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Düsenreihenanordnung und Düsenfeld zum Einbau in Rollenspalte zwischen zwei Strangführungsrollen
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Die Erfindung betrifft eine Düsenreihenanordnung zum Einbau in einen Rollenspalt zwischen zwei in einer Gießrichtung benachbarten Strangführungsrollen in einer Strangführung in einer Stranggießanlage. Die Stranggießanlage dient zum Gießen von flüssigem Metall in einen Gießstrang, welcher innerhalb der Strangführung zwischen Strangführungsrollen geführt wird. Die Düsenreihenanordnung besteht aus einer Mehrzahl von Düsen zum Aufbringen von Kühlmittel auf den Gießstrang. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Düsenfeld, bei dem es sich um eine Mehrzahl von Düsenreihenanordnungen handelt, die in einer Mehrzahl von Rollenspalten in der Strangführung angeordnet sind.
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Im Stand der Technik sind Reihenanordnungen von Kühlmitteldüsen hinlänglich bekannt, so z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2009 005 679 A1 . Dort ist erwähnt, dass es sich bei den Düsen entweder um 1-Stoff-Düsen oder um 2-Stoff-Düsen pro Rollenspalt handeln kann. Wie die Bezeichnungen bereits aussagen, wird bei den 1-Stoff-Düsen lediglich ein einziges Kühlmittel auf den Gießstrang aufgebracht, während die 2-Stoff-Düsen dafür ausgelegt sind, dass zwei Kühlmittel, typischerweise Luft und Wasser, nachdem sie zuvor in einer Mischkammer gemischt wurden, auf den Gießstrang aufgespritzt werden.
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Auch die
deutsche Auslegeschrift 26 36 666 offenbart Düsen für Kühlmittel in einer Reihenanordnung, wobei die Düsen dort symmetrisch zu einer Anlagenmitte bzw. Strangmittelachse der Strangführung angeordnet sind.
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Eine Stranggießanlage umfasst typischerweise eine Kokille sowie eine der Kokille in Gießrichtung nachgeordnete Strangführung mit einer Mehrzahl von Strangführungsrollen. Nachdem flüssiges Metall, insbesondere flüssiger Stahl in die Kokille eingefüllt wurde, wird er an den Rändern der Kokille mit Hilfe einer Primärkühlung gekühlt, so dass sich dort innerhalb der Kokille ein Gießstrang mit zunächst noch flüssigem Kern aber bereits erstarrter tragfähiger Strangschale bildet. Nachdem der Gießstrang die Kokille mit einer tragfähigen Schale verlässt, wird er innerhalb der nachgeordneten Strangführung geführt und abgekühlt, solange bis er schließlich vollständig durcherstarrt ist. Die Führung innerhalb der Strangführung erfolgt zwischen gegenüberliegenden Strangführungsrollen, wobei der Gießstrang typischerweise aus der Vertikalen in die Horizontale umgebogen wird. Die Kühlung des Gießstrangs in der Strangführung erfolgt mit den besagten Düsenreihenanordnungen zwischen den Rollenspalten. Aus Kostengründen (Betriebs- und Installationskosten) werden 2-Stoff-Düsen nur in bestimmten Fällen verwendet, nämlich insbesondere dort, wo der von der Düse ausgebrachte Kühlmittelstrom in einem weiten Regelbereich, nachfolgend auch Regelverhältnis genannt, einstellbar sein muss. Dieses Erfordernis kann sich insbesondere dann ergeben, wenn die Stranggießanlage für ein großes Produktspektrum ausgelegt ist, d. h. für das Gießen von Gießsträngen ganz unterschiedlicher Breiten oder unterschiedlicher Stahlqualitäten mit stark variierenden Gießgeschwindigkeiten. 1-Stoff-Düsen sind im Unterschied zu 2-Stoff-Düsen in ihrem Regelverhältnis deutlich mehr begrenzt, und deshalb sind sie für den Einbau in Stranggießanlagen, die für ein großes Produktspektrum ausgelegt sind, zumindest alleine nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Düsenreihenanordnung sowie ein bekanntes Düsenfeld zum Einbau in Rollenspalte zwischen Strangführungsrollen dahingehend weiterzubilden, dass sie einerseits eine Qualitätsverbesserung für den Gießstrang ermöglichen, aber andererseits auch kostengünstiger sind.
