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Die Erfindung bezieht sich auf den Hüttenbetrieb und ist für die Herstellung von zum Walzen vorgesehenen Barren aus einer Aluminiumlegierung mit vorgegebenen Eigenschaften bestimmt.
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Bekannt sind folgende Dokumente, die Verfahren und Vorrichtungen zur Kristallisation von Aluminiumlegierungen behandeln:
RU 79563 ,
1082310 ,
1088653 ,
2039830 ,
2055682 ,
53193 ,
2299924 ,
2312156 . In diesen technischen Lösungen kommt jedoch die Form nicht mit solchen Geschwindigkeiten ins Drehen, die eine g-Belastung ab 20 G erreichen, und 250 G erst recht nicht.
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Die in der modernen Industrie entwickelten und weit verbreiteten Aluminiumlegierungen lassen sich in zwei Kategorien teilen: (Walz-)Knetlegierungen und Gusslegierungen. Zu den Knetlegierungen gehören insbesondere Aluminium-Magnesium-Legierungen. Eine Erhöhung des Magnesiumanteils in der Legierung würde zu einer starken Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften führen. Beispielsweise steigt die Festigkeitsgrenze, die Korrosionsbeständigkeit usw. Im Rahmen der heutzutage in der Welt existierenden Kristallisationsverfahren ist es unmöglich, (Walz-)Knetlegierungen mit einem Magnesiumgehalt über 6% zu schaffen. Nach dem Walzen werden diese Legierungen instabil und verlieren ihre Nutzungseigenschaften.
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Es ist ferner ein Kristallisator bekannt, der ein vertikales, zylindrisches Gehäuse mit einem Boden, eine im Gehäuse befindende Rühreinrichtung, die aus einer vertikalen Welle und aus daran längs der Wellenhöhe befestigten Flügelschaufeln besteht und die einen Wellenantrieb enthält, wobei das Gehäuse mit einem zylindrisch-konischem Ring ausgestattet ist, der in einem Abstand um die Welle mit den Flügelschaufeln montiert ist und dessen konischer, nach unten schrumpfender Teil über dem Gehäuseboden liegt; jede Flügelschaufel der Rühreinrichtung besteht dabei aus zwei in Form eines Paraboloidteils gebogenen Platten, die vertikal so miteinander befestigt sind, dass die unteren Ränder sich auf einer Linie befinden, wobei die Fläche einer Platte größer als die Fläche einer anderen Platte ist und jede obenliegende Flügelschaufel bezüglich der untenliegenden Flügelschaufel um 40–50° gewendet ist und die Welle der Rühreinrichtung drehbar montiert ist, wobei die unteren Flügelschaufeln Stellen aufweisen, die außerhalb des konischen Teils des Rings liegen und so ausgeführt sind, dass die Form ihrer unteren Ränder gleich der Bodenform des Gehäuses ist (
RU 22039830 ).
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Die Nachteile dieser technischen Lösung sind die minderwertige Barrenqualität, die mit der unvermeidlich auftretenden Polykristallinstruktur zusammenhängt, die praktisch keine dominierende Kristallorientierung hat, und auch die Komplexität der Konstruktion, die mit der Notwendigkeit einer Rühreinrichtung zusammenhängt.
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Ferner ist eine technische Lösung bekannt, die eine Gewinnung von Barren aus Aluminiumlegierungen mit vorgegebener Kristallstruktur und mit vorgegebenen Eigenschaften in einem Gravitationsfeld unter Anwendung eines schleuderbasierten Kristallisators vorsieht, der ein drehbar montiertes, zylindrisches Gehäuse mit einem Boden, einem Deckel und einer vertikalen Welle aufweist, die in Lagern montiert ist und mit einem Wellenantrieb versehen ist (
RU 2312156 ).
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Die Nachteile dieser bekannten, technischen Lösung sind das Fehlen einer konstruktiven Lösung, die in der Praxis eine Gewinnung der Legierung mit einer vorgegebenen Kristallstruktur im Gravitationsfeld sichert, und ferner die Inhomogenität der Oberflächenschicht der Barren, die mit einer Interaktionsmöglichkeit der zu kristallisierenden Schmelze mit den Gehäusewänden in Gravitationsfeldverhältnissen zusammenhängt; als Ergebnis verschlechtert sich die Barrenqualität; es findet eine schnellere Abnutzung des Gehäuses unter Einwirkung der Schmelze im Gravitationsfeld statt, und die funktionalen Möglichkeiten werden begrenzt, bedingt durch die Begrenzung der Drehgeschwindigkeit. Damit ist es im Rahmen der heutzutage in der Welt existierenden Technologien unmöglich, (Walz-)Knetlegierungen mit einem Magnesiumgehalt über 6% zu schaffen. Nach dem Walzen werden diese Knetlegierungen instabil und verlieren ihre Nutzungseigenschaften.
