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Verfahren und Vorrichtung zur Ilerstellun von atickstoffle
ierten Stahlblöcken. Gegenstand der Erfindung sind eine Verfahren und
eine
Vorrichtung zur Herstellung von Stahlblöcken mit hohem Stickstoffgehalt,
welcher über den bei Atmosphärendruck
im flüssigen Stahl löslichen
Gehalt hinausgeht.
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Es ist bekannt (1), daB Man durch Behandeln
von Stählschmelzen mit Stickstoff unter erhöhten Druck in diesen
Schmelzen
Stickstoffwerte erreichen kann, die weit. über
das bei.Erschmelzung
unter Atmosphärendruck übliche Maß hinausgehen. Ist A der unter dem Atmosphärendruck
p. bei
gegebener Stahlzusammensetzung maximaleinstellbare
Stickstoffgehalt,
dann kann Ihan bei Erhöhung des Dfiuckes auf den Wert p den Stickstoffgehalt
bis auf etwa
erhöhen (Sievertsches Gesetz).
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Damit dieser erhöhte Stickstoffgehalt nicht bei der Er-starrung
verlorengeht, muß man die Schmelze auch unter erhöhtem Druck abgießen
und erstarren lassen. Die so
hergestellten Stahlblöoke
zeigen im allgemeinen ähnliche
Fehler wie Blöcke aus konventionell
erschmolzenen Stählen, nämlich Seigerungen, Kernungänzen, Zockerstellen
usw.
(1) Frehser, Kubisch
Berg-. u. _hüttenmännische- Monatshefte 108
Erfindungsgemäß
lassen sich diese Fehler verringern bzw.
ganz vermeiden, wenn man eine kontrollierte
langsame Erstarrung unter erhöhteä Druck vorsieht, wobei der unter
erhöhtem
Druck erschmolzene Stahl unter Zuhilfenahme
einer Zusatzheizung in eine stark
wärmeabführende Kokille
langsam vergossen wird und wobei sich die Erstarrungsfront
bevorzugt parallel zur Blockachse von unten nach oben
fortpflanzt.
An iiand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.
Die Zeichnungen haben folgenden Inhalt: Fig. 1 stellt die Erstarrungefronten
dar, wie sie bei
herkömmlichem aehnellenVergießen #oahdruakerschnol;pner
stickstofflegierter Stähle und beim erfindungsaemäpen langsamen
Vergießen solcher Stähle auftreten.
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Fig. 2 stellt eine Vorrichtung zur Aus des er-
findungsgemäßen
Verfahrens dar, bei dem der flüssige Stahl
langsam vergossen wird.
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Fig. 3 stellt eine Vorrichtung zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, bei dem bereits
erstarrte
Blöcke aus stickstofflegiertem, unter Hochdruck
p ;wpo erschmolzenem und vergossenem Stahl erneut aufgeschmolzen und
zu neuen Blöcken langsam veraoßsen werden.
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:;
Fig. 4 stellt eine weitere Vorrichtung zur
Ausführung des erfindungegemäBen Verfahrens dar, bei dem bereits erstarrte Blöcke
aus stickstofflegiertem, unter Hochdruck p > po erschmolzenem und vergossenem Stahl
erneut aufgeschmolzen und zu neuen Blöcken langsam vergossen werden.
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Fig: 5 und 6 stellen modifizierte Vorrichtungen zur
Beheizung den oberen Endes des sich bildenden Gußblockes
dar,
mit denen außerdem ein Aufschmelzen des in fester Form vor-liegenden
stickstofflegierten Einsatzgutes möglich ist.
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In Fig. 1 sind 2 ähnliche Kokillen 1 und 1' dargestellt.
Beide
wurden unter Hochdruck p > po mit stickstofflegiertem Stahl gefüllt, die
Kokille 1 schnell, die Kokille 1' lang-
sam. Die eingezeichneten Linien
21, 22, 23 ... und 21', 22', 23' ... deuten an, bis wohin die
Erstarrungsfront nach
aufeinander folgenden Zeitabschnitten vorgedrungen
ist.
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Die orthogonalen Trajektorien 31, 32, 33r...
