EP2179630B1 - Modularer elektro-reduktionsofen - Google Patents

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EP2179630B1
EP2179630B1 EP08801485.7A EP08801485A EP2179630B1 EP 2179630 B1 EP2179630 B1 EP 2179630B1 EP 08801485 A EP08801485 A EP 08801485A EP 2179630 B1 EP2179630 B1 EP 2179630B1
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EP
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furnace
vessel
reduction furnace
electric reduction
electrodes
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EP08801485.7A
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English (en)
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Roland König
Karl-Heinz Kummer
Jürgen Kunze
Detlef Strieder
Hartmut Schmieden
Rolf Degel
Axel Weyer
Patrick Henke
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SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Siemag AG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B4/00—Electrothermal treatment of ores or metallurgical products for obtaining metals or alloys
    • C22B4/08—Apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16—Remelting metals
    • C22B9/22—Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
    • C22B9/226—Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation by electric discharge, e.g. plasma
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Electric arc furnaces ; Tank furnaces
    • F27B3/08—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Electric arc furnaces ; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat
    • F27B3/085—Arc furnaces
    • 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
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D2001/0046—Means to facilitate repair or replacement or prevent quick wearing
    • F27D2001/0053—Furnace constructed in modules

Definitions

  • NE non-ferrous metals
  • the object is achieved with the characterizing features of claim 1, characterized in that the electric reduction furnace is completely dismantled from any interchangeable modules is formed, for power levels above 5 MVA as the power limit applies an uneconomical expectant overall construction, depending on the design and use of the Furnace u. a. for example, to support strain stresses, and that the dimensions and structure of the electric reduction furnace with respect to the furnace vessel, the side walls, the floor, the ceiling and the arrangement of the electrodes by using single and / or multiple modules with different dimensions and materials individually variable designable and, for example, for industrial ovens required for different processes different hearth heights are changed in a simple manner.
  • the modular design with quickly exchangeable segments, whereby single or multiple modules can also be welded constructions, makes it easier to adapt to different experimental objectives from, for example, the field of non-ferrous metals and slag cleaning, the production of steel due to their suitability for as many electrical modes of operation as experimental furnace and ferroalloys and the metallurgical waste recycling. Also for the testing of refractory and sidewall cooling concepts (channel cooling, trickle cooling, various copper cooling concepts), this multifunctional electric reduction furnace according to the invention is ideally suited.
  • the modular design facilitates by the transfer of individual elements after their probation in the industrial scale, the project planning and custom design just smaller ovens, which then according to the invention can also be put together from a "kit".
  • such smaller ovens can then be used, for example, at a later process or product change in a simple and fast way to adapt to the changed conditions.
  • the sidewalls of the furnace vessel are subdivided into vascular rings of possibly different heights for rapid height and lining adaptation, which in turn are divided into vascular ring segments, for example halves or thirds.
  • These vessel ring segments sometimes have different tasks and, accordingly, sometimes different heights.
  • a metal tapping segment and a slag tapping segment may overlap, while the segment on the opposite side is as high as the metal tapping segment and the slag tapping segment together.
  • individual standardized, for example, curved, trained vessel ring segments which are linked together in any desired number, it is also possible, for example, to form pseudo-round and / or angular vessel rings with different-sized diameters.
  • the electric reduction furnace according to the invention thus goes away from the welded steel construction and also from the idea that an oven necessarily has to be round outside to absorb expansion forces. These can also be chained curved elements.
  • an electric reduction furnace 1 is shown in a perspective side view. It consists essentially of a furnace vessel 2 with a side wall 3, a bottom 4 and a ceiling 5. Through existing in the ceiling openings 5 are held from above into the furnace vessel 2 held on electrode arms 8 electrodes 6, wherein the vertical displacement of the electrodes. 6 the electrode arms 8 are movably mounted on guide frame 9. In this case, the electrode arms 8 additionally serve to hold the supply of electrical energy required for operation by means of a high-current path 10. Documentation of the modular design and a view into the furnace vessel 2 was made in the Fig. 1 one of originally three existing sidewall segments 30 (see. Fig. 2 ), which form the side wall 3, and a correspondingly large portion of the bottom 4 is removed. On one of the remaining side wall segments 30 (see. Fig. 2 ), a melting trough 23 is arranged.
  • FIG. 2 In the FIG. 2 are the two side wall segments 30 (in the figure left with the melting channel 23 and right with belonging bottom section 4) of Fig. 1 individually shown in a perspective side view.
  • the sidewall segments 30 are made of individual superimposed vascular ring segments 21, wherein one is provided as Metallabstichsegment or Schlackenabstichsegment with a melting channel 23.
  • the bottom 4 is formed of two superimposed layers 41, 42, wherein for use of the bottom 4 as a bottom electrode 7, the top layer 41 can be made for example of an electrically conductive material.
  • FIG. 4 shows in a plan view of a pseudo-circular vessel ring 20, which is formed in this embodiment of five standardized, curved vessel ring segments 22, which are releasably interlinked with each other.
  • the number of five vascular ring segments 22 used here can be changed as desired, with three vascular ring segments 22 interlinked as a meaningful lower limit, which then result in a 3-cornered furnace vessel, while a larger number more closely approximate the round shape.
  • One possible embodiment of such a chain 24 is in the FIG. 5 shown, wherein each vessel ring segment 22 is suspended in the adjacent vessel ring segment 22 from above.
  • FIG. 6 A possible arrangement of the electrodes 6 with their electrode arms 8 and the electrical connections 11 is in the FIG. 6 shown. From this representation, the freely adjustable within the furnace vessel 2 (within a correspondingly formed opening in the furnace lid, which may be preferably designed in a y-shape) of the electrodes 6 can be seen, which is required to realize different interconnections can.
  • Switch S1 S2 S3 S4 S5 Switch positions: DC operation with three electrodes and bottom electrode OUT ONE ONE ONE ONE DC / AC operation with one electrode and bottom electrode OUT OUT ONE OUT ONE DC operation with two electrodes without bottom electrode ONE ONE OUT ONE OUT DC operation with two electrodes and bottom electrode OUT ONE OUT ONE ONE AC operation with three electrodes without bottom electrode OUT ONE ONE ONE OUT OUT

