EP0951632B1 - Hängevorrichtung für den einsatz in brennöfen zur herstellung keramischer bauteile - Google Patents

Hängevorrichtung für den einsatz in brennöfen zur herstellung keramischer bauteile Download PDF

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EP0951632B1
EP0951632B1 EP97952736A EP97952736A EP0951632B1 EP 0951632 B1 EP0951632 B1 EP 0951632B1 EP 97952736 A EP97952736 A EP 97952736A EP 97952736 A EP97952736 A EP 97952736A EP 0951632 B1 EP0951632 B1 EP 0951632B1
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EP
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hanging
silicon carbide
ceiling
aperture
hanging system
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D5/00—Supports, screens, or the like for the charge within the furnace
    • F27D5/0056—Hangers

Definitions

  • the invention relates to a hanging device for the Use in kilns for the production of ceramic components.
  • Ceramic blanks, in particular large-format components, such as roll blanks, after the Drying can be fired. During the burning process can the ceramic components and in particular the roll blanks are hung in the kiln.
  • Ceramic components and in particular oven rolls Made of ceramic material are used for burning in accordingly trained oven chambers hung. Therefor fireproof retaining walls are usually used, on which cross struts are placed on top become.
  • these retaining walls are built into the kiln either from silicon carbide stones (nitride or silicate bonded) or from Al 2 O 3 stones (corundum).
  • the furnace chambers intended for firing must be used in their dimensions to the ones to be burned ceramic components can be adapted to an economical Ensure that the furnace is filled.
  • the maximum size of the Combustion chamber based on the maximum required Firing temperature and taking into account that an even temperature distribution in the Kiln is achieved to a very high quality to secure the burned components (oven rolls).
  • US 4,721,460 A discloses a hanging device for the hanging firing of ceramic components with Beams and a variety of rod-shaped Hanging elements.
  • the hanging device designed according to the invention exists thereby consisting of at least two elements Silicon carbide exist and the form-fitting with each other are connected that the on the ceiling of the Kiln attachable hanging element and one to this fixed support beam, relative movements of the enabling both elements to be used become.
  • the primary aim is to warm up during the heating phase and cooling after completion temperature differences occurring during the firing process with the associated thermal expansion be intercepted.
  • the support beam to be used according to the invention has according to the number of hanging elements used Openings through which the hanging elements are led are and the one below the supporting beam remaining part of the hanging elements an expansion has, which is advantageously larger than that free cross section of the openings.
  • the openings and the said can be advantageous Widenings corresponding to each other conical be trained to apply an even force to be achieved while avoiding lateral and transverse forces.
  • At least two hanging elements are advantageous attached to the ceiling of the kiln and the attachment takes place in the form that these hanging elements partially led through the ceiling of the kiln and be locked there above the ceiling.
  • the supporting beams are advantageously located with the hanging device designed according to the invention immediately below the furnace ceiling and it can be turned on this with further auxiliary structures for hanging the blanks to be burned are hung up.
  • a thermal and mechanically heavy-duty hanging device for Provided the cyclical burning conditions withstands over a long period of time. This is even with the very high temperatures in the kiln the relatively large thermal expansion of the refractory Inner furnace lining, heat transfer and Temperature gradients, particularly in the anchoring area the furnace roof must be taken into account, the case.
  • Hanging device is the Possibility that the blanks to be burned and thereby especially the oven rolls to be burned very tight and attached directly below the furnace ceiling can be, so that an easy access to the Suspension and re-acceptance is made possible and also the space available in the kiln can be used optimally.
  • the hanging device according to the invention has the Advantage that, although the attacking on the support beam Load occurs as a pure tensile load, which actually be avoided with a ceramic construction should, because ceramics have a factor of 10 to 100 lower tensile strength compared to compressive strength has, can still be used.
  • the invention Solution also avoids, especially through the design of the positive connection between the hanging element and the supporting beam increased bending, Tension and / or torsional stresses that are local Stress increases and accordingly to breaks of the various components in these locations can.
  • the latter variant is preferred at the bottom Widening formed at the end of the hanging elements, at least in the area that is in direct contact as Support for the supporting beam is used, hemispherical is trained.
  • the radii used can be optimized for the spherical shape. Accordingly is the lower area of the openings in the Support beam, which is attached to the expansion of the hanging elements supports, also at least partially hemispherical formed as a corresponding pan, see above that hanging element and support beam depending on the radius ratio transmit the force over a ring area.
  • a radius ratio greater than 0.5 should preferably be used be respected.
