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Die
Erfindung betrifft einen Tauchausguss, wie er zum Beispiel beim
Stranggießen einer Metallschmelze verwendet wird.
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Der
EP 1 036 613 B1 kann
der grundsätzliche Aufbau eines solchen Tauchausgusses
entnommen werden. Der Tauchausguss umfasst einen rohrförmigen
Körper und einen Gießkanal, der sich von einem
ersten Endabschnitt des rohrförmigen Körpers,
bei dem eine Metallschmelze in den Gießkanal eintritt,
bis zu einem zweiten Endabschnitt erstreckt, an dem die Metallschmelze
den Gießkanal über mindestens eine Austrittsöffnung
verlässt. Der Schrift ist zu entnehmen, dass auch Tauchausgüsse
mit zwei diametral gegenüberliegenden seitlichen Austrittsöffnungen
zum Stand der Technik gehören, so dass die Schmelze von
einer zunächst rein vertikalen Strömungsrichtung
in zwei Richtungen seitlich abgelenkt wird, bevor sie aus dem Tauchrohr
austritt.
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Bei
gattungsgemäßen Tauchausgüssen ist es
bekannt, ein Inertgas wie Argon der Metallschmelze zuzuführen,
beispielsweise um ein so genanntes „clogging” zu
verhindern, das heißt, zu verhindern, dass sich der Gießkanal
durch Aufwachsungen in seinem Querschnitt verringert.
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Nachteilig
bei dieser Verfahrenstechnik ist, dass zum Teil Gasblasen erheblicher
Größe entstehen und mit dem Schmelzestrom in das
metallurgische Schmelzbad geführt werden. Solche Gasblasen können
einen Durchmesser von mehreren Millimetern, teilweise aber auch
Durchmesser im Zentimeterbereich aufweisen.
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Sobald
die Schmelze aus dem Tauchrohr in das Schmelzbad des metallurgischen
Gefäßes (zum Beispiel in eine Kokille einer Strangguss-Anlage) überführt
wurde, steigen insbesondere große Gasblasen zwar im Schmelzbad
auf, es ergeben sich dabei aber weitere Probleme:
- – Es
kommt zu Turbulenzen im Übergangsbereich zwischen Tauchrohr
und Schmelzbad, die sich negativ auf den Verschleiß des
Tauchrohrs auswirken,
- – der Gießspiegel (die Oberfläche
des Schmelzbades) kann schwanken, insbesondere im Grenzbereich zum
Tauchrohr
- – die Schlacke kann schäumen,
- – aufsteigende Gasblasen können eine auf dem Schmelzbad
aufliegende Schlackenschicht und/oder eine Gießpulver-Schicht
aufbrechen. Dabei kann es zu einem unerwünschten Kontakt der
Schmelze mit Umgebungsluft kommen. Auch kann Gießschlacke
in die Schmelze eingezogen werden.
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Zhang
et. al. "Physical, Numerical and Industrial Investigation
of Fluid Flow and Steel Cleanliness in the Continuous Casting Mold
at Panzhihua Steel" beschreiben in AIS Tech 2004, Nashville
(US), September 15–17, 2004, Association Iron Steel Technology,
Warrendale, PA (US), 879–894 die Strömungsverhältnisse
in Tauchrohren, wenn Gas injiziert wird. Bei bestimmten Betriebsbedingungen
kommt zur Trennung von Gas und Schmelze. Dabei entstehen zum Teil
sehr große Gasblasen, die das Tauchrohr verlassen und in
die Schmelze eindringen.
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Die
Erfindung möchte diese Nachteile vermeiden und einen Tauchausguss
anbieten, der auch dann weitestgehend störungsfrei den
Transport einer Metallschmelze in ein metallurgisches Schmelzgefäß erlaubt,
wenn die Schmelze Gasblasen mitführt.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von folgender Überlegung
aus:
Die beschriebene Ausbildung von Gasblasen, auch größeren
Gasblasen, kann grundsätzlich nicht verhindert werden,
im Gegenteil: Sie ist metallurgisch für bestimmte Anwendungen
notwendig. Das erfindungsgemäße Konzept besteht
darin, die vorhandenen Gasblasen möglichst unschädlich
zu machen. Im Weiteren liegt der Erfindung die Überlegung
zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Gasblasen
aus dem Schmelzestrom zu entfernen, bevor die Metallschmelze aus
dem Tauchrohr in ein Schmelzbad eines metallurgischen Schmelzgefäßes
geführt wird.