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Diese Aufgabe wird für die Düsenreihenanordnung durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach sind die erfindungsgemäßen Düsenreihenanordnungen dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Düsen als Mehrstoff-Düsen ausgebildet sind, deren Regelverhältnis größer ist als das Regelverhältnis der mindestens einen 1-Stoff-Düse.
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Der Begriff 1-Stoff-Düse besagt, dass diese Düsen lediglich mit einem einzigen Kühlmittel, typischerweise Wasser, betrieben werden. Der Begriff Mehrstoff-Düsen besagt analog, dass diese Düsen mit einer Mehrzahl von Kühlmitteln betrieben werden. Eine Mehrstoff-Düse im Sinne der Erfindung meint vorzugsweise eine 2-Stoff-Düse, welche typischerweise mit einem gasförmigen Stoff M2, z. B. Luft oder Stickstoff, und zusätzlich mit einem flüssigen Stoff M1, z. B. mit Wasser betrieben werden.
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Das Regelverhältnis, auch Regelbereich genannt, einer Düse gibt an, wie weit der Volumenstrom des Kühlmittels gegenüber einem vom Hersteller vorgegebenen düsenspezifischen Nenn- bzw. Maximalwert abgesenkt werden kann, ohne dass das Spritzbild bzw. der Strahlkegel wesentlich darunter leidet oder gar zusammenbricht.
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Die beanspruchte Düsenreihenanordnung sieht vor, dass in einem Mittenbereich des Rollenspaltes lediglich 1-Stoff-Düsen verbaut sind, während rechts und links des Mittenbereiches, d. h. in den Kantenbereichen des Gießstrangs Mehrstoff-Düsen verbaut sind. Aufgrund des von den Mehrstoff-Düsen versprühten Kühlmittelgemisches aus beispielsweise einem gasförmigen und einem flüssigem Kühlmittel ist der Regelbereich der Mehrstoff-Düsen typischerweise deutlich größer als der Regelbereich der 1-Stoff-Düsen. Allerdings sind die Anschaffung und der Betrieb der Mehrstoff-Düsen deutlich teurer als der Betrieb der 1-Stoff-Düsen, weil die Bereitstellung des gasförmigen Kühlmittels, z. B. Pressluft ein Vielfaches teurer ist als die Bereitstellung von Wasser als Kühlmittel.
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Im vorliegenden Fall liegt der Verdienst der Erfinder darin, erkannt zu haben, dass selbst für den Betrieb einer Stranggießanlage, die für ein breites Produktspektrum vorgesehen ist und deshalb ein breites Kühlleistungsspektrum erfordert, es nicht erforderlich ist, Mehrstoff-Düsen über der gesamten Breite des Rollspaltes vorzusehen. Vielmehr ist es ausreichend, solche Mehrstoff-Düsen mit großem Regelbereich lediglich im Kantenbereich des Gießstrangs vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vielzahl von unterschiedlichen Stahlgüten, insbesondere auch rissempfindliche Stahlqualitäten mit guter Oberflächenqualität zu gießen, bei gleichzeitig vergleichsweise geringen Kosten für die Kühlmittel. Dadurch, dass die in ihrem Betrieb teuren Mehrstoff-Düsen lediglich im Randbereich des Gießstrangs und nicht in dessen Mittenbereich angeordnet sind, sind die Betriebskosten gegenüber einer durchgängig mit Mehrstoff-Düsen bestückten Düsenreihenanordnung deutlich geringer. Die Qualität eines Gießstrangs und insbesondere seiner Oberfläche wird nicht dadurch eingeschränkt, dass in dem Mittenbereich lediglich sowohl in der Anschaffung wie auch im Unterhalt preisgünstige 1-Stoff-Düsen eingesetzt werden.