  • the particularly inexpensive ball and socket arrangement for the hanging elements and the supporting beams allows a movable arrangement between them two elements, so that thermal expansion easily can be balanced and still a uniform Voltage distribution remains secured. Also other movements, e.g. through the currents in the Kiln caused or when opening and Depending on the blanks inevitably occur due to the overall relatively flexible construction are also largely intercepted.
  • Hanging elements and supporting beams are recrystallized Silicon carbide (R-SiC), silicon infiltrated Silicon carbide (SiSiC), nitride-bound Silicon carbide (N-SiC), sintered silicon carbide (S-SiC) or various mixtures of the above Silicon carbide.
  • hanging in a so-called overhead conveyor can be arranged. It is suitable for this a corresponding supporting structure to accommodate the vertically suspended oven rolls, with the parallel mutually aligned support beam 2 by means of hanging elements 1 are held. Each support beam should be 2 with at least two hanging elements 1, preferred three hanging elements 1 are held.
  • the hanging elements 1 will be in a preferred embodiment led through the furnace roof and anchored there above. A groove can be anchored in the hanging element 1 5 be formed, in which a correspondingly trained Lock can intervene, which then supports above the furnace ceiling and picks up the load.
  • the support beam 2 points accordingly the number of hanging elements used 1 at equal intervals to each other or in one symmetrical arrangement of openings 3, through which the respective hanging element 1 can be guided, until the support beam 2 on the widening 4 of the Hanging element 1 supports.
  • the lower part is the opening 3 of the support beam 2 at least partially hemispherical and the corresponding part of the expansion 4 of the hanging element 1 adapted accordingly to this shape trained so that both parts in this area form a ball and pan arrangement.
  • the upper part of the support beam 2 forms the Support belt 6 for the firing material.
  • the resulting theoretical power transmission line 7 is shown in FIG. 2.
  • the illustration in FIG. 2 shows in particular that the geometries to be used according to the invention ensure a uniform application of force with a corresponding stress distribution and thereby ensure that the thermally very stable silicon carbides can be used, although their tensile strength is limited.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Hängevorrichtung für den Einsatz in Brennöfen zur Herstellung keramischer Bauteile. Dabei sollen keramische Rohlinge, insbesondere großformatiger Bauteile, wie Rollenrohlinge, nach der Trocknung gebrannt werden. Während des Brennvorganges können dabei die keramischen Bauteile und insbesondere die Rollenrohlinge im Brennofen aufgehängt werden.
Keramische Bauteile und dabei insbesondere Ofenrollen aus keramischen Material werden zum Brennen in entsprechend ausgebildeten Ofenkammern aufgehängt. Hierfür werden üblicherweise feuerfeste Stützmauern verwendet, auf denen Querverstrebungen oben aufgelegt werden.
Die thermischen Belastungen berücksichtigend, werden diese Stützmauern entweder aus Siliciumcarbidsteinen (nitridisch oder silicatisch gebunden) oder aus Al2O3-Steinen (Korund) in die Brennöfen hineingebaut.
Dabei müssen die für das Brennen vorgesehenen Ofenkammern in ihren Abmessungen auf die zu brennenden keramischen Bauteile angepaßt werden, um eine wirtschaftliche Befüllung des Brennofens zu gewährleisten. Für keramische Rollenrohlinge sind dabei Rollenlängen von bis zu 5 m zu berücksichtigen.
Dabei werden gegenwärtig die maximale Größe der Brennkammer, ausgehend von der maximal erforderlichen Brenntemperatur ausgelegt und dabei wird berücksichtigt, daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Brennofen erreicht wird, um eine sehr hohe Qualität der gebrannten Bauteile (Ofenrollen) zu sichern. Das bedeutet, daß je größer die maximal erforderliche Brenntemperatur wird, das maximale Brennvolumen in der Ofenkammer entsprechend kleiner werden muß. Bisher übliche, mit Stützmauern ausgestattete Brennkammern, erlauben daher für das Brennen keramischer Ofenrollen einen Besatz zwischen 1.000 und 3.000 Stück.
Bei den erforderlichen sehr hohen Brenntemperaturen und dem zyklischen Ofenbetrieb, mit den dabei auftretenden Temperaturdifferenzen, unterliegen die bisher üblicherweise verwendeten Stützmauern einer außerordentlich harten thermomechanischen Belastung und Verschleißen dadurch, was eine ständige Wartung und Erneuerung zur Folge hat.
Ein weiterer Nachteil, den die bisher verwendeten Stützmauern mit sich bringen, ist der, daß der in den Ofenkammern zur Verfügung stehende Raum entsprechend eingeschränkt und demzufolge auch die Kapazität und Produktivität des zu verwendenden Brennofens verringert wird. Darüber hinaus wird die Energiebilanz des Brennofens ebenfalls negativ beeinflußt, da beim Aufheizen auch das Material für die Stützmauerkonstruktion erwärmt werden muß.
