DE2146792A1

DE2146792A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE DIRECTED SOLIDIZATION OF MOLTEN CASTING MATERIAL

Info

Publication number: DE2146792A1
Application number: DE19712146792
Authority: DE
Inventors: Keith Phillips; Peter Dr Ing Dr Sahm
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1971-08-04
Filing date: 1971-09-18
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR2148186B1; NL7210612A; FR2148186A1; BE787076A

Description

100/71 Komb, Fd/ef100/71 Komb, Fd / ef

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)Public limited company Brown, Boveri & Cie., Baden (Switzerland)

Verfahren und Einrichtung zur gerichteten Erstarrung von geschmolzenem Gussmaterial.Method and device for the directional solidification of molten casting material.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung von geschmolzenem Gussmaterial, bei dem ein langgestreckter, wenigstens abschnittsweise prismatischer, insbesondere strangförmiger Festkörper aus einer Schmelze fortschreitend über eine die Erstarrungsfront enthaltende Mündungszone der Schmelze ausgebracht wird. Zum Gegenstand der Erfindung gehört ferner eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for the directional solidification of molten casting material, in which an elongated, at least partially prismatic, in particular strand-shaped Solids from a melt progressing over an opening zone of the melt containing the solidification front is applied. The subject matter of the invention also includes a device for carrying out such a method.

Es ist bekannt, dass sich durch gerichtete Erstarrung von beispielsweise metallischen Schmelzen in Abhängigkeit von den die Schmelze bildenden Komponenten und deren Eigenschaften Werkstoffe mit für viele Zwecke erwünschten kristallinen Strukturen herstellen lassen. Hierbei handelt es sich insbesondere um Mehrphasenstrukturen, beiIt is known that by directional solidification of, for example metallic melts depending on the components forming the melt and their properties materials with for can produce desired crystalline structures for many purposes. These are in particular multiphase structures

'3098,0 9/0197'3098.0 9/0197

" ² " 100/71 komb." ² " 100/71 comb.

2U67922U6792

denen die bevorzugte Wachstur.13richtung der Kristallite bestimmter Phasen bei der Erstarrung über mikroskopische oder auch makroskopische Bereiche, gegebenenfalls auch mehr oder weniger über den gesamten Werksstückquerschnitt, untereinander gleichförmig ausgerichtet sowie in bestimmter Weise bezüglich der Längsrichtung des meist strangförmigen Werkstücks orientiert werden. Die Orientierung der Kristallit-Wachstutnsrichtung und damit die Orientierung der Gefügestruktur ist dabei wesentlich von der Richtung des Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront und damit von der Form der in Bezug auf das Werkstück bzw. die Schmelze fortschreitenden Erstarrungsfront abhängig.which determined the preferred direction of growth of the crystallites Phases in the solidification over microscopic or macroscopic areas, optionally also more or less across the entire workpiece cross-section, among each other uniformly aligned and oriented in a certain way with respect to the longitudinal direction of the mostly strand-shaped workpiece will. The orientation of the crystallite growth direction and thus the orientation of the microstructure is essentially dependent on the direction of the temperature gradient in the area of the Solidification front and thus on the shape of the in relation to the Workpiece or the melt progressing solidification front addicted.

Beispielsweise ist es oft erwünscht, die Erstarrungsfront nicht nur im mittleren Querschnittsbereich eines strangförmigen Werkstücks, welches aus einer Schmelze gezogen wird, sondern auch möglichst weit bis zu den Querschnittsrändern hin wenigstens annähernd eben zu halten, und zwar unter ständig oder zeitlich abschnittsweise stationären Verhältnissen über die Dauer des kontinuierlichen Ziehvorganges. Gegebenenfalls können dabei zwischen aufeinanderfolgenden, in sich stationären Verfahrensabschnitten Orientierungs- oder sonstige Strukturänderungen gezielt eingesteuert werden. Während der einzelnen, stationären Verfahrensabschnitte kommt es jedoch vielfach immer wieder auf die Einstellung und Aufrechterhaltung einer in bestimmten Grenzen vorge gebenen und insbesondere wenigstens annähernd ebenen ürstarrungs-For example, it is often desirable to keep the solidification front not only in the middle cross-sectional area of a strand-like workpiece drawn from a melt, but also as far as possible up to the cross-sectional edges, at least approximately flat, under steady-state conditions over the period of time or over time Duration of the continuous drawing process. If necessary, orientation changes or other structural changes can be controlled in a targeted manner between successive, inherently stationary process sections. During the individual, stationary process sections, however, it is often necessary to set and maintain a fixed and, in particular, at least approximately level

"3 09809/0197"3 09809/0197

" _³ " 100/71 komb."_ ³ " 100/71 comb.

2H67922H6792

front an. Insbesondere ßilt dies für die Herstellung von infiltrierten Kompositstrukturen, z.B. in eutektischen Kupfer-Wolfram-, Aluminium-Kohlenstoff-Systemen und dergleichen, bei denen eine mehr oder weniger starke Krümmung bzw. Wölbung der Erstarrungsfront eine statistisch unregelmässige Kristallisationsrichtung der erstarrenden schmelze und daher ein makroskopisch ungerichtetes Gefüge .zur Folge hat. In solchen Fällen hängt also die Verwirklichung der erstrebten Gefügestrukturen unmittelbar von der Einstellung und Aufrechterhaltung einer in vergleichsweise engen Grenzen ebenen Erstarrungsfront ab. Die Verhältnisse werden vielfach noch dadurch kompliziert, dass die Ausbildung der erstrebten Textur von der Einhaltung gewisser Mindestbeträge des Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront abhängig ist.front on. This applies in particular to the production of infiltrated Composite structures, e.g. in eutectic copper-tungsten, Aluminum-carbon systems and the like, in which a more or less strong curvature or arching of the solidification front results in a statistically irregular crystallization direction the solidifying melt and therefore a macroscopically undirected structure. So in such cases it depends the realization of the desired microstructure directly from the setting and maintenance of a comparatively narrow limits flat solidification front. The situation is often made even more complicated by the fact that the training the desired texture depends on compliance with certain minimum amounts of the temperature gradient in the area of the solidification front is.