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Die technische Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines leistungsfähigen Kristallisators und eine Erweiterung der Typenreihe von Kristallisatoren für Aluminiumlegierungen. Das technische Ergebnis, das eine Lösung der gestellten Aufgabe sicherstellt, besteht darin, dass eine praktische Herstellung von Barren aus Aluminiumlegierungen in einem Gravitationsfeld vorgenommen wird, dass die Barrenqualität aufgrund der Ausschließung einer thermischen Deformation des Behälters, in dem die Kristallisierung vorgeht, und der Ausschließung der Wechselwirkung der Barren mit den Gehäusewänden verbessert ist, dass der Bestand des Gehäuses aufgrund eines Schutzes gegen die Hochtemperaturschmelze sichergestellt ist und dass auch die funktionalen Möglichkeiten zur Gewinnung von Legierungen mit unterschiedlichen Strukturen aufgrund einer Erweiterung des Geschwindigkeitsbereichs der Lager, aufgrund einer Minimierung der Streuung von thermischen Deformationen des Behälters, in der die Kristallisation vorgeht, und aufgrund einer Optimierung der Bedingungen der Wechselwirkung der Barren mit den Gehäusewänden erweitert sind, dass die maximale Lebensdauer des Gehäuses aufgrund eines Schutzes gegen eine Einwirkung der Hochtemperaturschmelze sichergestellt ist und dass auch die funktionalen Möglichkeiten zur Gewinnung von Legierungen mit unterschiedlicher Struktur aufgrund einer Erweiterung des Geschwindigkeitsbereiches der Lager erweitert sind. Der Kristallisator gemäß der Erfindung optimiert zusätzlich die Bedingungen der Kristallisation bei einer Drehung mit einer Geschwindigkeit, die eine g-Belastung der Schmelze im Bereich von 20 G bis zu 250 G gewährleistet, durch Beschleunigung von Diffusionsvorgängen in den Schmelzen im Stadium der Kristallstrukturbildung. Als Ergebnis werden Legierungen mit bedeutend, nämlich um 25–30%, verbesserten Nutzungseigenschaften erzielt. Der Begriff ”Nutzungseigenschaften” umfasst recht viele der konkreten Eigenschaften. Abhängig von der Bestimmung einer Legierung, kann diese mit einer hohen Festigkeitsgrenze hergestellt werden; eine andere Legierung kann mit einem hohen Plastizitätswert gewonnen werden, und in irgendeiner anderen Legierung kann eine einkristalline Struktur erreicht werden.
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Der Schwerpunkt der Erfindung besteht darin, dass der Kristallisator ein drehbar montiertes, zylindrisches Gehäuse mit einem Boden, einem Deckel und einer in Lagern montierten, mit einem Drehantrieb versehenen, vertikalen Welle enthält, wobei das Gehäuse und der Deckel mit einer Zweischichtverkleidung der inneren Oberfläche ausgestattet sind; dabei ist eine Schicht der Verkleidung als eine Art Ausfütterung ausgeführt, die mit einem thermostabilen Klebstoff an der Gehäusewand befestigt ist, während die andere Schicht der Verkleidung aus Feinkorngrafit hergestellt und mit einem thermostabilen Klebstoff an der Ausfütterung befestigt ist; dabei sind die Lager in einem Block angeordnet, der eine Kühlmittelzuführung aufweisen kann. Vorzugsweise sind die Lager als konische Axial-Radiallager ausgeführt, und der Wellendrehantrieb ist als Abtriebsscheibe eines biegsamen Antriebs, z. B. eines Keilriemenantriebs, ausgeführt. Der Deckel hat einen Ringabsatz zur Platzierung in einer Ringnut, die zusätzlich im Gehäuseflansch ausgeführt ist. Der Gehäuseboden ist mit einer Öffnung versehen, in der eine Hülse mit einer konischen Öffnung zur Wellenmontage befestigt ist. Der Lagerblock ist mit kombinierten Stopfbüchsen ausgerüstet, die durch eine Grafitschnur und eine Metallgummimanschette gebildet sind. Das Gehäuse ist aus einem hitzebeständigen Stahl gefertigt. Die grafitartige Verkleidungsschicht ist aus Feinkorngrafit gefertigt, und ihre Stärke entspricht der Hälfte der Stärke der ausfütterungsartigen Verkleidung. Die Ausfütterungsschicht ist z. B. aus einem 30 mm dicken Schamottestein gefertigt, und die Grafitschicht ist 15 mm dick. Der Kristallisator ist mit Mitteln zur Kontrolle der Gehäusetemperatur und der Temperatur der kristallisierenden Schmelze ausgestattet. Die Ausfütterung ist aus einem leichten, hitzebeständigen Material mit einer Reindichte von 1,0–1,8 g/cm3 und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,14–0,72 Watt/m·K gefertigt, und die zweite Schicht ist mit einem Innendurchmesser von 300–3000 mm und mit einer Höhe von der Bodenausfütterung bis zu der Deckelausfütterung von 50–1000 mm ausgestattet; die Ausfütterungsschicht ist z. B. aus einer wollastonitbasierten Keramik gefertigt.
