EP2682485B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stahlrohren mit besonderen Eigenschaften - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stahlrohren mit besonderen Eigenschaften Download PDF

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EP2682485B1
EP2682485B1 EP13187253.3A EP13187253A EP2682485B1 EP 2682485 B1 EP2682485 B1 EP 2682485B1 EP 13187253 A EP13187253 A EP 13187253A EP 2682485 B1 EP2682485 B1 EP 2682485B1
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pipe
flow
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Voestalpine Tubulars GmbH and Co KG
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Voestalpine Tubulars GmbH and Co KG
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
    • C21D8/105—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies of ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese

Definitions

  • the invention relates to a device for producing pipes with a special property profile with a device for coolant treatment of a pipe surface.
  • the properties of the material of the tube wall can have significant differences locally and los related. These property differences are usually based on an uneven microstructure and on an unfavorable steel composition or an increased proportion of accompanying and impurity elements.
  • Tubes with a length of 7 m and larger and an outer diameter of less than 200 mm with a wall thickness of less than 25 mm can be subject to a heat treatment only with great effort, which provides a uniformly fine structure with the desired structure over the entire tube volume and bending perpendicular minimized to the longitudinal direction.
  • the WO 98/38345 discloses a method and apparatus for producing welded tubing in which rolled sheet having contents of C, Mn, Ni, Nb, Ti and N is subjected to a double-sided heat treatment, rolled up in the longitudinal direction by multi-layer welding Tube is formed.
  • the JP 54037011 A discloses a switchable continuous hardening plant for pipes with an outer coolant supply part and of this inwardly directed, in the passage direction of the pipe inclined concentric nozzles or coolant supplies, which can be interrupted by shading.
  • a particular embodiment of a spray cooling system of cooling rings discloses the US 2007/181234 A1 , wherein the cooling rings can be positioned independently of each other.
  • a flat circular Sprühstoffstrom each cooling ring is directed from a coaxial annular gap in the direction of passage of the material to be cooled obliquely-axially on this, in each case the next front cooling ring has a beam protection for the flat beam reflected by the refrigerated goods.
  • the object of the invention to provide an apparatus for producing tubes made of steel with increased strength and improved toughness of the material by rapid cooling after deformation, consisting of a device for coolant loading a pipe surface, is achieved with the characteristics according to claim 1, wherein in Rolling direction after the last deformation stand a switchable fürgangsKühlrange is formed with a plurality of concentrically arranged around the rolling, longitudinally differently positionable distributor rings for the cooling medium in each case with at least 3, each directed substantially to the Ax nozzles, each distributor ring or each group of the same throughput controlled the cooling medium is anspeisbar.
  • a device according to the invention it is advantageously possible with a device according to the invention to subject tubes having a different longitudinal extent and with different diameters and wall thicknesses to a targeted heat treatment from the rolling heat, such that a desired microstructure, which is represented uniformly over the tube length, can be obtained.
  • the coolant stream can be designed in each case as a spray stream of coolant, usually water, and / or as a spray stream of coolant and air and / or as a gas stream.
  • Essential to the invention are a switchability and throughput controllability of the coolant flows in the through-flow cooling section.
  • regulations for tube cooling with position and temperature sensors are used to control the coolant flows.
  • Example 1 from tube pre-material of the same mother melt with a chemical composition in wt .-% according to Tab. 1 description C Si Mn P S Cr Ni Cu al Not a word Fe RVM ⁇ 0.1819 0.2910 1.4231 0.0146 0.0065 0.0415 0.0275 0.0211 0.0274 0.0126 rest Finally, by means of stretch-reducing tubes with the following dimensions were produced: Pipe length (rolling stock) (L) 19,300.00 mm Pipe diameter ( ⁇ ) 146.00 mm Pipe wall thickness 9.70 mm
  • the tube was introduced after a time of 12 sec at a temperature of 880 ° C in a through-cooling.
  • microstructure revealed that at most there was in each case an advantageously rectified microstructure, essentially without texture, but with a grain size and microstructure distribution dependent on the final cooling temperature.
  • Fig. 1 shows a structure of sample P1, wherein a particle size of 20 to 30 microns was present at high ferrite content.
  • the further structural component was essentially perlite.
  • Perlite and microstructures of the upper intermediate or upper bainite were the other components of the compensation structure.
  • Fig. 5 shows in a bar graph the measured values yield strength (Rp) (0.2) [MPa], tensile strength (Rm) [MPa], constriction (Ac) [%] and toughness (KV450) [J] of the samples P1 to P4, ie depending on the achieved by the different cooling parameters in the annealing technology, mechanical material properties.
