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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen von mehreren Blöcken mittels elektrischer Schmelzung mit Hilfe einer Elektrode, die von oben gegen das Schmelzbad ragt, insbesondere zum Herstellen von Blöcken nach dem Elektroschlacken-Umschmelzverfahren mit Hilfe einer verzehrbaren Elektrode, die unter eine Schlackenschicht abgeschmolzen wird, mit einem zur Aufnahme des Schmelzbades und gegebenenfalls der geschmolzenen Schlackenschicht dienenden Kokillenoberteil und einem an dessen Boden angesetzten, von Röhren, in denen die Blöcke erstarren, gebildeten Kokillenunterteil.
Über eine lange Zeit war die Herstellung von Blöcken mit Hilfe von bekannten, mit einer abschmelzenden Elektrode arbeitenden Vorrichtungen allgemein auf das Umschmelzen einer Elektrode in einen Block beschränkt, dessen Querschnittsfläche grösser als die der Elektrode war. Typischerweise lag das maximale Verhältnis der Elektrodenquerschnittsfläche zur Block-Querschnittsfläche im Bereich von bis zu 80%. Obwohl es wünschenswert war, einen Block mit einer Querschnittsfläche herzustellen, die kleiner als die Elektrodenquerschnittsfläche ist, war es auf Grund von metallurgischen und wirtschaftlichen Beschränkungen schwierig, dieses Ergebnis zu erzielen.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Giessen einer Anzahl von Blöcken bekannt, die es ermöglichen, dass das Verhältnis der Elektrodenquerschnittsfläche zur Block-Querschnittsfläche 100% überschreitet. Diese Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen das Giessen einer Anzahl von Blöcken unter Vermeidung der oben erwähnten metallurgischen und wirtschaftlichen Beschränkungen.
Die Kosten der Herstellung von Blöcken durch Elektroschlacken-Umsehmelzverfahren oder andere Verfahren sind teilweise eine Funktion der Erstarrungsgeschwindigkeit des Blockes. Weiterhin ist die metallurgische Qualität des Blockes eine Funktion der Erstarrungsgeschwindigkeit. Die Erstarrungsge- schwindigkeit ist ihrerseits eine Funktion der Block-Querschnittsfläche. Je kleiner die Block-Querschnittsfläche ist, desto niedriger ist die zulässige Erstarrungsgeschwindigkeit und desto niedriger ist entsprechend das Blockgewicht, das pro Minute gegossen werden kann.
Dies heisst mit andern Worten, dass die zulässige Erstarrungsgeschwindigkeit für eine vorgegebene Legierung durch die metallurgischen Eigenschaften und Qualitätsnormen bestimmt ist, die durch Vorschriften festgelegt sind und dass als allgemeine Regel die zulässige Erstarrungsgeschwindigkeit mit abnehmender Block-Querschnittsfläche abnimmt. Niedere Block-Erstarrungsgeschwindigkeiten führen jedoch zu einer schlechten Ausnutzung der Anlage und vergrössern die Einheitskosten bei der Erzeugung von Blöcken.
Weiterhin nehmen die Kosten für die Herstellung der bei einem Elektrodenabschmelzverfahren verwendeten Elektroden bei abnehmendem Elektrodendurchmesser zu. Entsprechend hat die Herstellung von kleinen Blöcken durch Abschmelzelektrodenverfahren und insbesondere durch Elektroschlacken-Um- schmelzverfahren keine weite Verbreitung bei der Herstellung von Blöcken mit kleiner Querschnittsfläche gefunden.
Es ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung kleiner Blöcke durch mit abschmelzenden Elektroden arbeitende Verfahren bekannt, bei dem bzw. bei der Elektroden mit relativ grossen Durchmessern verwendet werden. Ein Schmelzbad aus Metall wird durch Abschmelzen einer Elektrode entsprechend dem üblichen Elektroschlacken-Umschmelzverfahren gebildet. Das untere Ende einer Elektrode taucht in ein Schlackebad ein und wird dadurch geschmolzen, dass ein Strom durch die Elektrode und die Schlacke geleitet wird, so dass sich Metalltropfen an der Elektrode bilden und durch die Schlackenschicht tropfen, um ein Schmelzbad aus Metall zu bilden. Eine Anzahl von Blöcken kann aus dem Schmelzbad abgezogen werden.
