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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Giessen von Metallsträngen
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fahrens nach der vorliegenden Erfindung beseitigen. Dieses Verfahren bringt darüber hinaus entscheiden- de Vorteile mit sich, die es erlauben, das Stranggiessen mit grosser Wirtschaftlichkeit und gutem Ergebnis durchzuführen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung dient zum kontinuierlichen Giessen von Metallsträngen in hin- tereinander angeordneten Kokillenstufen mit sich zum endgültigen Strangquerschnitt erweiternden Quer- schnittsflächen und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzgut in den der letzten Kokillenstufe vorhergehenden Stufen durch Regelung der Wärmeabfuhr in Form eines oder mehrerer Längskanäle bis zum Giessende flüssig gehalten wird, so dass die der ersten Kokillenstufe zugeführte Schmelze durch diese
Kanäle bis in die letzte Stufe fliessen kann. Es ist insbesondere zweckmässig, durch die Regelungder
Wärmeabfuhr die verfestigten Materialbereiche durch das in den Längskanälen enthaltene flüssige
Schmelzgut voneinander vollständig zu trennen.
Dadurch kann eine Schrumpfung des erstarrenden Mate- rials entlang der Wände, an denen die Lücken zwischen den festen Strangteilen bestehen, keine diese von den Wänden ablösende Kraft erzeugen. Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit, längere Strangstücke in ständigem Kontakt mit der kühlenden Kokillenwand bis zum Austritt aus dem Kokillenschacht zu füh- ren.
Das neue Verfahren erlaubt es vor allem, infolge der besseren Verteilung und Ausnützung der Kühl- wirkung die Giessgeschwindigkeit ganz wesentlich zu steigern. Insbesondere gelingt es, dicke Stränge mit verhältnismässig grosser Geschwindigkeit zu giessen.
Auch bei dem neuen Verfahren. wird der endgültige Strang von innen nach aussen aufgebaut, so dass alle mit der Verfestigung des Stranges von aussen nach innen verbundenen Nachteile beseitigt sind.
Es wird beispielsweise möglich, Stähle zu giessen, die infolge ihrer guten mechanischen Eigenschaf- ten ohne weiteres für die Anwendung im Maschinenbau geeignet sind.
Die flüssige Gussmasse kann an einer Stelle zugeführt werden und durch die Längskanäle in die ein- zelnen Kokillenstufen einfliessen. Es ist auch möglich, zusätzlich jeder Stufe flüssige Gussmasse zuzufüh- ren.
Die Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens enthält in an sich bekannter Weise mehrere in Strangrichtung hintereinander angeordnete Kokillenstufen von sich erweiternder Querschnittsfläche.
Entlang eines oder mehrerer Längsstreifen der Kokillenwände sind Einsätze aus schlecht wärmeleitendem hitzebeständigem Material angebracht, entlang welcher sich das Schmelzgut nicht verfestigt. Zwischen
Kokillenwand und schon verfestigtem Strang bilden sich also Kanäle aus, durch die flüssige Gussmasse zu den einzelnen Stufen gelangt.
Es ist zweckmässig, die Einsätze aus schlecht wärmeleitendem hitzebeständigem Material so anzu- ordnen, dass sie einander diametral gegenüber liegen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, diese Einsätze zu heizen oder sie zur Förderung des Durchflusses von flüssigem Schmelzgut zu bewegen.
In manchen Fällen kann es zweckmässig sein, die Einsätze so auszubilden, dass sie sich nur entlang eines Teiles der Länge jeder Stufe erstrecken. Diese Einsätze können sich gegebenenfalls in innerhalb oder ausserhalb der Kokillenwände angeordnete, zur nachfolgenden Stufe führende Rohre fortsetzen.
Bei einer andern Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist die Länge der Kokillenwände in jeder Kokillenstufe an verschiedenen Stellen ihres Umfanges verschieden gewählt, wo- bei an mindestens einer Stelle die Kokillenwand so kurz ist, dass das entlang dieser Stelle fliessende
Schmelzgut flüssig bleibt.
