DE2451645A1

DE2451645A1 - Verfahren und vorrichtung zum vergiessen von metallschmelze in ein aufnahmegefaess

Info

Publication number: DE2451645A1
Application number: DE19742451645
Authority: DE
Inventors: Robert Duncan Hind
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1973-10-31
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1975-05-15
Also published as: GB1483732A; JPS50112228A; US3941281A

Description

Licht, Schmidt, Hansmann & Herrmann Patentanwälte Licht, Hansmann, Herrmann ■ 8 München 2 - Theresienstr. 33

2451645 Patentanwälte

München: Dipl.-Ing. Martin Licht

Dipl.-Wfrtsch.-Ing. Axel Hansmann Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Oppenau: Dr. Reinhold Schmidt

8 München 2
Theresienstraße 33

30. Oktober 1974 Ke/Ba

USS ENGINEERS AIMD CONSULTANTS, INC.
BQO Grant Street
Pittsburgh, Pennsylvania
U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Vergießen von Metallschmelze in ein Aufnahmegefäß

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergießen von Metallschmelze, beispielsweise Stahlschmelze, in ein Aufnahmegefäß.

Bei vielen in der Gießereitechnik verwendeten Verfahren wird verlangt, während des Gießvorganges Metallschmelze aus einem Behälter mit einer kontrollierten oder gesteuerten Geschwindigkeit bzw. Menge abzugießen oder zu" vergießen.

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Beispielsweise kann gewünscht werden, daß die Strömungsmenge während des größeren Teils des Gießvorganges konstant bleibt. Zu Beginn und am Ende des Gießvorganges können dann kleinere Strömungsmengen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich sein. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit bzw. -menge nicht in geeigneter Weise gesteuert wird, können die metallurgischen Eigenschaften der aufeinanderfolgend aus derselben Schmelze gegossenen Blöcke in unerwünschter Weise variieren» Auch beim Stranggießen wird verlangt, daß die Metallschmelze in einem Zwischengießgefäß kontinuierlich wieder aufgefüllt wird„ während der Gießvorgang fortschreitet, und daß die der Kokille zufließende Schmelzenmenge konstant bleibt, um dadurch eine gleichmäßige Abziehgeschwindigkeit des Gußstranges aus der Kokille zu erreichen.

Bisher ist es unmöglich gewesen, auf einfache Art von einem mit einer Bodenausgussöffnung versehenen Gießgefäß, beispielsweise einer Gießpfanne, einen gesteuerten oder konstanten Schmelzenabfluß zu erreichen, und zwar aus zweierlei Gründen. Der erste Grund bestand darin, daß die statische Druckhöhe an einer Austragsöffnung sich in dem Maße ständig ändert, wie die Metallschmelze aus der Öffnung ausfließt und der Schmelzenspiegel in der Gießpfanne sinkt. Der zweite Grund ist darin zu sehen, daß der Schmelzenfluß durch eine Öffnung hindurch diese erodieren kann, wodurch sich die Öffnung vergrößert. Das Erosionsproblem lässt sich grundsätzlich weitgehend lösen, wenn die Austragsöffnung aus geeigneten hitzebeständigen Materialien, wie sie jetzt erhältlich sind, hergestellt wird. Das Problem jedoch, das sich aus der Änderung der statischen Druckhöhe ergibt, bleibt bestehen.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Vergießen von Metallschmelze in ein Aufnahmegefäß eine Möglichkeit zu schaffen, durch die das genannte zweite Problem ebenfalls gelöst wird.