Obwohl dieses Verfahren sowie diese Vorrichtung das wirtschaftliche Giessen einer Anzahl von Blöcken ermöglicht, kann sich während des Giessens jedes Blockes in diesem ein tiefer geschmolzener Metallkern bilden. Dieser Metallkern ruft eine Verringerung der Erstarrungsgeschwindigkeit des Blockes hervor und ist daher unerwünscht. Der Grund für die Bildung des tiefen geschmolzenen Metallkernes liegt in den Anziehungskräften, die durch den elektrischen Strom hervorgerufen werden, der in benachbarten, den Kokillenunterteil bildenden Röhren fliesst.
Es ist bekannt, dass eine Anziehungskraft zwischen benachbarten Leitern hervorgerufen wird, in denen Ströme in der gleichen Richtung fliessen. Es wird angenommen, dass bei benachbarten Röhren zur gleichzeitigen Herstellung von mehreren Blöcken der Fluss eines elektrischen Stromes in jeder Röhre eine Anziehungskraft hervorruft und dass diese Kraft bewirkt, dass geschmolzenes Metall aus den einzelnen Röhren heraus und zurück in das Haupt-Schmelzbad fliesst. Als Ergebnis wird das geschmolzene Metall in den Röhren in Umlauf gebracht, und der Umlauf und das Umherströmen des geschmolzenen Metalls stört das graduelle Fortschreiten der Erstarrungsfront, d. h. der Grenzfläche zwischen dem geschmolzenen
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Metall. und dem erstarrten Block in den jeweiligen Röhren.
Die Erstarrungsfront bleibt dann in den einzelnen Röhren relativ tief, und der gegossene Block weist einen tiefen Kern aus geschmolzenem Metall auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Bildung eines tiefen Kerns aus geschmolzenem Metall in den jeweiligen Blöcken vermieden ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs näher bezeichneten Vorrichtung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Boden des Kokillenoberteiles mindestens eine Gegenelektrode, z. B. in Gestalt einer Impfscheibe, angeordnet ist, so dass der elektrische Strom nur ausserhalb der Röhren bzw. der gegossenen Blöcke geführt ist.
Dadurch wird verhindert, dass der elektrische Strom in die einzelnen, den Kokillenunterteil bildenden Röhren eintritt, wodurch die Erstarrungsfront in vorteilhafter Weise angehoben wird.
Bei einer Vorrichtung, bei der die Fläche des lichten Querschnittes des Kokillenoberteiles grösser als die Summe der Flächen der lichten Querschnitte der Röhren ist und bei der der Kokillenoberteil mit einem feuerfesten Boden und mit mehreren feuerfesten Einsatzhülsen, deren jede einer Röhre zugeordnet ist, versehen ist, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode bzw. die Gegenelektroden zwischen benachbarten Röhren angeordnet ist bzw. sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren gegenüber dem Kokillenoberteil und gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden sowohl eine bekannte Vorrichtung als auch Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine bekannte Elektroschlacken-Umschmelzanlage zur Herstellung einer Anzahl von Blöcken, wogegen in Fig. 2 ein Schnitt durch eine Ausführungsform einer Elektroschlacken-Umschmelzanlage gemäss der Erfindung dargestellt ist, Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Elektroschlacken- Umschmelzanlage.
