DE2123719A1 - Verfahren und Einrichtung zur Wärmebehandlung von aus Aluminium und Aluminiumlegierungen verfertigten, insbesondere gewalzten, gepreßten, gebogenen und gezogenen Produkten - Google Patents

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR WÄRMEBEHANDLUNG VON AUS
ALUMINIUM UND ALUMINIUMLEGIERUNGEN VERFERTIGTEN, INSBESONDERE GEWALZTEN, GEPRESSTEN, GEBOGENEN UND GEZOGENEN
PRODUKTEN

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Einrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen verfertigten, insbesondere gewalzten, gepressten, gebogenen oder gezogenen Produkten oder Halbfabrikaten.
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Die aua Aluminium oder aua Aluminiumlegierungen verfertigten Produkte bzw. Halbfabrikate werden je nach ihrer Verwendungsart einer Wärmebehandlung unterworfen. Der Zweck derselben kann ein verschiedener sein, z.B. Ausglühen, Anlassen, Entspannen, Härten oder eine künstliche Alterung. Die Wärmebehandlung verursacht in der Struktur des behandelten Materiales Aenderungen. Zur Erzeugung derselben ist aber auch eine Aktivierungsenergie nötig. Diese fwird allgemein in Form von Wärmeenergie an das Material übertragen« In einem solchen Fall handelt es sich um eine thermische Aktivierung. Die zufolge der Wärmewirkung auftretenden Vorgänge sind von der Temperatur und der verwendeten Behandlungszeit abhängig.

Die Durchführung der Wärmebehandlungen erfolgt allgemein in herkömmlicher Weise in öfen. Bei dieser Wärmebehandlung geht die übertragung der Wärme für gewöhnlich im Wege eines Mittels, z.B. von Luft, Gas oder Flüssigkeit vor sich» Diese, durch ein Mittel erfolgende Wärmebehandlung kann auf das Aufheizen der Aussenflache des Materiales und auch auf das Durchwärmen des inneren Teiles, auf die Inkubationswärme und auf die eigentlichen Wärmehaitungs-, Wärmebehandlungs-, bzw. Erhitzungsabschnitte aufgeteilt werden. Die Zeitdauer des ganzen Vorganges ist zufolge der Gliederung dieser Abschnitte verhältnismässig lang. Auch die kürzesten Wärmebe-Handlungen erstrecken sich auf etwa dreissig Minuten.

Die herkömmlichen öfen arbeiten in einem periodischen Betrieb. Zum Zweck der Leistungserhöhung verwendet man aber neuerlich auch öfen mit kontinuierlichem Betrieb. Das behandelte Produkt bewegt sich während der Wärmebehandlung längs des Ofens durch denselben. Die Durchlaufgeschwindigkeit ist dabei eine Punktion der Länge des Ofens und der Behandlungszeit. Die Produktion kann durch eine Erstreckung des Ofens erhöht werden. Die mit einem kontinuierlichen Betrieb arbeitenden, neuesten öfen haben eine Länge von 100 Metern erreicht. Mit der Yergrösserung des Längenmasaes der öfen sinkt aber der Wirkungsgrad des Energieaufwandes, wodurch der Energieverbrauch schliesslich unverhältnismässig grosser wird. Die Konstanthaltung der Temperatur entlang der ganzen

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Länge des Ofens ist ein {Voraus umständlicher Vorgang der durch eine entsprechende lüftung gesichert wird. Wegen den überaus grossen Längen dea durch den Ofen ziehenden Materiales, tritt in denselben zufolge der Wärmedehnung eine bedeutende Längenzunahme auf, deren Kompensierung umständlich ist. Besonders kompliziert erscheint dies bei den, einen verhältnismässig niedrigen - unter 1000 ⁰C liegenden Schmelzpunkt besitzenden Metallen, da diese eine geringe Wärmefestigkeit haben. Deshalb gestaltet sich die Führung und das störungsfreie Weiterleiten dieser Metalle schwierig, welche Aufgabe bisher auch nicht einwandfrei gelöst werden konnte. Die Investierungs- und Betriebskosten der mit kontinuierlichem Betrieb arbeitenden Öfen sind ,hoch.