Die US 4,721,460 A offenbart eine Hängevorrichtung für das Hängendbrennen von keramischen Bauteilen mit Tragbalken und einer Vielzahl von stangenförmigen Hängeelementen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hängevorrichtung für den Einsatz in Brennöfen zur Herstellung keramischer Bauteile vorzugeben, die bei thermomechanischer Belastung und unter dem Einfluß hoher Temperaturgradienten lokale Zugspannungsüberhöhungen und Brüche vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit der Verwendung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Hängevorrichtung besteht dabei aus mindestens zwei Elementen, die aus Siliciumcarbid bestehen und die formschlüssig so miteinander verbunden sind, daß das an der Decke des Brennofens befestigbare Hängeelement und ein an diesem befestigter Tragbalken, Relativbewegungen der beiden Elemente zueinander ermöglichend, verwendet werden. Dabei sollen in erster Linie bei der Erwärmung während der Aufheizphase und Abkühlung nach Abschluß des Brennvorganges auftretende Temperaturdifferenzen mit den damit verbundenen Wärmeausdehnungen abgefangen werden.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Tragbalken weist entsprechend der Anzahl der verwendeten Hängeelemente Durchbrechungen auf, durch die die Hängeelemente geführt sind und dabei der unterhalb des Tragbalkens verbleibende Teil der Hängeelemente eine Aufweitung aufweist, die vorteilhafterweise größer ist als der freie Querschnitt der Durchbrechungen.
Vorteilhaft können die Durchbrechungen und die genannten Aufweitungen entsprechend zueinander konisch ausgebildet sein, um einen gleichmäßigen Kraftangriff unter Vermeidung von Seiten- und Querkräften zu erreichen.
Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Aufweitungen und die Durchbrechungen als Kugel-Pfanne-Anordnung auszubilden.
Vorteilhaft werden dabei mindestens zwei Hängeelemente an der Decke des Brennofens befestigt und die Befestigung erfolgt in der Form, daß diese Hängeelemente teilweise durch die Decke des Brennofens geführt und dort oberhalb der Decke arretiert werden.
Die Tragbalken befinden sich vorteilhafterweise mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Hängevorrichtung unmittelbar unterhalb der Ofendecke und es können an diesen mit weiteren Hilfskonstruktionen zum Aufhängen die zu brennenden Rohlinge aufgehängt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine thermisch und mechanisch hochbelastbare Hängevorrichtung zur Verfügung gestellt, die den zyklischen Brennbedingungen über einen großen Zeitraum standhält. Dies ist auch bei den sehr hohen Temperaturen im Brennofen bei der relativ großen Wärmeausdehnung der feuerfesten Ofeninnenauskleidung, den Wärmedurchgängen und den Temperaturgradienten, die insbesondere im Verankerungsbereich der Ofendecke zu berücksichtigen sind, der Fall.
Bei der bevorzugt zu verwendenden Verankerung der Hängeelemente oberhalb der Ofendecke, treten an diesem während der Hochtemperaturphase ein Temperaturgradient bis zu 1.400 °C auf. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Hängevorrichtung kann die entsprechende Wärmeabführung und die unterschiedliche Wärmeausdehnung der anderen Ofenkonstruktionsmaterialien ausgeglichen werden und es treten keine mechanischen Verspannungen in einer Größenordnung auf, die zum Bruch oder anderweitiger Zerstörung an den erfindungsgemäß zu verwendenden Elementen führt und demzufolge Havarien, die zu Ausschuß und Produktionsausfällen mit den entsprechenden erhöhten Kosten führen können, sind vermeidbar.
Ein weiterer Vorteil, den die erfindungsgemäß ausgebildete Hängevorrichtung mit sich bringt, ist die Möglichkeit, daß die zu brennenden Rohlinge und dabei insbesondere die zu brennenden Ofenrollen sehr dicht und unmittelbar unterhalb der Ofendecke angehängt werden können, so daß eine leichte Zugänglichkeit zur Aufhängung und wieder Abnahme ermöglicht wird und außerdem der im Brennofen zur Verfügung stehende Raum optimal genutzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Hängevorrichtung hat dabei den Vorteil, daß, obwohl die an den Tragbalken angreifende Last als reine Zugbelastung auftritt, die eigentlich bei einer Keramikkonstruktion vermieden werden sollte, da Keramiken eine um den Faktor 10 bis 100 geringere Zugfestigkeit im Vergleich zur Druckfestigkeit hat, trotzdem einsetzbar sind. Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet außerdem, insbesondere durch die Gestaltung der formschlüssigen Verbindung zwischen Hängeelement und Tragbalken erhöhte Biege-, Zug- und/oder Torsionsspannungen, die zu lokalen Spannungsüberhöhungen und dementsprechend zu Brüchen der verschiedenen Bauteile an diesen Orten führen können.