Eine bekannte Anlage --10-- weist einen äusseren Tragmantel--12--auf, in dem ein oberer wassergekühlter Kupfermantel --14-- angeordnet ist, der zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls --16-und der geschmolzenen Schlacke --18-- dient. Der äussere Tragmantel --12-- ist mit einem feuerfesten Boden --20-- versehen. Dieser schliesst auswechselbare, feuerfeste, obere Formeinsatzhülsen --22-- ein, die ringförmig sein können. Der Tragmantel --12-- und der wassergekühlte Kupfermantel --14-- bilden zusammen mit dem feuerfesten Boden --20-- und dem Einsatz --22-- den im folgenden als Kokillenoberteil bezeichneten Teil der Anlage.
Der Kokillenoberteil steht über die feuerfeste Hülse --22-- mit wassergekühlten, aus Kupfer bestehenden Röhren --24--, die den Kokillenunterteil bilden, in Verbindung. In diesen Röhren --24-- werden die Blöcke kontinuierlich abgezogen, wenn die Erstarrung fortschreitet.
Eine verzehrbare Elektrode --26-- ist mittels einer bekannten Vorrichtung verschiebbar gelagert und taucht mit einem Ende in die geschmolzene Schlacke --18-- ein ; diese Elektrode wird unterhalb der Schlacke --18-- abgeschmolzen und bildet das Schmelzbad-16--. Die Elektrode --26-- kann eine Querschnittsfläche aufweisen, die beträchtlich grösser als die Querschnittsfläche einer Röhre --24-- und damit die Querschnittsfläche eines Blockes --28-- ist. In bestimmten Fällen kann es auch vorteilhaft sein, mehr als eine Elektrode --26-- zu verwenden.
Der Kokillenoberteil, in welchem das Schmelzbad --16-- aus geschmolzenem Metall gebildet und weiterhin eine Grenzfläche zwischen geschmolzener Schlacke und geschmolzenem Metall aufrechterhalten wird, weist eine grössere Querschnittsfläche auf als eine Röhre - -24--.
Der feuerfeste Boden --20-- ergibt zusammen mit den feuerfesten Einsatzhülsen --22-- eine thermische Isolation, die es ermöglicht, dass das Schmelzbad --16-- in geschmolzenem Zustand verbleibt.
Wenn irgendein Teil des Schmelzbades --16-- oberhalb des feuerfesten Bodens --20-- erstarren würde, so würde entweder der Block --28-- in der Röhre --24-- klemmen oder die Oberfläche des Blockes --28-würde reissen. Um ein Verklemmen oder Reissen zu vermeiden, wird das Schmelzbad --16-- durch den feuerfesten Boden --20-- und die feuerfesten Hülsen --22-- ausreichend gegenüber der Kühlwirkung der Röhre --24-- und des Kupfermantels --14-- isoliert, um eine Erstarrung an oder in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Röhre --24-- und dem Kokillenoberteil zu verhindern.
Dadurch, dass die Erstarrung des Schmelzbades --16-- in dem Kokillenoberteil verhindert wird, kann die Metall'/Schlacken- grenzfläche in dem Kokillenoberteil aufrechterhalten werden.
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Beispielsweise können der feuerfeste Boden --20-- und die feuerfesten Hülsen --22-- aus Zirkonerde (zero2) hergestellt sein. Zirkonerde ist vorteilhaft, weil sie für lange Zeitperioden mit dem geschmolzenen Stahl bei minimaler Neigung zu Reaktionen in Berührung bleiben kann. Weiterhin kann sie mit minimaler Erosion oder Lösung den anfänglichen Aufbau des geschmolzenen Metall-und Schlackenbades überstehen.
Für die Herstellung des feuerfesten Bodens --20-- und der feuerfesten Hülsen --22-- können auch andere feuerfeste Materialien, die etwa gleiche Eigenschaften haben, verwendet werden.
Der Grund der Verwendung je einer auswechselbaren Hülse --22-- an den Köpfen der Röhren-24- liegt darin, dass in diesem Bereich ein maximaler Verschleiss des feuerfesten Materials stattfindet.
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jeden Block --28-- ergibt.