Aufgabe der Erfindung iit in diesem Zusammenhang die Schaffung eines Erstarrungsverfahrens für langgestreckte, insbesondere strangförmige Festkörper, welches die Einstellung und Aufrechterhaltung vorgegebener Wölbungen der Erstarrungsfront und insbesondere einer in gewissen Grenzen mindestens annähernd ebenen Erstarrungsfront bei gegebenenfalls steilem Temperaturgefälle im Bereich der Erstarrungsfront ermöglicht. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art hauptsächlich dadurch, dass im Bereich der Erstarrungsfront der Schmelze eine den Querschnitt .des auetretenden Gussmaterials umgebende, sich im wesentlichenThe object of the invention in this context is to create a solidification process for elongated, in particular strand-shaped solids, which allows the adjustment and maintenance predetermined curvatures of the solidification front and in particular one that is at least approximately flat within certain limits Solidification front with a possibly steep temperature gradient in the area of the solidification front. The invention In a method of the type mentioned at the outset, the solution to this problem is mainly characterized in that in the area of the solidification front of the melt, a cross-section of the emerging casting material essentially surrounds itself

'309809/0197'309809/0197

- μ - 100/71 komb.- μ - 100/71 comb.

quer zur Längsrichtung des austretenden Festkörpers erstreckende Randzone des Gussmaterials erzeugt wird, innerhalb deren kein wesentlicher radialer Wärmeabfluss durch die Oberfläche des Gussmaterials nach aussen erfolgt. Durch die Erzeugung einer solchen von radialem Wärmeabfluss nach aussen im wesentlichenextending transversely to the longitudinal direction of the emerging solid Edge zone of the casting material is generated, within which no substantial radial heat dissipation takes place through the surface of the casting material to the outside. By creating a those of radial heat dissipation to the outside essentially

der freien Randzone des Gussmaterials, das heisst/Schmelze oder des Festkörpers, je nach der Lage der betreffenden Materialstelle oberhalb oder unterhalb der Erstarrungsfront, in Verbindung mit einer entsprechenden Einstellung der Erstarrungsfront in Vorschubrichtung des austretenden Festkörpers in Bezug auf die z.B. ortsfeste wärmeabflussfreie Randzone lässt sich eine ebene, gegebenenfalls aber auch eine gezielt konkave oder konvexe Form der Erstarrungsfront verwirklichen.the free edge zone of the casting material, i.e. / melt or des Solid body, depending on the position of the relevant material point above or below the solidification front, in connection with a corresponding setting of the solidification front in the feed direction of the emerging solid in relation to the For example, a stationary edge zone with no heat drainage can have a flat, but possibly also a deliberately concave or convex shape realize the solidification front.

Die sich auf eine Einrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens beziehende Lösung der Erfindungsaufgabe kennzeichnet sich dadurch, dass zur Aufnahme der Schmelze ein Tiegel vorgesehen ist, der im Bereich seiner Mündung eine den Mündungsquerschnitt umgebende Zone ohne wesentlichen radialen Wärmezufluss aus dem in der Tiegelmündung befindlichen Gussmaterials aufweist. Vorzugsweise kommt hierfür ein im Bereich seiner Mündung wärmeisolierter Tiegel oder ein in diesem Bereich aufheizbarer Tiegel in Be-tracht. Vor allem die letztgenannte Ausführungsform eignet sich für die Erzeugung eines steilen Temperaturgefälles im Bereich der Erstarrungsfront, weil infolge der Aufheiiung der TiegelmUndung -in Bezug auf eine vorgegebene Lage der Erstarrungsfront die Kühl-The solution to the inventive problem relating to a device for performing the aforementioned method is characterized in that a crucible is provided for receiving the melt, which in the area of its mouth has a zone surrounding the mouth cross-section without any substantial radial heat inflow from the casting material located in the crucible mouth . A crucible that is thermally insulated in the area of its mouth or a crucible that can be heated in this area is preferably used for this purpose. The last-mentioned embodiment in particular is suitable for generating a steep temperature gradient in the area of the solidification front, because as a result of the opening of the crucible opening - in relation to a given position of the solidification front - the cooling

• 309809/0197• 309809/0197

-S- 100/71 komb.-S- 100/71 comb.

«one nahe an die Tiegelmündung herangebracht werden kann, wobei die Ausdehnung der wärmeübergangsfreien Randzone in Strangvorschubrichtung entsprechend abnimmt. Dadurch ergibt sich das gewünschte steile Temperaturgefälle, während andererseits im mittleren Bereich zwischen Aufheiz- und Abkühlungszone gleichwohl ein Bereich ohne radiale Wärmeströmung bestehen bleibt. Infolgedessen ist auch bei einem solchen steilen Temperaturgefälle und einer schmalen wärmeübergangsfreien Randzone gleichwohl die Verwirklichung von konkaven, ebenen und konvexen Erstarrungsfront formen in gezielter Weise möglich. Ein etwa gewünschter Uebergang zu flacherem Temperaturgefälle hin kann dabei jeweils durch Einstellen einer grösseren Längenausdehung der wärmeübergangsfreien Randzone in Strangvorschubrichtung erzielt werden, wodurch die Einhaltung einer ebenen Erstarrungsfront erleichtert und begünstigt wird. «One can be brought close to the crucible mouth, whereby the expansion of the heat transfer-free edge zone in the strand feed direction decreases accordingly. This is how it arises Desired steep temperature gradient, while on the other hand in the middle area between the heating and cooling zones an area without radial heat flow remains. As a result, even with such a steep temperature gradient and a narrow edge zone without heat transfer, nevertheless the realization of concave, flat and convex solidification fronts shape in a targeted way possible. An approximately desired transition to a flatter temperature gradient can be achieved achieved in each case by setting a greater length expansion of the heat transfer-free edge zone in the strand feed direction which facilitates and promotes compliance with a flat solidification front.