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Dabei
macht sich die Erfindung zu nutze, dass Gasblasen innerhalb einer
Metallschmelze aufsteigen (aufschwimmen). Die Tendenz der Gasblasen,
aufzusteigen, ist umso größer, je größer
die Gasblasen sind und je geringer die Viskosität der Metallschmelze
ist. Das heißt, dass insbesondere die unerwünschten
großen Gasblasen mit einem Durchmesser >> 1
mm leichter aus der Schmelze entfernt werden können als
kleine Gasblasen.
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Vor
diesem Hintergrund besteht der konkrete Erfindungsgedanke darin,
unmittelbar vor dem Verlassen der Schmelze aus dem Tauchrohr eine
Kammer vorzusehen, in die derartige Gasblasen aufsteigen (entweichen)
können. Die Kammer wirkt als Auffangbehälter oder
Puffergefäß für die genannten Gasblasen,
bevor diese in das Schmelzbad (in der Kokille) gelangen.
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Weitere Überlegungen
der Erfindungen gehen dahin, dieses Gas/diese Gasblasen entweder wieder
in den Schmelzestrom innerhalb des Tauchrohres zurückzuführen,
und zwar so, dass bei der Einleitung der Gasblasen in den Schmelzestrom
die Gasblasen zerkleinert und damit weitestgehend unschädlich
gemacht werden, oder in einer alternativen Ausführungsform
das Gas aus dem System, das heißt in die Umgebungsatmosphäre,
abzuziehen.
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In
ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung
demnach einen Tauchausguss mit folgenden Merkmalen:
- 1.1 Einem rohrförmigen Körper,
- 1.2 einem Gießkanal, der sich von einem ersten Endabschnitt
des rohrförmigen Körpers, bei dem eine Metallschmelze
in den Gießkanal eintritt, bis zu einem zweiten Endabschnitt
erstreckt, an dem die Metallschmelze den Gießkanal über
mindestens eine Austrittsöffnung verlässt,
- 1.3 mindestens einer Kammer im Bereich des zweiten Endabschnitts,
die in Strömungsrichtung der Metallschmelze hinter der
jeweiligen Austrittsöffnung verläuft und sich
in Richtung auf den ersten Endabschnitt erstreckt.
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Dabei
gehört ein Tauchausguss mit den Merkmalen 1.1 und 1.2 dem
Stand der Technik an, der nun durch die konstruktive Gestaltung
gemäß Merkmal 1.3 optimiert wird.
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Bei
einem Tauchausguss, wie er aus der eingangs genannten
EP 1 036 613 B1 bekannt
ist, verläuft die Schmelze im Gießkanal zunächst
vertikal von oben nach unten, bevor sie geteilt und unter einem Winkel
von circa 60° durch zwei diametral gegenüberliegende
seitliche Austrittsöffnungen aus dem Tauchausguss weggeführt
wird.
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Die
Erfindung sieht nun vor, am zweiten Endabschnitt des Tauchausgusses
eine Kammer vorzusehen, die im strömungstechnischer Verbindung
mit dem Gießkanal steht, so dass Gasblasen, die mit dem
Schmelzestrom mitgeführt werden, aus dem Schmelzestrom
in die Kammer aufsteigen können und so aus dem Teil der
Schmelze entfernt werden, der in das metallurgische Schmelzgefäß beziehungsweise
in dessen Schmelzbad einströmt.
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Dabei
steht im Vordergrund, insbesondere größere Gasblasen,
das heißt Gasblasen mit einem Durchmesser von beispielsweise
mehreren Millimetern (bis in den Zentimeterbereich), aus dem System wegzuführen,
weil diese Gasblasen in besonderer Weise den Verfahrensprozess stören,
wie oben ausgeführt.
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Der
Schmelzestrom als solcher und die Strömungsrichtung der
Schmelze bleibt gegenüber dem Stand der Technik weitestgehend
unverändert.