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Die beanspruchte Düsenreihenanordnung findet vorzugsweise Anwendung bei Stranggießanlagen mit folgenden Spezifika:
| Anlagenbauformen: | Senkrechtabbiege-, Bogen- und Vertikalbrammenanlagen |
| Brammenbreiten: | 1000–4000 mm |
| Brammendicken: | 40–700 mm |
| Gießgeschwindigkeiten: | 0,1–10 m/min |
| Strangführungslänge: | 1–50 m |
| Düsenabstand zur Bramme: | 50–1000 mm |
| Spritzwinkelbreite: | 30–160 Grad |
| Spritzwinkeltiefe: | 1–120 Grad |
| Einzelmedien: | Wasser, Luft, Stickstoff |
| Gemischmedien: | Wasser/Luft; Wasser/Stickstoff |
| Wasserbeaufschlagungsdichte: | 1–100 l/(m2·s) |
| Wärmeübergangskoeffizienten: | 300–60000 W/(m2·K); Heat-Temperature-Coefficient HTC |
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Grundsätzlich ist es wichtig, dass sämtliche Düsen in einer Düsenreihenanordnung auf einen gleichen maximalen Heat-Temperature-Coefficient HTC-Wert ausgelegt sind, unabhängig davon, ob es sich um 1-Stoff- oder Mehrstoff-Düsen handelt. Deswegen gilt diese vorteilhafte Voraussetzung insbesondere auch im Übergangsbereich von dem Mittenbereich G zu den Randbereichen, wenn dort 1-Stoff- und Mehrstoff-Düsen benachbart zueinander angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Düsenreihenanordnung kann eingesetzt werden zur Kühlung der Oberseite oder der Unterseite eines Gießstrangs.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der beanspruchten Düsenreihenanordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Düsenfeld zum Einbau in Rollenspalte zwischen einer Mehrzahl von in Gießrichtung benachbart angeordneten Strangführungsrollen gemäß Anspruch 5 gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf die Düsenreihenanordnung genannten Vorteilen.
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Vorteilhafterweise nimmt in einem Düsenfeld die gesamte Spritzbreite und damit vorzugsweise auch die Anzahl der Düsen pro Rollenspalte von außen nach innen in Gießrichtung ab. Eine derartige Ausgestaltung der Düsenreihen in den Düsenfeldern ist deshalb möglich und sinnvoll, weil generell die erforderliche Kühlleistung in Gießrichtung mit zunehmender Durcherstarrung abnimmt. Mit der entsprechenden Reduzierung der Anzahl der Düsen können sowohl Anschaffungs- wie auch Betriebskosten vorteilhafterweise eingespart werden. Die Anzahl der Düsen muß sich nicht von jedem Rollenspalt zu dem in Gießrichtung unmittelbar benachbarten nachfolgenden Rollenspalt reduzieren. Vielmehr können auch mehrere in Gießrichtung aufeinanderfolgende Rollenspalte eine gleiche Anzahl von Düsen aufweisen, und erst – den mehreren Rollenspalten – nachgeordnete Rollenspalte weisen dann eine reduzierte Anzahl von Düsen auf. Insofern sind die Begriffe erster und zweiter Rollenspalt nicht zwingend als benachbarte Rollenspalte zu verstehen.
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Der Beschreibung sind vier Figuren beigefügt, wobei
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1 eine Stranggießanlage nach dem Stand der Technik;
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2 eine erfindungsgemäße Düsenreihenanordnung;
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3 unterschiedliche Regelverhältnisse von 1-Stoff- und Mehrstoff-Düsen; und
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4 ein erfindungsgemäßes Düsenfeld zeigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt eine klassische Stranggießanlage 200, die im Wesentlichen aus einer Stranggießkokille 250 und einer der Stranggießkokille nachgeschalteten Strangführung 210 besteht. Nach dem Einfüllen eines flüssigen Metalls, typischerweise Stahl, bildet sich innerhalb der Kokille ein Badspiegel 252 aus. Das flüssige Metall wird in der Kokille 250 mittels einer Primärkühlung (nicht gezeigt) gekühlt, so dass sich dort ein Gießstrang 300 ausbildet. Der Gießstrang ist zunächst in seinem Inneren noch flüssig; er bildet jedoch an seiner Außenseite eine erstarrte tragfähige Strangschale 310 aus. Nach dem Verlassen der Kokille 250 wird der Gießstrang 300 in der Strangführung 210 zwischen gegenüberliegenden Strangführungsrollen 214 geführt. Die Führung erfolgt in 1 von oben nach unten, d. h. hier in Gießrichtung R.
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Innerhalb der Strangführung 210 wird der Gießstrang 300 mit Kühlmittel beaufschlagt (Sekundärkühlung). Dies erfolgt mit Hilfe von Düsen, die in Form von Düsenreihenanordnungen 100 in den Rollenspalten 212 zwischen zwei in Gießrichtung R benachbarten Strangführungsrollen 214 angeordnet sind. Durch die Beaufschlagung mit Kühlmittel erstarrt der Gießstrang 300 während seiner Führung durch die Strangführung 210 immer weiter durch, bis er schließlich vollständig durcherstarrt ist.
