ILTEC Technologie

ILTEC Technologie
Ionic Liquid Cooling – Beschreibung und Anwendung
INHALT
1
ZUSAMMENFASSUNG .............................................................................................................................. 3
2
METTOP AUF EINEN BLICK ....................................................................................................................... 4
3
WASSERFREIE KÜHLLÖSUNG .................................................................................................................... 5
3.1
3.2
3.3
4
ILTEC TECHNOLOGIE .................................................................................................................................. 5
HARDWARE DER ILTEC ANLAGE .................................................................................................................... 6
PATENTIERTES KÜHLMEDIUM IL-B2001 ......................................................................................................... 7
REFERENZEN ............................................................................................................................................ 9
4.1
4.2
4.3
ARCELORMITTAL BREMEN – DEUTSCHLAND .................................................................................................... 9
NYRSTAR – HOYANGER, NORWAY.................................................................................................................. 9
VOESTALPINE STAHL DONAWITZ GMBH – LEOBEN, ÖSTERREICH ........................................................................ 10
5
LEISTUNGSUMFANG .............................................................................................................................. 11
6
KONTAKT ............................................................................................................................................... 12
Mettop GmbH
Peter-Tunner-Str. 4
8700 Leoben
Austria
t +43 3842 81 7 87
f +43 3842 81 7 87 - 8
[email protected]
www.mettop.com
Firmengericht
Handelsgericht Leoben
Firmenbuchnummer
FN 26145k
Bank
Steiermärkische Bank
und Sparkassen AG
Kontonummer
00001263219
Bankleitzahl
20815
IBAN
AT192081500001263219
2
BIC
STSPAT2G
UID No.
ATU 61690637
DE 274789359
PL 5263148464
1 ZUSAMMENFASSUNG
Mit der neuen und patentierten Kühltechnologie ILTEC von Mettop ist es möglich, eine wasserfreie
Kühlung zu realisieren. Das neuartige Kühlmedium IL-B2001 ermöglicht den einfachen Ersatz von
Wasser, als meist verwendetes Kühlmittel, und schafft einen absolut gefahrlosen Betrieb in allen
Anwendungsbereichen. Dieses spezielle Ionensalz IL-B2001 mit seinen überlegenen Eigenschaften in
Hinsicht auf Betriebstemperatur (50 - 250 °C), physikalische Eigenschaften und insbesondere dem
völligen Ausbleiben einer (Explosions-) Reaktion bei Kontakt mit flüssigem Metall oder Schlacke,
eröffnet eine völlig neue Art und Weise, Kühlprozesse in metallurgischen Aggregaten zu gestalten
und zu optimieren.
Bei der ILTEC Technologie und dem Kühlmedium IL-B2001 können folgende Aspekte und
Möglichkeiten herausgehoben werden:

Substitution von Wasser – Verbesserung der Anlagensicherheit
Wo immer Wasser als Kühlmedium verwendet wird,
kann Wasser im Kreislauf durch IL-B2001 ersetzt
werden. Dabei kann dieselbe Menge an Wärme entfernt
werden und dasselbe Rohrleitungs- und
Instrumentierungssystem verwendet werden. Somit
kann mit dem gleichen Kühleffekt ein vollkommen
sicherer Betriebsmodus erreicht werden.

Wärmerückgewinnung - Energieeinsparung
Die hohen Austrittstemperaturen von bis zu 250 °C
können effizient zur Wärmerückgewinnung genutzt
werden, besser als dies beim Kühlmedium Wasser je
erreicht werden könnte. Regelmäßige Probenahme zur
Qualitätsprüfung der Flüssigkeit unterstützen einen
sicheren Betrieb auch bei Austrittstemperaturen von bis
zu 250 °C (auf Kurzzeit-Basis, 200 °C für Langzeiteinsatz)
um die Wärmerückgewinnung in verschiedenen
Systemen zu nutzen.