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In der beigefügten 1 ist ein Konstruktionsschema des Kristallisators gezeigt. Der Kristallisator besteht aus einem Behälter zur Schmelzkristallisation in Form eines zylindrischen Gehäuses 1, das beispielsweise folgende Abmessungen aufweisen kann: Durchmesser 1000 mm, Höhe 400 mm und Wandstärke 25 mm. Im unteren Teil des Gehäuses 1 ist ein Boden 2 mit einer Stärke von 25 mm aus dem hitzebeständigen Stahl 12X18H10T eingeschweißt. Die Höhe des Gehäuses 1 beträgt z. B. 400 mm. Der obere Teil des Gehäuses 1 ist mit einem Flansch 19 versehen, in dem acht Gewindebohrungen 3 mit einem Gewinde M14 zur Befestigung eines Deckels 4 angeordnet sind, der z. B. eine Stärke von 15 mm aufweist. Der Flansch 19 weist eine Ringnut 5 auf, und im Deckel 4 ist ein Ringabsatz 6 angeordnet, der beim Zuschrauben mit Schrauben 7 in die Ringnut 5 gelangt und der damit dem oberen Teil des Gehäuses 1 des Kristallisators die benötigte Robustheit verleiht.
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Die inneren Oberflächen des Gehäuses 1 und des Bodens 2 sind mit einer Zweischichtverkleidung versehen, d. h., sie sind mit einer Schicht 8 aus einem leichten, hitzebeständiges Material, z. B. einem Schamottestein oder einer wollastonitbasierten Keramik, mit einer Reindichte von 1,0–1,8 g/cm3 und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,14–0,72 Watt/m·K ausgefüttert. Die Schicht 8 wird durch eine Schicht 9 aus einem hitzebeständigen Klebstoff befestigt. Nach dem Austrocknen des Klebstoffs werden die Oberflächen der Schicht 9 abgedreht, um einen Rundlaufschlag und einen Axialschlag zu beseitigen und um damit eine Nichtausgeglichenheit der ganzen Konstruktion auszuschließen. Auf den abgedrehten Oberflächen wird mittels eines hitzebeständigen Klebstoffs eine zweite Schicht 10 der Ausfütterung mit einer Stärke von z. B. 15 mm aus einem Feinkorngrafit der Marke MGP-7 befestigt. Die Schicht 10 ist mit einem Innerdurchmesser der Ausfütterung von 300–3000 mm und mit einer Höhe von der Bodenausfütterung bis zur Deckelausfütterung von 50–1000 mm ausgeführt. Nach der Austrocknung des Klebstoffs wird die Oberfläche der Schicht 10 unter der Bedingung einer Neigungsbildung von 3° an der Seitenoberfläche und von 1° am Boden 2 endgültig abgedreht.
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Im Boden 2 des Gehäuses 1 ist eine Hülse 20 eingeschweißt, die eine konische Öffnung (nicht gezeigt) hat, in der eine Welle 11 des Kristallisators hineinpasst, die dessen Drehachse ist. Das Gehäuse 1 wird auf der Welle 11 durch eine Schraubenmutter (nicht gezeigt) mit der Möglichkeit des Mitlaufs mit der Welle 11 befestigt. Die Welle 11 ist in Lagern montiert, wozu sie vertikal in einen Lagerblock 12 kommt, in dem sich zwei konische Axial-Radiallager 13 befinden (die Anzahl von Lagern kann 3, 5, 10 usw., aber nicht weniger als 2 sein). Im oberen Teil und unteren Teil des Lagerblocks 12 sind kombinierte Stopfbüchsen 14 angeordnet, die durch eine Grafitschnur 15 und Metallgummimanschetten (Gummimetallmanschetten) 16 gebildet und für eine Abdichtung des Lagerblocks 12 bestimmt sind, in dem ein Kühlmittel, z. B. ein Hochtemperaturöl, zirkuliert. Das Hochtemperaturöl seinerseits kommt aus einem Tank (nicht gezeigt), der aus Aluminium gefertigt ist. Beim Durchpumpen des Öls leitet der Tank die Wärme des erwärmten Öls ab und kühlt dieses. Die Ölzirkulation wird mit einer Pumpe (nicht gezeigt) angetrieben, die in diesem Tank installiert ist.