31', 32',33'.### der einge:eichneten Eretarrungsfronten ergeben die
Fort-pflanzungsrichtung der Erstarrungsfront an. Wie man
sieht,
pflanzt sich die Erstarrung in der schnell gefüllten
Ko-kille bevorzugt senkrecht zur Kokillenaehee 8 vom Blockrand
zum Blockkern fort. Die Erstarrungsfronten treffen
sich dabei in
der Blocksitte. Wenn der kurz vor den Zusemmantreffen verbleibende,
schlauchartige Sumpf 2 flüssigen
Metalls keinen Nachschub mehr
von oben bekommt, was aus verschiedenen Gründen (z.B. Abschnürung) der Fall
sein kann, verbleibt zum Schluß ein Schwindungshohlraum
in der
Blockachse. Solche und ähnliche Blockfehler lassen
sich bei der langsam gefüllten Kokille 2' vermeiden: Hier
pflanzt
sich die Erstarrung bevorzugt parallel zur Block-
achse von unten nach oben fort,
so daß gar keine Schwindungshohlräume auftreten können. Dabei
wird die Blockstruktur besonders gleichmäßig, wenn dem oberen Ende
31 des Metallsumpfes 21 zusätzliche Reisenergie 4° zugefUhrt wird,
die
so bemessen ist, daß der Sumpf bis zum Kokillenr»d flüssig bleibt.
Die im Einzelfall bestgeeignete Erstarrungsgesohwindigkeit, die in der Blockachse
in einiger Entfernung vom
Blockfuß 5' praktisch mit der Kokillenfüllgeschwindiakeit
dL/dt übereinstimmt, hängt von Stahlzusammensetzung, ge-
wünschten
Stahleigenschaften und Querschnitt Q der Kokille 11@ ab. Kokillenfüllgeschwindigkeiten
zwischen 0,1 mm,/min bis
zu 100 mm/min haben eich
in der Praxis gut bewährt, wobei die geringen Kokillenfüllgeschwindigkeiten
zu großen Nokillenquerschnitten (Q 0,1 m2 bis 2 m2) und
die großen KokillenfUllgeschwindigkeite% zu kleinen Kokillenquerschnitten
(Q = 0,01 m2 bis 0,2 m) gehören.
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In Pig. 2 befindet sich die unter erhöhten Druck
mit
Stickstoff legierte Schmelze 111 in einem feuertest aus-
gekleideten
Behälter 112. Dieser Behälter kann mit des
Behälter identisch nein,
in den die Schmelze hergestellt bzw, mit Stickstoff legiert wurde,
oder es penn eich um
einen nur zum Gießen dienenden Zwischenbehälter
Landein. .' Der Behälter 112 kann zwecks Warmhalten der Schmelze
111
beheizt werden. In Fig. 2 erfolgt die Heizung über eine
mit einer Wechselstromquelle 113 verbundene Induktionsspule 114. Stattdessen oder
zusätzlich kann auch eine Heizung mittels elektrischen Lichtbogens, mittels Plasma-oder
vorgesehen sein. In Fig. 2 ist zur Illustration ein Hochdruck-Plasmabrenner 115
eingezeichnet. Eine Heizung mit sauerstoffhaltigen Verbrennungsgasen ist dagegen
nicht ratsam, da hierbei-die Schmelze 111 verun-reinigt wird. Mittels dem Fachmann
geläufiger Techniken,
z.B. wie in Fig. 2 angedeutet, durch
kontrolliertes Kippen
des Behälters 112 kann der Behälter 112 beliebig
langsam
in eine Kokillenanordnung 101 vergossen werden, die sich
zusammen
mit dem Behälter 112 in einem alleeits geschlos-
senen Druckbehälter
106 befindet, in dessen Innenraum ein
Stickstoffpartialdruck p1 über
die Stickst offquelle.119 aufrechterhalteg wird, der etwa dem Behandlungsdruck
pentspricht. Bei der Knkillenanordnung 101 kann es sich um
eine
oder mehrere unten geschlossene Kokillen handeln von
der Art der in 11g.
