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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Metallblöcken nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren, mit einem metallurgisch wirksamen Schlackenbad und einem Vorwärmofen zum Vorwärmen von zumindest einer Spitze einer dem Schlackenbad zuzuführenden Abschmelzelektrode. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein entsprechendes Verfahren.
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Beim Elektroschlacke-Umschmelzen (ESU) tauchen selbstverzehrende Abschmelzelektroden in ein widerstandsbeheiztes, metallurgisch wirksames Schlackenbad, das sich innerhalb einer üblicherweise mittels Wasser gekühlten Kokille befindet. Die Schlacke überhitzt (1700°C bis 2000°C) und Metalltropfen schmelzen von der Abschmelzelektrode ab. Die Tröpfchen sinken durch die Schlacke, in der sie durch chemische Extraktion von nichtmetallischen Verunreinigungen befreit werden, und werden schließlich im noch flüssigen, bereits raffinierten Stahlbad aufgefangen. Dort erfolgt eine dichte und gerichtete Erstarrung des aufgeschmolzenen Metalls von unten nach oben. Die Qualität des fertigen ESU-Blockes hängt neben der Abschmelzelektrodenqualität und der Genauigkeit der Anlagensteuerung vor allem von der Qualität der eingesetzten Schlacke ab. Vorgeschmolzene Schlacken bieten dabei eine sichere Ausgangsbasis. Sie gewährleisten eine zuverlässige Zusammensetzung mit guter Homogenität für eine gleichmäßige und reproduzierbare Prozessführung im Umschmelzbetrieb. Neben dem ESU-Verfahren kommen auch andere Umschmelzverfahren zum Einsatz, wie etwa das Plasmalichtbogen-Umschmelzverfahren, das beispielsweise in der
DE 26 49 141 B2 beschrieben wird. Um negative Einflüsse der Umgebungsluft auf die Schlacke und die Metallschmelze zu unterbinden, findet das ESU-Verfahren heute üblicherweise unter Schutzgas statt, wie beispielsweise in der
DE 101 28 168 C1 oder der
EP 0 727 500 B1 beschrieben.
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Zur Herstellung größerer Metallblöcke werden nacheinander mehrere Abschmelzelektroden abgeschmolzen, wobei jeweils eine während des ESU-Verfahrens bis auf einen Rest abgeschmolzene Elektrode aus dem Schlackenbad entfernt und durch eine neue Abschmelzelektrode ersetzt wird. Um die dabei auftretende Unterbrechung des Schmelzvorgangs so gering wie möglich zu halten, werden die Wechselelektroden vor ihrer Zuführung an das Schlackenbad vorgewärmt, noch während sich die zuvor verwendete Elektrode im Abschmelzvorgang befindet, wobei zumindest der Bereich (hier in Folgenden „Spitze” genannt) der Abschmelzelektrode vorgewärmt wird, der später in das Schlackenbad eingetaucht wird. Eine Vorgehensweise dieser Art wird beispielsweise in der
DE 2 124 960 A2 beschrieben. Die Vorwärmung der Abschmelzelektrode zum Umschmelzen in einer ESU-Anlage erfolgt heute üblicherweise mit strombeheizten Vorwärmöfen, die vom Umschmelzofen beabstandet angeordnet sind. Beispielsweise ist aus der
DE 2 755 478 A1 eine ESU-Apparatur bekannt, bei der die Spitze einer Wechselelektrode mit Hilfe eines Induktors vorgewärmt und anschließend der Aufschmelzung zugeführt wird. Bei den heute eingesetzten elektrischen Vorwärmofen erfolgt dabei eine Aufheizung zwischen 300°C und 900°C.
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Die bekannten ESU-Anlagen mit elektrischer Vorwärmung sind mit einer Reihe von Nachteilen verknüpft. Einerseits ist der Wirkungsgrad dieser Öfen sehr gering, welches sich in den erreichbaren, weit unter den jeweiligen Schmelztemperaturen liegenden Vorwärmtemperaturen, hohen Stromverbräuchen und niedrigerer Produktqualität wiederspiegelt; nicht zuletzt ist eine niedrige Produktqualität einer auch der hohen Zeitdauer geschuldet, die beim Elektrodenwechsel zwischen der Entfernung der alten und der Aufheizung der neuen Elektrode auf Schmelztemperatur erforderlich ist. Zudem sind die mittels elektrischem Widerstand beheizten Vorwärmöfen sehr wartungsintensiv, welches sich in hohen Wartungskosten und häufigen Stillständen manifestiert.