Erfindungsgemäß wird zu diesem'Zweck eine Vorrichtung geschaffen, durch die Metallschmelze mit einer gesteuerten Geschwindigkeit, in ein Aufnahmegefäß eingefüllt werden kann. Diese Vorrichtung weist ein Beschickungsgefäß mit einer Austragsöffnung auf, die durch ein Schieberventil gesteuert wird und dazu dient, die Schmelze aus dem Beschickungs· gefäß in das Aufnahmegefäß zu füllen. Desweiteren ist eine Einrichtung zur Betätigung des Schieberventils vorhanden, mit der die Durchflußmenge gesteuert wird, und die allein aufgrund einer Überwachung des Gesamtgewichts eines der Gefäße arbeitet und dafür einen Belastungsfühler verwendet. Die Vorrichtung weist ferner einen Steuerschaltkreis auf, der nur ein zeitvariables Signal, das von dem Fühler kommt, miteinem vorher eingestellten Bezugssignal vergleicht, das eine gegebene Durchflußmenge darstellt, und der Bin Ausgangssignal erzeugt, das einen Ventilantrieb aufgedrückt wird, der dazu dient, die Einstellung des Ventils zu steuern. In der Praxis fällt das Gesamtgewicht kontinuierlich, wenn Metallschmelze aus dem Beschickungsgefäß ausströmt, während das Gesamtgewicht des Aufnahmegefäßes gleichzeitig "dementsprechend sich vergößert. Durch Bestimmung eines dieser Gewichte erhält man ein Maß für die tatsächliche durch die Öffnung gelangende Strömungsmenge. Der Steuerschaltkreis bewirkt die erforderliche Änderung der Ventileinstellung, um die tatsächliche Strömungsmenge

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bzw= -geschwindigkeit an die gewünschte anzupassen. Somit ist die Möglichkeit gegeben, die Auswirkung der Änderung der sfetischen Druckhöhe auf die Gießgeschwindigkeit auszuschalten .

Das Beschickungsgefäß kann ein mit einer Bodenausgußöffnung versehener Gießbehälter, beispielsweise eine Gießpfanne sein. Es kann jedoch auch ein zwischengeschaltetes Puffergefäß sein, beispielsweise ein Vakuumentgasungsgefäß oder ein Zwischengießgefäß, wie es bei Stranggießanlagen Verwendung findet,' und in letzterem Fall lässt sich dann der Fluß der aus dem Zwischengießgefäß in die Stranggießkokille eintretenden Schmelze durch Überwachung des Gewichts des Zwischengießgefäßes steuern.

Bei einem herkömmlichen Gießvorgang, bei dem eine mit einer Bodenausgußöffnung versehene Gießpfanne eine Reihe Formen aufeinanderfolgend beschickt, wird der Belastungsfühler in gewöhnlicher Weise zur Überwachung des Gesamtgewichtes der Gießpfanne benutzt. Erfindungsgemäß wird nun die Möglichkeit geboten, die Gußkörper unter im wesentlichen einheitlichen Bedingungen zu gießen. Bei einem Stranggießverfahren lässt sich jedoch auch vorzugsweise stattdessen das Gewicht eines die Schmelze aufnehmenden Zwischengießgefäßes überwachen. Das Ventil des Beschickungsgefäßes oder der Gießpfanne kann dann so gesteuert werden, daß das Gewicht des Zwischengießgefäßes konstant bleibt, wodurch in dem Gefäß ein konstanter Schmelzenspiegel aufrechterhalten wird.

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Üblicherweise, wobei dies jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, weist der Belastungsfühler eine oder mehrere Belastungszellen auf, die vorzugsweise Druckmeßdosen sind. Bei der im Detail zu beschreibenden Ausführungs form der Erfindung differenziert der Steuerschaltkreis das Ausgangssignal des Belastungsfühlers hinsichtlich der Zeit. Das sich dann ergebende Signal wird einem Differenzverstärker aufgedrückt, der ein vorher eingestelltes zweites Eingangssignal empfängt, das die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit bzw. -menge darstellt. Der Differenzverstärker erzeugt dann ein Fehlerausgangssignal, um den Ventilantrieb zu steuern. Der Ventilantrieb weist in der bevorzugten Ausführungsform einen doppelt wirkenden Hydraulikkolben auf, der von einem elektrisch betätigten DurchfluBsteuerventi1 gesteuert wird, an das das besagte Ausgangssignal abgegeben wird. Das DurchfluBsteuerventi1 kann durch einen Servoantrieb oder einen Magnetantrieb verstellt werden, und entspricht vorzugsweise einer druckkompensierten Type'. Alternativ dazu kann der Ventilantrieb auch vollständig elektrisch sein, wobei dann der Antrieb mit einem Motor arbeitet, beispielsweise einem Servomotor, einer Magnetspule oder dergleichen, die so angeordnet sind, daB sie die lineare Bewegung des Gleitschieberventils in Abhängigkeit von dem Fehlerausgangssignal bewirken.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Vergießen von Metallschmelze in ein Aufnahmegefäß mit gesteuerter Geschwindigkeit geschaffen, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren befindet sich die Metallschmelze in einem Beschickungsgefäß und wird aus diesem Ge-