Abb. 1 – Verbesserung der Sicherheitssituation durch
die ILTEC Technologie im Vergleich zur Kühlung mit
Wasser, illustriert am Beispiel einer 2-dimensionalen
Risikoanalyse-Matrix
Neue gekühlte Bereiche – Höhere Ofenverfügbarkeit
Dieser revolutionäre neue Ansatz ermöglicht die Kühlung von Bereichen, in denen eine
Wasserkühlung bisher undenkbar war und schafft damit völlig neue Lösungswege. So kann zum
Beispiel die Kühlung unterhalb des Badniveaus innerhalb von Seitenwänden, von Metallabstichen
und von metallführenden Rinnen ermöglicht werden.
Die folgenden Seiten geben einen Überblick darüber, wozu die ILTEC Technologie in der Lage ist und
welche Kunden weltweit schon auf die neue und innovative Technologie setzen.
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2 METTOP AUF EINEN BLICK
Die 2005 gegründete Mettop GmbH ist ein unabhängiges österreichisches EngineeringUnternehmen, das sich auf die Optimierung und Entwicklung von Technologien im Bereich
metallurgischer Prozesse spezialisiert hat. Mettop ist auf dem Gebiet der Pyro- sowie der
Hydrometallurgie von Nichteisenmetallen tätig und seit kurzem auch mit innovativen Kühlsystemen
für die Eisen- und Stahlindustrie vertreten. Folgende Schwerpunkten können hervorgehoben werden:
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Machbarkeitsstudien für metallurgische Prozesse
Basis- und Detailengineering von metallurgischen Prozessen
Technische und metallurgische Prozessoptimierung
Neue Technologie zur Optimierung der Elektrolyse: METTOP-BRX Technologie
Wasserfreie und sichere Kühltechnologie: Ionic-Liquid-Cooling-Technologie (ILTEC)
Kühlerdesign und kombinierte Lösungen für Kühler, Feuerfest- und Prozessbedingungen
Feuerfestmanagement inklusive Technische Beratung, Feuerfestengineering, Lieferung und
Montage beim Kunden
Mitarbeiterschulungen zur Umsetzung der technischen Innovationen vor Ort
Projektmanagment inklusive Projektrisikoanalyse, Lieferantenbewertung, Projektmonitoring
Das Leistungsspektrum umfasst Optimierungslösungen im Bereich der Aggregatsverfügbarkeit und
kombiniert dabei Feuerfestauswahl und -Layout mit Gasspülsystemen und unterschiedlichen
Kühlelementen. Im Bereich der Hydrometallurgie wurde eine neue Elektrolyse-Technologie - die
METTOP-BRX Technologie - entwickelt, die eine Erhöhung des Durchsatzes bei der elektrolytischen
Raffination von bis zu 50 Prozent ermöglicht. Für alle metallurgischen Aggregate und Öfen
entwickelte Mettop die innovative wasserfreie Kühltechnik ILTEC, die eine ionische Flüssigkeit als
Kühlmedium einsetzt, um neue Wege für eine sichere und effiziente Kühlung in der gesamte
metallurgischen Industrie zu schaffen.
Darüber hinaus ist Mettop in den Bereichen technische Beratung (Prozessoptimierung) und
Operator-Training für Kunden in der NE-Metallindustrie international tätig und unterstützt zudem die
Optimierung des Risikomanagements in metallurgischen Anlagen
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3 WASSERFREIE KÜHLLÖSUNG
Im Bereich der Metallurgie gibt es viele verschiedenste Schmelz- und Raffinerieaggregate. Ihnen allen
ist gemeinsam, dass sie ein ausreichendes Kühlsystem benötigen, da für die Produktion, je nach
Metall, hohe Temperaturen von 800 bis 2000 °C zum Einsatz kommen. Weltweit arbeiten diese
Kühlsysteme hauptsächlich mit Wasser, was vor allem auf die hohe Wärmeleitfähigkeit und die
kostengünstige Verfügbarkeit von Wasser zurückzuführen ist.
Allerdings hat Wasser auch mehrere nachteilige Eigenschaften. Da es in dieser Anwendung auf eine
Maximaltemperatur von 60 °C beschränkt ist und außerdem aufgrund der Volumsausdehnung beim
Verdampfen bzw. der Entstehung von Wasserstoff. So können im Fall einer Leckage schwere bis
schwerste Unfälle passieren.