1 dargestellten Kokille 1# oder - wie
in Fig 2 - um eine
unten offene Kokille zur Herstellung
eines nach unten abziehbaren
Gußetranges 107. Dieser Gu9-strang 107 kann bis zu seiner größten (sich
aus dem-Gewicht der Schmelze 111 ergebenden) Länge innerhalb
des Druckbe-
hälters 106 verlaufen, so wie in Pig. 2
dargestellt. Er kann aber auch durch eine geeignete statische oder
dynamieche Dichtung hindurch aus dem Druckbehälter 106 herausgeführt werden.
Das obere Ende 103 des Gußstranges 107 wird durch
Zusatzbeheizung
flüssig gehalten. Diese Zusatzbeheizung erfolgt erfindungsgemäß mittels einer elektrischen
Korpuskularstrahlheizung. Dabei werden in einem Korpuskularstrahlgenerator
109 erzeugte Korpuskularatrahlen 104 auf die Oberfläche 103 '%es.Gußatranges
107 gerichtet. Vorzugsweise verwendet man Stiekstoffionenstrahlen oder Stickstoffplatmastrahlen
zur Aufheizung des oberen lindes des Guß-Stranges. Der Korpuskularstrahlgenerator
109 stellt dann eine Ilochdruckionenquelle oder einen Hochdruekplasmabrenner
dar. Bei letzterem kann z.D. mittels einer IIilfsspanriungequelle 116 ein vom Korpuskularstrahlengenerator
109 in Richtung auf den Gußstrang ausgehender Weg ionisierten Gases
gebildet
werden, dem durch Anlegen einer der Quelle 117 ent-
nommenen Gleich- oder
Wechselspannung zwischen Oberende 104
des Gußstranges 107 und Korpuekularstrahlengenerator
109 beliebig viel zusätzliche Energie zugeführt werden kann.
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s Erfindungsgemäß führt man der in Behälter
112 befindlichen
Schmelze 111 soviel Hei$energib $.B. mittels der
Induktions-
spule 114 zu, daß die Schmelze während des gesamten Gieß-
vorgangs
auf konstanter Temperatur bleibt. Diese Temperatur soll im folgenden "Gießtemperatur"
genannt werden. Gleichzeitig beheizt man das Oberende 103 des Gußstranges 107 mittels
der Korpuskularstrahlen 104 so stark, daß.dieses Oberende 103 flüssig und ebenfalls
annähernd auf "Gießtemperatur" bleibt. Eine stärkere Überhitzung des Oberendes
103
über die "Gießtemperatur" hinaus ist im allgemeinen nicht nötig, kann jedoch in
Einzelfällen aus metallurgischen Gründen angebracht sein.
Die
Absenkgeschwindigkeit des Gußetranges 107 bzw. im
Falle unten geschlossener
Kokillen die Füllgeschwindig-
keit dieser Kokillen richtet sich nach der
Ausleergesohwindigkeit des Behälters 112. Eine besonders homogene Block-
struktur
wird erreicht, wenn man die Ausleergeschwindigkeit und die ätärke der
Korpuskularstrahlheizung der Kokillen-
anordnung 101 so wsUhlt,
daß sich ein nur flacher flüssiger
Sumpf 102 am Oberende 103 des
Gußstrangs 107 erhält, so daß
sich eine bevorzugt in Richtung der Gußstrangachee
108 ver-
laufende Erstarryng ergibt. Eine von unten nach oben ge-
richtete
Erstarrungegeschwindigkeit in der Achse 108 den
Gußstrangs
von etwa 0,1 Millimeter pro Minute bis zu etwa
.25 Millimeter pro Minute
führt dabei erfahrungsgemäß zu
besondere dichten und in ihren
Eigenschaften isotropen Blöcken bzw. Gußsträngen, so wie dies schon
für die Er-
starrung des Blockes 7' in Kokille 2# an Hand von
Pig. 1
erläutert wurde. Selbstverständlich kann man in der gege-
benen
Anordnung auch schneller gießen. Dann bekommt man aber analog zu
dem für die Erstarrung den Blockes 7 in
Kokille 2 erläuterten Verhalten
eine bevorzugt vom Block-
rand bzw. Gußstrangrand zur Achse hin verlaufende
Erstarrung. Wo ein so erstarrter Stahl den Anforderungen genügt, kann
man
das schnellere Gießen der größeren Wirtschaftlichkeit
wegen natürlich bevorzugen.