Die Erfindung wird weiter anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierin zeigt:The invention is further explained using exemplary embodiments with reference to the drawings. Herein shows:

Fig. 1 den schematischen Vertikalschnitt eines üblichen Strang-Fig. 1 shows the schematic vertical section of a conventional strand

s
gies-Tiegels mit einer Mündung und austretendem, drahtförmigem Strangkörper mit einer Schar von die Temperaturverteilung innerhalb des Vertikalschnitts wiedergebenden Temperatur-Niveaulinien und zwei zugehörigen Temperaturprofilen bezogen auf verschiedene Querschnittsebenen des Tiegels und der Schmelze bzw. des S/trangkÖrpers, s
Cast crucible with a mouth and exiting, wire-shaped strand body with a group of temperature level lines reproducing the temperature distribution within the vertical section and two associated temperature profiles based on different cross-sectional planes of the crucible and the melt or the S / trangkÖrpers,

'309809/0197'309809/0197

100/71 komb. - 6 -100/71 comb. - 6 -

Flg. 2 eine erste Ausführungsform eLne>· erfindungsgemässen Einrichtung zum Stranggiessen in einem schematischen Längsschnitt des Schmelztiegels und einer nachgeschalteten Kühlvorrichtung,Flg. 2 shows a first embodiment according to the invention Device for continuous casting in a schematic longitudinal section of the crucible and a downstream cooling device,

Fig. 3 den Tiegel der Einrichtung gemäss Fig. 2 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 mit den sich hier einstellenden Temperatur-Niveaulinien,3 shows the crucible of the device according to FIG. 2 in a representation corresponding to FIG. 1 with the ones that are set here Temperature level lines,

Fig. Ί den Tiegel einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stranggiesseinrichtung in schematischem Vertikalschnitt,Ί the crucible of a second embodiment of the continuous casting device according to the invention in a schematic vertical section,

Fig. 5 einen Horizont_alschnitt des Tiegels im Bereich der Mündung gemäss Schnittebene V-V in Fig Λ undFig. 5 is a horizon of _a lschnitt of the crucible in the area of the mouth section plane VV in Fig Λ and

Fig.6 eine abgewandelte Tiegelausführung ähnlich derjenigen gemäss Flg.Ί in einer Darstellung entsprechend Fig.l u.3 mit den sich hier einstellenden Temperatur-Niveaulinien.6 shows a modified crucible design similar to that according to Flg.Ί in a representation according to Fig.l and 3 with the temperature level lines established here.

Weiterhin zeigtFurthermore shows

Fig. 7 einen Vertikalschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stranggiesseinrichtung mit Kühlvorrichtung für den austretenden Strangkörper und7 is a vertical section of a third embodiment of FIG continuous casting device according to the invention with cooling device for the extruded body and

Fig.8 einen Teil-Vertikalschnitt der Einrichtung gemäss Fig.7 im Bereich der Tiegelmündung in einem bezüglich Fig.7 grösseren Darstellungsmassstab.FIG. 8 shows a partial vertical section of the device according to FIG in the area of the crucible mouth in a larger one with respect to FIG Display scale.

Fig.l zeigt die Temperaturverteilung in einem Tiegel 1 üblicher Art, der die Schmelze 2 enthält und aus dem über eine formgebende Hündung 3 ein drahtförmiger Strangkörper ή vertikal nachFig.l shows the temperature distribution in a crucible 1 as usual Type that contains the melt 2 and from which a wire-shaped strand body ή vertically via a shaping dog 3

"309809/0197"309809/0197

100/71 komb.100/71 comb.

" - .7 ■- 2H6792"- .7 ■ - 2H6792

unten abgezogen'wird. Die Aufheizung der Schmelze erfolgt mittels einer üblichen Induktionsheizung, beispielsweise einer Hochfrequenzheizung, deren Leiter 5 im Querschnitt angedeutet ist. Das von diesem Leiter ausgehende Hochfrequenzfeld induziert in der leitfähigen Schmelze entsprechende Wirbelströme, während innerhalb der im vorliegenden Fall als elektrisch isolierend oder schlecht leitfähig angenommenen Tiegelwandung keine Wärmeentwicklung vorhanden ist. Demgemäss nimmt die Temperatur der Schmelze in den Randbereichen durch radiale Wärmeabströmung über die Tiegelwandung ab. In der angedeuteten Querschnittebene I des Tiegels ergibt sichsomit ein nach aussen hin abfallendes Temperaturprofil A. Im Bereich oberhalb der Mündung 3 des Tiegels stellt sich ein noch steilerer Randabfall der Temperatur der Schmelze ein, weil für die Wärmeabströmung nicht nur der radiale Ve je, über die zylindrische Tiegelwandung, sondern zusätzlich derjenige schräg nach unten durch den Tiegelboden gegeben ist. Somit ergibt sich in der Querschnittsebene II etwa das angedeutete Temperaturprofil D. Weiterhin hat der radiale und axiale Wärmeabfluss im Mündungsbereich des Tiegels zur Folge, dass die Temperatur-Niveaulinien a bis d im Querschnittsbereich der Tiegelmündung eine nach unten, das heisst in Strangschubvorrichtung gesehen, mehr oder weniger stark konkav gewölbte Form annehmen. Entsprechendes gilt für die Erstarrungsfront e, die je nach den eingestellten Temperaturwerten, d.h. in Abhängigkeit von der Tiegelheizung und der Strangvorschubgeschwindigkeit, eine bestimmte Höhenlage innerhalb der Tiegelmündung einnimmt.is deducted below. The melt is heated by means of a conventional induction heater, for example a high-frequency heater, the conductor 5 of which is indicated in cross section. The high-frequency field emanating from this conductor induces corresponding eddy currents in the conductive melt, while there is no development of heat within the crucible wall, which in the present case is assumed to be electrically insulating or poorly conductive. Accordingly, the temperature of the melt in the edge areas decreases as a result of the radial flow of heat over the crucible wall. In the indicated cross-sectional plane I of the crucible, there is thus an outwardly sloping temperature profile A. In the area above the mouth 3 of the crucible, there is an even steeper edge drop in the temperature of the melt, because not only the radial Ve je, via the cylindrical crucible wall, but also that is given obliquely downward through the crucible bottom. This results in the indicated temperature profile D in cross-sectional plane II. Furthermore, the radial and axial heat flow in the crucible mouth area means that the temperature level lines a to d in the cross-sectional area of the crucible mouth one down, i.e. viewed in the strand pusher, more or take on a less concave shape. The same applies to the solidification front e, which, depending on the set temperature values, ie depending on the crucible heating and the strand feed rate, assumes a certain height within the crucible mouth.