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2 zeigt einen Querschnitt durch einen Rollenspalt 212. Zu erkennen ist der Gießstrang 300 in teilerstarrtem Zustand, d. h. mit einer durcherstarrten Strangschale 310 und einem noch flüssigen Kern 320. Oberhalb des Gießstrangs ist die Düsenreihenanordnung 100 zu erkennen. Konkret umfasst die Düsenreihenanordnung in dem hier gezeigten Beispiel vier 1-Stoff-Düsen 110, die jeweils nur mit einem flüssigen Kühlmedium M1, typischerweise Wasser betrieben werden. Alle vier 1-Stoff-Düsen sind vorzugsweise für denselben maximalen HTC-Wert, d. h. für dieselbe maximale Kühlleistung ausgelegt. Vereinfacht gesagt bedeutet dies, dass alle 1-Stoff-Düsen dieselbe Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit auf den zu kühlenden Gießstrang 300 aufbringen. Die Strangführung ist ausgebildet zum Führen des Gießstrangs 300 mit Formatbreiten zwischen einer minimalen Formatbreite und einer maximalen Formatbreite. Die Anordnung der 1-Stoff-Düsen ist auf den Mittenbereich G beschränkt. Für die Breite des Mittenbereiches G gilt gemäß der vorliegenden Erfindung:
100 mm < Breite des Mittenbereiches G < minimale Formatbreite der Strangführung.
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Wie in 2 weiterhin zu erkennen ist, erstreckt sich der Mittenbereich G symmetrisch zu einer Anlagenmitte G0 der Strangführung 210 in dem Rollenspalt 212. Auch die 1-Stoff-Düsen 110 sind innerhalb des Mittenbereiches G symmetrisch zu der Anlagenmitte G0 in dem Rollenspalt 212 angeordnet.
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Rechts und links des Mittenbereiches G ist hier beispielhaft jeweils eine 2-Stoff-Düse 120 als Mehrstoff-Düse innerhalb der Düsenreihenanordnung 100 angeordnet. Die 2-Stoff-Düse wird mit zwei Kühlmitteln M1, M2 betrieben. Das erste Kühlmittel M1 ist typischerweise flüssig, z.B. Wasser. Das zweite Kühlmittel M2 ist typischerweise gasförmig, z.B. Luft. Aus diesem Grunde ist ihr Regelbereich deutlich größer. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch eine feinere bzw. bedarfsorientiertere Einstellung der Kühlleistung in den Kantenbereichen des Gießstrangs ermöglicht wird. Wie in 2 gut zu erkennen ist, geben die 2-Stoff-Düsen 120 lediglich eine deutlich geringere Menge an flüssigem Kühlmittel pro Zeiteinheit auf den Gießstrang aus. Auch wenn die Kühlwirkung auf die Kanten nicht alleine durch das flüssige Kühlmedium, sondern zusätzlich auch durch das gasförmige Medium beeinflusst wird, so ist die gesamte Kühlleistung der 2-Stoff-Düsen in den Kantenbereichen jedoch in der Regel bewusst deutlich geringer eingestellt, als die von den 1-Stoff-Düsen 110 im Mittenbereich G zu erbringende Kühlleistung. Dies deshalb, weil, wie gesagt, die Kantenbereiche des Gießstrangs 300 „warmgehalten“ werden müssen, um eine Rissbildung zu vermeiden. Deshalb können auch die für den Kantenbereich vorgesehenen 2-Stoff-Düsen für einen kleineren maximalen HTC-Wert ausgelegt sein als die übrigen Düsen der Düsenreihe.
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3 veranschaulicht die unterschiedlichen Regelverhältnisse von 1-Stoff- und 2-Stoff-Düsen. Wenn beide Düsen für eine gleich große maximale Kühlleistung (Heat-Temperature-Coefficient HTC) ausgelegt sind, so ermöglicht die 2-Stoff-Düse vorteilhafterweise im Unterschied zu der 1-Stoff-Düse die Einstellung von deutlich geringeren Kühlleistungen als die 1-Stoff-Düse. Aufgrund dieser Eigenschaft empfehlen sich 2-Stoff-Düsen für den Einsatz in Stranggießanlagen, die für ein breites Produktspektrum unterschiedlicher Stahlgüten ausgelegt sind.