Bei genauerer Betrachtung des Sicherheitsrisikos muss darauf hingewiesen werden, dass aufgrund
von Zwischenfällen mit Wasserkühlung - vor allem im Bereich von Abstichen - jährlich mehrere
tödliche Unfälle passieren. Dies war und ist die Hauptmotivation, bestehende Kühlsysteme in der
Metallurgie zu überdenken und letztendlich das innovative Konzept "Kühlen mit ionischen
Flüssigkeiten" zu entwickeln.
Das Resultat ist die patentierten ILTEC Technologie mit dem patentierten Kühlmedium IL-B2001.
3.1 ILTEC Technologie
In vielen Jahren Forschungstätigkeit wurde die Entwicklung vorangetrieben und schließlich zu
großindustriellem Maßstab gebracht. Die speziell entwickelte ionische Flüssigkeit IL-B2001 vereint
mehrere überragende Eigenschaften und so kann in Kombination mit Mettops Know-how im Bereich
der Kühltechnik und des Kühler-Designs für jeden Kunden eine maßgeschneiderte Lösung angeboten
werden.
Die ILTEC Technologie kann wie folgt charakterisiert werden:
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
Anstelle von Wasser wird als Kühlmedium die ionische Flüssigkeit IL-2001 eingesetzt
IL-B2001 ist bei Raumtemperatur flüssig und kann bei bis zu 250 °C Betriebstemperatur
(auf Kurzzeitbasis, 200 °C für den Langzeitbetrieb) eingesetzt werden
Im Falle eines Lecks im Kühlsystem zerfällt IL-B2001 in seine Komponenten, ohne eine
plötzliche Expansion des Volumens oder die Bildung von Wasserstoff. Es besteht keine
Explosionsgefahr beim Kontakt mit flüssigem Metall oder Schlacke, sodass Arbeits- und
Anlagensicherheit gewährleistet werden kann
Keine Korrosionsprobleme an Kühlelementen, da die IL-B2001 bei höheren
Temperaturen eingesetzt werden kann (oberhalb des Taupunktes der Abgase)
Wegen der höheren Temperatur (bis zu 250 °C) kann die abgebaute Wärme zurückgewonnen
werden. Dieser Vorteil wird in Zukunft nicht nur im Falle lokaler gesetzlicher Anforderungen
eine besonders wichtige Rolle spielen
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Die ILTEC Technologie ist durch mehrere Patente gesichert. Patent Nr. 508292 sichert die Kühlung im
metallurgischen Bereich, Patent WO2013113461A1 die ionische Flüssigkeit IL-B2001, und die
Patente WO2008052863A2, WO05021484A2, WO2008052860A1, WO2010122150A1 die Methode
der Herstellung der ionischen Flüssigkeit.
Vor allem die Reaktion bei Kontakt mit flüssigem Metall wurde durch vielerlei Versuche geprüft und
bewiesen. Dabei erfolgte in Versuchen bei den Montanwerken Brixlegg AG in Österreich ein
Einpumpen der ionischen Flüssigkeit in flüssiges Kupfer bei 1200 °C im Anodenofen. Bei einem
weiteren Test wurde die ionische Flüssigkeit unter das Badniveau einer Stahlpfanne gepumpt und
beide Male war das Resultat das vollkommen gleiche: es gab keinerlei Explosion, nur eine leichte
Badbewegung durch den Aufstieg der Dampfförmigen Zersetzungsprodukte.
3.2 Hardware der ILTEC Anlage
Ein exemplarischer Aufbau einer ILTEC Anlage ist in Fig. 1 dargestellt, die Hauptkomponenten können
wie folgt zusammengefasst werden:





Edelstahltank gefüllt mit IL-B2001; das Freivolumen oberhalb des Badspiegels ist mit
Stickstoff gefüllt, um eine Hydratation durch Feuchtigkeit aus der Luft zu verhindern
Zwei baugleiche Pumpen (eine im laufenden Betrieb, eine als Redundanz), diese garantieren
den Durchfluss der IL durch das gesamte Rohrleitungssystem
Zwei Wärmetauscher, zum Abführen der Wärme in den sekundären Kühlkreislauf
Zahlreiche Messgeräte für Temperatur, Durchfluss, Druck und Differenzdruck im gesamten
System, diese garantieren eine schnelle Leckerkennung
Vielzahl von Ventilen, Stellungsreglern und Absperrvorrichtungen für sämtliche
unterschiedlichen Betriebsfälle
Die kompakte Bauweise mit wartungsarmen Komponenten und die große Zuverlässigkeit und
Sicherheit in der Kühlung sind nur einige der Merkmale der ILTEC Technologie. Aufbau, Montage und
Inbetriebnahme vor Ort können von Mettop in nur wenigen Tagen durchgeführt werden.