•309809/0197• 309809/0197

100/71 komb,100/71 comb,

Diese Wölbung der Erstarrungsfront steht einer gerichteten Erstarrung im allgemeinen entgegen, weil einerseits die Vorzugsrichtung der Erstarrungstextur dem Temperaturgradienten, d.h. der Normalen zur Erstarrungsfront entspricht und andererseits eine ungestörte Ausbildung der Erstarrungstextur über vergleichsweise grosse Strecken im wesentlichen nur in StranglängsrichtungThis curvature of the solidification front is directed Generally counteracts solidification because, on the one hand, the preferred direction the solidification texture corresponds to the temperature gradient, i.e. the normal to the solidification front and on the other hand an undisturbed formation of the solidification texture comparatively large distances essentially only in the longitudinal direction of the strand

309809/0197309809/0197

' - 94Γ- a 100/71 komb.'- 94Γ- a 100/71 comb.

möglich ist. Dies gilt vor allem tür langgestreckte oder fadenartige Kristallite wie z.B. Whisker, weil diese Kristallite bei einer Vorzugsrichtung des Kristallwachstums, die im Winkel zur Stranglängsrichtung angeordnet ist, vergleichsweise rasch auf Begrenzungen stossen und in ihrem weiteren Wachstum gehemmt werden. Aus diesem Grund ist für eine gerichtete Erstarrung im allgemeinen ein vergleichsweise hoher Ebenheitsgrad der Erstarrungsfront anzustreben, wenn auch eine gewisse Wölbung zulässig und in bestimmten Fällen eine konkave oder konvexe Erstarrungsfront erwünscht sein mag.is possible. This is especially true of elongated or thread-like doors Crystallites such as whiskers, because these crystallites have a preferred direction of crystal growth that is at an angle to Is arranged in the longitudinal direction of the strand, encounter limitations comparatively quickly and are inhibited in their further growth will. For this reason, a relatively high degree of flatness is generally required for directional solidification Strive for a solidification front, even if a certain curvature is permissible and in certain cases a concave or convex solidification front may be desirable.

Zur Verbesserung des Ebenheitsgrades der Erstarrungsfront beim Stranggiessen ist daher in der Einrichtung gemäss Fig. 2 an der Unterseite eines die Schmelze 2 enthaltenden Tiegels 10 ein die Tiegelmündung 12 umgebendes, plattenförmiges Isolierelement angeordnet, welches die Wärmeabströmung im Mündungsbereich des Tiegels im wesentlichen auf die radiale, das heisst quer zur Stranglängsrichtung nach aussen orientierte Richtung einerseits und innerhalb des Gussmaterials (Schmelze bzw. Festkörper) im Mündungskanal selbst auf die Stranglängsrichtung beschränkt. Unter Annahme eines wiederum elektrisch nicht oder schwach leitenden Tiegelmaterials sowie Einsatz einer elektrischen Induktionsheizung (in Fig. 2 nicht dargestellt) ergibt sich hierdurch eine Temperaturverteilung innerhalb des Gussmaterials und des Tiegels, wie sie in Fig. 3 angedeutet ist. Wie aus den dargestellten Temperatur-.Niveaulinien a¹ bis d¹ hervorgeht, ist auch hier infolge der To improve the degree of flatness of the solidification front during continuous casting, a plate-shaped insulating element surrounding the crucible mouth 12 is therefore arranged in the device according to FIG. that is, on the one hand, outwardly oriented direction transversely to the longitudinal direction of the strand and within the casting material (melt or solid) in the mouth channel itself limited to the longitudinal direction of the strand. Assuming a crucible material that is again electrically non-conductive or weakly conductive, as well as the use of electrical induction heating (not shown in FIG. 2), this results in a temperature distribution within the casting material and the crucible, as indicated in FIG. 3. As can be seen from the temperature lines a ¹ to d ^{1 shown} , this is also due to the

'309809/019 7'309809/019 7

-Λ - ja^ 100/71 komb.-Λ - yes ^ 100/71 comb.