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Im unteren Teil der Welle 11 ist eine Abtriebsscheibe 18 montiert, die von einem 12 kW starken Gleichstrommotor (nicht gezeigt) über einen biegsamen Antrieb (nicht gezeigt) angetrieben wird. Die Kontrolle und Steuerung des Kristallisators werden mittels einer Konsole vorgenommen, die eine Überwachung und Veränderung der Umdrehungen des Kristallisators, der Temperatur des Gehäuses 1 vor dem Einfüllen der Schmelze und der Schmelzetemperatur selbst vom Zeitpunkt des Einfüllens bis zum Zeitpunkt des Ausziehens eines fertigen Barrens steuert.
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Ein entsprechend dieser technischen Lösung gefertigter Kristallisator kann folgende Eigenschaften besitzen:
- – ein Kristallisator mit einem minimalen Nutzdurchmesser von 300 mm kann sich mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 345–1221 U/min oder mit einer Winkelgeschwindigkeit von 313,16–1221 rad/s drehen. Die genannten Werte entsprechen einer minimalen (20 G) und maximalen (250 G) g-Belastung,
- – ein Kristallisator mit einem maximalen Nutzdurchmesser von 3000 mm kann sich mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 109,2–386,2 U/min. oder von 11,44–40,44 rad/s drehen, so dass die minimale (20 G) g-Belastung und die maximale (250 G) g-Belastung entsprechend gleich ist; außerdem soll eine Nutzhöhe h· des Kristallisators angegeben werden, d. h. die Höhe von der Ausfütterung des Bodens bis zu der Ausfütterung des Deckels, die in einem Bereich von 50–1000 mm liegen soll; daher kann ein Kristallisator mit einem Durchmesser von 300 mm eine Nutzhöhe von 50–1000 mm aufweisen. Das Gleiche gilt für einen Kristallisator mit einem Durchmesser von 3000 mm.
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Der Kristallisator arbeitet folgendermaßen:
In einem vorgeheizten Kristallisator, der sich mit einer solchen Geschwindigkeit dreht, die für eine Orientierung der Schmelze am Außendurchmesser des Bodens 2 entlang benötigt wird, wird über die Öffnung im Deckel 4 eine Aluminiumschmelze mit einer Temperatur um 750–900°C eingefüllt. Die Verkleidung mittels der Schichten 8, 10 lässt keine rasche Erhitzung und keine thermische Deformation des Gehäuses 1 zu. Sofort nach Beendigung des Einfüllungsvorgangs steigt die Umlaufzahl der Welle 11 mit dem Gehäuse 1 des Kristallisators bis auf denjenigen Wert an, die der g-Belastung der Schmelze im Bereich von 20 G bis 250 G unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft entspricht.
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Beim Durchpumpen von Öl durch den Block 12 wird Wärme abgeleitet, und das Gehäuse 1 mit der Schmelze wird abgekühlt. Die Zuführung von Kühlmittel in den Block 12 ermöglicht damit einen Betrieb der Lager 13 in einem breiten Bereich der Winkelgeschwindigkeiten. Die Kristallisation der Schmelze wird von einem starken Gravitationsfeld begleitet. Der Einfluss des Gravitationsfelds auf die sich kristallisierende Schmelze gleicht dem Arbeiten von entsprechenden Unterkühlungsfeldern darin. Die Einwirkung des Gravitationsfelds intensiviert die Diffusion in der Schmelze aus Aluminiumlegierung, wobei diese Diffusion zu einer Gewinnung von Einlagerungs-Substitutionsmischkristallen mit kleinsten Absetzungen von Eutektika führt.
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Bei einer Drehung, die eine g-Belastung im Bereich von 20–250 G in einer Schmelze sichert, ändern sich die Bedingungen der Zusatzmittelkristallisation durch eine Beschleunigung des Diffusionsverfahrens in Schmelzen im Stadium der Bildung der Kristallstruktur. Das dabei erreichte, technische Ergebnis besteht in einer Gewinnung von Legierungen mit bedeutend (bis 25–30%) verbesserten Nutzeigenschaften.