Die neueste Richtung der Entwicklung der kontinuierlichen Wärmebehandlungsvorrichtungen liegt in der Anwendung von hochfrequenten Behandlungsmethoden, Diese werden aber zufolge ihrer Gegebenheiten allgemein nur zur Oberflächenhärtung verwendet und eignen sich zur gänzlichen und gleichzeitigen Durchheizung von grössere Querschnitte besitzenden Werkstücken nicht. Sie sind allgemein nur bei eine grosse Thermohysteresis besitzenden Materialien erfolgreich verwendbar. Der Wirkungsgrad dieser Einrichtungen beträgt nur einige Prozente. Das Aluminium sowie aus Aluminiumlegierungen bestehenden Produkte sind zu einer, sich auf den ganzen Querschnitt erstreckenden Wärmebehandlung nicht geeignet.

Unsere Nachforschungen ergaben, dass eine weitere Verbesserung der, bei Aluminium und Aluminiumlegierungen bisher verwendeten bekannten Wärmebehandlungsverfahren weder vom technischen noch vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt möglich ist. Deshalb waren andere Lösungen zu suchen. Im Laufe unserer Experimente hatte es sich ergeben, dass in Aluminium und Aluminiumlegierungen bei den, auf Wärmewirkung vor sich gehenden Vorgängen die mit den Molekülen der Stoffe bzw. mit den Atomen oder Ionen derselben mitzuteilende Energie die Diffusionszeitdauer bedeutend kürzt und damit die Erhaltung der Qualitätsmerkmale des Stoffes bzw. eine vorteilhafte Verbesserung derselben gleichfalls ermöglicht wird. Dies kann erfindungsgemSss durch die kontinuierliche und gleich-

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massige übergabe der Wärmeenergie entlang der Länge und dem Querschnitt des wärmebehandelten Stoffes verwirklicht werden. Die zur Wärmebehandlung notwendige Aktivationsenergie kann erfindungsgemäss durch den elektrischen Strom geaichert werden. Bei dem sich mit gleichmässiger Geschwindigkeit fortbewegenden, wärmebehandelten Produkt wird an einem bestimmten kurzen, sich z.B. auf einige Zentimeter oder auf einige Meter erstreckenden Weg, zufolge der Wärmewirkung des durchgeleiteten elektrischen Stromes die Erhitzung im ganzen Querschnitt erfolgen. Zufolge der raschen Wärmeübertragung wird die Aufheizungs- und die Wärmehaltungszeitdauer wesentlich gekürzt und sogar die. Inkubationszeit zufolge der vor sich gehenden raschen Wärmeübertragung praktisch auf Null fallen. ψ Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass dem Produkt ausser der thermischen Aktivität auch eine elektrische Aktivität erteilt wird, wodurch die Zeitdauer der tatsächlichen Wärmebehandlung, bzw. der Wärmehaltung eine wesentliche Kürzung erfährt.

Das Wesen des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass das mit wärme zu behandelnde·Aluminium oder aluminiumhält ige Material bzw. Produkt zweckmässig zwischen, in Flüssigkeit getauchten Elektroden geführt und dabei, in dasselbe im Wege der Elektroden ein sehr starker, z.B. 10 000 Ampere starker Strom von sehr niedriger, z.B. von 1 Volt Spannung geleitet wird, wodurch das Produkt, während einer Zeitdauer von 1-120 Sekunden auf die, zur Wärmebehandlung notwendige Temperatur von 400-600 ⁰C plötzlich erhitzt und hierauf abgekühlt wird, wobei sich das, durch die Erwärmung in seiner Länge ändernde produkt in seinem, zwischen den Elektroden eintretenden Erhitzungs- und dem folgenden Abkühlungs ab schnitt mit einer, mit der Massänderung proportio*· nalen Geschwindigkeit bewegt und dass das durch die Flüssigkeit der, in der Bewegungsrichtung zweiten Elektrode bereits gekühlte Produkt im Kühlabschnitt je nach Notwendigkeit noch mit einer besonderen Kühlflüssigkeit, zweckmässig mit einem Wasserstrahl weiter abgekühlt wird.

