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Verfahren und Einrichtung zum Metall-, insbesondere Stahl-Stranggießen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine besonders günstige Einrichtung zur
Ausübung desselben zum Metall-, insbesondere Stahl-Stranggießen, bei dem zwecks
raschen Abkühlens und Durchmischens des in der Durchlaufgießform vorhandenen flüssigen
Teils bzw. zum Entgasen und Homogenisieren elektrodynamisch bewirkte, in einzelnen
Querschnittszonen gegenläufige Kräfte hervorgerufen werden.
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An Stahlstranggießanlagen führt der große Wärmeinhalt des auf ca.
15800 C erhitzten Flüssigmetalls zu schwierigen Abkühlungs- und Mischungsproblemen.
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Die Bauhöhe der Anlage bzw. die Länge des Stützwalzengerostes und
somit ein wesentlicher Teil der Anlagekosten sind von der erreichbaren Abktihlungsgeschwindigkeit
abhängig. Je größer diese - im Rahmen des metallurgisch Tragbaren - sein wird, desto
kürzer und desto billiger wird eine neu zu erstellende Anlage sein können. Eine
genaue Betrachtung zeigt darüber hinaus, daß nicht nur die AbkUhlungsgeschwindigkeit,
sondern auch die aus dem Abkühlungs-Temperaturreld resultierende Form der Erstarrungsfront
sehr beachtet werden muß, um beispielsweise
Risse, Durchbrüche des
Flüssigmetalls und Ausseigerungen zu vermeiden. Durchbruchgerahr besteht insbesondere
dann, wenn der Strang nur mit einer verhältnismäßig dUnnen Schale versehen aus der
Durchlaufgießform austritt und dann mittels Rollen gestützt abgesenkt werden muß.
Bis zur völligen Durcherstarrung, also auf einer Wegstrecke von erheblicher Länge
(z.B. von 12 m) wirkt im Tnneren des Stranges der ferrostatische Druck. Die Folge
sind Ausbauchungen zwischen den StUtzrollen.
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In Extremfällen reißt der Strang und es ergießt sich der freiwerdende
Rest des FlUssigmetalls auf die unteren Anlagenteile. Der Gießvorgang ist unterbrochen,
das in der Gießpfanne Uber der Verteilerrinne bzw. Uber der Durchlaufgießform vorhandene
Gießmetall ist in einem sogenannten Notguß in Standgießkokillen umzuleiten. Die
Anlage bedarf einer gründlichen kostspieligen Reinigung, die zudem verhindert, daß
sofort eine neue Charge abgenommen werden kann.
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Die Gefährlichkeit des gesamten Vorganges für das Personal mit damit
verbundenen Folgen ist durch dementsprechende Vorfälle leider vielfach bestätigt
worden. Man hat deshalb zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen in der Gestaltung der GießbUhne,
Anordnung von-Notkokillen vorgeschlagen und teilweise auch ausgerthrt, die alle
das Stranggießen erschwerten und verteuerten.
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Bei der bisher geUbten Art des Stranggießens bildet sich eine in die
Tiefe reichende spitzkegelige Erstarrungsfront aus. Dabei bildet die von außen nach
innen wachsende Strangschale mit zunehmender Stranglänge einen wachsenden Widerstand
fUr die Wärmeabfuhr aus dem flUssigen Kern.
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Dementsprechend verhält sich der Werkstoff und zeigt alle die unerwUnschten
Symptome, welche von den Köpfen bei im Standgießverfahren gewonnenen Brammen bekannt
sind. So findet man eine Ausseigerung von Schwefel, das Gefüge wird insgesamt nicht
ausreichend homogen, es treten im Inneren und an der Oberfläche Risse aur. Bei Standgießbrammen
wird
dieser Kopf entfernt und stellt seit vielen Jahren einen Verlust
dar, der in Kauf genommen werden mußte. Da beim Stranggießen dieselben oder mindestens
sehr ähnliche Schwierigkeiten auftreten, war man gezwungen, zusätzliche kostensteigernde
Einwirkungen auf den Strang einzufilhren wie z.B. Verformung auf andere, insbesondere
kleinere Querschnitte. Es zeigte sich immer deutlicher, daß eine ganze Reihe von
Zusatzmaßnahmen notwendig war, um den Oießstrang - in seiner gegenwärtigen Qualität
- zu brauchbarem Halbzeug verformen zu können. Dadurch wurde teilweise die Wirtschaftlichkeit
gefährdet.