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Elektro-Reduktionsofen mit beliebiger, beispielsweise runder oder rechteckiger, Querschnittsform des Ofengefäßes, der bei Ferrolegierungs- und NE-Prozessen (NE = Nichteisenmetalle) zu Versuchszwecken und in vereinfachter Bauform unter Wegfall der Versuchsoptionen als industrieller SAF (Submerged Arc Furnace) einsetzbar ist.
  • Bekannte kleinere Elektro-Reduktionsöfen erfordern genau wie größere Öfen jeweils ein komplettes Engineering. Einmal errichtete Öfen können mechanisch nur noch schwer angepasst bzw. geändert werden. Eine mögliche Standardisierung beschränkt sich auf Maße und Bauarten, jedoch weniger auf die universelle Einsetzbarkeit einzelner Bauteile. Hinsichtlich der elektrischen Betriebsweise können bekannte Öfen wechselweise auch in verschiedenen Verschaltungen betrieben werden, wozu aber oftmals zuvor mechanische Bauteile aufwändig umgebaut oder gar gewechselt werden müssen, was im Regelfall individuelle Lösungen erforderlich werden lässt.
  • Bei kleinen Öfen fallen zusätzlich die Engineering-Kosten überproportional ins Gewicht, da sie mit der Ofengröße nicht abnehmen, sondern in weiten Teilen eine Art "Fixkosten" darstellen. Änderungen an bestehenden Öfen - ob groß oder klein - sind sehr aufwändig. Es besteht deshalb die Schwierigkeit, kleine Öfen zu vermarkten, da dem Markt nur schwer vermittelbar ist, dass die Kosten für Engineering und Fertigung kleiner Öfen nicht im gleichen Maße wie die Nenn - Leistungen sinken.
  • Dokument EP-A-1286 123 offenbart ein modelaren Elektro-Reduktionsofen.
  • Ausgehend von diesem geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen kleineren flexiblen Reduktionsofen anzugeben, der es ermöglicht, preisgünstig zu projektierende und dennoch prozessspezifisch anpassbare Reduktionsöfen für den Versuchsbetrieb bzw. für eine entsprechende industrielle Verwendung entwerfen zu können.
  • Die gestellte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Elektro-Reduktionsofen komplett zerlegbar aus beliebig austauschbaren Modulen ausgebildet ist, wobei für Leistungsstärken oberhalb von 5 MVA als Leistungsgrenze eine unwirtschaftlich werdende Gesamtkonstruktion gilt, die je nach Ausführung und Verwendung des Ofens u. a. beispielsweise zur stützenden Aufnahme von Dehnungsspannungen erforderlich ist, und dass die Abmessungen und der Aufbau des Elektro-Reduktionsofens bezüglich des Ofengefäßes, der Seitenwände, des Bodens, der Decke sowie der Anordnung der Elektroden durch Verwendung einzelner und/oder mehrerer Module mit unterschiedlichen Abmessungen und Materialien individuell variabel gestaltbar und beispielsweise für industriell genutzte Öfen die für unterschiedliche Prozesse erforderlichen unterschiedlichen Herdhöhen in wesentlich einfacher Weise veränderbar sind.
  • Die modulare Bauform mit schnell austauschbaren Segmenten, wobei einzelne oder mehrere Module auch Schweißkonstruktionen sein können, erleichtert durch ihre Eignung für möglichst zahlreiche elektrische Betriebsweisen bei der Anwendung als Versuchsofen die Anpassung an unterschiedliche Versuchsziele aus beispielsweise dem Gebiet der Nichteisenmetalle und Schlackenreinigung, der Herstellung von Stahl und Ferrolegierungen und der Hüttenreststoffverwertung. Auch für die Prüfung von Feuerfest- und Seitenwandkühlkonzepten (Kanalkühlung, Rieselkühlung, verschiedene Kupferkühlkonzepte) ist dieser erfindungsgemäße multifunktionale Elektro-Reduktionsofen bestens geeignet.
  • Die modulare Bauform erleichtert durch die Übertragung einzelner Elemente nach ihrer Bewährung in den industriellen Maßstab die Projektierung und individuelle Gestaltung gerade kleinerer Öfen, die dann erfindungsgemäß gleichfalls aus einem "Baukasten" zusammengestellt werden können. Mit Vorteil lassen sich derartige kleinere Öfen dann beispielsweise bei einem späteren Prozess- oder Produktwechsel in einfacher und schneller Weise an die geänderten Verhältnisse anpassen.