Vorteilhaft ist es dabei, die Kokillenstufen so auszubilden, dass die aneinander grenzenden Enden aufeinanderfolgender Kokillenstufen mit sich stufenweise erweiternden Querschnittsflächen unter gleichen
Winkeln geneigt zur Kokillenachse verlaufen.
Weiterhin kann es zweckmässig sein, die Wände der einzelnen Kokillenstufen schraubengangförmig auszubilden und den Kokillendurchmesser kontinuierlich zunehmen zu lassen.
Es ist zweckmässig, die Querschnittserweiterung zwischen den einzelnen Stufen gering zu wählen.
Durch diese Massnahme wird eine einwandfreie Verbindung des zusätzlich entstehenden Querschnittsbereiches mit dem ursprünglichen Strang gewährleistet.
Es ist zweckmässig, in den einzelnen Kokillenstufen in Strangrichtung verlaufende Führungen für die verfestigten Strangteile vorzusehen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, einzelne Kokillenstufen zum Zwecke der Regelung des Giessvorganges gegeneinander beweglich anzuordnen und diese gegenüber dem gleichmässig bewegten Strang einer oszillierenden Bewegung zu unterwerfen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-33 näher erläutert. Dabei zeigen :
Fig. 1 die Darstellung einer Stranggusskokille mit nur einer Stufe mit schematischer Darstellung eines sich ausbildenden Stranges sowie dem Zufluss flüssiger Gussmasse ; Fig. 2 eine nach der Erfindung
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;reits aus der bisher gegebenen Darstellung zu entnehmen ist, wird der Verlauf von Abkühlung und Erstar- rung des Gussmaterials zu einem festen Strang durch eine in ihren Funktionen aufeinander abgestimmte
Kombination und Folge von Kokillenstufen sowie eine systematische Verteilung von kühlenden und nicht- kühlenden Elementen innerhalb der einzelnen Kokillenstufen beeinflusst.
Die verschiedenen Ausführung- möglichkeiten einer nach dem Kaskadenverfahren arbeitenden Stranggussanlage lassen sich demnach im wesentlichen einmal an Hand der Abwandlungen der möglichen Kokillenanordnungen und zum andern an
Hand der Verteilung der kühlenden und nichtkühlenden Elemente innerhalb derKokillenstufen zusammen- stellen.
Die Kokillenanordnung kann zwei-oder mehrstufig gewählt werden. Ein Beispiel für eine Anordnung mit mehr als zwei Stufen zeigen die Fig. 7 und 8. Sie stellen gemeinsam eine Anordnung dar, in der bei symmetrischer Ausrichtung der Stufen aufeinander in zwei zueinander senkrechten Schnitten verschiedene
Stufenzahlen auftreten. Während im Schnitt der Fig. 7 vier verschiedene Kokillenstufen vorgesehen sind, zeigt der Schnitt von Fig. 8 nur zwei Stufen. Die Querschnitte in den einzelnen Kokillei1schächten wer- den durch die Schnittdarstellungen 9a-9d dargestellt, während die Fig. ICa-lOd Schnitte durch den
Strang an den Übergangsstellen zwischen den Stufen zeigen. Die Darstellung der Kokille ist schematisch und zeigt beispielsweise nicht das richtige Verhältnis zwischen Stufenlänge und Stufenquerschnitt.
An
Hand der für die Fig. 2-6 gegebenen Erläuterung lässt sich der Verlauf des in mehreren Stufen erfolgen- den Gusses leicht verfolgen. Die Schnitte 10a-lOc zeigen zwei von der ersten bis zur vierten Stufe ge- trennt durchlaufende Strangteile, die sich erst in der vierten Stufe zu einem Strang vereinigen.
Grundsätzlich ist es mit einer entsprechenden Kokillenanordnung auch möglich, mit sich bereits in früheren Stufen vereinigenden Strangteilen zu giessen. Dies kann beispielsweise durch die Länge der Ko- killenstufen, die Länge der schlecht wärmeleitenden Einlagen und gegebenenfalls auch durch die Giess- geschwindigkeit oder Abstimmung aller dieser Faktoren aufeinander erreicht werden. Ein Beispiel für einen solchen Aufbau eines Strangquerschnittes in den einzelnen Stufen ist in den Fig. lla-lld gezeigt.
