mullite-cordiérite et l'élément de renforcement (2) est en un matériau choisi dans le groupe formé par les matériaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite, les matériaux à base d'au moins un composé du silicium choisis dans le groupe formé par le carbone de silicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium et les sialons.
EP95923366A 1994-06-08 1995-06-07 Rouleaux ceramiques renforces pour fours Expired - Lifetime EP0769126B1 (fr)

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FR9407013 1994-06-08
FR9407013A FR2721098B1 (fr) 1994-06-08 1994-06-08 Rouleaux céramiques pour fours à base d'oxydes renforcés par un élément de renforcement à haut module d'élasticité à chaud.
PCT/FR1995/000733 WO1995033965A1 (fr) 1994-06-08 1995-06-07 Rouleaux ceramiques renforces pour fours

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EP0769126A1 EP0769126A1 (fr) 1997-04-23
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DE (1) DE69504080D1 (fr)
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