Die Elektrode --26-- wird oberhalb des feuerfesten Bodens --20-- und innerhalb des Kupfermantels - angeordnet, worauf geschmolzene Schlacke --18-- in den Kokillenoberteil gegossen wird, bis der Pegel der Schlacke bis zur Spitze der Elektrode --26-- ansteigt. Danach beginnt der Schmelzvorgang.
Wenn es erwünscht ist, kann der feuerfeste Boden --20-- mit den feuerfesten Hülsen --22-- beispielsweise unter Verwendung eines Brenners vor der Zugabe der geschmolzenen Schlacke --18-- vorgeheizt werden.
Während der ersten Minuten schmilzt die Elektrode --26-- mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, wodurch der feuerfeste Boden --20-- des Kokillenoberteiles mit geschmolzenem Metall --16-- bedeckt wird. Nachdem das Schmelzbad --16-- gebildet ist, wird das Abziehen der Blöcke --28-- eingeleitet und darauf mit einer Geschwindigkeit fortgesetzt, die zur Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode --26-- äquivalent
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--28-- kann z. B.- gebildet werden.
Die Steuerung der Geschwindigkeit der Bildung der Blöcke --28-- hängt zum erheblichen Teil von der Lage der Grenzfläche zwischen geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke ab. Weil nur eine derartige Grenzfläche besteht, werden die Steuerungsprobleme verglichen mit dem Versuch der Aufrechterhaltung einer Grenzfläche zwischen geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke in jeder Röhre --24-- beträchtlich verringert. Weil nur eine Grenzfläche zwischen geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke vorhanden ist, können übliche Steuereinrichtungen verwendet werden.
Obwohl der Kokillenoberteil und die den Kokillenunterteil bildenden Röhren --24-- vorzugsweise aus wassergekühltem Kupfer bestehen, ist es selbstverständlich auch möglich, wassergekühlte Stahlkokillen od. dgl. zu verwenden. Weiterhin ist die Vorrichtung nicht auf die Verwendung von verzehrbaren Elektroden beschränkt. Es können auch nicht abschmelzende Elektroden zur Herstellung des Schmelzbades --16-- in dem Kokillenoberteil verwendet werden. Weiterhin können solche Anlagen entweder für den Strangguss einer Anzahl von Blöcken oder zur Herstellung einzelner Blöcke verwendet werden.
Wie bereits erläutert worden ist, besteht einer der wesentlichen Vorteile der bekannten Anlage gemäss Fig. 1 darin, dass eine Anzahl von Blöcken --28-- aus einem gemeinsamen Schmelzbad --16-- gleichzeitig hergestellt werden kann. Es werden eine oder mehrere Elektroden --26-- verwendet, die mit einer relativ hohen Geschwindigkeit abschmelzen, während jeder Block --28-- mit einer relativ niedrigeren Geschwindigkeit gegossen wird. Dies heisst mit andern Worten, dass beim Giessen einer Anzahl von Blöcken die Geschwindigkeit des Giessens jedes Blockes nicht genau durch die Geschwindigkeit bestimmt ist, mit der das Schmelzbad --16- aus geschmolzenem Metall gebildet wird.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich beim Giessen einer Anzahl von Blöcken --28-- mit Hilfe der bekannten Vorrichtung ein tiefer Kern --32-- aus geschmolzenem Metall in jedem der in den Röhren - 24-- geformten Blöcke --28- bildet. Der Hauptgrund für die Bildung des tiefen Kernes --32-- aus geschmolzenem Metall ist eine Anziehungskraft, die durch den elektrischen Stromfluss durch die erstarrenden Blöcke --28-- erzeugt wird. Es ist bekannt, dass benachbarte Leiter, die Strom in der gleichen Richtung führen, Anziehungskräfte erzeugen. Bei der vorstehend beschriebenen bekannten Vorrichtung kann die Strömung des geschmolzenen Metalls aus dem Schmelzbad --16-- in benachbarte Röhren --24-- mit benachbarten elektrischen Leitern verglichen werden.