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Es ist ein Vorschlag bekannt, der einen gleichmäßigen WKrmeentzug
Uber den Strangquerschnitt anstrebt, um eine raschere Und Uber den Querschnitt gleichmäßigere
Kühlung zu erzielen, 80 daß die Schrumpfung schneller eintritt. Die bekannte Maßnahme
besteht darin, eine kreisende Bewegung in Richtung der Strangachse der Schmelze
zu erteilen, wobei die Teilchen der Schmelze nächst den Randzonen des Stranges hochsteigen.
Ein solches Verfahren gewann in der Praxis keine Bedeutung. Die Ursache rur das
Versagen der bekannten Lösung liegt darin, daß physikalische Erkenntnisse außer
Betracht gelassen wurden, wodurch sich der gewtlnschte Effekt nicht einstellen konnte.
Unter anderem blieb unbeachtet, daß eine im Strangkern in Stranglaufrichtung fließende
Metallströmung einen weitaus geringeren Widerstand findet, weil dort die Erstarrung
des Metalls nur langsam eintritt.
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Die höhere Temperatur im Kern ist deshalb der Grund rur eine größere
Eindringwegstrecke einer zentrischen Strömung.
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Eine Metallströmung in den Außenbereichen des Querschnitts einer Durchlaufgießform
ist deshalb weitaus schwieriger aufrechtzuerhalten. Es kommt deshalb zum weitaus
längeren flilssigen Gießsumpf im Kern des Gießstranges. Die Ausbildung des Gießsumpfes
ist weiterhin spitzwinklig, so daß die beabsichtigte Wirkung einer rascheren AbkUhlung
wegen der Isolationswirkung einer sich wie gewöhnlich bildenden
Strangschale
nicht eintreten kann.
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Die beim bekannten Beispiel zur AusfUhrung des Verfahrens vorgeschlagenen
Mittel scheinen Jedoch ebenfalls nicht geeignet zu sein, das angestrebte Ziel auch
nur annähernd zu erreichen. Das von einem Binphasenstrom erzeugte Wanderfeld bewirkt
keine einheitlich gewünschte Strömungsrichtung in den äußeren Randschichten. Es
entstehen lediglich einige toroidartige Wirbel, die im unteren und oberen Teil der
Durchlaufgießform einander entgegenlaufen. Ferner bestehen Unbestimmtheiten hinsichtlich
der Wirkungen des Einguß-Strahls, die überhaupt keine Beachtung finden. Schließlich
fehlen auch Angaben, auf welche Weise das von dem Einphasenstrom erzeugte Magnetfeld
in gentgender Intensität durch die normalerweise recht dicke Wandung der Durchlaufgießform
hindurch in den flüssigen Strangteil gelangen soll. Bei den bisher üblichen großen
Wandstärken, verbunden mit den. bis her angestrebten hohen Wärmeleitfähigkeiten
(z.B. bei kupfer von etwa 25 mm Wandstärke), war es nicht möglich, elektromagnetische
Felder von einigermaßen wirksamer Intensität innerhalb der äußeren Schichten des
Flüssigstranges zu erzeugen. Durch das bereits bekannte Verfahren bzw. die bekannte
Vorrichtung werden wesentliche Schwierigkeiten physikalischer und praktisch-metallurgischer
Art nicht überwunden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein
Verfahren und die Vorrichtung aufzuzeigen, nach denen die spitzwinklige Erstarrungsfront
vermieden werden kanne Unter einer solchen ist ein Kegelsumpf von mehreren Metern
Länge zu verstehen.