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Die
Kammer kann von einem Abschnitt des Gießkanals aus verlaufen,
entlang dem die Metallschmelze unter einem Winkel > 0 und < 90° zur
Axialrichtung des rohrförmigen Körpers strömt.
Wenn es die Strömungsverhältnisse im metallurgischen
Gefäß erlauben, kann der Winkel auch ≥ 90° sein,
wodurch die Tendenz der Gasblasen-Abscheidung verstärkt wird.
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Bei
dem genannten Beispiel wäre dies der Abschnitt, bei dem
die Metallschmelze von der exakt vertikalen Strömungsrichtung
seitlich zu den Austrittsöffnungen abgelenkt wird.
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Dabei
kann sich die Kammer im Wesentlichen radial außen an den
Gießkanal anschließen, so dass die Begrenzungswand
des Gießkanals eine innere Wand der Kammer bildet.
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Der
Auffangraum für das Gas kann auch ringförmig um
den Gießkanal herum verlaufen oder aus mehreren Kammern
beabstandet zueinander bestehen.
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Mit
Bezug auf die Ausführungsform eines Tauchausgusses gemäß
EP 1 036 713 B1 werden vorzugsweise
zwei Kammern vorgesehen, wobei jede Kammer einem von zwei Schmelzeströmen
am auslassseitigen Ende zugeordnet ist.
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Die
Erfindung sieht im Weiteren vor, die Kammer im Abstand zum ersten
Verbindungsbereich mit dem Gießkanal mit mindestens einem
zweiten Verbindungsbereich (einer Öffnung) zum Gießkanal auszubilden,
so dass die Kammer eine Art Bypass-Funktion erhält. Gasblasen,
die am unteren Ende der Kammer (in Haupt-Strömungsrichtung
der Schmelze betrachtet) nach oben in die Kammer aufgestiegen sind,
können so am oberen Ende der Kammer, das ist das Ende der
Kammer, welches dem ersten Endabschnitt des Gießkanals
zugewandt ist, wieder in den Gießkanal und damit in den
Schmelzestrom zurückgeführt werden. Dabei hat
sich herausgestellt, dass bei der Rückführung
der relativ großen Gasblasen in den Schmelzestrom es zu
einer Zerkleinerung der Gasblasen auf ein weitestgehend unschädliches
Maß kommt. Mit anderen Worten: Bei dieser Ausführungsform
wird das Gas nicht aus dem System entfernt; die Gasblasen werden
aber zerkleinert und zwar auf ein solches Maß, dass sie
auch nach Eintritt in das Schmelzbad in das metallurgische Gefäßes
nicht mehr die genannten Probleme bereiten. Vielmehr können
dann die zerkleinerten Gasblasen langsam, ohne Turbulenzen und ohne
Zerstörung von Schlacken- und Gießpulverschicht
aufsteigen.
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Eine
weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Kammer im Abstand
von ihrem unteren Ende, also in Richtung auf den ersten Endabschnitt
des Tauchausgusses versetzt, eine Öffnung aufweist, die bei
einer ordnungsgemäßen Verwendung des Tauchausgusses
eine Verbindung zur Umgebungsatmosphäre schafft.
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Bei
einem typischen Anwendungsfall, wie er in der
EP 1 036 713 B1 erläutert
wird, bedeutet dies, dass die Öffnung oberhalb der Schlackenebene,
beziehungsweise oberhalb einer Gießpulverebene angeordnet
ist, in jedem Fall oberhalb der Schmelzebades, wenn der Tauchausguss
sich in der Montageposition befindet. Bei dieser Ausführungsform
wird das Gas also aus dem Bereich des Tauchausgusses in die Umgebungsatmosphäre
weggeführt.
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Der
Gießkanal selbst und sein Verlauf insbesondere im zweiten
Endabschnitt hin zu der Austrittsöffnung oder den Austrittsöffnungen
kann gemäß Stand der Technik gestaltet sein. Es
ist vorteilhaft, wenn der Gießkanal im zweiten Abschnitt
so gestaltet ist, dass die Metallschmelze unter einem Winkel > 0 und < 90° zur
Axialrichtung des rohrförmigen Körpers aus der
Austrittsöffnung ausströmt, weil dies den Schmelzestrom
beruhigt und die Gasblasen noch ausreichend nach oben aufsteigen
können.