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Wenn man sehr langsame Gießgeschwindigkeiten und damit
zretarrungsgeschwindigkeiten bei dem an Hand von fig. 2
beschriebenen
Verfahren erreichen will, muß man verhältniemäBig viel Energie zum Warmhalten
der im Behälter 112
befindlichen Schmelze 111 aufwenden.
Insbesondere bei'
g rößerem Gewicht G der Schmelze 111 können die pro
kg
Schmelzengewicht aufgewendeten Warmhalteenergiemengen A
(kWh/kg)
dann den Betrag S (kYrh/kg) überschreiten, der, nötig ist, um kalten ätahl
aufzuheizen, zu schmelzen und auf die genannte "Gießtemperatur" zu überhitzen.
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Wenn die Viarmhalteenergie ,1l (kiih/kg) den Betrag S (kWh/kg)
überschreitet, wird es wirtschaftlicher, den Stahl zunächst auf herkömmliche Weise
schnell zu vergießen und diese
schnell vergossenen Blöcke dann mit
derjenigen Geschwindig-
keit wieder aufzuschmelzen, die der gewünsohten
"Gießge-
schwindigkeit" bzw. Kokillenfüllgeschwindigkeit äL/dt entspricht.
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In Pig. 3 ist eine mögliche Ausführungsform
dargestellt,
die das ermöglicht. Sie enthält eine Kokillenanordnung
201,
welche wieder analog zu Fig. 2 eine unten offene sogenannte Stranggußkokille
nein kann oder, wie in Fig. 3 dargesteklt, eine unten geschlossene
Kokille, die zudem mittels Luft
oder Wasser gekühlt ist. Ein durch herkömmliche
Methoden
hergestellter Abschmelzblock 211, welcher einen kleineren
!luerschnitt
als die Kokille 201 hat, wird von oben in die
Kokille 201 eingeführt und schmilzt
an seinem unteren Ende-
212 laufend ab, wobei das abschmelzende
Material in der
Kokille 201 einen Güßblock 207 aufbaut. Kokille 201 und
Abschmelzblock 211 befinden eich gemeinsam in einen Hoch-
druckkessel 206,
welcher mittels der Stickstoffquelle 219
unter Stickstoff-Überdruck
p1> Po gehalten wird, wobei dieser Überdruck zweckmäßig
etwa ebenso groß gehalten
wird, Nie der Überdruck p, der bei der Erstarrung
des Abschbelzblockes vorhanden war.
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Die zum Abschmelzen des Unterendes 212 den Abschmelz-
, Blockes -211 und zum flüaeighalten des sich am Oberende 2,03"
des Gußblooka 207 bildenden Sumpfes 202 nötige Energie kann
dadurch gewonnen werden, daß man zwischen den Unterende 212
des
Abschmelzblocka und dem Gußblockoberende 203 einen
Lichtboge+rennen
läßt, der seine Energie von der Spannungsquelle 217 bezieht.
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Die Erfahrung hat jedoch geneigt, daß bei den zur Anwendung
gelangenden
hohen Drücken eine ausreichende Lichtbogensto,bilität nur schwierig aufrecht
zu erhalten ist. Es ist
deshalb bevorzugt eine Widerstandserhitzung vorgesehen.