Ein Vergleich der Schnittdarstellung der Fig. 10a-10d mit den Fig. lla-lld zeigt, dass hier die Querschnittsteile an den zueinandergerichteten vorspringenden Stellen zusammengewachsen sind und dabei jeweils kleinere Bezirke flüssigen Metalls umschlossen haben. Es zeigt sich, dass alle diese Bezirke flüssigen Metalls zur Eingussstelle hin eine kontinuierliche Verbindung in Form von Kanälen besitzen, die nirgends Hohlräume aufweisen, deren Zu- oder Abfluss unterhalb der höchsten Stelle eines solchen Hohlraumes liegt. Dies ist bei dem Aufbau und der Anordnung der einzelnen Kokille ! 1stufen zur Verhinderung von Lunkerbildung und zur Sicherstellung eines einwandfreien Ausströmens von Gasen als wesentlichzubeachten.
Die Ausrichtung der einzelnen Stufen einer gemäss der Erfindung aufgebauten Kokillenanordnung kann symmetrisch oder unsymmetrisch gegeneinander sein. Zwei Beispiele für unsymmetrische Anordnungen sind in den Fig. 12-14 schematisch dargestellt. Fig. 12 stellt einen Längsschnitt durch eine unsymmetrische Anordnung dar, bei der der Schacht 71 gegenüber dem Schacht 72 derart versetzt ist, dass die in Fig. 13 und 73 mit 74 bezeichneten Wände mit den entsprechenden Wänden des Schachtes 72 zusammenfallen. Die in Fig. 14 dargestellte Ausuhrungsform zeigt eine Versetzung des Schachtes 61, bei dem nur die Wand 63 ohne Absatz in die entsprechende Wand des Schachtes 62 übergeht. Die Anordnung der schlecht wärmeleitenden Einlagen 75 bzw. 65 ist aus den Fig. 13 und 14 ohne weiteres zu erkennen.
Die in den Fig. 12-14 gezeigten unsymmetrischen Anordnungen stellen nur einfachste Beispiele der möglichen Ausführungsformen dar. Die gegenseitige Versetzung der aufeinanderfolgenden Kokillenstufen kann in vielfältiger Weise abgewandelt werden und beispielsweise in einem besonderen Fall zu einer schraubenförmigen Erweiterung des Kokillenschachtes führen. Diese Ausführungsform wird später noch besonders erläutert.
Die Kokillenschächte in den verschiedenen Stufen können einander ähnliche oder unähnliche Querschnittsformen besitzen. Beispielsweise kann, wie in Fig. 15 schematisch angedeutet, die erste Stufe quadratisch oder rechteckig sein, wogegen die zweite Stufe kreisförmig ausgeführt ist. Der Aufbau der beiden Stufen ist aus den Fig. 16 und 17 ersichtlich. Die hier gezeigte Anordnung erleichtert ganz besonders das Herstellen von Strängen mit kreisförmigem Querschnitt.
Die verschiedenen Kokillenstufen können fest miteinander verbunden sein, gegebenenfalls, wie beim Beispiel der Fig. 2-6, aus einem Stück. hergestellt sein. Ebenso sind auch gegeneinander bewegliche Kokillenstufen möglich, beispielsweise können zwei aufeinanderfolgende Stufen mit einer Phasenverschiebung von 1800 in Strangrichtung gegeneinander oszillieren. Eine solche Anordnung ist in Fig. 18 schematisch dargestellt. Die Kokillenstufe 76 ist mit Führungsteilen 77 auf den Schienen 78 gegenüber der Kokille 79 verschiebbar.
Letztere kann ebenfalls mit Hilfe der Führungsteile 80 auf den Schienen 78 derart verschoben werden, dass die Zentrierung zwischen den beiden Kokillenstufen nicht verloren geht.
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Auf diese Weise ist es möglich, die beim Oszillieren einer Stranggusskokille bekannten Bewegungen in der Längsrichtung des Stranges auszuführen. Die Darstellung zeigt schematisch ein Momentanbild aus einer solchen Bewegung, wobei durch die Länge der Pfeile 81 und 82 das Verhältnis zwischen den augen- blicklichen Geschwindigkeiten der Kokillenstufen sowie die Bewegungsrichtung dargestellt ist.