Dem kann einmal dadurch entgegen gewirkt werden, daß eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen Tragbalken und Hängeelementen durch eine jeweils dem entsprechenden Bauelement angepaßte konische Ausbildung, im Bereich der formschlüssigen Verbindung oder eine Ausbildung als Kugel-Pfanne-Anordnung verwendet wird.
Bei der letzteren Variante wird die bevorzugt am unteren Ende der Hängeelemente ausgebildete Aufweitung, zumindest im Bereich, der im direkten Kontakt als Auflage für den Tragbalken dient, halbkugelförmig ausgebildet wird. Dabei können die verwendeten Radien für die Kugelform optimiert werden. Dem entsprechend ist der untere Bereich der Durchbrechungen in den Tragbalken, der sich an der Aufweitung der Hängeelemente abstützt, ebenfalls zumindest teilweise halbkugelförmig als entsprechende Pfanne ausgebildet, so daß Hängeelement und Tragbalken je nach dem Radiusverhältnis über einen Ringbereich die Kraft übertragen. Bevorzugt sollte ein Radiusverhältnis größer 0,5 eingehalten werden. Dadurch wird gesichert, daß auf das Hängeelement der Kraftangriff so erfolgt, daß eine entsprechende gleichmäßige Verteilung der Zugspannung wirkt und gefährliche zusätzliche überlagernde Biegemomente, die infolge von Quer- und Seitenkräften auftreten könnten, weitestgehend vermieden werden. Da lokale Zugspannungsüberhöhungen mit einer entsprechenden Ausbildung vermieden werden, ist die erfindungsgemäße Lösung wesentliche widerstandsfähiger und Brüche können vermieden werden.
Mit einer entsprechend ausgebildeten Hängevorrichtung konnten sehr hohe Lasten über den Tragbalken auf die Hängeelemente übertragen werden, so daß auf engstem Raum eine große Anzahl von zu brennenden Rohlingen angeordnet werden können.
Die besonders günstig zu verwendende Kugel-Pfanne-Anordnung bei den Hängeelementen und den Tragbalken, erlaubt eine bewegliche Anordnung zwischen diesen beiden Elementen, so daß Wärmedehnungen ohne weiteres ausgeglichen werden können und trotzdem eine gleichmäßige Spannungsverteilung gesichert bleibt. Auch andere Bewegungen, die z.B. durch die Strömungen im Brennofen hervorgerufen werden oder beim Auf- und Abhängen der Rohlinge zwangsläufig auftreten, können durch die insgesamt relativ bewegliche Konstruktion ebenfalls weitestgehend abgefangen werden.
Als geeignete Materialien für die erfindungsgemäß zu verwendenden Hängeelemente und Tragbalken sind rekristallisiertes Siliciumcarbid (R-SiC), siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC), nitridgebundenes Siliciumcarbid (N-SiC), gesintertes Siliciumcarbid (S-SiC) oder verschiedene Mischungen der genannten Siliciumcarbide.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Dabei zeigt:
Figur 1:
eine Darstellung eines Beispiels für eine erfindungsgemäße Hängevorrichtung und
Figur 2:
eine vergrößerte Darstellung der formschlüssigen Verbindung mit einer Kugel-Pfanne-Anordnung an einem Hängeelement und einem Tragbalken.
Zum Brennen von keramischen Ofenrollen als Rohlinge sollen diese, bevorzugt sehr dicht unterhalb der Ofendecke, in einem sogenannten Deckenförderofen hängend angeordnet werden können. Hierfür eignet sich eine entsprechende Tragkonstruktion zur Aufnahme der senkrecht aufgehängten Ofenrollen, bei der parallel zueinander ausgerichtete Tragbalken 2 mittels Hängeelementen 1 gehalten werden. Dabei sollte jeder Tragbalken 2 mit mindestens zwei Hängeelementen 1, bevorzugt drei Hängeelementen 1 gehalten werden. Die Hängeelemente 1 werden in einer bevorzugten Ausführung durch die Ofendecke geführt und dort oberhalb verankert. Zur Verankerung kann im Hängeelement 1 eine Nut 5 ausgebildet sein, in die eine entsprechend ausgebildete Arretierung eingreifen kann, die sich dann oberhalb der Ofendecke abstützt und die Last aufnimmt.