2U67922U6792

Wärmeabströmung ein nach aussen gerichtetes Temperaturgefälle innerhalb der Schmelze und der Tiegelwandung vorhanden. Im Mündungsbereich des Tiegels weist z.B. die Niveaulinie a¹ (räumlich betrachtet gilt entsprechendes für die Temperatur-Niveauflächen) infolge des vergleichsweise grossen Wirkungsabstandes vom Isolierelement IH noch einen in Strangvorschubrichtung gesehen konkav gewölbten Abschnitt auf, wogegen bereits die Niveaulinie b¹ infolge der Wärmedämmung durch das Isolierelement IM im Mündungskanal selbst einen im wesentlichen ebenen Abschnitt e¹ aufweist, der beispeilsweise die Erstarrungsfront darstellen kann. Weiter nach unten hin, im Beispielsfall innerhalb der Niveaulinie d¹, tritt wieder eine in Strangvorschubrichtung gesehen konkave Krümmung bzw. Wölbung auf, was jedoch nach erfolgter Erstarrung ohne unerwünschte Wirkungen ist.Heat outflow, an outward temperature gradient exists within the melt and the crucible wall. In the mouth area of the crucible, for example, level line a ¹ (from a spatial point of view the same applies to the temperature level surfaces), due to the comparatively large effective distance from the insulating element IH, still has a concave section when viewed in the direction of strand feed, whereas level line b ¹ already has a concave section due to the thermal insulation provided by the Insulating element IM has an essentially flat section e ¹ in the mouth channel itself, which can represent the solidification front, for example. Further down, in the example within the level line d ¹ , a concave curvature or bulge occurs again as seen in the strand feed direction, but this has no undesirable effects after solidification has taken place.

Im Bereich der Erstarrungsfront erfolgt also die Wärmeabfuhr aus der Schmelze im wesentlichen axial, das heisst parallel"zur Stranglängsrichtung, und anschliessend daran wieder zunehmend in Radialrichtung über die Oberfläche des Strangkörpers in das umgebende Medium, beispielsweise das Kühlbad 16 einer in Fig. 2 angedeuteten Kühlvorrichtung. Der gezogene Strangkörper U verlässt das Kühlbad kontinuierlich über eine dichtende Durchführung 18, während · die weitere Wärmeabführung aus dem KUhlbad von einem innerhalb eines Aussenmantels 20 durchströmenden Kühlmedium 22 übsrnomiüen wird (siehe Fig. 2).In the area of the solidification front, the heat is dissipated from the melt essentially axially, that is to say parallel "to the longitudinal direction of the strand, and then again increasingly in the radial direction over the surface of the strand body into the surrounding area Medium, for example the cooling bath 16 of a cooling device indicated in FIG. 2. The drawn strand body U leaves the cooling bath continuously via a sealing passage 18, while the further heat dissipation from the cooling bath from an inside a cooling medium 22 flowing through an outer jacket 20 (see Fig. 2).

309809/0197309809/0197

44 100/71 komb.44 100/71 comb.

2Η67922Η6792

Ueber die Beeinflussung der Form der Erstarrungsfront hinaus ermöglicht die beschriebene Anordnung eines Isolierelementes die Verwirklichung eines vergleichsweise steilen Temperaturgefälles im Erstarrungsbereich, wie dies für zahlreiche Anwendungen der gerichteten Erstarrung erwünscht ist. Der Beginn der Abkühlungszone, im Beispiel gemäss Fig. 2 die Eintrittsstelle des Strangkörpers in das Kühlbad, kann hier nämlich sehr nahe an die Tiegelmündung heran verlegt werden, ohne die Form der Erstarrungsfront ungünstig zu beeinflussen. Das Isolierelement verhindert dabei auch eine unzulässige Abkühlung der Tiegelmündung, die zu einer Verschiebung der Erstarrungsfront in den Bereich vor der Mündung und damit zur Bildung eines pilzförmigen Kopfes am oberen Ende des Strangkörpers innerhalb der Schmelze, das heisst zu einer Störung des kontinuierlichen Ziehvorganges führen kann.Beyond influencing the shape of the solidification front The described arrangement of an insulating element enables a comparatively steep temperature gradient to be achieved in the solidification range, as is desirable for numerous applications of directional solidification. The beginning the cooling zone, in the example according to FIG. 2 the entry point of the strand body into the cooling bath, can here namely be placed very close to the crucible mouth without adversely affecting the shape of the solidification front. The insulating element This also prevents impermissible cooling of the crucible mouth, which leads to a shift in the solidification front in the area in front of the mouth and thus to form a mushroom-shaped head at the upper end of the strand body inside the melt, which can lead to a disruption of the continuous drawing process.

Bei der Ausführung nach Fig. M und 5 ist wieder ein aus elektrisch nicht leitendem Material bestehender Tiegel 50 mit Induktionsheizung 52 vorgesehen. Die Formbeeinflussung der Erstarrungsfront erfolgt hier jedoch nicht mittels eines Isolierelementes, sondern durch eine zusätzliche Induktionsheizung 5H mit einem die Tiegelmündung umgebenden, ringförmigen Suszeptor56, der seinerseits durch eine Isolierung 58 von einer sich an die Tiegelmündung anschliessenden Kühlvorrichtung 60 getrennt ist. Hierdurch werden unerwünschte Wärmeverluste der Mündungsheizung ver mieden und ein geringerer Abstand zwischen Kühlzone und SchmelzeIn the embodiment according to FIGS. M and 5, a crucible 50 made of electrically non-conductive material with induction heating 52 is again provided. The shape of the solidification front is not influenced here by means of an insulating element, but by an additional induction heater 5H with an annular susceptor 56 surrounding the crucible mouth, which in turn is separated by an insulation 58 from a cooling device 60 adjoining the crucible mouth. In this way, undesired heat loss of the mouth heating ver be avoided, and a smaller distance between the cooling zone and melt

309809/0197309809/0197

100/71 komb.100/71 comb.

2H67922H6792

AlAl

im Sinne eines steilen Temperaturgefalles im Erstarrungsbereich Ermöglicht.in the sense of a steep temperature drop in the solidification area Allows.