Zwischen den Kokillenstufen können ringförmige Spalten offen bleiben. Es ist auch möglich, dass an der Übergangsstelle zwischen zwei Stufen fensterartige Ausbrüche vorgesehen werden, wie beispielsweise die Öffnung83 in Fig. 19 schematisch zeigt. Derartige Öffnungen können unter Umständen in schachtför- mige Ansätze verschiedener Richtung münden. Ein Beispiel hiefür zeigt die gestrichelte Ergänzung 84 der
Fig. 19.
Eine weitere Ausführungsform des Überganges zwischen zwei Kokillenstufen ist in den Fig. 20 und 21 dargestellt. Hier ist die mechanische Verbindung zwischen der Stufe 85 und der Stufe 86 durch Stege 87 hergestellt, die die oberen Enden der beiden Stufen miteinander verbinden. Die schlecht wärmeleitenden
Einlagen 88 werden durch einen das untere Ende der Stufe 85 abschliessenden Ring 89 ergänzt. Ausserdem trennen die Einlagen 88 die Wände der Stufe 85 vollständig auf. Mit der dargestellten Anordnung ist es grundsätzlich möglich, den Spiegel der flüssigen Gussmasse in der Stufe 86 über das untere Ende der Stu- fe 85 hinaus ansteigen zu lassen. Damit lässt sich in gewissen, durch die Schrumpfung des abgekühlten
Materials gegebenen Grenzen auch die Kühlwirkung der Aussenwand der Stufe 85 ausnützen.
Die Wasser- kühlung der Stufe 85 kann in der dargestellten Anordnung durch die Stege 87 hindurch betrieben wer- den.
Das neue Stranggussverfahren kann mittels horizontal, vertikal oder schräg arbeitenden Anlagen aus- geführt werden. Da derartige Anlagen bekannt sind, wird auf eine gesonderte Darstellung verzichtet. Die
Ausführungen sind sinngemäss aus den übrigen Erläuterungen entnehmbar. Unter gewissen Voraussetzun- gen sind auch verschiedene Neigungen in den aufeinanderfolgenden Stufen möglich.
Eine besonders zum Guss grosser Strangquerschnitte geeignete Vorrichtung sieht zwei oder mehrere zueinander parallelgeschaltete Eingussstufen vor, die sich sodann in der weiteren Stufenfolge in einen oder mehreren Schritten bis zum endgültigen Strang vereinigen. Die schematische Darstellung der Fig. 22 und 23 zeigt die beiden Eingussstufen 89 und 90, die gemeinsam in die Stufe 91 münden. Die gezeigte
Stranggusskokille ist symmetrisch aufgebaut. Natürlich sind ebenso unsymmetrische Anordnungen möglich.
Zwei oder mehrere Stufen einer nach dem neuen Verfahren arbeitenden Kokille können Wände besitzen, die in einer Ebene verlaufen und an den Übergängen zwischen den Kokillenstufen ohne Absatz ineinander übergehen. Beispiele hiefür sind die in der Fig. 13 dargestellten Wände 73 und 74. Auf diese Weise kann für eine besonders einfache feste Verbindung der verschiedenenStrangbezirke in den verschiedenen Kokillenstufen gesorgt werden.
Zur Sicherstellung eines maximalen Wärmekontaktes zwischen dem Gussmaterial und den kühlenden Wänden einer Kokille nach der Ftfindung können verhältnismässig kurze Stufen mit nur geringen Quer- schnittserweiterungen vorgesehen werden, die es dem flüssigen Gussmaterial gestatten, die durch Schrumpfung des Stranges oder von Strangteilen zwischen Kokillenwänden und dem Strang entstehenden Spalte wieder aufzufüllen und dabei gleichzeitig eine einwandfreie Verbindung des zusätzlichentstehenden Querschnittsbereiches mit dem ursprünglichen Strang zu gewährleisten. Unter Umständen kann sich eine Kokille nur aus solchen kleinen Querschnittserweiterungen zusammensetzen. Im extremsten Falle können die Querschnittserweiterungen kontinuierlich erfolgen.