Das Wesen der, zur Durchführung des Verfahrens dienenden erfindungsgemässen Einrichtung besteht darin, dass in,

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von einander im voraus bestimmten Entfernungen vorgesehene, zur Führung und Weiterleitung des Produktes geeignete, ein·-· einstellbare Geschwindigkeit besitzende, im Erhitzunge- und in dem darauffolgenden Abkühlungsabschnitt, eine mechanische Beanspruchung des Produktes ausschliessende weiterleitende Organe, z.B. Rollen vorgesehen sind; weiters sind zwischen diesen in einstellbaren Abständen angeordnete, in strömender Flüssigkeit, z.B. in Wasser eingebrachte Elektroden und ausserdem eine, zur Speisung der letzteren dienende Speiseeinheit und eventuell noch eine besondere Kühlung, z.B. mit einem gerichteten Wasserstrahl wirkenden Kühlvorrichtung versehen ist.

Das erfindungsgemasse Verfahren, sowie die Einrichtung wird auf Grund einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeiohr nung bildet eine schematische Darstellung der Einrichtung.

Das Produkt 1 wird durch den Wärmebehandlungsabschnitt von den Rollenpaaren 2 und 7 weitergeleitet, zwischen denen im Flüssigkeitsbehälter 4 die Elektrode 2 und im Flüssigkeitsbehälter 6 die Elektrode 5 angeordnet ist. Der zwischen den Elektroden 3 und 5 liegende Teil bildet den Heizabschnitt und derzwischen der Elektrode^ und dem Rollenpaar befindliche Teil den Kühlabschnitt des behandelten Produktes. Die Elektroden 3 und 5 werden über ein Kabel aus der Speisestromeinheit 8 mit elektrischem Strom versorgt. Die die Weiterleitungsorgane bildenden Rollenpaare 2· und 7 dienen zu einer, ohne mechanische Beanspruchung erfolgenden Weiterleitung des Produktes 1. Die.beiden Rollenpaare arbeiten praktisch im Synohrongang, d.h. sie haben eine gleiche Drehzahl, wobei aber die Durchmesser der Rollen des Rollenpaare g 7 allgemein grosser sind, so dass auch ihre Geschwindigkeit in dem der bleibenden, bzw. der hysteretischen Massänderung entsprechendem Verhältnis abweicht.

Die Elektroden 3 und 5 haben eine rollenartoge, eine gleitende oder ähnliche Ausbildung und dienen im Heizabschnitt zur Zuführung des durch die Speisestromeinheit gelieferten elektrischen Stromes zum Produkt 1. Ihre Aufgabe besteht in der Zuführung des z.B. 10 000 Ampere starken Heizstromes unter einem kleinen übergangswiderstand an das

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au behandelnde Produkt. In den FlUBfdgke.it(!behältern 4 und 6 Hichert eino strömende Flüssigkeit, z.B. Wasser die Stromzuführung ohne einer, selbst bei Kontaktfehlern auftretenden Bogenbildung. Die strömende Flüssigkeit kühlt ausaer den Elektroden 3 und 5 gleichzeitig auch das bei der Elektrode !5 erhitzte Produkt 1* Die Verwendung der strömenden Flüsaigkeit ermöglicht auch die Verwirklichung eines betriebssicheren Hochleiatungsheizabachnittea. Bei Gebrauch einer Iiüft-• kühlung würden die angegebenen Vorteile der Einrichtung zufolge der wegen Kontaktfehlern auftretenden Bogenbildung in Verlust geraten. AIa Folge der wegen Kontaktfehlern auftretenden Bogenbildung entstehen an der Oberfläche des Produkte« auch Elnbrände. Das aich an die Elektroden haftende W Material erhöht in einem solchen Fall gleichfalls die Gefahr dea Einbrennens. Die Speisestromeinheit 8 der Einrichtung wird durch einen an den Netzstrom von Industriespannung geschalteten, regelbaren Transformator gebildet, der zur Umwandlung der Spannung und Stromstärke des Netzstromea zu einem Heizstrom von sehr kleiner, z.B. von 1 V Spannung und sehr hoher, z.B. von 10 000 A Stromstärke dient. Im Falle der Verwendung von Gleichstrom achliesst sich an den Ausgang der Speisestromeinheit auch noch ein Gleichriohterorgan an·