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Als Ergebnis hat ein Barren sogar bei etwas Polykristallaufbau eine dominierende Kristallorientierung in einer vorgegebenen Richtung, die nicht weniger als 80–85% aller möglichen Orientierungen ausmacht. Die Lebensdauer der Schmelze beträgt 12–15 s/kg. Die Schichten 8–10 sind aus einem passiven, amorphen Material hergestellt und sichern eine Erhaltung des Gehäuses 1 gegen ein Abbinden mit Aluminium unter dem Einfluss des Gravitationsfelds; sie sichern die Schmelze und danach den Barren gegen ein Eindringen von Fremdstoffen in das Kristallgitter aus dem Material des Gehäuses 1.
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Nach der Kristallisierung (Übergang in einen festen Zustand) der Schmelze werden die Drehungen der Welle 11 des Kristallisators für eine bestimmte Zeit, die für die Erreichung eines vorgegebenen Temperaturwerts des Barrens benötigt wird, aufrechterhalten, und danach werden die Drehungen bis zu einer Vollbremsung des Gehäuses 1 des Kristallisators vermindert. Im Gehäuse 1 wird ein Barren in einer Ringform gewonnen, der bei Erreichung einer bestimmten Temperatur des Gehäuses 1 des Kristallisators und nach dem Öffnen des Deckels 4 mit einer speziellen Vorrichtung herausgenommen wird. Das Verhältnis ”K” des Außendurchmessers des Barrens zu seiner Höhe liegt in einem Bereich von 2,5–10, und die Wandstärke des Barrens wird vorzugsweise als Produkt K·20 bestimmt
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Als Ergebnis wird die beste Kombination von Festigkeit und Plastizität der gewonnenen Legierung erzielt: die Festigkeitsgrenze liegt bei 320–330 MPa bei einer relativen Dehnung von 30–40%. Ein derart gewonnenes Material kann als Konstruktionsmaterial in der Autoindustrie verwendet werden.
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Demgemäß wurde ein wirksamer Kristallisator entwickelt, der in der Praxis eine Gewinnung einer Legierung mit einer Kristallstruktur in einem Gravitationsfeld gewährleistet, und die Typenreihe von Kristallisatoren für Aluminiumlegierungen wurde damit erweitert.
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Dabei wurde die Barrenqualität durch einen Ausschluss von thermischen Deformation des Behälters, in der die Kristallisation stattfindet, und durch einen Ausschluss der Kupplung der Barren mit den Gehäusewänden erhöht und eine Erweiterung von Funktionalitäten aufgrund einer Erweiterung des Bereichs der Drehgeschwindigkeiten der Lager gewährleistet.
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Die Anwendung dieses Kristallisators zur Gewinnung von Aluminiumlegierungen ermöglicht eine reale Gewinnung von (Walz-)Knetlegierungen mit einem Magnesiumgehalt von 10–15–20%, der seinerseits zu einer bedeutenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung führt. Als Ergebnis kann ein Aluminiumblech gewonnen werden, das fest wie Stahl und leicht wie Aluminium ist. Aus einer solchen Aluminiumlegierung können verschiedene Bauteile (Rahmen von Autos, Flugzeugen und dergleichen) durch eine plastische Deformation gewonnen werden. Infolge der einzigartigen Festigkeit der Aluminiumlegierung können Rahmen von Autos, Flugzeuge und dergleichen noch leichter werden.
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Demgemäß wurde ein wirksamer Kristallisator entwickelt, der in der Praxis eine Gewinnung einer Legierung mit einer Kristallstruktur in einem Gravitationsfeld gewährleistet, und die Typenreihe der Kristallisatoren für Aluminiumlegierungen wurde erweitert.
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Dabei wurde die Barrenqualität durch einen Ausschluss der thermischen Deformation des Behälters, in dem die Kristallisation stattfindet, und durch einen Ausschluss der Kupplung von Barren mit der Gehäusewand erhöht, und eine Erweiterung der Funktionalitäten aufgrund einer Erweiterung des Bereichs der Geschwindigkeiten der Lager in Kombination mit dem Drehantrieb gewährleistet, der eine Drehung des Gehäuses bezüglich seiner Achse in vertikalem Stand mit einer Drehgeschwindigkeitseinschränkung abhängig von dem Intervall der benötigten g-Belastungen im Bereich von 20 G bis zu 250 G gewährleistet.
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Die vorliegende Erfindung ist mittels einer universellen, leicht zugänglichen, modernen Ausrüstung realisierbar, die in der Industrie weit verbreitet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 79563 [0002]
- RU 1082310 [0002]
- RU 1088653 [0002]
- RU 2039830 [0002]
- RU 2055682 [0002]
- RU 53193 [0002]
- RU 2299924 [0002]
- RU 2312156 [0002, 0006]
- RU 22039830 [0004]