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Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit einer mit Wechselelektroden arbeitenden ESU-Anlage zu verbessern und den Wartungsaufwand zu verringern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorwärmung der Spitze der Abschmelzelektrode im Vorwärmofen durch Verbrennung eines Brennstoffs mit einem Oxidator erfolgt. Dabei wird der Vorwärmofen nach Art eines Zyklonofens betrieben, d. h. Brennstoff und/oder Oxidator werden mit einer – in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Vorwärmofens gesehen – tangentialen Richtungskomponente in den Verbrennungsbereich des Ofens eingetragen. Dies führt zu einer Drallströmung, in der Brennstoff und Oxidatior an der Spitze der vorzuwärmenden Abschmelzelektrode vorbeigeführt werden. Nach Zündung des Brennstoff-Oxidator Gemisches bildet sich somit ein Flammenzyklon aus, der die Spitze der Abschmelzelektrode einhüllt und auf diese Weise gleichmäßig erwärmt. Die Spitze der Abschmelzelektrode kann somit bis zu einer Temperatur aufgeheizt werden, die in der Nähe der Schmelztemperatur des jeweils umzuschmelzenden Materials liegt; dadurch wird insbesondere die Unterbrechungsdauer des Umschmelzvorgangs beim Elektrodenwechsel, also die Zeitdauer zwischen dem Abbruch des Schmelzvorgangs der alten und dem Beginn des Schmelzvorgangs der neuen Elektrode, deutlich verkürzt.
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Als Brennstoffe sind gasförmige Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas, ebenso geeignet wie zu einem Aerosol zerstäubte flüssige Brennstoffe oder fluidisierte Feststoffpartikel (Stäube). Insbesondere können Brennstoffe zum Einsatz kommen, die Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel oder eine Mischung aus zwei oder drei dieser Stoffe oder eine einen oder mehrere dieser Stoffe aufweisende Verbindung enthalten. Als Oxidationsmittel kann Luft oder ein mit Sauerstoff angereichertes Gas (mit einem Sauerstoffanteil von über 21 Vol.-%) zum Einsatz kommen; bevorzugt eignet sich reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von über 90 Vol.-%, besonders bevorzugt mit einer Sauerstoffkonzentration von über 95 Vol.-%.
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In axialer Richtung sind die Eintragseinrichtungen entweder senkrecht zur Längsachse des Vorwärmofens oder angeordnet, oder aber winklig, mit ihrer Mündungsöffnung nach oben, also in Richtung auf die vorzuwärmende Abschmelzelektrode weisend, um die Ausbildung einer helikalen Strömung zu begünstigen. Dabei sollte jedoch eine direkte Beaufschlagung der Abschmelzelektrode mit einer Brennerflamme vermieden werden, da dies zu einer lokalen Überhitzung der Abschmelzelektrode führen kann.
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Als Eintragseinrichtungen kann beispielsweise eine Anordnung von Lanzen vorgesehen sein, mittels der Brennstoff und Oxidator an jeweils getrennten Orten in den Verbrennungsbereich eingebracht, anschließend vermischt und gezündet werden. Bevorzugt kommen jedoch ein oder mehrere Brenner zum Einsatz, der/die jeweils mindestens eine Zuführung für einen Brennstoff und mindestens eine Zuführung für einen Oxidator aufweist/aufweisen, und bei dem/denen eine Vermischung und Zündung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches bereits im Vorfeld der Mündungsöffnung des jeweiligen Brenners erfolgt.