Die Länge des, zwischen der Elektrode 5 und dem Rollenpaar 7 liegenden Kühlabschnittes kann, falls notwendig auf ein Minimum verringert d.h. daa Rollenpaar 7.kann ganz bis zu dem Flüssigkeitsbehälter 6 verlegt werden. In einem solchen Fall hat eigentlich nur die Elektrode 5 eine Heizwirkung.

Soll im Kühlabachnitt eine intensive Kühlwirkung erreicht werden, so wird die Kühlung In dem erhitzten Teil mit, auf daa bereits durch die Elektrode 5 gekühlte Material gerichtete Flüssigkeit - zweckmäsaig mit einem Waaaeratrahl durchgeführt, der durch eine besondere Einrichtung hergestellt wird. Die intensive Kühlung wird zweckmässig im Kühlabachnitt vorgenommen, kann aber in besonderen Fällen auch nach der Rolle 7 durchgeführt werden.

Die Fortbewegungs- bzw. Arbeitsgeschwindigkeit dea Produktes 1 in der pfeilrichtiinR und die Stromstärke der

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BAD ORIGINAL

Elektroden 3 und 5 kann im voraua bestimmt werden. Die Regelung erfolgt im Laufe dea Betriebes bei einer konstanten Arbeitsgeschwindigkeit auf eine konstante Stromdichte. Die Temperatur wird durch die intermittierende oder Kontinuierliche event, durch die automatische Einstellung der Stromdichte geregelt. Die Temperatur der Heisshaltung ist mit beliebiger Genauigkeit einstellbar. In Kenntnis des spezifischen elektrischen Widerstandes des Materiales kann im Falle eines konstanten Querschnitts und der erhitzten Länge des Produktes die Temperaturregelung mit den elektrischen Parametern des Speisestromes bzw. mit einer Regelung auf konstante Stromdichte verwirklicht werden. So kann mit der Regelung der elektrischen Leistung die Geschwindigkeit der Wärmebehandlung, bzw. die Durchlaufgeschwindigkeit des Materiales und die Länge des Heizabschnittes innerhalb eines weiten Geschwindigkeitsbereiches von einander unabhängig gehalten werden.

Der Raum des Erhitzungsabschnittes kann mit einem, die Wärmestrahlung reflektierenden, von auasen wärmeisolierten Schutzmantel bekleidet sein, wodurch die thermischen Yerluste auf einen Minimalwert herabsetzbar werden, woraus folgend der Wirkungsgrad der Einrichtung wesentlich verbessert wird.

Da~s aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verfertigte Produkt wird mit einem in Längsrichtung weiterleitenden Organ in den, durch zwei Elektroden begrenzten Erhitzungsabschnitt eingebracht, wo die Erhitzung des Produktes erfolgt. Mit dem, nach dem Erhitzungsabschnitt vorgesehenen Förderorgan wird dem Produkt eine solche Geschwindigkeit erteilt, dass dasselbe sowohl in dem Erhitzungsabschnitt als auch in dem nachfolgenden Kühlungsabschnitt trotz den, durch Wärmewirkung verursachten Massänderungen keinerlei mechanische Beanspruchung erleidet. Das gewünschte Mass der Erhitzungstemperatur kann während des Betriebes durch Regelung der Stromdichte eingestellt werden. Es ist zweckmässig die Regelung in einer automatischen Ausfiihrung zu lösen. Die Regelung der Stromdichte erfolgt durch die Regelung des, den Speisestrom liefernden Netztransformators.

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Mit den Fortbewegungsorganen wird die gleichmässige Eingangs- und Ausgangsgeschwindigkeit des Produktes gesichert. Diese Geschwindigkeiten des Produktes werden durch die, auf die Wärmewirkung erfolgende Massänderung des Materiales bestimmt . Der Wert derselben ist während des Betriebs konstant.