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Der
genannte Strömungswinkel kann nach einer weiteren Ausführungsform
auf > 45° und < 75° eingeschränkt
werden.
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Der
Tauchausguss lässt sich mit üblichen Verfahrenstechniken
und unter Verwendung feuerfester Werkstoffe herstellen, beispielsweise
als Gieß- oder Pressteil aus einem Versatz auf Basis einer Al2O3, TiO2,
ZrO2, MgO, CaO etc..
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Die
Größe der Kammer hängt vom jeweiligen Anwendungsfall
ab. Üblicherweise wird der Übergangsbereich (Öffnungsbereich)
zwischen Gießkanal und Kammer eine Querschnittsfläche
von 7–30 cm2 aufweisen und die
Kammer insgesamt ein Volumen von beispielsweise 50–250
cm3, ausgehend von einem Tauchausguss mit
einer Länge von 900 mm, einem Außendurchmesser
von 120 mm, einem Durchmesser des Gießkanals von 70 mm
und einer Querschnittsfläche der Austrittsöffnung/en
von ca. 50 cm2.
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Soweit
zu dieser Beschreibung und den Ansprüchen Richtungen angegeben
sind beziehen sich diese auf eine Funktionsposition des Tauchausgusses
bei bestimmungsgemäßer Anwendung.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche
sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele
näher erläutert, wobei die 1 und 2 jeweils
in schematisierter Darstellung ein auslaufseitiges (zweites) Ende
eines erfindungsgemäßen Tauchausgusses zeigen,
bei 1 links, während rechts der Stand der
Technik gegenübergestellt ist.
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In
den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen
Bezugszeichen angegeben.
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1 zeigt
einen Tauchausguss mit einem rohrförmigen Körper 10,
einem Gießkanal 12, der sich im Wesentlichen konzentrisch
zur axialen Mittenlängsachse L des rohrförmigen
Körpers erstreckt, und zwar von einem ersten Endabschnitt 14 des
rohrförmigen Körpers, bei dem eine Metallschmelze
in den Gießkanal eintritt, bis zu einem zweiten Endabschnitt 16,
an dem die Metallschmelze den Gießkanal 12 über
zwei seitliche Austrittsöffnungen 18.1, 18.2 verlässt.
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Dazu
ist der Gießkanal 12 im Bereich des zweiten Endabschnitts 16 so
gestaltet, dass die Metallschmelze ihre ursprünglich rein
vertikale Strömungsrichtung (Pfeil V) ändert und
der Schmelzestrom in zwei Teilströme (Pfeile T1, T2) übergeht,
die zunächst unter einem Winkel α von circa 50° zur
Strömungsrichtung V in Richtung auf die Austrittsöffnungen 18.1, 18.2 verlaufen.
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Diese
Richtungsänderung wird unterstützt durch eine
endseitige Stirnplatte 15 des Tauchausgusses mit entgegengesetzt
geneigten Schrägflächen 15.1, 15.2..
Dies alles ist Stand der Technik und im rechten Teil von 1 dargestellt.
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Mit
dem Schmelzestrom werden Gasblasen, die sich zum Beispiel aus einer
Inertgasbehandlung der Schmelze ergeben, mitgeführt, wobei
diese Gasblasen eine unterschiedliche Größe aufweisen
können. Schematisch wird dies im rechten Teil von 1 durch
die Pfeile A, B und C angedeutet, wobei C eine typische Strömungsrichtung
großer Gasblasen, B eine typische Strömungsrichtung
für Gasblasen mittlerer Größe und A die
Richtung anzeigt, in der die kleinsten Gasblasen in das Schmelzbad
S geführt werden. Mit anderen Worten: Während
Gasblasen kleinerer und mittlerer Größe sich mehr
oder weniger homogen im Schmelzbad S verteilen, steigen die größeren
Gasblasen, das sind insbesondere solche mit einem Durchmesser von
mehr als 1 mm, nach oben im Schmelzbad S auf und verursachen die
vorstehend genannten metallurgischen Probleme. Beispielsweise können
diese größeren Gasblasen eine auf dem Schmelzbad
aufliegende Schlackenschicht 26 und/oder eine Gießpulver-Schicht
aufbrechen, wie dies ebenfalls schematisch im rechten Teil von 1 angedeutet
ist.