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Bevorzugt sind zumindest im Endabschnitt des Vorwärmofens mehrere tangential eintragende Lanzen oder Brenner in vorzugsweise gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet, um eine gleichmäßige Aufheizung der Elektrodenoberfläche zu gewährleisten.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eintragsvorrichtung bzw. die Eintragsvorrichtungen in ihrer Längen- und/oder Winkelposition verstellbar in der Wandung des Vorwärmofens angeordnet sind. Die Position der Eintragsvorrichtung kann auf diese Weise der Geometrie der jeweils vorzuwärmenden Elektrode angepasst werden. Es ist im Übrigen im Rahmen der Erfindung ebenso vorstellbar, die Position der Eintragsvorrichtung gegenüber der Elektrode während des laufenden Aufwärmvorgangs zu verändern, um eine optimale Wärmebeaufschlagung bei minimalem Energieeinsatz zu erzielen, beispielsweise kann die Elektrode gegenüber dem Vorwärmofen oder dieser gegenüber der Elektrode um deren Längsachse drehbar gelagert sein, um auch bei einer geringen Anzahl von Eintragsvorrichtungen im Vorwärmofen eine gleichmäßige Wärmebeaufschlagung der Elektrodenspitze zu ermöglichen.
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In einer abermals vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Endabschnitt des Vorwärmofens mit einer Abdeckung ausgerüstet, die das Eindringen von Umgebungsatmosphäre unterbinden soll. Bei langen Abschmelzelektroden empfiehlt es sich dabei, die Abdeckung mit einer Aussparung für die Elektrode auszurüsten, sodass im Betrieb die Abschmelzelektrode lediglich mit ihrer Spitze in den von der Abdeckung eingeschlossenen Verbrennungsbereich hineinragt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird also nur der Bereich der Elektrodenspitze intensiv mit heißen Brennergasen beaufschlagt, wobei die Abdeckung zumindest weitgehend verhindert, dass Gase aus der Umgebungsatmosphäre, insbesondere Sauerstoff, in den beheizten Bereich des Vorwärmofens eindringen und an der Oberfläche der Elektrode zu unerwünschten Reaktionen führen. Alternativ kann im Übrigen auch eine die Elektrode vollständig einhüllende Haube eingesetzt werden, beispielsweise eine Haubenkonstruktion der Art, wie sie in der
EP 0 727 500 B1 beschrieben ist.
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Zweckmäßigerweise ist der Vorwärmofen mit einem Abgassystem zur Regelung des Ofendrucks ausgerüstet. Das Abgassystem umfasst beispielsweise Mittel zur Regelung des Drucks oder der Zusammensetzung der Atmosphäre im Ofenraum, wie beispielsweise eine Absaugeinrichtung oder Mittel zur Rezirkulation von Rauchgasen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Metallblöcken nach dem Elektroschlacke-Umschmelzen von Metallen, bei dem eine Abschmelzelektrode vorgewärmt und anschließend zumindest mit ihrer Spitze in ein metallurgisch wirksames Schlackenbad abgesenkt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung der Abschmelzelektrode vor ihrer Zuführung an das Schlackenbad mittels Beaufschlagung von zumindest der Spitze der Abschmelzelektrode mit einem miteinander reagierenden Brennstoff-Oxidator-Gemisch erfolgt.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht dabei vor, dass die Vorwärmung der Spitze der Abschmelzelektrode durch Ausbildung eines die Spitze einhüllenden Flammenzyklons erfolgt. Ein Flammenzyklon entsteht bei einem tangentialen Eintrag von Brennstoff und/oder Oxidator mittels Lanzen oder Brennern. Die miteinander reagierenden Stoffe werden in einer Drallströmung um die Spitze der Abschmelzelektrode herumgeführt und erwärmen diese gleichmäßig und unter weitgehender Ausschaltung der Gefahr einer lokalen Überhitzung.