Die Kokillenschächte können Einrichtungen beispielsweise Kerben, Rillen oder vorstehende Teile, gegebenenfalls auch aus schlecht wärmeleitendem Material bestehend besitzen, die die Führung von Strangteilen in enger Berührung mit den Kokillenwänden sichern. Beispiele hiefür sind in den Fig. 24, 25 und 26 gezeigt, die keiner weiteren Erläuterung bedürfen.
Einem ähnlichen Zweck können Durchbrüche dienen, die in der Kokillenwand angebracht sind und an denen beispielsweise durch eine Vakuumpumpe ein Unterdruck zum Ansaugen des daran vorbeigleitenden festen Strangmaterial erzeugt wird. Wie Fig. 27 zeigt, besitzt die Kokillenwand 92 eine Öffnung 93, an der über eine Pumpleitung 94 eine nicht eingezeichnete Vakuumpumpe wirkt. Der in 93 entstehende Unterdruck saugt die daran vorbeigleitende Wand des Stranges 95 an, so dass dessen mechanischer Kontakt mit 92 verbessert wird. Die in Fig. 27 gezeigte Methode lässt sich besonders wirkungsvoll bei einem in voneinander getrennten Querschnittsbereichen verfestigten Strang anwenden. Beispiele hiefür zeigen die Fig. lla-lld.
Um die innerhalb der verschiedenen Stufen einer Kokille für die Weiterleitung des flüssigen Gussmaterials notwendigen Kanäle frei zu halten, können eine und gegebenenfalls mehrere feuerfeste und schlecht wärmeleitende Einlagen ähnlich wie in den Fig. 2-8 und andern dargestellt, vorgesehen werden.
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Sie können an den verschiedensten Stellen der Schächte in den einzelnen Kokillenstufen angebracht sein und nicht nur die entsprechenden Wandstücke ergänzen, sondern auch durch aus der Wand hervorspringen- de oder in die Wand zurücktretende Formen zur Bildung der Gesamtform des Kokillenschachtes beitragen.
Hiezu zeigt Fig. 25 ein einfaches Beispiel, bei welchem die schlecht warmeleitenden Einlagen 96 nach innen aus der Wand der Kokille 97 in den Schacht 98 vorspringen.
Gegebenenfalls sind feuerfeste und schlecht wärmeleitende Einlagen zweckmässig, die sich nur ent- lang eines Teiles der Wand des Schachtes einer Kokillenstufe erstrecken. Weiterhin ist es möglich, dass sich schlecht wärmeleitende Einlagen im Inneren des Kokillenkörpers fortsetzen und beispielsweise in eine röhrenförmige Verbindung aus feuerfestem Material zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kokillenschäch- ten auslaufen. Ein Beispiel hiefür ist schematisch in den Fig. 28 und 29 dargestellt. Die Einlage 99 ver- breitert sich in ihrem unteren Teil und geht in die Röhrengruppe 100 über, durch die eine direkte Verbin- dung zwischen dem Schacht 101 und dem Schacht 102 durch die Kokillenwand 103 hindurch erzeugt wird.
Der untere Teil des Schachtes 101 in Höhe der Stelle 104 wird nicht mehr von einer schlecht wärmelei- tenden Einlage gebildet, so dass sich ein geschlossener Strang ausbilden kann. Die Verbindung des Schach- tes 102 zur flüssigen) Gussmasse wird durch die Röhrengruppe 100 sichergestellt. Derartige Verbindungen gestatten das Umgiessen von bereits voll geschlossenen Strängen.
Weiterhin können Einlagen vorgesehen werden, die kürzer, länger oder gleich lang wie die Kokil- lenwände einer Stufe sind. Eine besondere Art von Einlagen kann in Form von Trennwänden, die sich quer durch den Kokillenschacht ziehen, vorgesehen werden. Ein Beispiel hiefür ist in Fig. 26 schema- tisch gezeigt, wo ein kreuzförmiger, schlecht warmeleitender Einsatz 105 den Schacht 106 der Kokil- le 107 in vier voneinander vollständig getrennte Bereiche aufteilt.