Hierbei wird auf das Oberende 203 den Gnßbloeke 207 eine
Schicht
216 von elektrisch
Schlacke aufgebracht (z.H. ein geschmolzenes Gemisch aus 50«%
A1203 und SO % Cao), in welche das Unterende 212 des Abschmelsblocks
211
eintaucht. Durch Stromzufuhr von der Stromquelle 217 wird
die
Schlackenschicht 216 so stark erhitzt, daß das Unter-
ende 212 des Abschmelzblocks
211 kontinuierlich abeehmtlat und das Oberende 203 den sich bildenden
Gußbloplta ,ß07 bis
zum Rand hin flüssig gehalten wird. Ist
der@gbsch»loblo-ok.. 211 aufgezehrt, so kann sofort ein zweiter
in Druckkessel befindlicher Abschmelzblock 221 ton
der beweglichen, druckdicht durch die Wand den Behälters
206 durchgeführten
Stromzuführungsstange 213 aufgenommen
werden und das
Schmelzen fortgesetzt werden. In der kurzen Zwischenzeit, in
der die Schlackenschicht 216 keine »Energie-. zufuhr erhält, hält sie das
Oberende 203 des Gußblocke 207 infolge der in ihr gespeicherten Wärme flüeaig.
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Iü ocdurch wird es möglich, einen schweren Gutblock
207
aus zwei oder mehreren einzelnen Abschmel$blöeken
211,
221, ... zusammenzuschmelzen, ohne daB sichtbare Uhterbrechungsatellen
entstehen. Bei Verwendung eines Licht-
bogens zur Energiezufuhr ist so etwas
nicht möglich, Hierbei muß der Abschwslzblock 211 aahon das Gewicht
des herzustellenden B1ocka 207 haben. Jede Unterbrechung den Schmelzvorgangs
führt hierbei zu xaltechweidetellen im Flock 207, die so suegeprägt sain
können, daß der
131eck schon bei Entnahme aus der Kokille an der Unterbrechungsstelle
auseinanderfällt.
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Die bei dem
Verfahren nach.Pig.
3 zur Anwendung gelangenden
Kokillenfüllgeachwindigkeiten dL/dt
liegen ebenfalls.
bevorzugt zwischen
0,1 und
25 mm/min
je naoh-Stahlzusammensetzung und
gewünschten
Eigenwöhaften
den Gutblocks.
,-:ins 3. , Ausführungsform der
Erfindung
iat
in Pig.°t skizziert. iiier werden Abachmelzstäbe 311 nacheinander . durch
eine Vorschubvorrichtung
313 seitlich in den Bereich
einer Korpuskularstrahlung
304
hineingeschoben. Infolge Korpuskularatrahlbeschuß
schmelzen die
Abschmelzetäbe
311
an
ihrem Ende
312 auf und tropfen
in die unter
diesem
Ende angeordnete Kokillenanordnung
301, welche
der
Kokillenanordnung
101 entspricht, wie sie in
Verbindung
mit Pig.
2 beschrieben wurde:
Die Korpuskularstrahlen
werden mittels eines Korpuskularstrahlgenerßtors
309
erzeugt,
der z.B.
ein Plasmabrenner oder ein Innen-
strahler sein kann. Ein
Teil der vom Generator 309
erzeugten Strahlen 304 dient zum Abschmelzen
der
Abschmelzstäbe
311, der Rest zum Flüeaighalten
des
oberen
Endes
303 des sich bildenden Gußbloeks
307.
Dabei
ist es durchaus
im Sinne
der grfindung, wenn
der Generator 309 in mehrere Einheiten
309', 309
geteilt ist. In Pig.
4 ist der Generator 309 a.8.
in
die beiden Einheiten
309' und 30911 aufaeteiits, wobei
die Einheit 309V
die Abeohnelacaersie fUr
die Abeohmels#-atäbe
311 und die Einheit 309 '%
die *armhalteenergie
für das obere
End#:
303 des Blocks 307 liefert. Kokillenänordnung
301 und Abschmelsblöcke
311 sind wiederum in einem tiochdruckkeseel
306 beordnet,
der über die
Stickstoffquelle 319 unter einen Druck p1 gehalten
wird,
der ungefähr
dem Druck p entspricht,
unter dem
die Abaehmelsblöcke
311 ureprUnglioh erstarrt waren.
Auch bei diesen Verfahren können
aus mehreren-leichten nacheinander eingesahaolaenen einzelnen Abeehaels#
i
bläcken
311 schwere Gußblöcke
307 hergestellt werden.