  • So sind die Seitenwände des Ofengefäßes zur schnellen Höhen- und Ausmauerungsadaption in Gefäßringe mit möglichen unterschiedlichen Höhen unterteilt, die wiederum in Gefäßringsegmente geteilt sind, beispielsweise in Hälften oder Drittel. Diese Gefäßringsegmente besitzen teilweise verschiedene Aufgaben und dementsprechend teilweise auch verschiedene Höhen. So können beispielsweise vorne ein Metallabstichsegment und ein Schlackenabstichsegment übereinander liegen, während das Segment auf der gegenüberliegenden Seite so hoch wie das Metallabstichsegment und das Schlackenabstichsegment zusammen ist. Durch Verwendung einzelner standardisierter, beispielsweise gebogen, ausgebildeter Gefäßringsegmente, die in beliebiger Anzahl miteinander verkettet werden, können beispielsweise auch pseudorunde und/oder eckige Gefäßringe mit unterschiedlich großem Durchmesser gebildet werden. Der erfindungsgemäße Elektro-Reduktionsofen geht somit weg von der geschweißten Stahlkonstruktion und auch von der Vorstellung, dass ein Ofen zwangsläufig außen rund sein muss, um Dehnungskräfte aufzunehmen. Dies können auch verkettete gebogene Elemente.
  • Die modulare Bauform schließt auch die individuell möglichen unterschiedlichen elektrischen Betriebsweisen ein. So kann beispielsweise der Boden des Elektro-Reduktionsofens aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt werden, um Versuche mit einer Bodenelektrode durchzuführen. Weiterhin wird durch eine entsprechende Geometrie der Elektrodendurchführung sowie einer intelligenten Verschaltung des elektrischen Anschlusses ein AC- und DC-Betrieb und die Anwendung zahlreicher unterschiedlicher elektrischer Betriebsweisen ermöglicht, wobei folgende, teilweise auch für die Verwendung im industriellen Maßstab geeignete änderbare elektrische Betriebsweisen durchführbar sind:
    • * DC-Betrieb und 1 bis 3 Elektroden mit Bodenelektrode,
    • * AC/DC-Betrieb und 1 Elektrode mit Bodenelektrode,
    • * DC-Betrieb mit 2 Elektroden ohne Bodenelektrode,
    • * DC-Betrieb mit 2 Elektroden mit Bodenelektrode,
    • * AC-Betrieb mit 3 Elektroden direkt am Drei-Phasen-Netz für kleine Leistungen,
    • * AC-Betrieb mit 3 Elektroden in üblicher Verschaltung und Steuerung.
  • Zusammengefasst sind dabei folgende Vorteile durch den Elektro-Reduktionsofen der Erfindung gegeben:
    • Möglichkeit, auch ohne AC-Elektrik einen AC-Betrieb mit 3-Elektroden im DC-Betrieb hinsichtlich des Stromflusses nachahmen zu können,
    • schnelle Korrektur z. B. der Herdhöhe bei industriellen Ofengrößen,
    • rationellere Konstruktion und Fertigung, insbesondere von selteneren Ofentypen,
    • vereinfachte Wartung und Kontrolle des Ofens im Betrieb,
    • schneller Austausch einzelner Segmente,
    • Möglichkeit der Lagerhaltung einzelner Bauteile,
    • schnelles Engineering durch Verwendung eines modularen Baukastensystems,
    • Möglichkeit der Vorbereitung späterer Umbauten.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an in schematischen Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Elektro-Reduktionsofen mit fehlendem Seitenwandsegment in einer perspektivischen Seitenansicht schräg von oben,
    Fig. 2
    zwei Seitenwandsegmente in einer perspektivischen Seitenansicht,
    Fig. 3
    einen Elektro-Reduktionsofen in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
    Fig. 4
    einen aus standardisierten Gefäßringsegmenten gebildeten pseudorunden Gefäßring,
    Fig. 5
    eine Verkettung von standardisierten Gefäßringsegmenten,
    Fig. 6
    eine Elektrodenanordnung in einer Draufsicht,
    Fig. 7
    einen elektrischen Schaltplan.