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faß durch öffnen eines Gleitschieberventils im Beschickungsgefäß in ein Aufnahmegefäß ausgetragen» Das Gewicht des einen oder anderen Gefäßes und seines Inhalts wird während des Gießens überwacht, und die Gewichtsmeßwerte werden elektrisch mit einem vorher festgesetzten Bezugswert verglichen. Daraus ergibt sich ein Steuersignal, das zur Änderung der Einstellung des Ventils dient, um dadurch den aus dem Beschickungsgefäß austretenden Metallschmelzenstrom zu steuern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Fließbild einer Stahlgießanlage und

Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer Einzelheit der in Fig. 1 gezeigten Anlage.

Die in Fig. 1 gezeigte Stahlgießanlage weist einen Behälter 10 für die Metallschmelze auf, die vergossen werden soll, beispielsweise in eine oder mehrere nicht dargestellte Formen. Der Behälter 10 hat die Form einer mit einer Bodenausgußöffung 11 versehenen Gießpfanne. Die Öffnung 11 wird durch ein Schieberventil 12 geöffnet und geschlossen. Das Schieberventil weist eine Austragsdüse 13 auf, durch die die Metallschmelze hindurchläuft, wenn der Schieber 14 geöffnet ist. Diejenigen Teile des Schiebers 14, die der Metallschmelze ausgesetzt sind, bestehen aus einem erosionsbeständigem Material. Ein in dieser Hinsicht befriedigendes Material hat einen hohen Aluminiumoxydgehalt, der normalerweise im Bereich

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zwischen 85 und 95 Gew.% liegt. Dieses Material besitzt eine hohe Dichte und ist hochtemperaturfest. Stattdessen kann jedoch auch Zirkonoxyd Verwendung finden. Außerdem lassen sich Materialien benutzen, die den Aluminiumoxydaufbau verhindern, wenn aluminiumberuhigte Stähle vergossen werden. Beim Vergießen gewisser Stähle ist erwünscht, daß die Teile des Schiebers 14, die der Metallschmelze ausgesetzt sind, basisch sind. Ein geeignetes basisches Material ist Magnesit.

Ein Ventilantrieb 15 ist an den Schieber 14 angeschlossen und dient zur Bewegung dieses Schiebers zwischen seiner Öffnungsstellung und seiner Schließstellung. Wie ausider Zeichnung hervorgeht, hat der Antrieb die Form eines doppelt wirkenden Hydraulikkolbens. Der Antrieb ist über ein Paar Leitungen 16 mit einem reversiblen, hydraulischen Steuerventil 17 gekoppelt. Das hydraulische Stauerventil steht seinerseits über die Leitungen 18 und 19 mit einer hydraulischen Druckmittelquelle und einem Reservoir in Verbindung. Das hydraulische Steuerventil kann entweder durch Servoantrieb gesteuert werden oder mit Magnetspule betätigt werden.

Eine konstante Fließgeschwindigkeit der aus der Pfanne austretenden Metallschmelze lässt sich durch entsprechendes Verstellen der Austragsöffnung 11 mit Hilfe des Schiebers 14 erreichen. Die exakte Lage oder Überdeckung des Schiebers 14 mit der GffnungH wird in diesem Falle als Funktion des momentanen Gewichts der Gießpfanne und ihres Inhalts eingestellt. Zu diesem Zweck wird eine Belastungszelle 20

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benutzt, die zwischen einer Gießpfannenauflage 21 und einem Pfannenschlitten 22 angeordnet ist.

Ein Signal, das das Gewicht 1 der Gießpfanne und das Gewicht ihres Inhalts kennzeichnet, wird von der Belastungszelle 20 erzeugt und einer differenzierenden Schaltung der Ventilstaiereinheit 24 zugeleitet= Die differenzierende Schaltung 23 erzeugt ein Ausgangssignal l/t, dessen Höhe die Abnahme der auf die Zelle 20 einwirkenden Belastung in Abhängigkeit von der Zeit darstellt, wenn die Metallschmelze aus der Gießpfanne 10 ausfließt= Das Ausgangssignal l/t gibt somit die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit an, mit der die Metallschmelze aus der Gießpfanne vergossen wird. Das Ausgangssingal l/t wird als ein Eingangssignal 26 einer Vergleichs vorrichtung oder einem Differenzverstärker 27 zugeführt» Der Verstärker 27 empfängt an seinem zweiten Eingang 28 ein Bezugssignal, das von einem vorher eingestellten Signalerzeuger 30 abgegeben wird. Das Bezugssignal ist so eingestellt* daß es einer gewünschten Strömungsmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit entspricht. Sobald die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit von dem verlangten Wert abweicht, erscheint an dem Ausgang des Verstärkers 27 ein Fehlersignal. Das Fehlersignal 31 wird in einem Verstärker 32 in geeigneter Weise verstärkt und dann dem Servoantrieb oder Magnetspulenantrieb zugeleitet, der das hydraulische Steuerventil 17 steuert.