Die Kühlvorrichtung umfasst einen Block 62 aus gut wärmeleitendem Material mit Kühlmittelkammer 64, an die mittels Klammern 66 Zu- und Abflussleitungen 68 bzw.70 für das Kühlmittel angeschlossen sind. Das von der KUhlmittelkammer 64 umgebene Mittelstück 72 des Blockes 62 bildet einen Durchlass für den austretenden Strangkörper 4 und steht mit diesem auf einem ringartigen Oberflächenabschnitt in Berührung. Lieber diesen Oberflächenabschnitt erfolgt im Beispielsfall die Wärmeabfuhr unterhalb der Erstarrungsfront, die innerhalb des Mündungskanals des Tiegels liegt. Diese Art der Kühlung ermöglicht ebenfalls ein vergleichsweise steiles Temperaturgefälle ohne Beeinträchtigung der gezielten Einwirkung auf die Form der Erstarrungsfront.The cooling device comprises a block 62 made of highly thermally conductive Material with coolant chamber 64, to which the inlet and outlet lines 68 and 70 for the coolant are connected by means of clamps 66 are. The center piece 72 of the block 62, which is surrounded by the coolant chamber 64, forms a passage for the extruded body exiting 4 and is in contact therewith on a ring-like surface section. Better to do this surface section in the example, the heat dissipation below the solidification front, which lies within the mouth channel of the crucible. These The type of cooling also enables a comparatively steep temperature gradient without impairing the targeted action on the shape of the solidification front.

Die durch Aufheizung der Tiegelmündung erzielbare Temperaturverteilung ist in Fig. 6 veranschaulicht. Hier ist ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehender Tiegel mit induktiver Hauptheizung 82 und Mündungsheizung 84 vorgesehen. Infolge der elektrischen Leitfähigkeit des Tiegelmaterials entfällt die Notwendigkeit eines besonderen Suszeptors an der Tiegelmündung. Die einstellbare Temperaturverteilung entspricht annähernd'derjenigen bei einer Einrichtung mit Mündungsteizung gemäss Fig. 4.The temperature distribution that can be achieved by heating the crucible mouth is illustrated in FIG. 6. Here is a crucible made of electrically conductive material with an inductive Main heater 82 and muzzle heater 84 are provided. Due to the electrical conductivity of the crucible material, the Need for a special susceptor at the crucible mouth. The adjustable temperature distribution corresponds approximately to that in the case of a device with muzzle heating according to FIG. 4.

Jfie die in Fig. 6 angedeuteten Temperatur-Niveaulinien veran-The temperature level lines indicated in FIG.

•309809/0197• 309809/0197

- yt - 100/71 komb.- yt - 100/71 comb.

tete

schaulix'chen, ist der Temperaturabfall im Vergleich zu der Ausführung nach Fig. 3 stärker auf die Tiegelwandung bzw. deren äussere Bereiche konzentriert, weil die Wärmeentwicklung ausser in der Schmelze auch in der Tiegelwandung selbst erfolgt. Dies gilt auch für den Bereich 86 der Tiegelmündung, der durch die Heizung 84 von innen heraus aufgeheizt wird. Die so vergleichsweise stark nach aussen verlagerten Temperatur-Niveaulinien treten im mittleren Mündungsbereich horinzontal in den Querschnitt des Mündungskanals ein, womit sich beispielsweise ein im wesentlichen ebener Abschnitt e"/, der bei geeigneter Bemessung der Temperaturwerte die Erstarrungsfront bilden kann. Durch die Aufheizung der Tiegelwandung im Mündungsbereich lässt sich ferner beispielsweise an der weiter zur Schmelze hin gelegenen Temperatur-Niveaulinie d" innerhalb des Mündungskanals ein in Strangvorschubrichtung gesehen konvexer Abschnitt d" bilden, während die weiter nach aussen gelegene Niveaulinie f" infolge der beginnenden Radialkühlung über die Strangoberfläche innerhalb des Mündungskanals einen in Strangvorschubrichtung gesehen konkaven Abschnitt fi' aufweist. Durch geeigente Einstellung der Heizwirkung, der Strangvorschub- bzw. Ziehgeschwindigkeit und der übrigen Verfahrensparameter lässt sich die Erstarrungsfront somit in eine konvexe, ebene oder konkave Form überführen. Damit kann unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der Form der Erstarrungsfront wie auch hinsichtlich der Steilheit des Temperaturgefalles in ein·* breiten Bereich Rechnung tragen. Schaulix'chen, the temperature drop in comparison to the embodiment according to FIG. 3 is more concentrated on the crucible wall or its outer areas, because the heat development takes place in the crucible wall itself as well as in the melt. This also applies to the area 86 of the crucible mouth, which is heated from the inside by the heater 84. The temperature level lines, which are relatively strongly shifted to the outside in this way, enter the cross-section of the mouth channel horizontally in the central mouth area, thus creating, for example, an essentially flat section e "/, which can form the solidification front if the temperature values are suitably measured In the mouth area, for example, on the temperature level line d "within the mouth channel located further towards the melt, a convex section d" can be formed in the strand feed direction, while the level line f "further outwards as a result of the incipient radial cooling over the strand surface within the mouth channel has a concave portion fi 'seen in the strand feed direction. The solidification front can thus be converted into a convex, flat or concave shape by appropriately setting the heating effect, the strand feed or drawing speed and the other process parameters. Different requirements with regard to the shape of the solidification front as well as with regard to the steepness of the temperature drop can thus be taken into account over a wide range.

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100/71 komb.100/71 comb.