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Zeitdauer des Elektrodenwechsels einen wesentlichen Einfluss auf den Kristallisationsvorgang und damit die Qualität des durch ESU erzeugten Metallblocks hat. Je länger die Zeitdauer zwischen der Wegnahme des alten Elektrodenrestes und dem Beginn des Aufschmelzens der Wechselelektrode dauert, desto größer ist die Gefahr der Ausbildung von fehlerhaften Kristallisationen im Grenzbereich zwischen den aufeinanderfolgenden Aufschmelzelektroden zuzuordnenden Materialabschnitten des umgeschmolzenen Metallblocks. Um die Zeitdauer der Unterbrechung des Umschmelzvorgangs während eines Elektrodenwechsels möglichst kurz zu halten, wird daher bei der Vorwärmung zumindest die Spitze der Abschmelzelektrode auf eine Temperatur zwischen 100°C und der Schmelztemperatur des Materials der jeweils vorzuwärmenden Abschmelzelektrode beheizt, bevorzugt zwischen 900°C und 1400°C. Durch die Aufheizung der Abschmelzelektrode auf derart hohe Temperaturen, die nahe an den Schmelzpunkt des jeweils umzuschmelzenden Metalls heranreichen, wird gewährleistet, dass die Abschmelzelektrode bei der anschließenden Zuführung an das Schlackenbad nicht oder nur kurz aufgeheizt werden muss, bis der Umschmelzvorgang wieder einsetzt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine Steuerung vor, mittels der das Verhältnis aus Brennstoff und Oxidationsmittel des Brenners während des Vorwärmvorgangs verändert werden kann. Auf diese Weise kann die Befeuerung im Vorwärmofen optimiert und insbesondere die Temperatur der Brennerflamme genau eingestellt werden. Ebenso ist es auch möglich, mittels der Steuerung den Sauerstoffanteil im eingesetzten Oxidator während des Betriebs des Vorwärmofens zu ändern bzw. zu regeln.
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Eine wieder bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen getroffen werden, die eine Rezirkulation von Brenngasen in den Bereich vor dem Austritt des Brenners bzw. den Austritten der Brenner ermöglichen und dadurch eine flammenlose – und damit besonders schadstoffarme und energieeffiziente – Verbrennung erfolgt.
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Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Vorwärmofens für eine ESU-Anlage im Längsschnitt.
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Der in 1 gezeigte Vorwärmofen 1 umfasst einen aus feuerfestem Material aufgebauten Ofenmantel 2, dessen nach unten weisender Endabschnitt 3 konisch zugeformt ist. Eine Abdeckplatte 4, die mit einer zentralen Öffnung 5 ausgerüstet ist, schließt den Ofenmantel 2 nach oben ab und umgrenzt somit, gemeinsam mit den Wänden des Ofenmantels 2, einen Verbrennungsbereich 6. Im Bereich des Endabschnitts 3 sind in der Wand des Ofenmantels 2 Durchführungen 7, 8 vorgesehen, in denen in regelmäßigen Winkelabständen mehrere Brenner angeordnet sind, im Ausführungsbeispiel zwei Brenner 9, 10. Bei den Brennern 9, 10 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um Brenner, mittels denen ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Erdgas, und Sauerstoff in den Verbrennungsbereich 6 eingetragen und dort verbrannt werden; im Rahmen der Erfindung können jedoch auch andere Brenner zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Brenner, die mit einem festen oder flüssigen Brennstoff arbeiten und/oder Brenner, die Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder ein Gas mit einem während des Betriebs variablen Sauerstoffanteil als Oxidator einsetzen. Die Brenner 9, 10 ragen dabei tangential in den Vorwärmofen 1 hinein und sind in axialer Hinsicht gegenüber einer zur Längsachse des Vorwärmofens 1 senkrechten Ebene winklig, mit ihren Mündungsöffnungen jeweils nach oben weisend, angeordnet. Im oberen Bereich des Ofenmantels 2, dicht unterhalb der Abdeckplatte 4, ist eine weitere Durchführung 11 angeordnet, in der eine Abgasleitung 12 zum Abführen des Rauchgases eingebaut ist.
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Beim Betrieb des Vorwärmofens 1 wird eine vorzuwärmende Abschmelzelektrode 13 mit ihrer Spitze 14 durch die Öffnung 5 der Abdeckplatte 4 geführt und so positioniert, dass die Spitze 14 im Bereich des Endabschnitts 3 angeordnet ist, ohne jedoch die Wände des Ofenmantels 2 zu berühren. Alternativ kann die Abdeckplatte 4 auch zweiteilig ausgeführt sein und erst nach der Positionierung der Abschmelzelektrode 13 von beiden Seiten im wesentlichen gasdicht an diese angelegt werden. In jedem Fall ist die zentrale Öffnung 5 der Abdeckplatte 4 dem Außendurchmesser der Abschmelzelektrode 13 angepasst und ermöglicht im Idealfall keinen, im Regelfall nur einen geringen Gasaustausch zwischen dem Verbrennungsbereich 6 und der Umgebungsatmosphäre.