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Die Lösung der Aufgabe kann nunmehr aufgrund eines Verfahrens erfolgen,
nach dem Drehstrom-Wanderfelder die Randbereiche des Inhalts der Durchlaufgießform
in Strangbewegungsrichtung derart beeinflussen, daß beständig in den Querschnittsrandbereichen
erzeugte, vorwärts laufende Strömungen des FlUssigmetalls das Erstarrungsprofil
nahezu einebnen. Die Erfindung
schlägt demnach den entgegengesetzten
Weg der bekannten Lösung ein. Nur so kann das bisherige spitzkegelige Erstarrungsprofil
so weit abgeflacht werden, daß es sich etwa mit einer Querschnittsfläche deckt.
Gemäß der Erfindung wird nämlich vermieden, daß die Strangschalenbildung in den
äußeren Bereichen des Querschnittes so frühzeitig einsetzt, so daß sich die Strömungen
mehr und mehr auf den Kern beschränken könnten, wie dies bisher der Fall war.
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Die Erfindung bedient sich deshalb der Erkenntnis, die äußeren Bereiche
des Gießquerschnittes so lange flüssig zu halten, bis die mittlere Temperatur in
die Nähe der Erstarrungstemperatur gelangt, wonach in unteren Bereichen der Durchlaufgießform
die Bildung der Strangschale zugelassen werden kann.
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Die der Erfindung zugrundeliegende neuartige Wirkung läßt sich nunmehr
dadurch noch erheblich verstärken, daß die in Stranglaufrichtung erzeugten Strömungen
des FlUssigmetalls von einem bzw. mehreren Eingießstrahlen unterstützt werden.
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Es ist zur sicheren Aufrechterhaltung einer ausreichenden Energie
des Drehstrom-Wanderfeldes unbedingt notwendig, daß etwa sich absetzende Randschichten
erstarrten Strangmaterials, auch falls sie durch Abkühlung unter die Curie-Temperatur
ferromagnetisch werden sollten, den Energiefluß des elektromagnetischen Feldes -
also den Poynting'schen Vektor - nicht zusätzlich schwächen. Dies geschieht nach
einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt gemäß der Erfindung dadurch, daß
mindestens in Intervallen so hohe elektromagnetische Feldstärken angewendet werden,
daß gegebenenfalls sich ansetzende ferromagnetische Störschichten magnetisch gesättigt
werden. Dadurch verlieren diese mindestens in den Intervallen ihre sehr stbrende,
die beabsichtigte Wirkung unterbindende Eigenschaft, indem ihre relative Permeabilität
nahezu nl wird.
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Ein weiteres nützlichen Erfindungsmerkmal besteht darin,
daß
die entgasende und homogenisierende Wirkung mechanischer Schallschwingungen zum
Abkühlungseffekt hinzukommt, wenn errindungsgemäß das angewendete Drehstrom-Wanderfeld
inhomogen gestaltet wird. Durch den Grad der räumlichen Inhomogenität läßt sich
in gewünscht dosierbarer Weise die Intensität der Entgasung und Homogenisierung
des Stranggieß-Materials ein stellen.
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Nach der weiteren Erfindung kann das Drehstrom-Wanderfeld nur periodisch,
gewissermaßen stoßweise betrieben werden, wobei Jedoch während Jeder Arbeitsperiode
die ferromagnetisch an der Wandung sitzende Erstarrungsschicht mit einem so starken
elektromagnetischen Feld beaufschlagt wird, daß magnetische Sättigung erreicht wird.