Abb.2 – Grundaufbau einer ILTEC Anlage inklusive Transportrahmen
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3.3 Patentiertes Kühlmedium IL-B2001
Grundsätzlich sind ionische Flüssigkeiten Salze, das heißt sie bestehen ausschließlich aus Anionen
und Kationen. Per Definition haben ionische Flüssigkeiten einen Schmelzpunkt von unter 100 °C; viele
von ihnen sind aufgrund ihrer schlecht koordinierten Ionen sogar bei Raumtemperatur flüssig.
Ladungsdelokalisierung und sterische Effekte verhindern die Bildung eines stabilen Kristallgitters,
sodass nur eine geringe Menge an Wärmeenergie erforderlich ist, um die Gitterenergie zu
überwinden und die feste Kristallstruktur aufzubrechen. Die vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten
von Kationen und Anionen erlaubt so die Entwicklung von ILs mit unterschiedlichsten Eigenschaften
(z. B. Schmelzpunkt, Viskosität und Löslichkeit).
Für die spezielle Anwendung im Bereich der Kühlung wurde die ionische Flüssigkeit IL-B2001 als
Kühlmedium genau so konzipiert, dass sie die Anforderungen in diesem Anwendungsbereich perfekt
erfüllt.
Chemisch gesehen besteht IL-B2001 aus 97 % 1-Ethyl-3-methylimidazoliumTetrafluoroborat, 1,5 %
1-Ethyl-3-methylimidazoliumfluorid und 0,5 % Wasser. Was es unter anderem so besonders macht,
ist das patentierte Herstellungsverfahren, wodurch das Produkt vollkommen chlorfrei ist. Das übliche
Verfahren, ionische Flüssigkeiten mit Chlor als Ionenaustauscher herzustellen, wird umgangen und
daher ist die Flüssigkeit absolut nicht korrosiv. Um dies zu belegen, wurden verschiedene
Untersuchungen und Tests durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Korrosionsrate bei allen
üblichen Rohrleitungsmaterialien wie Kupfer, Stahl oder Monel auch bei höheren Betriebstemperaturen von 250 °C unter 0,8 mm pro Jahr liegt.
Tabelle 1 – Physikalische Eigenschaften des Kühlmediums IL-B2001
Eigenschaft
Symbol
Wert
Einheit
Bereich
Arbeitstemperatur
50 – 200
°C
ΔT = 150 °C
Kurzzeitstabilität
250
°C
Zersetzungstemperatur
450
°C
Kristallisationstemperatur
< 15
°C
Spezifische Wärme
cp
1,38 – 1,70
J/gK
50 – 200 °C
Dichte
ρ
1,25 – 1,14
kg/dm3
50 – 200 °C
Dynamische Viskosität
η
20 – 5
mPa·s
50 – 200 °C
Elektrische Leitfähigkeit
Κ
30 – 130
mS/cm
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Die überlegenen physikalischen Eigenschaften und Charakteristika machen IL-B2001 zum idealen
Kühlmedium für ein breites Anwendungsspektrum:
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








Die Kristallisationstemperatur liegt unter 15 °C
Die dynamischen Viskosität entspricht der von Wasser, was den Austausch von Wasser durch
IL-B2001 in bestehenden Pumpen- und Rohrleitungssystemen problemlos ermöglicht
Zersetzungstemperatur von 450 °C, führt zu einer vollständigen Zersetzung ohne Rückstände
Langzeitstabilität zwischen 50 °C – 200 °C, Kurzzeitstabilität bei bis zu 250 °C
IL-B2001 ist kein Verbrauchsmaterial!