Am unteren Ende des Hängeelementes 1 ist dann eine Aufweitung 4 ausgebildet, auf der sich der Tragbalken 2 abstützen kann. Der Tragbalken 2 weist dabei entsprechend der Anzahl der verwendeten Hängeelemente 1 in gleichmäßigen Abständen zueinander oder in einer symmetrischen Anordnung Durchbrechungen 3 auf, durch die das jeweilige Hängeelement 1 geführt werden kann, bis sich der Tragbalken 2 an der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 abstützt.
Bei diesem Beispiel ist der untere Teil der Durchbrechung 3 des Tragbalkens 2 zumindest teilweise halbkugelförmig und der entsprechende Teil der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 dieser Form entsprechend angepaßt ausgebildet, so daß beide Teile in diesem Bereich eine Kugel-Pfanne-Anordnung bilden.
Der obere Teil des Tragbalkens 2 bildet dabei den Auflagegurt 6 für das Brenngut.
In der Figur 2 ist dann in einer vergrößerten DarStellung das Beispiel mit der erfindungsgemäß zu verwendenden Kugel-Pfanne-Anordnung deutlicher dargestellt. Zur besseren Erkennbarkeit liegt in dieser Darstellung der Tragbalken 2 nicht direkt auf der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 auf.
Bei diesem Beispiel wurde ein Kugelradius der Pfanne RP-T im Tragbalken 2 von 67 mm und beim Kugelradius RK-H an der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 von 65 mm gewählt, was ein Radiusverhältnis von RP-T : RK-H = 0,97 ergibt. Die sich daraus ergebende theoretische Kraftübertragungslinie 7 ist in Figur 2 eingezeichnet. Dabei zeigt insbesondere die Darstellung der Figur 2, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Geometrien einen gleichmäßigen Kraftangriff mit einer entsprechenden Spannungsverteilung sichern und dadurch gewährleistet wird, daß die zwar thermisch sehr stabilen Siliciumcarbide eingesetzt werden können, obwohl deren Zugfestigkeit begrenzt ist.
Beim Brennen von keramischen Ofenrollenrohlingen können diese an den Tragbalken 2 über zusätzliche nicht dargestellte Hilfsleisten aufgehängt werden und dabei je Tragbalken 2 eine Masse von ca. 450 kg bei Temperaturen von ca. 1.550 °C sicher gehalten werden, wobei sich die Betriebsfestigkeit bereits bei einer hohen Anzahl von Versuchen, bei denen keine Abrisse oder andere Beschädigungen festgestellt werden konnten, bestätigt hat.

Claims (6)

  1. Hängevorrichtung für den Einsatz in Brennöfen zur Herstellung keramischer Bauteile mit mindestens einem an einer Decke des Brennofens befestigten und eine Aufweitung (4) aufweisenden stangenförmigen Hängeelement (1) aus Siliziumcarbid und einem mit dem mindestens einen Hängeelement (1) verbundenen Tragbalken (2) aus Siliziumcarbid,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Tragbalken (2) für jedes Hängeelement (1) mit einer Durchbrechung (3) versehen ist, die an einem der Decke abgewandten Ende eine Querschnittserweiterung aufweist,
    und daß das mindestens eine Hängeelement (1) derart durch jeweils eine Durchbrechung (3) geführt ist, daß die Aufweitung (4) formschlüssig in die Querschnittserweiterung eingreift.
  2. Hängevorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das/die Hängeelement(e) (1) teilweise durch die Decke des Brennofens geführt und oberhalb der Ofendecke verankerbar ist/sind.
  3. Hängevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung(en) (3) und die Aufweitung(en) (4) zumindest teilweise konisch ausgebildet sind.
  4. Hängevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung(en) (3) und die Aufweitung(en) (4) als Kugel-Pfanne-Anordnung ausgebildet sind.
  5. Hängevorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Radiusverhältnis zwischen dem Kugelradius (RK-H) des/der Hängeelemente(s) (3) und dem Pfannenradius (RP-T) am Tragbalken (2) größer 0,5 ist.
  6. Hängevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß Hängeelement (1) und Tragbalken (2) aus rekristallisiertem Siliciumcarbid (R-SiC), siliciuminfiltriertem Siliciumcarbid (SiSiC), nitridgebundenem SiC (N-SiC) und/oder gesintertem Siliciumcarbid (S-SiC) gebildet sind.
EP97952736A 1996-12-20 1997-12-18 Hängevorrichtung für den einsatz in brennöfen zur herstellung keramischer bauteile Expired - Lifetime EP0951632B1 (de)

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EP0951632A1 EP0951632A1 (de) 1999-10-27
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