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Die Gesamtintensität des erfindungsgemäßen Verfahrens - die Kombinations-Intensität
aus Abkühlungs-, Entgasungs- und Homogenisierungseffekten - läßt sich nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung durch Einstellen des Verhältnisses von Feld-Zeit
zu Feld-Pause regeln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich Jedoch auch vorteilhaft
für eine Vielstranggießanlage. Dafür wird eine Verfahrensweise vorgeschlagen, nach
der die Drehstrom-Wanderfelder mehrerer Durchlaufgießformen in wechselnder Folge
mit Stromimpulsen aufgebaut werden.
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Dies gestattet eine besonders günstige Ausnutzung der elektrischen
Kapazitäten in einem Stahlwerk.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet
sich nunmehr dadurch, daß die Drehstrom-Phasenströme mittels Spulen erzeugbar sind,
welche konzentrisch um den Strang und die Durchlaufgießform angeordnet sind, wobei
deren in Strangrichtung liegende Folge entgegen-2 gesetzt zu der gewünschten Kraftantriebsrichtung
innerhalb der Strangrandschichten'liegt. Nur so wird Uberrasehenderweise die gewünschte
Strömungsbewegung erzielt. Dies hängt mit der radialen Verteilung der in der Schmelze
induzierten Ströme zusammen. Während die Verteilung der magnetischen
Kraftlinien
vom sogenannten Eindringmaß
abhängt und somit bei großem Eindringmaß durchaus annähernd homogen über den Strangquerschnitt
sein kann, gilt ähnlichts keineswegs für die Verteilung der Ströme. Da diese aber
als Faktor an der Kraftwirkung beteiligt sind, wird die Kraftwirkung des Drehstrom-Wanderfeldes
in der Strangseele Null, wenn dort die Ströme Null sind. Dies ist bei der erfindungsgemäßen
Anordnung der Drehstrom-Wanderfeld spulen der Fall, so daß die Kraftwirkung in der
Seele und deren benachbarten Gebieten Null bzw. sehr klein wird.
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Nur dadurch ist aber die Aufrechterhaltung der VorwKrts-Strömung in
den Randgebieten möglich, da dieser zum Ausgleich eine Aufwärts-Strömung in den
Zentralgebieten das Gleichgewicht halten muß. Bei mit der Strömungarichtung gleichgerichteter
Polung der Wanderfeld-Spulen entsteht eine Strömung in verkehrter, genau erwünschter
Richtung.
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Bei einer Phasenfolge der Erregerströme von R s T müssen also die
Spulen ir Stra.gbewegungsrichtung gesehen rolgende grundsätzliche Phasenfolge aufweisen:
R 5 T . Bei Ausnützung der Gegenphaser. R'S'T' ergibt sich dann die richtige Spnlenfolge:
R T' S R' T 6' usw. Es ist besonders wertvoll ;\nå ein wesentlicher Bestandteil
der Erfindung, daß vom Fachma@@ diese Erkenntnis ausgenützt wird.
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Um die WGttbelasung bei dem Intervall-Betrieb gering zu halten ist
zwischen öffent@@chemoder Werknetz gemäß der weiteren Erfindung eines Stahlwerkes
Energiespeicher angeordnet, wie beispielsweise eine Motor-Generator-Einheit, die
gegebenenfalls mit Schwungrad ausgerüstet ist.
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Bei der Durcrhführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dementsprechenden
Einrichtungen ist dem Baumaterial und dessen Wandstärke, aus dem d* Durchlaufgießform
gebaut ist, besonderes Augenmerk zu schenken, da andernfalls der erfolg infrage
gestellt ist.
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Die Erfindung sieht deshalb vor, daß die Spu@@@ n mit geringem Abstand
um die das Giesmetall führende, kühlte Wandurch der Durchlaufgießform angeordnet
sind.
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Die Spulen sind deshalb nicht nur sehr geschützt untergebracht, also
vor Uberschwappendem Flüssigmetall bewahrt, sondern auch gleichzeitig entsprechend
gekühlt.