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Beispielhaft sind für eine konkrete 1-Stoff-Düse zum einen eine spezifische vom Hersteller vorgegebene Kühlleistung (entspricht näherungsweise einem vorgegebenen maximalen Volumenstrom an flüssigem Kühlmittel) und zum anderen ein Regelverhältnis von beispielsweise 1:6 vorgegeben. Dies bedeutet, dass der Volumenstrom von beispielsweise maximal 6L/min bis auf 1L/min abgesenkt werden dürfte, ohne dass der Spritzkegel und das Spritzbild der Düse wesentlich darunter leiden würden.
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Demgegenüber würde ein Regelverhältnis von 1:20 für eine 2-Stoff-Düse bei einem beispielhaft angenommenen gleichen maximal zulässigen Volumenstrom von 6L/min bedeuten, dass der Volumenstrom auf 6/20 = 0,3L/min (minimal zulässiger Wert) abgesenkt werden dürfte, ohne dass der Spritzkegel und das Spritzbild der 2-Stoff-Düse wesentlich darunter leiden würden. Weil der (minimal zulässige) Volumenstrom an Kühlmittel gegenüber einer 1-Stoff-Düse deutlich weiter abgesenkt werden kann, kann auch die Kühlleistung der 2-Stoff-Düse deutlich weiter heruntergefahren werden, im Vergleich zu einer 1-Stoff-Düse.
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Die vorliegende Erfindung zeigt jedoch, dass es ausreichend ist, wenn diese in ihrem Betrieb teuren 2-Stoff-Düsen lediglich in den Kantenbereichen und nicht über die gesamte Breite des Rollenspaltes eingesetzt werden.
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4 zeigt ein erfindungsgemäßes Düsenfeld, welches aus einer Mehrzahl von Düsenreihenanordnungen besteht. Das Düsenfeld 400 umfasst insbesondere eine erste Düsenreihenanordnung 100-1 in einem ersten Rollenspalt 212 und eine zweite Düsenreihenanordnung 100-2 in einem zweiten Rollenspalt, welcher in 4 dem ersten Rollenspalt in Gießrichtung R nachgeordnet ist. Insgesamt umfasst das in 4 dargestellte Düsenfeld 5 Düsenreihen, wobei beispielhaft die erste, zweite und dritte Düsenreihenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Konkret zeigt sich dies darin, dass diese ersten drei Düsenreihenanordnungen innerhalb des Mittenbereiches G lediglich 1-Stoff-Düsen und in ihren Randbereichen jeweils 2-Stoff-Düsen 120 aufweisen.
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Weil die erforderliche Kühlleistung mit zunehmender Länge der Strangführung aufgrund der zunehmenden Erstarrung des Gießstrangs in Gießrichtung geringer wird, kann auch die Gesamtspritzbreite B aller Düsen 110, 120, 120‘ pro Rollenspalt 212 in Gießrichtung R zunehmend geringer werden. Mit geringer werdender Gesamtspritzbreite nimmt auch die Anzahl der Düsen pro Rollenspalt von außen nach innen ab, wie in 4 zu erkennen ist. Die Abnahme der Anzahl der Düsen pro Rollenspalt geht beispielsweise schließlich so weit, dass in dem vierten Rollenspalt nur noch beispielhaft drei 1-Stoff-Düsen und in einem fünften Rollenspalt schließlich nur noch eine 1-Stoff-Düse in dem Mittenbereich G angeordnet sind / ist. Die Düsenreihenanordnungen in dem vierten und fünften Rollenspalt entsprechen nicht mehr der Düsenreihenanordnung nach der vorliegenden Erfindung, weil rechts und links außerhalb des Mittenbereiches G keine 2-Stoff-Düsen mehr angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Düsenreihenanordnung
- 100-1
- erste Düsenreihenanordnung
- 100-2
- zweite Düsenreihenanordnung
- 110
- 1-Stoff-Düse
- 120
- weitere Düse (= Mehr- bzw. 2-Stoff-Düse)
- 120‘
- äußerste 2-Stoff-Düse
- 200
- Stranggießanlage
- 210
- Strangführung
- 212
- Rollenspalt
- 214
- Strangführungsrolle
- 250
- Stranggießkokille
- 252
- Badspiegel
- 300
- Gießstrang
- 310
- erstarrte Strangschale
- 320
- flüssiger Kern
- 400
- Düsenfeld
- B
- Gesamtspritzbreite aller Düsen pro Rollenspalt
- G
- Breite des Mittenbereiches
- G0
- Anlagenmitte der Strangführung über der Gießbreite
- M1
- erstes Kühlmittel
- M2
- zweites Kühlmittel
- R
- Gießrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009005679 A1 [0003]
- DE 2636666 [0004]