  • the yield strength of the material of the pipe wall can be increased by a process according to the invention from 424 [MPa] to 819 [MPa] and at the same time minimizing the drop of the elongation values from 26 [%] to 10 [%], the material toughness from 170 [J] to 160 [J] decreased.
  • microstructures in the material are adjustable, resulting in the property profile of the pipe wall results.
  • sample tube P4 owing to the low transformation temperature, a high degree of conversion into a lower bainitic structure of the microstructure could be achieved, as a result of which an increase in the toughness of the material could be achieved.
  • Fig. 6 shows the measured hardness values over the pipe length of test tubes P1 and P4.
  • Fig. 7 the hardness profile of the material in the quadrant is shown over the pipe wall thickness of the test tube P2.
  • the measurement results of the four quadrants Q1 to Q4 are averages of four spaced measurements per quadrant in the outer, middle and inner regions of the tube wall.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Rohren mit besonderem Eigenschaftsprofil mit einer Einrichtung zur Kühlmittelbeaufschlagung einer Rohroberfläche.
  • Bei einer Fertigung von Nahtlosrohren können die Eigenschaften des Werkstoffes der Rohrwand örtlich und losbezogen erhebliche Unterschiede aufweisen. Diese Eigenschaftsunterschiede beruhen zumeist auf einer ungleichen Gefügestruktur und auf einer ungünstigen Stahlzusammensetzung bzw. einem erhöhten Anteil an Begleit- und Verunreinigungselementen.
  • Für hochbeanspruchte Rohre soll aus obigen Gründen eine den Anforderungen entsprechende Gefügestruktur mit in engen Grenzen gegebener Gleichmäßigkeit über die Rohrlänge sowie koaxial in der Rohrwand und eine von schädlichen Elementen freie Werkstoffzusammensetzung gegeben sein.
  • Rohre mit einer Länge von 7 m und größer und einem Außendurchmesser von kleiner 200 mm bei einer Wandstärke von unter 25 mm lassen sich nur mit hohem Aufwand einer Wärmebehandlung unterwerfen, die ein gleichmäßig feines Gefüge mit gewünschter Struktur über das gesamte Rohrvolumen erbringt und ein Verbiegen senkrecht zur Längsrichtung minimiert.
  • Es sind Verfahren bekannt, bei welchen ein Rohr um dessen Achse gedreht und an der Außen- und/oder Innenoberfläche gekühlt wird. Derartige Wärmebehandlungsverfahren setzen jedoch eine etwa gleich hohe Temperatur des Werkstoffes über die Rohrlänge voraus, um einen homogenen Gefügeaufbau in der Wandung zu erreichen.
  • Die WO 98/38345 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von verschweißten Rohrleitungen, bei welchem bzw. bei welcher gewalztes Blech mit Gehalten an C,Mn,Ni,Nb, Ti und N einer beidseitigen Wärmebehandlung unterworfen, eingerollt und in Längsrichtung durch mehrlagiges Schweißen das Rohr gebildet wird.
  • Aus der US 3507712 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Härten bzw. Kühlen von Stahlrohren mit großem Durchmesser bekannt. Die in Axrichtung des Rohres geneigten Düsen vermitteln exzentrische, im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Kühlstrahlen.
  • Die JP 54037011 A offenbart eine schaltbare Durchlaufhärteanlage für Rohre mit einem äußeren Kühlmittelzuführungsteil und von diesem nach innen gerichtet, in Durchlaufrichtung des Rohres geneigte konzentrische Düsen bzw. Kühlmittelzuführungen, welche durch Abschattung unterbrochen werden können.
  • Zur Verstärkung von Automobiltüren wurde bereits ein Stahlrohr mit einer hohen Zugfestigkeit und hervorragenden 3-Punkt-Biegeeigenschaften gemäß US 7018488 B2 vorgeschlagen. Dabei wird aus einem Si-Mn-Al-Stahl (0.01 - 2.0 Gew.-% Si, 2.5 - 3.5 Gew.-% Mn) ein Rohr hergestellt und bei einer Temperatur von unter 800°C einer Abschreckbehandlung unterworfen. Als Ergebnis weist das Stahlrohr eine Festigkeit von ca. 1000 MPa auf und hat hervorragende 3-Punkt-Biegeeigenschaften.
  • Eine besondere Ausbildungsform eines Sprüh-Kühlungssystems von Kühlringen offenbart die US 2007/181234 A1 , wobei die Kühlringe unabhängig voneinander positioniert werden können. Ein flacher kreisförmiger Sprühmittelstrom jedes Kühlringes wird aus einem koaxialen Ringspalt in Durchgangsrichtung des Kühlgutes schräg-axial auf dieses gerichtet, wobei jeweils der nächst vordere Kühlring einen Strahlschutz für den vom Kühlgut reflektierten Flachstrahl aufweist.