  • In der Figur 1 ist ein Elektro-Reduktionsofen 1 in einer perspektivischen Seitenansicht dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Ofengefäß 2 mit einer Seitenwand 3, einem Boden 4 und einer Decke 5. Durch in der Decke 5 vorhandene Öffnungen sind von oben in das Ofengefäß 2 an Elektrodenarmen 8 gehaltene Elektroden 6 eingeführt, wobei zur vertikalen Verschiebung der Elektroden 6 die Elektrodenarme 8 an Führungsrahmen 9 beweglich befestigt sind. Die Elektrodenarme 8 dienen hierbei zusätzlich zur Halterung der für den Betrieb erforderlichen Zuführung elektrischer Energie mittels einer Hochstrombahn 10. Zur Dokumentation der modularen Bauweise und um einen Blick in das Ofengefäß 2 zu ermöglichen, wurde in der Fig. 1 eines von ursprünglich drei vorhandenen Seitenwandsegmenten 30 (vgl. Fig. 2), die die Seitenwand 3 bilden, sowie ein entsprechend großes Teilstück des Bodens 4 entfernt. An einem der verbleibenden Seitenwandsegmente 30 (vgl. Fig. 2) ist eine Schmelzrinne 23 angeordnet.
  • In der Figur 2 sind die beiden Seitenwandsegmente 30 (in der Abbildung links mit der Schmelzrinne 23 und rechts mit zugehörendem Bodenteilstück 4) der Fig. 1 in einer perspektivischen Seitenansicht einzeln dargestellt. Die Seitenwandsegmente 30 sind aus einzelnen übereinander liegenden Gefäßringsegmenten 21 aufgebaut, wobei eines als Metallabstichsegment oder als Schlackenabstichsegment mit einer Schmelzrinne 23 versehen ist.
  • Zur weiteren Verdeutlichung der erfindungsgemäßen modularen Bauform des Elektro-Reduktionsofens 1 ist dieser in der Figur 3 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung abgebildet. Einzelne Bauteile des Elektro-Reduktionsofens 1 sind auf diese Weise gegenüber der Figur 1 klarer zu erkennen. So ist erkennbar, dass der Boden 4 aus zwei übereinander liegenden Schichten 41, 42 gebildet ist, wobei zur Verwendung des Bodens 4 als Bodenelektrode 7 die obere Schicht 41 beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt werden kann.
  • Die Figur 4 zeigt in einer Draufsicht einen pseudorunden Gefäßring 20, der in diesem Ausführungsbeispiel aus fünf standardisierten, gebogenen Gefäßringsegmenten 22 gebildet ist, die lösbar untereinander verkettet sind. Die hier verwendete Anzahl von fünf Gefäßringsegmenten 22 ist beliebig veränderbar, wobei als sinnvolle untere Grenze drei miteinander verkettete Gefäßringsegmente 22 gelten, die dann ein 3-eckiges Ofengefäß ergeben, während eine größere Anzahl sich der runden Form weiter annähert. Eine mögliche Ausführung einer derartigen Verkettung 24 ist in der Figur 5 dargestellt, wobei jedes Gefäßringsegment 22 in das benachbarte Gefäßringsegment 22 von oben eingehängt wird.
  • Eine mögliche Anordnung der Elektroden 6 mit ihren Elektrodenarmen 8 sowie den Elektroanschlüssen 11 ist in der Figur 6 dargestellt. Aus dieser Darstellung ist die innerhalb des Ofengefäßes 2 frei zueinander mögliche Verstellbarkeit (innerhalb einer entsprechend ausgebildeten Öffnung im Ofendeckel, die vorzugsweise y-förmig ausgestaltet sein kann) der Elektroden 6 ersichtlich, welche erforderlich ist, um verschiedene Verschaltungen realisieren zu können. Eine mögliche elektrische Verschaltung hierzu für Gleichstrom (=) oder Wechselstrom (~) ist dem in der Figur 7 wiedergegebenen Schaltplan zu entnehmen. Er zeigt die Schalter S2, S3 und S4 für die Elektroden 6 sowie die Schalter S1 und S5 für die Bodenelektrode 7. Mit dieser Verschaltung sind dann folgende Betriebsweisen möglich:
    Schalter: S1 S2 S3 S4 S5
    Schalterstellungen: DC-Betrieb mit drei Elektroden und Bodenelektrode
    AUS EIN EIN EIN EIN
    DC/AC-Betrieb mit einer Elektrode und Bodenelektrode
    AUS AUS EIN AUS EIN
    DC-Betrieb mit zwei Elektroden ohne Bodenelektrode
    EIN EIN AUS EIN AUS
    DC-Betrieb mit zwei Elektroden und Bodenelektrode
    AUS EIN AUS EIN EIN
    AC-Betrieb mit drei Elektroden ohne Bodenelektrode
    AUS EIN EIN EIN AUS
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektro-Reduktionsofen
    2
    Ofengefäß
    3
    Seitenwand
    4
    Boden
    5
    Decke
    6
    Elektrode
    7
    Bodenelektrode
    8
    Elektrodenarm
    9
    Führungsrahmen
    10
    Hochstrombahn
    11
    Elektroanschluss
    20
    Gefäßring
    21
    Gefäßringsegment
    22
    standardisiertes Gefäßringsegment
    23
    Schmelzrinne
    24
    Verkettung
    30
    Seitenwandsegment
    41, 42
    den Boden bildende Schichten
    S1 - S5
    Schalter
    ~
    Wechselstrom (AC-Betrieb)
    =
    Gleichstrom (DC-Betrieb)