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Die Positionierung der Abschmelzelektrode 13 wird beispielsweise mittels einer Krananordnung 15 bewirkt, die auch das senkrechte Verfahren der Abschmelzelektrode 13 in den Vorwärmofen 1 hinein und aus diesem hinaus ermöglicht. Über eine Brennstoffzuleitung 16 und eine Sauerstoffzuleitung 17 wird Brennstoff bzw. Sauerstoff zu den Brennern 9, 10 geführt, und das sich jeweils vor den Ausmündungen der Brenner 9, 10 bildende Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch gezündet. Der Eintrag des Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches erfolgt jeweils tangential in die Verbrennungszone hinein, wobei die in axialer Hinsicht bestehende Neigung der Brenner 9, 10 in Richtung auf die Spitze 14 der Abschmelzelektrode 13 sowie die konische Zuformung des Endabschnitts 3 insgesamt einen helikalen Verlauf der Strömung im Verbrennungsbereich 6 bewirken. Nach Zündung des Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches kommt zur Ausbildung eines Flammenzyklons, der die Spitze 14 der Abschmelzelektrode 13 einhüllt und dabei gleichmäßig erhitzt und auf eine Temperatur in der Nähe der Schmelztemperatur des Materials der Abschmelzelektrode 13, beispielsweise auf einen Wert zwischen 900°C und 1400°C, gebracht. Die Temperatur kann dabei mittels einer hier nicht gezeigten Steuerung, die die Zuflüsse von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel steuert, eingestellt, bzw. geregelt werden. Um bei unterschiedlichen Ausgestaltungen einer Elektrodenspitze eine optimale Beaufschlagung mit Brenngasen zu ermöglichen, sind die Brenner 9, 10 winkel- und/oder längenverstellbar im Ofenmantel 2 aufgenommen. Die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase werden über die Abgasleitung 12 abgezogen. Eine in der Abgasleitung 12 angeordnete Absaugeinrichtung 18 ermöglicht dabei zugleich die Regelung bzw. Einstellung des Drucks im Verbrennungsbereich 6.
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Besonders vorteilhaft werden die Brenner 9, 10 so ausgelegt, dass es innerhalb des Verbrennungsbereichs 6 zu einer flammenlosen Verbrennung und damit zu einer gleichmäßigen Aufheizung der Spitze 14 der Abschmelzelektrode 13 bei gleichzeitig vermindertem Schadstoffausstoß kommt.
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Nachdem die Spitze 14 der Abschmelzelektrode 13 auf einen vorgegebenen Temperaturwert erwärmt wurde, wird die Zufuhr von Brennstoff und Sauerstoff über die Zuleitungen 16, 17 gesperrt. Die Abschmelzelektrode 13 wird aus dem Vorwärmofen 13 abgezogen und der Kokille eines hier nicht gezeigten Elektrodenschlacke-Umschmelzofens zugeführt. Der Vorwärmofen 1 steht danach zur Aufnahme einer weiteren Abschmelzelektrode zur Verfügung.
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Mit dem erfindungsgemäßen, durch Verbrennung eines Brennstoffs betriebenen Vorwärmofen lässt sich die Vorheizung von Abschmelzelektroden weitaus wirtschaftlicher und bei höheren Temperaturen betreiben, als dies bei konventionellen, elektrisch betriebenen Vorwärmöfen der Fall ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorwärmofen
- 2
- Ofenmantel
- 3
- Endabschnitt
- 4
- Abdeckplatte
- 5
- Öffnung
- 6
- Verbrennungsbereich
- 7
- Durchführung
- 8
- Durchführung
- 9
- Brenner
- 10
- Brenner
- 11
- Durchführung
- 12
- Abgasleitung
- 13
- Abschmelzelektrode
- 14
- Spitze (der Abschmelzelektrode)
- 15
- rananordnung
- 16
- Brennstoffzuleitung
- 17
- Sauerstoffzuleitung
- 18
- Absaugeinrichtung