  • Die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung von Rohren aus Stahl mit erhöhter Festigkeit und verbesserter Zähigkeit des Werkstoffes durch Schnellabkühlung nach dem Verformen, bestehend aus einer Einrichtung zur Kühlmittelbeaufschlagung einer Rohroberfläche, zu erstellen, wird mit den erfindungsgemäßen Kennzeichen nach Anspruch 1 gelöst, wobei in Walzrichtung nach dem letzten Verformungsgerüst eine schaltbare DurchgangsKühlstrecke mit einer Vielzahl von konzentrisch um das Walzgut angeordneten, in Längsrichtung unterschiedlich positionierbaren Verteilerringen für das Kühlmedium jeweils mit mindestens 3, jeweils im Wesentlichen zur Axe gerichteten Düsen ausgeformt ist, wobei jeder Verteilerring oder jede Gruppe derselben durchsatzgeregelt mit dem Kühlmedium anspeisbar ist.
  • Mit Vorteil ist es bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, Rohre mit einer unterschiedlich großen Längserstreckung und mit unterschiedlichen Durchmessern und Wandstärken einer gezielten Wärmebehandlung aus der Walzhitze zu unterwerfen, wobei derart eine gewünschte Gefügestruktur, welche über die Rohrlänge gleichmäßig dargestellt ist, erhalten werden kann.
  • Als besonders günstig betreffend die Gleichmäßigkeit des Vergütungsgefüges sowohl umfänglich als auch in Längsrichtung der Rohrwandung hat sich ergeben, wenn die Düsen jeweils einen sich in Sprührichtung erweiternden, pyramidenförmigen Kühlmittelstrom erstellen.
  • Der Kühlmittelstrom kann dabei jeweils als Sprühstrom von Kühlmittel, zumeist Wasser, und/oder als Sprühnebelstrom aus Kühlmittel und Luft und/oder als Gasstrom ausgebildet sein.
  • Vorteilhafte Ergebnisse betreffend eine gleichmäßig hohe Rohrgüte konnten auch erreicht werden, wenn der Kühlmittelstrom eine rechteckige Querschnittsform aufweist und die längere Axe des Rechteckes schräg zur Rohrachse gerichtet ist.
  • Erfindungswesentlich sind eine Schaltbarkeit und eine Durchsatzregelbarkeit der Kühlmittelströme in der Durchgangskühlstrecke.
  • Wenn eine Zufuhr von Kühlmedium zur Durchgangskühlstrecke in Abhängigkeit von der Position der Rohrenden in dieser schaltbar ist, kann in günstiger Weise ein Eindringen von Kühlmedium in das Rohrhohl vermieden werden, wodurch eine im Querschnitt im Wesentlichen einseitige Innenkühlung vermieden und eine Verbiegung sowie ungleiche Gefügestrukturausbildung hintangehalten werden.
  • Mit Vorteil werden erfindungsgemäß Regelungen für die Rohrkühlung mit Positions- und Temperatursensoren zur Steuerung der Kühlmittelströme verwendet.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Beispielen näher erläutert.
  • Beispiel 1: aus Rohrvormaterial der gleichen Mutterschmelze mit einer chemischen Zusammensetzung in Gew.-% gemäß Tab. 1
    Bezeichnung C Si Mn P S Cr Ni Cu Al Mo Fe
    RVM Ø 0.1819 0.2910 1.4231 0.0146 0.0065 0.0415 0.0275 0.0211 0.0274 0.0126 Rest
    wurden letztlich mittels Streckreduzierens Rohre mit folgenden Dimensionen hergestellt:
    Rohrlänge (Walzader) (L) 19.300,00 mm
    Rohrdurchmesser (∅) 146,00 mm
    Rohrwandstärke 9,70 mm
  • Nach dem letzten Stich bzw. nach einer Letztverformung im Auslaufgerüst der Streckreduzieranlage wurde das Rohr nach einer Zeit von 12 sec mit einer Temperatur von 880°C in eine Durchgangskühlstrecke eingebracht.