Zwischen den, den Erhitzungsabschnitt begrenzenden Elektroden wird durch das Produkt eine elektrische Verbindung hergestellt. Mit dem, in die Elektroden eingespeisten Strom von - z.B. eine Stärke von 10 000 A und einer Spannung von 1 V wird das Produkt während einer kurzen, z.B. 1-120 Sekunden wirkenden Zeitdauer plötzlich z.B* auf eine, zwi-P sehen 400-600 ⁰C liegende Temperatur erhitzt.

Das Produkt wird mit Gleichstrom oder mit einem,.eine industrielle Frequenz besitzenden Wechselstrom erhitzt. Durch die Regelung der Temperatur der Wärmebehandlung mittels Re-, gelung der Stromdichte zwischen 100 und 600 C kann irgendeine beliebige Temperatur mit grosser Genauigkeit unter einer Abweichung von ± 2 C eingestellt werden. Die sehr kurze, z.B. durch eine Zeit von 10 Sekunden dauernde Wärmebehandlung ermöglicht eine grosse Durchlaufgeschwindigkeit des Produktes ohne Schädigung der mechanischen oder physikalischen Eigenschaften desselben. Zufolge des verhältnis-■ massig kurzen, z.B. einige Zentimeter eventuell einige Meter k langen Erhitzungsabschnittes, werden die Schwierigkeiten der Weiterleitung des eine hohe Temperatur besitzenden und daher eine verringerte Festigkeit besitzenden .wärmebehandelten Materiales überaus vereinfacht.

Die über die, am Ende des Erhitzungsabschnittes befindliche Elektrode strömende Flüssigkeit verwirklicht bereits den Anfang des Kühlvorganges. Im Kühlabschnitt wird der, durch die Wärmebehandlung erzeugte Zustand, bzw. die Genauigkeit des mit der Wärmebehandlung erzeugten Zustandes fixiert, bzw. die genaue Regelung der Abkühlungsgeschwindigkeit gesichert.

Wünscht man im Kühlabschnitt eine intensive Kühlung zu verwenden, kann dies mit einer Flüssigkeit, zweokmässig durch einen, auf das Produkt gerichteten Wasserstrahl durchgeführt »erden. 10 9 8 4 9/1201

BAD ORIQEWAL

Bei der erfindungagemäaaen Einrichtung kann die gegenseitige Entfernung der beiden Fortbewegungsorgane sowie der beiden Elektroden - entsprechend den Umständen des Warmebe- . handlimgsverfahrens - leicht geändert werden. Die Geschwindigkeit der Förderorgane kann unabhängig von einander ei"gestellt werden.

Bei dem herkömmlichen Wärmebehandlungsverfahren beträgt die Zeitdauer der Wärmebehandlung z.B. 30-40 Minuten," während diese Zeitdauer bei dem erfindungsgemäaaen Verfahren z.B. nur zwischen 0,5-1 Minuten liegt.

Mittels der kurzen Behandlungszeit und dem kurzen Erhitzungsabschnitt wird eine Methode dafür gesichert, dass die Wärmebehandlung innerhalb von gegebenen Grenzen an den möglichen höchsten Temperaturen durchgeführt und dadurch die Zeitdauer dee Verfahrens auf ein Minimum herabgesetzt werden kann. In einzelnen optiraalen^Fällen kann die Zeitdauer der Heisshaltung so weit herabgesetzt werden, dass die Wärmebehandlung selbst aus einem einzigen kurzzeitigen Abschnitt besteht. Ein Vorteil hievon liegt darin, daaa durch die kurze Wärmebehandlungadauer die Gefahr der Bildung von Grobkorn behoben wird.