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Von
diesem Stand der Technik unterscheidet sich ein erfindungsgemäßer
Tauchausguss durch die in 1 links
dargestellt Geometrie:
Das Tauchrohr ist an gegenüberliegenden
Bereichen des unteren Endabschnitts 16 nach außen
jeweils um eine Kammer 20 erweitert, die von einer oberen Wandfläche 200,
einer daran anschließenden, äußeren und
seitlichen, parallel zum Körper 10 verlaufenden
Wandfläche 20s und einem Teil des Körpers 10 begrenzt
wird und nach unten (in Richtung auf die Stirnplatte 15)
offen ist. Im oberen Bereich der Kammer 20, also benachbart
der oberen Wand 200, ist im Körper 10 eine Öffnung 21 angeordnet,
die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Innenraum
des Körpers 10 (das ist der Gießkanal 12)
und der Kammer 20 schafft.
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Während
der Schmelzestrom ähnlich wie im Stand der Technik am unteren
Ende des Tauchausgusses bei 18.1, 18.2 seitlich
aus dem Tauchausguss herausgeführt wird, wobei feinste
Gasblasen im Wesentlichen analog in Pfeilrichtung A und Gasblasen mittlerer
Größe wie zuvor beschrieben in Pfeilrichtung B
mitgeführt werden schafft die Kammer 20 die Möglichkeit,
dass größere Gasblasen, die aufsteigen, nun nicht
mehr im Schmelzbad S aufsteigen und eine Schlacken- oder Gießpulverschicht
zerstören können, sondern in der Kammer 20 aufgefangen
werden, wie durch den Pfeil C' dargestellt. Diese großen
Gasblasen gelangen im weiteren durch die Öffnung 21 in den
Schmelzestrom im zweiten Endabschnitt 16 des Körpers 10 zurück,
wo die Gasblasen durch den vorbeiströmenden Gießstrahl
zerkleinert werden, wie schematisch durch kleinere Kreise im Bereich
der Öffnung 21 angedeutet.
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Diese
jetzt zerkleinerten (kleineren) Gasblasen, beispielsweise Argon-Blasen,
werden dann in Pfeilrichtung V wieder mit dem Schmelzestrom mitgeführt
und über die Austrittsöffnung 18.1 (und
analog bei entsprechender Ausführung auf der anderen Seite über
die Austrittsöffnung 18.2) in das Schmelzbad S
des metallurgischen Gefäßes 24 eingeführt, und
zwar entsprechend den Pfeilrichtungen A und B.
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Die
Ausführungsform nach 2 unterscheidet
sich von der Ausführungsform nach 1 dadurch,
dass anstelle der Öffnung(en) 21 zwischen der/den
Kammer(n) 20 und Gießkanal 12 im oberen Wandabschnitt 200 der
Kammern 20 Gasauslassöffnungen 23 angeordnet
sind, durch die die Gasblasen in die Umgebungsatmosphäre
U entweichen können, wie ebenfalls schematisch durch Kreise
angedeutet.
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Die
Dimensionierung des Tauchausgusses gemäß Ausführungsform
nach 2 ist derart, dass die obere Begrenzungswand 200 jeder
Kammer 20 oberhalb des Schmelzbades S beziehungsweise der entsprechenden
Schlacken- oder Gießpulverschicht 26 verläuft,
so dass die über die Gasauslassöffnungen 23 austretenden
Gasblasen direkt in die Umgebungsatmosphäre entweichen
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1036613
B1 [0002, 0014]
- - EP 1036713 B1 [0022, 0025]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Zhang et.
al. ”Physical, Numerical and Industrial Investigation of
Fluid Flow and Steel Cleanliness in the Continuous Casting Mold
at Panzhihua Steel” beschreiben in AIS Tech 2004, Nashville (US),
September 15–17, 2004, Association Iron Steel Technology,
Warrendale, PA (US), 879–894 [0006]