  • Unter Zugrundelegung des festgestellten Umwandlungsverhaltens des Stahles erfolgte im Rahmen von Untersuchungen an einzelnen Losen bei der Rohrherstellung eine gezielte Beaufschlagung lediglich der Rohraußenoberfläche, wobei an dieser durch Einstellung des Kühlmittelstromes eine Abkühlgeschwindigkeit von ca. 6°C/sec gemessen wurde, auf folgende Endtemperaturen:
    Temperatur Bezeichnung der Probe
    T1 = 850°C P1
    T2 = 480°C P2
    T3 = 380°C P3
    T4 = 300°C P4
  • Nach Erreichen dieser vorgesehenen Abkühlungs-Endtemperaturen erfolgte eine Abschaltung der Kühlmittelzufuhr und derart eine weitere Abkühlung des Rohres mit geringer Intensität im Wesentlichen an ruhender Luft auf Raumtemperatur.
  • Aus den unterschiedlich wärmebehandelten Rohren wurden jeweils Proben mit den Bezeichnungen P1 bis P4 entnommen und Werkstoffuntersuchungen zugeführt.
  • Die Ermittlung der Gefügestruktur ergab, dass allenfalls jeweils ein vorteilhaft gleichgerichtetes Gefüge, im Wesentlichen ohne Textur, jedoch mit einer von der Kühl-Endtemperatur abhängigen Korngröße und Gefügeverteilung vorlag.
  • Fig. 1 zeigt ein Gefüge von Probe P1, wobei eine Korngröße von 20 bis 30 µm bei hohem Ferritanteil vorlag. Der weitere Gefügebestandteil war im Wesentlichen Perlit.
  • In Fig. 2 kann eine wesentlich geringere durchschnittliche Korngröße der Probe P2 von ca. 5 bis 8 µm festgestellt werden, was mit einer niedrigen Kühlendtemperatur von T2 = 480°C in Zusammenhang steht. Weiters ist der Perlitanteil im Ferrit feiner ausgebildet und geringfügig erhöht.
  • Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Werkstoff der Probe P3 ein feines Korn durch eine hohe Keimzahl bei einer Umwandlung und Rekristallisation des Gefüges bei einer Kühlendtemperatur von T3 = 380°C und festigkeitssteigernd weitgehend homogen verteilte Ferritbereiche aufweist. Perlit und Gefüge der oberen Zwischenstufe bzw. oberen Bainit waren die weiteren Bestandteile des Vergütungsgefüges.
  • Das Gefüge der Rohrwand P4, welches bei einer Schnellkühlung nach der Verformung auf eine Kühlendtemperatur T4 = 300°C gebildet wurde, zeigt Fig. 4 . Äußerst feinkörnig und durch engbegrenzte globulitische Ferritphasen mit feinlamellaren Perlit und Zwischenstufenanteilen im unteren Bainitbereich vermitteln hohe Festigkeitswerte bei verbesserter Dehnung des Werkstoffes.
  • Bei einer Abkühlung der Rohrwand mit einer Geschwindigkeit von größer als 1°C/sec unmittelbar nach der Warmumformung des Eisenbasiswerkstoffes kann eine derart geformte Austenitstruktur, wie gefunden wurde, gegenüber dem Gleichgewicht weitgehend unterkühlt werden, wobei in der Folge in Abhängigkeit vom Ausmaß der Unterkühlung und des Keimzustandes eine Gefügeumwandlung erfolgt. Mit Vorteil kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens über die gesamte Länge eines Rohres und in überraschender Weise, auch über den Querschnitt eine gewünschte, gleichmäßige Gefügestruktur eingestellt werden, welche Gefügestruktur auch die Werkstoffeigenschaften bestimmt. Mit anderen Worten: Werden von einem Rohr grundlegende Werkstoffeigenschaften gefordert, ist eine Legierungswahl angezeigt. Ein vorgesehenes, vorteilhaftes und günstiges Eigenschaftsprofil des Werkstoffes kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden.
  • Fig. 5 zeigt in einem Balkendiagramm die Messwerte Dehngrenze (Rp) (0.2) [MPa], Zugfestigkeit (Rm) [MPa], Einschnürung (Ac) [%] und Zähigkeit (KV450) [J] der Proben P1 bis P4, also in Abhängigkeit von den durch die unterschiedlichen Abkühlparameter bei der Vergütungstechnologie erreichten, mechanischen Materialeigenschaften.
  • Bei gleicher Stahlzusammensetzung kann nach einem Streckreduzieren die Dehngrenze des Werkstoffes der Rohrwand mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens von 424 [MPa] auf 819 [MPa] erhöht und gleichzeitig der Abfall der Dehnwerte von 26 [%] auf 10 [%] minimiert werden, wobei die Materialzähigkeit von 170 [J] auf 160 [J] abnahm.