Die Wärmebehandlung erfolgt plötzlich und verläuft entlang der Länge und des Querschnitts gleichmässig ao dass wärmehandelte Materialien herstellbar sind die üb.er. sehr strengen Toleranzmesszahlen betreffend der Materialquaütät verfügen. Betriebsmässig können Wärmebehandlungen von so kurzer Zeitdauer - wie z.B. ein Wärmestoss, preventive Wärmebehandlungen, Vereiterung, usw. verwirklicht werden, mit denen die Eigenschaften der Materialien in bedeutendem Masse verbesserbar sind, was bisher nur in Laboratorienquanten durchführbar war.

Das erfindungsgemäese Verfahren und die Einrichtung sind in vorzüglicher Weise dazu geeignet, eine fortlaufende Wärmebehandlung bei Produkten, die in Form von langen Fäden oder in endloser Gestalt, mittels Walzen, Pressen, Ziehen oder durch Gusswalzen hergestellt wurden und in Form von Halbfabrikaten, wie Stangen, Profilstücke, Bänder, Drähte ■ etz. vorliegen, behandeln zu können.

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In letzterer Zeit verbreiten sich in der Industrie.betriebsmässige Verfahren zur Herstellung von solchen Halbfabrikaten, in deren Rahmen die Kalt- und Warmverformung mittels fortlaufenden Methoden und verhältniomäesig hoher Geschwindigkeit erfolgt. Bei diesen Verfahren bildet jener Umstand eine ernste Schwierigkeit, dass die in die Reihenfolge der, die Halbfabrikate herstellenden technologischen Vorgänge unumgänglich einzuschaltenden Warmebehandlungsvorgänge den fortlaufenden Herstellungsvorgang unterbrechen. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäBaen Wärmebehandlungaverfahrens liegt darin, dass zufolge der grosaen ProduktIonsfähigkeit gegebenenfalls zwischen die Formungsvorgänge die Wärmebehandlung so eingeschaltet werden kann, dass dadurch die Herstellung der Halbfabrikate, z.B. im Falle der Herstellung von gehärteten Drähten, weiters'mittels einer Biegemethode hergestellten aus legierten Aluminiumbändern erzeugte gehärtete und veredelte Profilstücke, in komplexer Weise kontinuierlich gestaltet werden können.

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Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur wärmebehandlung von aus Aluminium und aus Aluminiumlegierungen verfertigten, insbesondere von gewalzten, gepressten, gebogenen und gezogenen Produkten, dadurch gekennze ichne t, dass das Produkt zwischen zweckmässig in Flüssigkeit vorgesehenen Elektroden geführt wird, in das Produkt über die Elektroden ein, eine fallweise eingestellte Stromdichte besitzender, eine sehr hoche - z.B. eine Stärke von 10.000 Ampere aufweisender und eine sehr kleine Spannung - z.B. 1 Volt Spannung - besitzender Strom geleitet wird und mit diesem, durch eine gewählte Zeitdauer von zwischen 1 und 120 Sekunden auf die, zur Wärmebehandlung notwendige, zweckmässig zwischen 400-600 ⁰C liegende Temperatur plötzlich erhitzt und dann abgekühlt wird, wobei das zufolge der Erhitzung und Abkühlung sich in seiner Abmessung ändernde produkt mit einer, mit der Massänderung proportionalen Geschwindigkeit bewegt und schliesslich das, durch die Flüssigkeit der, in der Bewegungsrichtung zweiten Elektrode bereits gekühlte Produkt, der Notwendigkeit entsprechend, mit einer Flüssigkeit, zweckmässig durch einen Wasserstrahl welter gekühlt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung und Weiterleitung des Produktes (1) geeignete, eine einstellbare Geschwindigkeit besitzende, im Erhitzungsabschnitt die mechanische Beanspruchung des Produktes ausschliessende Förderorgane, z.B. Rollen (2, 7) und zwischen diesen, in einstellbarer Entfernung angeordnete, durch eine, mit einem geregelten Transformator versehene SpeiBeeinheit (8) gespeiste, zweckmässig in strömender Flüssigkeit, z.B· in Wasser angeordnete Elektroden (3,5) vorgesehen sind und dass dieselbe ausserdem noch mit einer Flüssigkeit, z.B. mit einem Wasserstrehl wirkende Kühlvorrichtung hat.

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