Das Vorzeichen des Fehlersignals, also entweder positiv oder negativ, hängt davon ab, ob die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit größer oder kleiner ist als der vorher eingestellte, gewünschte Wert. In Abhängigkeit von dem Vor-

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zeichen und der Größe des Fehlersignals arbeitet dann das Steuerventil 17, um den Antriebskolben und damit den Schieber 14 über eine Strecke in einer solchen Richtung zu bewegen, daß die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit auf den verlangten Wert gebracht wird. In der Praxis wird der Schieber 14 in zunehmendem Maße geöffnet, um eine konstante Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, wenn Metallschmelze aus der Gießpfanne 10 ausströmt und damit die statische Druckhöhe an der Öffnung 11 abfällt. Es versteht sich, daß in den Fällen, in denen der Schieber 14 nicht auf diese.Weise geöffnet wird, die Strömungsgeschwindigkeit sich in dem Maße verkleinern würde, wie der Gberflächenspiegel der Metallschmelze in der Gießpfanne 10 sinkt.

Es versteht sich ferner, daß die Belastungszelle 20 wie eine Druckmeßdose arbeitet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 2 gezeigt. Hierbei ist die Gießpfanne 10' an einem Überkopfkran aufgehängt, wobei die Belastungszelle 20' ein Teil der Aufhängung 33 bildet.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung eignet sich insbesondere dann, wenn eine Reihe Kokillenformen beschickt werden sollen. Die Einrichtung ist aber auch für das Beschicken das Zwischen· gießgefäßes einer Stranggießanlage verwendbar. Wenn sie jedoch für den letzteren Fall benutzt wird, Iä3-at sich eine größere Empfindlichkeit mit Hilfe einer einfachen Abänderung erreichen. Anstelle der Ermittlung der Gewichtsänderung der die Schmelze aufnehmenden Gießpfanne wird dann

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die Belastungszelle zur Überwachung des Gewichtes des Zwischengießgefäßes und seines Inhalts benutzt» Das Ausgangssignal der Belastungszelle dient zur Kontrolle der Austragsgeschwindigkeit aus der Gießpfanne in das Zwischengießgefäß, so daß das Gesamtgewicht des Zwischengießgefäßes innerhalb der gewünschten Grenzen bleibt. Auf diese Weise lässt sich ein im wesentlichen konstanter Flüssigkeitsspiegel in dem Zwischengießgefäß erhalten, und auch die Strömungsgeschwindigkeit bzw= -menge der das Zwischengießgefäß verlassenden und in die Gießform gelangenden Schmelze lässt sich steuern.

Man erkennt, daß sich die Strömungsgeschwindigkeitssteuerung dazu benutzen lässt, einen konstanten Schmelzenfluß zu erhalten. Alternativ dazu kann die Strömungsgeschwindigkeitssteuerung für einen Profilgießvorgang verwendet werden, und zwar insbesondere in den Fällen, in denen Blöcke in Abschreckformen gegossen werden. Bei einem solchen Gießvorgang kann verlangt werden, dafe Vergießen mit einer geringen Geschwindigkeit zu beginnen, um ein Spritzen zu vermeiden, und danach mit einer höheren und im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit weiter zu gießen, um schließlich zum Gießende hin wieder mit einer niedrigen Geschwindigkeit zu arbeiten. Das Profilgießen lässt sich durch manuelles Einstellen des Bezugssingalgenerators steuern. Andererseits könnte dieser Generator mechanisch mit Hilfe eines geeigneten Programmierers im voraus eingestellt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Vergießen von Metallschmelze mit einer gesteuerten Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze in einem Beschickungsgefäß aufbewart und durch Öffnen eines Schieberventils im Beschickungsgefäß in ein Aufnahmegefäß ausgetragen wird, wobei das Gewicht des einen oder anderen Gefäßes und seines Inhalts während des Vergießens überwacht wird, die Gewichtsmeßwerte elektrisch mit einem eingestellten Bezugswert verglichen werden und ein Steuersignal erzeugt wird, das dazu dient, die Einstellung des Schieberventils zu ändern, um dadurch den aus dem Beschickun'gsgefäß austretenden Metallschmelzenstrom zu steuern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorher eingestellte Bezugswert während des Gießvorgangs in Intervallen geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorher eingestellte Bezugswert so geändert wird, daß zu Beginn des Gießvorganges mit einer geringen Schmelzenausflußgeschwindigkeit, danach mit einer höheren Geschwindigkeit und zum Gießende hin wieder mit einer geringeren SchmelzenausfluBgeschwindigkeit gearbeitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eines der Gefäße ein Zwischengiefigefäß verwendet wird, das einer Stranggießkokille kontinuierlich Metallschmelze zuführt, und daß der Metallschmelzen-