  • Bei hohen Abkühlungsendtemperaturen, wie dies beispielsweise für das Probematerial P1 gilt, ist ein hohes Ausmaß an Rekristallisation und Grobkornbildung gegeben, was zwar hohe Zähigkeit und Einschnürung dem Werkstoff vermittelt, jedoch vergleichsweise geringe Festigkeitswerte bedingt.
  • Eine Abkühlung auf niedrigere Umwandlungstemperaturen erhöht die Festigkeitswerte der Rohrwand und verringert naturgemäß dabei auch geringfügig die Einschnürung und Zähigkeit des Materials, wie dies anhand der Proben P2, P3 und P4 gezeigt ist.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind auch gezielt Gefügestrukturen im Werkstoff einstellbar, woraus das Eigenschaftsprofil der Rohrwand resultiert. Beispielsweise konnte bei Proberohr P4 durch tiefe Umwandlungstemperatur ein hohes Maß an Umwandlung in eine untere Bainitstruktur des Gefüges erreicht werden, wodurch eine Steigerung der Zähigkeit des Werkstoffes erreichbar war.
  • Fig. 6 zeigt die gemessenen Härtewerte über die Rohrlänge von Versuchsrohren P1 und P4. Mit einer Erhöhung der Härte [HRB] und Festigkeitswerte des Werkstoffes durch Intensivierung der Kühlmittelbeaufschlagung verringert sich auch, wie gefunden wurde, eine Streuung S der Materialhärte über die Rohrlänge.
  • In Fig. 7 ist der Härteverlauf des Materials in den Quadranten über die Rohrwanddicke des Versuchsrohres P2 dargestellt.
  • Die Messergebnisse der vier Quadranten Q1 bis Q4 sind Mittelwerte aus jeweils vier beabstandeten Messungen je Quadrant im Außen-, Mittel- und Innenbereich der Rohrwand.
  • Wie aus dem Vergleich der jeweiligen Härtewerte über den Querschnitt der Rohrwand in den Quadranten ersichtlich ist, liegen lediglich geringste Unterschiede in der Materialfestigkeit vor, wodurch die erreichbare Erzeugnisgüte durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer dergleichen Vorrichtung dargestellt ist.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Herstellung von nahtlosen Ölfeldrohren aus Stahl mit einer Länge von größer 7 m, insbesondere bis 200 m, einem Außendurchmesser von größer 20 mm, jedoch kleiner 200 mm, und einer Wandstärke von größer 2.0 mm, jedoch kleiner 25.0 mm, mit erhöhter Festigkeit und verbesserter Zähigkeit des Werkstoffes sowie mit gleichmäßiger Gefügestruktur über die gesamte Länge und über den Querschnitt des Rohres mit einer Konzentration der jeweiligen Legierungs- und Begleit- bzw. Verunreinigungselemente in Gew.-% von Kohlenstoff (C) 0.03 bis 0.5 Silicium (Si) 0.15 bis 0.65 Mangan (Mn) 0.5 bis 2.0 Phosphor (P) max 0.03 Schwefel (S) max 0.03 Chrom (Cr) max 1.5 Nickel /Ni) max 1.0 Kupfer (Cu) max 0.3 Aluminium (Al) 0.01 bis 0.09 Titan (Ti) max 0.05 Molybdän (Mo) max 0.8 Vanadium (V) 0.02 bis 0.2 Zinn (Sn) max 0.08 Stickstoff (N) max 0.04 Niob (Nb) max 0.08 Calcium (Ca) max 0.005 Eisen (Fe) Rest
    gebildet mit einem Streckreduzier-Walzwerk und einer unmittelbar nach dem letzten Verformungsgerüst desselben angeordneten schaltbaren Schnellabkühlung in Form einer Durchgangskühlstrecke umfassend eine Vielzahl von konzentrisch um das Walzgut angeordneten, in Längsrichtung unterschiedlich positionierbaren Verteilerringen für das Kühlmedium, jeweils mit mindestens drei zur Axe gerichteten Düsen, wobei jeder Verteilerring oder jede Gruppe derselben durchsatzgeregelt mit Kühlmedium anspeisbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher zur Schaltung und Steuerung der Kühlmittelströme in der Durchgangskühlstrecke Positions- und Temperatursensoren für ein Rohr angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Düsen der Verteilerringe einen sich in Sprührichtung erweiternden pyramidenförmigen Kühlmittelstrom erstellen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Düsen der Verteilerringe einen sich in Sprührichtung erweiternden rechteckigen Kühlmittelstrom erstellen, wobei die längere Axe des Rechteckes schräg zur Rohraxe gerichtet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Kühlmittelströme in der Durchgangskühlstrecke in Abhängigkeit von der Postition der Rohrenden in dieser schaltbar sind
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