Daher sind in Fig. 1 zwei getrennte Strompfade --A, B-- zwischen der Elektrode --26-- und den Impfscheiben --30-- in den Röhren - gezeigt. Weil sich die Strompfade --A und B-- durch getrennte Röhren --24-- erstrecken und
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parallel verlaufen, werden elektrische Anziehungskräfte zwischen dem geschmolzenen Metall --16-- in benachbarten Röhren --24-- erzeugt. Diese Anziehungskräfte bewirken, dass das geschmolzene Metall von dem Oberteil der Röhren --24-- in das Schmelzbad --16-- in dem Kokillenoberteil ausgestossen wird.
Das Ausstossen des geschmolzenen Metalls aus den Röhren --24-- in das Schmelzbad --16-- im Kokillenoberteil hat eine Zirkulation von geschmolzenem Metall zur Folge, die durch die Pfeile --C-- in Fig. 1 angedeutet ist. Die Zirkulation des geschmolzenen Metalls in den Röhren --24-- stört das graduelle Fortschreiten der Erstarrungsfront und führt zu den tiefen Kernen --32-- aus geschmolzenem Metall.
Im folgenden wird an Hand von Fig. 2 die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Giessen einer Anzahl von Blöcken aus einem gemeinsamen Schmelzbad --16-- aus geschmolzenem Metall beschrieben, bei der diese nachteilige Bildung von tiefen Kernen aus geschmolzenem Metall in den Blöcken --28-- vermieden wird. Eine Gegenelektrode --38-- ist zwischen benachbarten Röhren --24-- angeordnet, um eine gute elektrische Verbindung mit der Elektrode --26-- zu erzielen. Die Gegenelektrode --38-- ist teilweise vom feuerfesten Boden --20-- des Kokillenoberteiles umgeben, der benachbarte Röhren --24-- trennt.
Ein wassergekühlter Kupferleiter --40-- ist mit der Gegenelektrode --38-- elektrisch verbunden und führt von dieser zwischen benachbarten Röhren --24-- nach unten zum andern Pol der Stromquelle. Auf diese Weise wird ein elektrischer Strom von der Elektrode --26-- durch das Schmelzbad --16-- zur Gegenelektrode --38-- und zum Leiter --40-- geleitet, ohne dass dieser Strom in eine Röhre --24-- eintritt.
Der Kokillenoberteil und die daran befestigten, den Kokillenunterteil bildenden Röhren --24-- können nach oben bewegt werden, während die Blöcke --28-- gegossen werden. Am Anfang werden die Röhren --24-- von einem Tragtisch-36-- getragen, der mit einer Öffnung --44-- versehen ist, durch die der Kupferleiter --40-- durchtritt. Der Leiter --40-- endet unterhalb der Öffnung --44-- und ist an dieser Stelle mittels Hochstromleitern mit Rückführsammelschienen --42-- einer üblichen nicht gezeigten elektrischen Stromquelle verbunden.
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gemässen Vorrichtung gemäss Fig. 2 durch das Einsetzen der Gegenelektrode --38-- und des Kupferleiters --40-- in der beschriebenen Weise beseitigt.
Es wird dann ein einziger in Fig. 2 mit --D-- bezeichneter Strompfad geschaffen, der sich von der Elektrode --26-- durch den Startstopfen --38-- und den Kupferleiter --40-- zu den Rückführsammelschienen --42-- erstreckt. Die erstarrten Teile der Blöcke - sind dann wirksam elektrisch isoliert, und der Strom fliesst nicht durch die Blöcke in den Röhren - -24--. Dadurch wird die Zirkulation geschmolzenen Metalls, die sich sonst aus den mehrfachen Strompfaden ergibt, vermieden. Entsprechend wird die graduelle Erstarrung des geschmolzenen Metalls --16-- in den Röhren-24-- nicht durch den Stromfluss durch das Schmelzbad --16-- behindert, und die tiefen Kerne --32-- aus geschmolzenem Metall wie in Fig. 1 bilden sich nicht. Dies ist in Fig. 2 durch die relativ flache Erstarrungsfront --34-- dargestellt.