Kein Dampfdruck unterhalb der Zersetzungstemperatur
Nicht entflammbar unterhalb der Zersetzungstemperatur
Ungiftig, dadurch perfekte Sicherheit für Mitarbeiter und Umwelt
Nicht korrosiv und somit keine verminderte Systemverfügbarkeit
Keine Zunahme des Volumens bei niedrigeren Temperaturen ("Einfrieren"), Probleme im Fall
von Stillständen werden dadurch verhindert
Rechtliche Hinweise und Handhabung
Da die Flüssigkeit weder für die Umwelt noch für sonstige Organismen schädlich ist, besteht kein
Problem hinsichtlich der gesetzlichen Vorgaben oder Anforderungen:




Nicht als gefährlich eingestuft
Kann problemlos transportiert und gelagert werden
REACH zertifiziert
Einstufung gemäß Verordnung (EC) Nr. 1272/2008 (CLP)
Abb.3 – Impressionen des Kühlmediums IL-B2001
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4 REFERENZEN
Die Möglichkeiten und Anwendungen der ILTEC Technologie stecken noch in den Kinderschuhen.
Gemeinsam mit unseren Kunden möchten wir hocheffiziente Kühllösungen für eine Vielzahl von
Szenarien erreichen. Neben den Standardanwendungen für Kühler bietet Mettop auch für jene
Bereiche maßgeschneiderte Lösungen, in denen bisher keine Kühlung vorstellbar war.
Im Folgenden gibt eine Liste von weltweiten Kunden die bereits auf die ILTEC Technologie vertrauen
und wo sie in großindustriellem Maßstab in Betrieb ist.
4.1 ArcelorMittal Bremen – Deutschland
Abstichlochkühlung eines Hochofens, in Betrieb seit Oktober 2015.
Bei ArcelorMittal Bremen setzte Mettop durch die Notwendigkeit einer sicheren Abstichlochkühlung
am Hochofen das neue Kühlmedium IL-B2001 beim Abstichloch 3 ein.
Die bestehende Wasserkühlung wurde durch ein ILTEC-System ersetzt. Seit der Inbetriebnahme im
Oktober 2015 läuft das System problemlos und zur vollsten Zufriedenheit des Kunden.
Abb.4 – ILTEC System bei ArcelorMittal Bremen installiert und in Betrieb
4.2 Nyrstar – Hoyanger, Norway
Seitenwandkühlung eines Zinkoxid-Ofens, in Betrieb seit Januar 2015.
Das in Norwegen ansässige Unternehmen Nyrstar wollte eine starke Korrosion an der Innenseite der
Ofen-Seitenwände eines Zinkoxid-Schachtofens verhindern. Aufgrund einer, durch die Beschickung
von schwefelhaltigen Auslaugungsrückständen verursachten, Änderung des Beschickungsmaterials
wurde SO2 erzeugt und in Kombination mit der niedrigen Temperatur an der gekühlten Seitenwand
bildete sich schwefelsaures Kondensat. Dadurch kam es zu einer Korrosion der Ofenwand innerhalb
weniger Tage.
Mettops neuer Ansatz war es, die Seitenwand in einem geringeren Ausmaß zu kühlen und so die
Eintrittstemperatur der ionischen Flüssigkeit innerhalb der Kühlplatten auf 150 °C zu erhöhen. Dies
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führte zu einem Anstieg der Innenwandtemperatur auf über 200 °C und damit über den
Taupunkt von Schwefelsäure.
Seit der Inbetriebnahme des ILTEC-Systems Anfang 2015 kam es zu keiner Korrosion mehr und der
Zinkoxid-Ofen läuft im Vollbetrieb.
4.3 voestalpine Stahl Donawitz GmbH – Leoben, Österreich
Kühlung der Flansche eines RH-Behälters, Inbetriebnahme Winter 2017/18.
Für den Kunden Voestalpine wird ein ILTEC-System zur Kühlung der Flansche entwickelt, d.h. für die
Verbindung der Düsen mit dem Unterteil und die Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil.