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Die Erfindung bedient sich nunmehr besonderer Baumaterialien für die
Durchlaufgießform. Danach eignet sich besonders ein derartiger Aufbau, nach dem
die Wandung der Durchlaufgießform aus Metallen oder Legierungen besteht, für die
der Quotient "mechanische Festigkeit/Wärmeleitfähigkeit" oder der Quotient "mechanische
Festigkeit/elektrische Leitfähigkeit" einen Höchstwert bildet. Dementsprechende
Materialien sind beispielsweise die nicht ferromagnetischen Stähle. Schlecht geeignet
ist dementsprechend das bisher fast ausschließlich verwendete Kupfer, da dieses
bei großer elektrischer und großer Wärmeleitfähigkeit nur eine sehr geringe mechanische
Festigkeit aufweist. Dünne Kupferwandplatten sind allenfalls dann in Betracht zu
ziehen, wenn diese entsprechend mit anderen Stoffen beschichtet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Lehre ist gegeben durch die Beziehung für
die Wandstärke des Baumaterials: Danach sieht die Erfindung vor, daß die Wandstärke
der Durchlaufgießform kleiner als das Eindringmaß
ist. Der Wert 6 ergibt sich aus der PermeabilitSt vor der elektrischen Leitfähigkeit
Z und der Frequenz f des Drehstrom-Wanderfeldes gemäß der bereits oben angegebenen
Wurzelbeziehung.
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Der Werkstorf darf sich nicht bei der Arbeitstemperatur mit dem Stranggieß-Material
legieren oder benetzen. Deshalb sieht die Erfindung zusätzlich vor, daß die Wandung
der Durchlaufgießform auf der Strangseite verchromt, gegebenenfalls mit einer dünnen
Kupferzwischenschicht versehen ist. Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Werkstoff
gegenüber dem Kühlmittel korrosionsfest ist. Die Erfindung wird deshalb dadurch
ergänzt, daß die Wandung der Durchlaufgießform aus rostgesichertem, unmagnetischem
Stahl besteht.
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Um die ausreichende Energiezufuhr innerhalb des 8tahlweries zu sichern
und um den im rauhen Hüttenbetrieb besonders hohen
Anforderungen
an die Betriebssicherheit genügen zu können, sind die Stromversorgungseinrichtungen
wie Transformatoren, elektronische Schalteinrichtungen vollständig gekapselt und
nahe der Durchlaufgießform, neben oder unter der Gießbühne angeordnet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht außerdem darin, daß die
Steuerung der Drehstrom-Phasenströme mittels Thyristoren durchführbar ist. Demgemäß
gelingt es, auch hohe Ströme in der gewünschten Weise zu steuern.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt
und im folgenden näher erläutert: Fig. 1 zeigt den vertikalen Querschnitt durch
die erfindungsgemäße Durchlaufgießform mit Spulen, wobei beispielsweise sechs Spulen
gezeigt sind.
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Fig. 2 ist eine Prinzipskizze der Hauptgruppen für die elektrlsche
Ausrüstung, wobei auf Einzelheiten verzichtet ist.
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Die Stranggießanlage besteht aus einer Senkrecht-Bogen-, Kreisbogen-Anlage
oder auch aus Teilen derselben in Kombination mit einer Horizontalanlage. Im Ausführungsbeispiel
ist eine gerade Durchlaufgießform 1 gezeigt, an deren Ausgang 2 Stützrollen 3 befestigt
sind, die die Oszillationsbewegungen (diese sind bisher bei allen Stranggußanlagen
vorgesehen) mit ausführen. Die Durchlaufgießform 1 könnte auch waagerecht oder schräg
angeordnet sein, sie könnte auch selbst - mindestens teilweise - bogenförmig ausgeführt
sein.