Bei der Einrichtung nach Fig.7 1st ein Tiegel 101 mit Schmelze 102 innerhalb einer Vakuumkammer 109 mit Anschluss 110 für eine Saugleitung angeordnet. Die in Fig.8 in grösserem Massstab dargestellte Tiegelmündung 103 bildet einen zylindrischen, vergleichsweise langen Kanal, durch den ein Strangkörper 10¹J kontinuierlich aus der Schmelze gezogen wird. Nach Durchlaufen eines evakuierten Raumes 108 im Bereich der Tiegelmündung tritt der Strangkörper in ein Kühlbad 111 ein, aus dem die vom Strangkörper zugeführte Wärme weiter über ein Durchlauf-Kühlsystem mit einer kühlmitteldurchflossenen Rohrschlange 112 abgeführt wird. Der evakuierte Raum 108 steht über Durchlässe 109a mit dem Innenraum der Vakuumkammer 109 in Verbindung.In the device according to FIG. 7, a crucible 101 with melt 102 is arranged within a vacuum chamber 109 with connection 110 for a suction line. The crucible mouth 103 shown on a larger scale in FIG. 8 forms a cylindrical, comparatively long channel through which an extruded body 10 ¹ J is continuously drawn from the melt. After passing through an evacuated space 108 in the region of the crucible mouth, the extruded body enters a cooling bath 111, from which the heat supplied by the extruded body is further removed via a continuous cooling system with a pipe coil 112 through which coolant flows. The evacuated space 108 is connected to the interior of the vacuum chamber 109 via passages 109a.

In Fig.8 ist innerhalb des Kanals der Tiegelmündung die Erstarrungsfront F als Grenze zwischen der flüssigen Schmelze 102 und dem festen Strangkörper 10*1 angedeutet. Ohne besondere Vorkehrungen stellt sich hier ein mehr oder weniger starker Wärmeaustausch quer zur Stranglängsrichtung bzw. parallel zur Tiegelaussenfläche im Mündungsbereich und damit entsprechende Abweichungen der Isothermen von der ebenen, zur Tiegelaussenfläche parallelen Form ein. Dies gilt grundsätzlich für die gesamte Länge des Mündungskanals, Jedoch mit abnehmender Intensität der Wärmequerströmung bis zum inneren Ende des Mündungskanals, wo infolge der temperaturausgleichenden Wirkung der Schmelze eine mehr oder weniger allseitig gleichmäseige Temperaturverteilung herrscht. Es wäre daher erwünscht, die Erstarrungsfront innerhalb des In FIG. 8, the solidification front F is indicated as the boundary between the liquid melt 102 and the solid extrudate body 10 * 1 within the channel of the crucible mouth. Without special precautions, a more or less strong heat exchange occurs transversely to the longitudinal direction of the strand or parallel to the outer surface of the crucible in the mouth area and thus corresponding deviations of the isotherms from the flat shape parallel to the outer surface of the crucible. This basically applies to the entire length of the mouth channel, but with decreasing intensity of the cross-flow of heat up to the inner end of the mouth channel, where, due to the temperature-equalizing effect of the melt, there is a more or less uniform temperature distribution on all sides. It would therefore be desirable to have the solidification front within the

' 309809/0197'309809/0197

100/71 komb.100/71 comb.

J* - 2U6792J * - 2U6792

Mündungskanals möglichst weit zur Schmelze hin zu verlagern. Einer solchen Lageeinstellung der Erstarrungsfront steht jedoch der Nachteil gegenüber, dass nur sehr geringe LageSchwankungen der Erstarrungsfront nach innen zulässig sind. Wenn die Erstarrungsfront nämlich an das innere Ende des Mündungskanals vordringt, so bildet sich in'der hier immer vorhandenen Erweiterung des Kanals ein nietkopfartiger Pestkörper, welcher den Ziehvorgang unterbricht und zu einer Betriebsstörung führt. Sowohl im Interesse der Vermeidung einer unnötig hohen Regelgenauigkeit des Ziehvorganges als auch im Interesse der Vermeidung von Betriebsstörungen muss daher ein vergleichsweise grosser Abstand der Erstarrungsfront vom inneren Ende des Mündungskanals eingehalten werden.To relocate the mouth channel as far as possible towards the melt. Such an adjustment of the position of the solidification front stands, however the disadvantage compared to this is that there are only very slight fluctuations in position the solidification front inward are permissible. If the solidification front penetrates to the inner end of the mouth channel, in the widening of the canal that is always present here, a rivet-like plague body forms, which the The pulling process is interrupted and leads to a malfunction. As well as in the interest of avoiding an unnecessarily high control accuracy of the drawing process as well as in the interest of avoiding Operational disruptions must therefore be a comparatively large distance between the solidification front and the inner end of the mouth channel be respected.

Im Mündungsbereich des Tiegels der dargestellten Beispielsausführung ist nun an der Tiegelinnenwandung eine die Tiegelmündung rinnenartig umgebende Einsenkung 105 mit einem den Mündungskanal bildenden, hohlzylinderischen InnenvorsprunglOö des Tiegelbodens 101a vorgesehen. Dadurch wird einmal eine vergleichsweise grosse Länge des Mündungskanals und damit eine relativ grosse Schwankungsbreite der Lage der Erstarrungsfront P ermöglicht sowie zum anderen Platz für eine aus giesstechnischen Qründen erwünschte, trichterartige Erweiterung 107 des Mündungskanals zur Schmelze hin geschaffen, von der die Erstar rungsfront Indessen wegen der grossen verfügbaren Kanallänge ausreichenden Abstand einhalten kann. In the mouth area of the crucible of the exemplary embodiment shown, a recess 105 surrounding the crucible mouth like a channel with a hollow cylindrical inner projection 10 of the crucible bottom 101a forming the mouth channel is provided on the inner wall of the crucible. As a result, a comparatively large length of the mouth channel and thus a relatively large range of fluctuation in the position of the solidification front P is made possible and, on the other hand, space is created for a funnel-like expansion 107 of the mouth channel towards the melt, which is desired for reasons of casting technology, from which the solidification front, however, is created because of the large available duct length can maintain sufficient distance.

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100/71 komb.100/71 comb.