Der Beweggrund für die Kühlung ist die so gesicherte Formstabilität dieser Verbindungen (keine
Verformung durch Temperaturschwankungen). Die Entscheidung, Wasser mit IL-B2001 zu ersetzen,
ist auf die erhöhte Sicherheit für Mitarbeiter und Geräte zurückzuführen.
Für diese spezielle Anwendung im Bereich der gekühlten Flansche an der RHTeilmengenentgasungsanlage ist die Technologie jetzt noch ausgereifter. Durch die regelmäßigen
Rüssel- bzw. Gefäßwechsel ist eine Stickstoffspülung der Kühler vorgesehen, um die Kühler frei von
ionischer Flüssigkeit spülen zu können. Damit kann einerseits ein sicherer Betrieb durch die ILTEC
Technologie gewährleistet werden, andererseits kann ein verlustfreier Wechsel der Gefäßteile
durchgeführt werden kann.
Abb. 5 – 3D Zeichnung der Anlage für den Kunden voestalpine
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5 LEISTUNGSUMFANG
Mit einer optimierten Lösung für unsere Kunden umfasst das Leistungsspektrum nicht nur das Layout
und die Fertigung einer ILTEC Anlage, sondern berücksichtigt auch die ökonomischen Auswirkungen
und die metallurgische Machbarkeit. Darüber hinaus bietet Mettop umfassende After Sales Services,
um eine perfekte Funktionalität aufrecht zu halten.
Das umfassende Leistungspaket von Mettop beinhaltet:
Fallstudien vor Ort
In einem ersten Schritt sind detaillierte Machbarkeits- und Wirtschaftsstudien durchzuführen, um die
bestmögliche maßgeschneiderte Lösung zu definieren. Durch das Erfassen und Veranschaulichen der
technischen Fakten zeigt dieses Service die wirtschaftlichen Auswirkungen der Umsetzung von ILTEC.
Basis- und Detailauslegung
Die Fertigstellung des Konzeptentwurfs führt zunächst zur Basisauslegung. Die Anforderung
betreffend Lieferumfang und Leistungen für alle Disziplinen in Bezug auf Prozess, Standort, Schätzung
der Gesamtinvestition und endgültige Auslegung des Systems werden definiert.
Im nächsten Schritt werden in der Detail-Engineering-Phase endgültige Konstruktionslösungen
vorbereitet. Das komplette ILTEC-Design sowie die aus dem Genehmigungsprozess resultierenden
Anforderungen werden in die Engineering-Dokumente übernommen. Die Fristen für Aktivitäten
werden auf der Grundlage eines Projektzeitplans genau aufgelistet.
Lieferung, Montage und Inbetriebnahme
Unsere Mettop Mitarbeiter werden vor Ort sein, um eine einwandfreie Installation und reibungslose
Inbetriebnahme zu gewährleisten.
Servicevereinbarung
Es wird ein Service- und Wartungsvertrag mit Mettop angeboten, der eine jährliche
Komplettinspektion und Schulung des Personals sicherstellt und Folgendes umfasst:
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Sichtprüfung von Systemkomponenten
Überprüfung der Funktion aller Einzelkomponenten
Identifizierung und Analyse des Fehlerprotokolls
Überprüfung des Alarmsystems
Kalibrierung aller Messgeräte
Kontrolle der physikalischen Eigenschaften der ionischen Flüssigkeit IL-B2001
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6 KONTAKT
Mettop GmbH
Peter-Tunner-Strasse 4
8700 Leoben
Austria
www.mettop.com
Mettop GmbH
Peter-Tunner-Str. 4
+43 664 88 60 45 8700
41 [email protected]
Leoben
+43 664 88 60 45 40 Austria
[email protected]
Dr. Iris Filzwieser:
Dr. Andreas Filzwieser:
Dr. Martina Hanel:
+43 664 88 60 45 50
[email protected]
www.mettop.com
Dr. Iris Filzwieser:
Dr. Andreas Filzwieser:
DI Stefan Wallner:
+43 664 88 60 45 41 [email protected]
+43 664 88 60 45 40 [email protected]
+43 664 88 60 45 53 [email protected]
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