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fluB so gesteuert wird* daß eine konstante Abziehgeschwindigkeit des Gußstrangs aus der Kokille erreicht wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, mit einem Beschickungsgefäß, in dem sich eine Austragsöffnung befindet, die durch ein Schieberventil steuerbar ist und dazu dient. Metallschmelze aus dem Beschickungsgefäß in das Aufnahmegefäß abzugeben, und mit einer Vorrichtung zum Antrieb des Schieberventils zur Steuerung der durch das Schieberventil hindurchtretenden Schmelzenmenge, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (15, 24)£,hängig _von der Überwachung des Gesamtgewichtes eines der Gefäße (10) arbeitet und einen Belastungsfühler (20, 20') zur Überwachung aufweist, und daß die Vorrichtung ferner mit einem Steuerschaltkreis (24) versehen ist, der ein zeitveränderliches Signal (1) des Belastungsfühlers (20, 20") mit einem vorher einstellbaren Bezugssignal vergleicht, das eine gegebene Strömungsgeschwindigkeit darstellt, und ein Ausgangssignal (31) erzeugt, das zur Betätigung des Ventilschieberantriebs (15) dient, durch den die Einstellung des Schieberventils steuerbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschickungsgefäß (10) eine mit einer Bodenausgußöffnung versehene Gießpfanne, ein Vakuumentgasungsgefäß ader ein Zwischengieflgefäß ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5_; oder 6, gekennzeichnet durch einen Belastungsfühler (20, 20'), der das Gesamtgewicht des Beschickungsgefäßes (10) überwacht.

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a. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschickungsgefäß (10) eine mit einer Bodenausgußöffnung versehene Gießpfanne ist, die ein Schieberventil (14) aufweist, dass das Aufnahmegefäß eine Gießpfanne einer Stranggießanlage ist, daß der Bslastungsfühler (20, 20') auf die Veränderungen des Gesamtgewichtes der Gießpfanne anspricht, und daß die Antriebsvorrichtung (15, 24) auf das Ausgangssingnal (31) anspricht,' um das Schieberventil (14) zu betätigen und dadurch das Gesamtgewicht der Gießpfanne konstant zu halten und den Inhalt der Gießpfanne auf einem im wesentlichen konstanten Niveau zu halten.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis ö, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsfühler (20. 20') eine oder mehrere Belastungszellen bildet, die vorzugsweise dem Druck- oder Zugspannungstyp entsprechen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltkreis (24) eine differenzierende Schafcung(23) zur Differenzierung eines Belastungsfühlerausgangssignals in bezug auf die Zeit, ferner einen Differenzverstärker (27), der ein.en mit der differenzierenden Schaltung (23) verbundenen Eingang hat, und einen anderen Eingang aufweist, der an einen manuell oder mechanisch steuerbaren, einstellbaren Bezugssignalgenerator (30) angeschlossen ist, welcher von den Eingängen ein Fehlerausgangssignal (31) ableitet, das dem Ventilantrieb (15) zuführbar ist.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilantrieb einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder (15) und ein elektrisch betätigtea;jStrömungsstsuarventil (17) für den Hydraulikzylinder aufweist, und daß. das Fehlersignal (31) dem Strömungssteuerventil (17) aufdrückbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dar Ventilantrieb ein Elektromotor ist, dem das Fehlersignal zugeführt wird.

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