Die unbehinderte Erstarrung der Blöcke --28-- ermöglicht das Giessen dieser Blöcke mit einer grösseren Geschwindigkeit, was zu einer verbesserten Ausnutzung der Anlage und zu verringerten Produktionskosten führt. Gleichzeitig wird die metallurgische Qualität der Blöcke beibehalten.
Obwohl die erfindungsgemässe Vorrichtung in Verbindung mit dem mit verzehrbarer Elektrode arbeitenden Elektroschlacken-Umschmelzverfahrens beschrieben worden ist, kann sie auch zur Blockerzeugung mit Hilfe anderer Elektrodenumschmelzverfahren verwendet werden oder für Verfahren, die ohne abschmelzende Elektroden arbeiten. Das Elektroschlacken-Umschmelzverfahren arbeitet etwas langsamer als andere bekannte Verfahren zum kontinuierlichen Giessen einer Anzahl von Blöcken, doch führt es zu einem besseren Produktionsergebnis ; bei langsameren Erstarrungsgeschwindigkeiten sind Legierungen höherer Qualität erzielbar. Beim Elektroschlacken-Umschmelzverfahren ergeben sich niedrigere Erstarrungsgeschwindigkeiten, weil die Schlackendecke oberhalb des geschmolzenen Metalls dazu beiträgt, dass die Wärme in dem Schmelzbad aus Metall aufrechterhalten wird.
Weiterhin verhindert die Schlackendecke eine Abkühlung des Oberflächenspiegels des Schmelzbades an der Grenzfläche Schlacke-Metall.
Obwohl der Leiter --40-- als aus Kupfer bestehend beschrieben worden ist, ist klar, dass andere leitende Materialien genauso geeignet sind, um den einzigen Strompfad durch die Elektrode --26--, die Gegenelektrode --38-- und den Leiter --40-- zu realisieren. Weiterhin ist, obwohl in Fig. 2 der Strom als von der Elektrode --26-- zum Leiter --40-- fliessend angegeben worden ist, diese Richtung des
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Stromflusses in keiner Weise zwingend. Der Strom kann ein Wechselstrom oder ein Gleichstrom mit beliebiger Polarität sein.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf eine Vorrichtung beschränkt, die lediglich eine Gegenelektrode --38-- und einen Leiter --40-- verwendet, um den Strompfad --D-- zu schaffen. Stattdessen kann, wie dies in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform gezeigt ist, eine Anzahl von Leitern --40-- dazu verwendet werden, eine Anzahl von Strompfaden durch das Schmelzbad aus geschmolzenem Metall zu erzeugen. Jeder Strompfad wird jedoch daran gehindert, in eine Röhre --24-- einzutreten ; die Ströme halten das Schmelzbad aus Metall im geschmolzenen Zustand, und die Anzahl von Blöcken kann ohne die Bildung tiefer Kerne --32-- aus flüssigem Metall gegossen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen von mehreren Blöcken mittels elektrischer Schmelzung mit Hilfe einer Elektrode, die von oben gegen das Schmelzbad ragt, insbesondere zum Herstellen von Blöcken nach dem Elektroschlacken-Umschmelzverfahren mit Hilfe einer verzehrbaren Elektrode, die unter einer Schlackenschicht abgeschmolzen wird, mit einem zur Aufnahme des Schmelzbades und gegebenenfalls der geschmolzenen Schlackenschicht dienenden Kokillenoberteil und einem an dessen Boden angesetzten, von Röhren, in denen die Blöcke erstarren, gebildeten Kokillenunterteil, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Boden (20) des Kokillenoberteiles (12,14) mindestens eine Gegenelektrode (38), z.
B. in Gestalt einer Impfscheibe, angeordnet ist, so dass der elektrische Strom nur ausserhalb der Röhren (24) bzw. der gegossenen Blöcke (28) geführt ist.