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Das Gießmetall 4 strömt beispielsweise über zwei oder mehrere Gieß-Strahlen
5 und 6 nicht zentrisch, sondern in die Randbereiche 7 und 8, wodurch die mechanische
Wirkung des elektromagnetischen Drehstrom-Wanderfeldes und die daraus resulierende
Strömung des Gießmetalls 4 nicht gehemmt, sondern unterstützt wird. Daraus ergibt
sich bereits im Bereich des Gieß-
Spiegels 9 in den Randbereichen
7 und 8 eine nach unten gerichtete Strömung, die einen weiteren kräftigen Antrieb
auf de Länge des Wanderreldes, das vermittels der von Drehstrom durchflossenen Spulen
10 bis 15 erzeugt wird, erfährt.
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Die Spulen sind schematisch dargestellt. Einzelheiten der teilweisen
Überlappung, um den Entgasungs- und Homogenisierungsgrad beeinflussen zu können,
sind weggelassen worden.
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Erfindungsgemäß sind die Spulen an das Drehstromversorgungsgerät in
einer der Strömungsrichtung entgegengesetzten Reihenfolge angeschlossen.
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Die Spulen 10 bis 15 sitzen mit dem geringen Abstand 16 hinter der
Wand 17 der Durchlaufgießform 1, Jedoch noch innerhalb der Kühlkammer 18. Um die
Kühileistung zu steigern, wird die KUhlmittelgeschwindigkeit durch Wahl eines kleinen
Querschnittes über der Durchlaufgießform-Oberfläche möglichst hoch getrieben. Durch
die Trennwand 31, die gegenüber der Spule elektrisch isoliert sein muß, wird dies
erreicht. Damit wird die Spulen-Innenfläche gleichzeitig zur Außenfläche des eigentlichen
Kühlmittelquerschnittes.
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Die Spulen 10 bis 15 sind durch die Zwischenlagen 19 gegeneinander
elektrisch isoliert. Auch die einzelnen Windungen der Spulen sind in Ublicher (nicht
gezeichneter) Weise gegeneinander isoliert.
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Der Stranggießvorgang läuft so ab, daß das Gießmetall etwa bis zum
Niveau 20 im Querschnitt flüssig bleibt um dann im Niveau 21 plötzlich zu erstarren.
Die Erstarrungsfront 22 wächst gleichzeitig von außen und von unten her. Zwischen
Niveau 22 und Niveau 23 ist dann kein Flflssigmetall vorhande Der duktile Gießstrang
25 kann dann ohne weitere Behandlung in die Horizontale umgebogen werden oder in
eine Verformungsstrecke einlaufen, wie dies aus älteren, noch nicht veröffentlichten
Erfindungsvorschlägen hervorgeht. Die Spulen 10 bis 15 können zur KUhlmittelkühlung
hohl sein, die einzelnen Windungen können aber auch nur von außen oder zusätzlich
mit dem Kühlmittel in Kontakt sein. Falls niedrigere Spannungen verwendet
werden,
erübrigt sich selbst bei Wasserkühlung eine Oberflächenisolierung, die die Kühlwirkung
hemmen würde.
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Die Anzahl der Spulen richtet sich nach der verlangten IntensitXt
von Rührung und Schwingung.
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Die Spulen 10 bis 15 sind gemäß Fig. 2 mit dem Drei-Phasensystem 26
verbunden. Dabei wird der Transformator 27 über die Schalteinrichtung 28 primär-
(gezeichnet) oder sekundKrseitig gesteuert. Zwischen dem öffentlichen oder Werksnetz
29 und der Gesamtanlage kann ein Motor-Oenerator-Puffersystem 30 eingeschaltet werden,
falls dies errorderlich ist. Die Gesamtanlage nach Fig. 2 kann auch variiert werden,
immer muß Jedoch der Abstand zwischen der Stroniversorgung - insbesondere dem Transformator
27 - und den Spulen 10 bis 15 so gering wie möglich sein.
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In Betracht gezogene Drucksohriftens französische Patentschrift 1
064 849 österreich. Patentsohrift 200 270