Die in Fig. 2 und 4 skizzierte Korpuskularstrahl- |
beheizung mittels der Generatoren 109 und 309
kann |
emi 5 dadurch vorteilhaft ergänst werden, da8 |
g 'iß Pig |
eine Schicht flüssiger, elektrisch leitfähiger Schlacke |
116/516 über dem ::ehmel zsumpf 102/502 vorgoaehen
wird. |
Dadurch wird es möglich, die Korpuekularetrahlenergie |
auf einem kleinen Fleck der SehlaekenBOhioht 116/316 |
z.xzufii.'nren. Von dort verteilt sie sich im Mƒdium
Sehlacke |
so, daß an der Unterseite der achlaekenochieht eine über |
den ganzen .!uerschr.,l tt des Sumpfes 102/30:' gleichmüßige |
r:nergieübertrz.igung i n den Sumpf erfolgt.. . |
Durch Verwendung dieser ächlaekensohioht erübrigt eich |
also der @:ineatz mechanischer, , magnetohydrodynrn»iecher |
und/oder eloktromagnetieeher.ldittel zur gleiohsUigen |
Verteilung ker geführten Korpuoftlarotr&äloms«i# |
über den Kokillenquereehnitt,der tonet nach äst Fachtann |
(;el'wufigen ldethoden vorfenommen werden ließ. |
Gemäß Fig. 6 kann man die zur Aufheisung der Schlacken- |
schicht nötige Fergie such durch direkte 8trom- |
zuflihr mittels einer in der Schlacke nicht löslichen |
Elektrode 418 bewerkstelligen, deren Bohnelspunkt höher |
liegt als die Schlackentemperatur. Hierfür komm! s.D. |
Grafit, Wolfram oder ähnlichen in krage. Eine
Strom- |
quelle wird zwischen Gußblook 407 bsw. Kokille 401 wd |
Elektrode 411 angeschlossen. Durch V'Jideretandeerhitsung
wird die |
Schlacke aufgeheizt. Da die Kokille 401 gekühlt ist, |
bildet sich zwischen Kokillenwand und flüssiger, elek- |
trisch leitfähiger Schlacke eine elektrisch und thermisch |
isolierende Schicht erstarrter Schlacke. Hierdurch
wird |
der elektrische Strom gezwungen, praktisch vollständig |
durch die Grenzschicht 103/303 zwischen Schlacke 116/316 |
und Gußblock 107/307 hindurchzutreten. Dadurch bleibt |
diese Grenzechieht flüssig und es kann ein guter Energie- |
suetsusch durch Wärmeleitung erfolgen. Bei der Anordnung |
gemäß Pig. 6 kann der stickstofflegierte Stahl flüssig |
durch die Schlackenschicht 116/316 hindurch in den Sumpf |
102/302 gegossen werden. Oder man taucht, wie in Pig. 6 |
skizziert, Abachmelzblöcke 311 in die Schlaokensohicht |
ein, wo sie durch Wärmeabergnng aufgeschmolzen werden. |
Mit den bisher bekannten Techniken den Vergießens unter |
Hochdruck p > p. mit Stickstoff legierter Stähle war es |
nur möglich, diese Stähle verhältnismäßig raaoh im |
Steigenden oder fallenden'6uß zu Blöcken zu
vergießen. |
Diese Blöcke waren dann allen mit dieser Gießmethode |
einhergehenden Fehlern ausgesetzt, von denen die 'sohwer- |
eiegendaten Bind: Lockerstellen im Blockkern, Seigerungen |
der Legierungeelemente, Anisotropie technologischer |
Werkstoffkenngrößen. Diese Fehler haben ihre Ursache |
zum Teil in der Bahnellen Eratarrungegeschwindigkeit |
und der bevorzugt eenkrecht zur $lookachae
verlaufenden |
Erstarrungerichtung. |
sei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man |
durch gesteuerte ls.ngs@.Bie Erstarrung mit bevorzugter |
r-.3t,:rrungsrichtung parallel zur Blockachse diese
Fehler |
verreiden bzw. mit diesen Fehlern behaftete Blöcke, indem |
ri,-jn ^ie als Abschmel zb' öcke einsetzt, zu fehlerfreien |
?31 öcken umschme Lzen. |