Durch die Anordnung der Einlagen in den Kokillenschächten kann erreicht werden, dass in der oder in den ersten Stufen einer nach dem neuen Verfahren arbeitenden Kokille voneinander getrennte Strang- teile entstehen, die sich erst in späteren Stufen vereinigen. Ebenso kann dafür gesorgt werden, dass ur- sprünglich voneinander getrennte Str angteile sich in der gleichen Kokillenstufe von einer bestimmten Hö- he an vereinigen. Beispiele hiefür sind in den verschiedenen Schnittdarstellungen der Fig. 10 und 11 ge- zeigt.
Weiterhin können auch aus jeder Kokillenstufe bereits Stränge mit in sich geschlossenen Wänden in die nächste Stufe eintreten, sofern durch einen Nebenschluss ähnlich wie in dem Beispiel der Fig. 28 in- nerhalb der Kokille oder aber durch einen Nebenschluss ausserhalb der Kokille für eine gesonderte Zufüh- rung von Gussmaterial in die nächste Stufe gesorgt wird. Grundsätzlich ist es möglich, in beide Stufen un- abhängig voneinander Gussmaterial einzugiessen. Ein Beispiel hiefür zeigt die Fig. 20, bei der die Stu- fe 85 und 86 beide von oben unmittelbar erreichbare Öffnungen besitzen.
Eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des neuen Stranggussverfahrens ist in den Fig. 30-33 sche- matisch dargestellt. Anstatt mit Hilfe von schlecht wärmeleitenden Einlagen in den Wänden der Kokil- lenschächte für einen Durchfluss des Giessmetalls in die unteren Stufen zu sorgen, sind in der Fig. 30 die einzelnen Kokillenstufen schräg abgeschnitten und gehen in entsprechende, schräg abgeschnittene nach- folgende Stufen über. Dadurch kann erreicht werden, dass die Kühlwirkung der kürzesten Wandstücke in einem Schacht nicht ausreicht, um das Gussmaterial an dieser Stelle erstarren zu lassen, so dass ein
Durchflussweg zum nächsten Schacht frei bleibt. In der Darstellung sind die verschiedenen Schächte in eine aus einem Stück hergestellte Kokille 108 eingefräst.
Die in Fig. 31 dargestellte Draufsicht auf die Öffnung der Stufe 109 zeigt, dass die weiteren Stufen 110 und 111 zentrisch zur Stufe 109 ausgerichtet sind. Trotzdem erfolgt die Erweiterung der verschiedenen Stufen durch den schrägen Anschnitt unsymmetrisch, so dass diese Ausführungsform des Verfahrens eine Abwandlung darstellt, bei der unsymmetrische und symmetrische Querschnittskombinationen miteinander vereinigt sind.
Eine sinngemässe Weiterentwicklung des in der Fig. 30 dargestellten Prinzips zeigt Fig. 32 in schematischer Darstellung. Die Stufe 112 mit ursprünglich quadratischem Querschnitt erweitert sich an der Stelle 113 schraubenförmig. Der sich dabei bildende Schacht erhält Wände, deren Schnittlinien mit einer durch die Strangachse bzw. die Achse der Stufe 112 gelegten Schnittebene Parallelen zu dieser Achse bilden. In der in Fig. 33 dargestellten Draufsicht auf die Öffnung von 112 ist die Projektion der Schachtwände in Form einer sich kontinuierlich erweiternden Spirale gestrichelt eingezeichnet, die zuletzt in einen Kreis übergeht, der dem Querschnitt der Kokillenaustrittsöffnung 114 und damit dem endgültigen Strangquerschnitt entspricht.
Anstatt die Kühlwirkung an bestimmten Kokillenstellen durch Einbau von schlecht wärmeleitenden Einlagen zu vermindern, wird sie hier durch entsprechende Dimensionierung der Länge bestimmter Wandbereiche einer Kokillenstufe beeinflusst. Die Erweiterung zur nächsten Stufe erfolgt im Extremfall der schraubenförmig aufgebauten Kokille nicht mehr schrittweise, sondern kontinuierlich, wobei der Durchfluss der flüssigen Gussmasse bis zur untersten endgültigen Querschnittserwei-
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