Claims (5)

  1. Elektro-Reduktionsofen (1) mit beliebiger Querschnittsform des Ofengefäßes (2)
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ofen aus beliebig austauschbaren Modulen gebildet ist, und zwar
    - aus einem den Boden (4) bildenden Bodenmodul,
    - zusammengesetzt die Seitenwände (3) bildenden Seitenwandmodulen, die aus Gefäßringen (20) gleicher oder unterschiedlicher Höhe bestehen,
    - einen Metallabstich - und einem Schlackenabstichelementmodulen, sowie
    - einem die Decke (5) bildenden Deckelmodul, mit unterschiedlichen Öffnungen für die Durchführung der Elektroden (6).
  2. Elektro-Reduktionsofen (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass einzelne oder mehrere Module Schweißkonstruktionen sind.
  3. Elektro-Reduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Boden (4) zur Verwendung als Bodenelektrode (7) mit einer aus einem elektrisch leitenden Material gefertigten Schicht (41) versehen ist.
  4. Elektro-Reduktionsofen (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gefäßringe (20) auch in Gefäßringsegmente (21, 22) unterteilt sein können, mit beispielsweise Hälften oder Dritteln eines Ringes.
  5. Elektro-Reduktionsofen (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
    eine runde oder rechteckige Querschnittsform des Ofengefäßes (2).
EP08801485.7A 2007-07-18 2008-07-15 Modularer elektro-reduktionsofen Not-in-force EP2179630B1 (de)

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DE102007033760 2007-07-18
DE102008017010A DE102008017010A1 (de) 2007-07-18 2008-04-03 Modularer Elektro-Reduktionsofen
PCT/EP2008/005753 WO2009010266A2 (de) 2007-07-18 2008-07-15 Modularer elektro-reduktionsofen

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EP2179630A2 EP2179630A2 (de) 2010-04-28
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ZA (1) ZA201000288B (de)

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WO2009010266A2 (de) 2009-01-22
ZA201000288B (en) 2010-09-29
EP2179630A2 (de) 2010-04-28
WO2009010266A3 (de) 2009-04-02
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