2U67922U6792

Gleichzeitig verhindert die in der Einsenkung 105 befindliche, gleichsam als "Wärmewiderlager" wirkende Schmelze einen radialen Wärmeabfluss aus dem im Mündungskanal befindlichen Gussmaterial. Ein solcher Wärmeabfluss hätte eine in Strangvorschubrichtung, d.h. in Fig.8 von oben nach unten gesehen, konkave Form der Isothermen und damit auch der Erstarrungsfront zur Folge. Durch die dargestellte Ausbildung ergibt sich dagegen umgekehrt im äusseren Bereich des Mündungskanals eine in Strangvorschubrichtung gesehene konvexe und im inneren Bereich des Mündungskanals eine mehr oder weniger annähernd ebene Form der Isothermen und damit der Erstarrungsfront. Diese Verhältnisse sind in Fig.8 durch eine Schar von strichpunktiert angedeuteten Isothermen veranschaulicht. Es zeigt sich hieraus in Uebereinstimmung mit der Praxis, dass in einem vergleichsweise weiten Längenbereich des Mündungskanals eine sehr gute Annäherung an die erstrebte ebene Form der Isothermen und damit ein entsprechend breiter Schwankungsbereich für die Lage der Erstarrungsfront gegeben ist. Im Beispielsfall ist eine Lage der Erstarrungsfront F zwischen den beiden Isothermen a und b angedeutet. At the same time, the melt located in the depression 105, acting as it were as a "thermal abutment", prevents a radial melt Heat dissipation from the casting material located in the mouth channel. Such a heat dissipation would have one in the strand feed direction, i.e. seen from top to bottom in Fig. 8, concave shape of the isotherms and thus also of the solidification front result. Conversely, the configuration shown results in an in The strand feed direction is convex and in the inner area of the mouth channel a more or less approximately flat shape the isotherms and thus the solidification front. These relationships are indicated in FIG. 8 by a group of dash-dotted lines Isotherms illustrated. It is shown from this, in agreement with practice, that in a comparative manner wide length range of the mouth channel a very good approximation of the desired flat shape of the isotherms and thus a A correspondingly broad range of fluctuation is given for the position of the solidification front. In the example, one layer is the Solidification front F between the two isotherms a and b indicated.

Die Evakuierung des Raumes 108 zwischen Tiegelmündung und Kühlbad bewirkt ferner eine Isolierung der Tiegelmündung und des innerhalb dieses Raumes befindlichen Abschnitts des Strangkörpers 10Ί gegen Wärmeableitung, so dass hier im wesentlichen nur eine Abstrahlung verbleibt. Hierdurch kann bei im VergleichThe evacuation of the space 108 between the crucible mouth and the cooling bath also insulates the crucible mouth and of the section of the strand body 10Ί located within this space against heat dissipation, so that here essentially only one emission remains. This can be compared with

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100/71 komb.100/71 comb.

AirAir

zum Qussmaterial schlechter wärmeleitendem Tiegelmaterial für eine verstärkte radiale Wärmeeinströmung aus der Tiegelwandung im Bereich des Tiegelbodens 101a in das hier bereits kältere Gussmaterial und damit für eine stärker konvexe Form der Isothermen gesorgt werden. Dies kann für eine etwa erwünschte konvexe Form auch der Erstarrungsfront, sonst aber für die Aufrechterhaltung ebener Isothermen weiter im inneren Bereich des Mündungskanals vorteilhaft sein. Für die Einstellung einer homogenen Temperaturverteilung im inneren Bereich des Mündungskanals ist ferner eine vergleichsweise geringe Wandstärke w des hohlzylindrischen Innenvorsprunges 106 in manchen Fällen zweckmässig. Es empfiehlt sich hierfür beispielsweise eine Bemessung der Tiegelmündung in der Weise, dass die vom Boden 105a der Einsenkung 105 aus gemessene Höhe a des Innenvorsprunges 106 mindestens gleich der maximalen radialen Wandstärke w des Innenvorsprunges ist.to the Qussmaterial, crucible material with poor thermal conductivity for an increased radial flow of heat from the crucible wall in the area of the crucible bottom 101a into the casting material, which is already colder here, and thus for a more convex shape of the isotherms to be taken care of. For a desired convex shape, this can also be the case for the solidification front, but otherwise for maintenance flat isotherms can be advantageous further in the inner area of the mouth channel. For setting a homogeneous The temperature distribution in the inner region of the mouth channel is also a comparatively small wall thickness w of the hollow cylindrical inner projection 106 is expedient in some cases. It is recommended, for example, to carry out a dimensioning of the crucible mouth in such a way that the height a of the inner projection measured from the bottom 105a of the recess 105 106 is at least equal to the maximum radial wall thickness w of the inner projection.

Der Anschaulichkeit halber sind in Fig.8 noch die Isothermen innerhalb des freiliegenden Abschnitts des Strangkörpers 10*1 und im Kühlbad 111 angedeutet. Infolge des Temperaturausgleichs über den Querschnitt des gut leitenden Strangkörpers bei vergleichsweise geringer Wärmeabstrahlung von der Strangoberfläche ergeben sich innerhalb dieses Abschnittes im wesentlichen ebene Isothermen, die nach dem Eintauchen in das KUhlbad in eine nach unten konkav gewölbte Form übergehen. Weiter innerhalb des Kühlbades stellt sich wieder ein Temperaturausgleich über den Strangquerschnitt ein. For the sake of clarity, the isotherms within the exposed section of the strand body 10 * 1 and in the cooling bath 111 are also indicated in FIG. As a result of the temperature equalization over the cross-section of the highly conductive strand body with comparatively little heat radiation from the strand surface, essentially flat isotherms result within this section, which change into a downwardly concave shape after immersion in the cooling bath. Further inside the cooling bath, temperature equalization occurs again across the strand cross-section.

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Claims

100/71 komb.100/71 comb.

2U6792

ASAS

P at e η t claims

1. A method for the directional solidification of molten casting material, in which an elongated, at least partially prismatic, in particular strand-shaped plague body is discharged from a melt progressively over an opening zone of the melt containing the solidification front, characterized in that in the area of the solidification front of the melt a The edge zone of the casting material surrounding the cross-section of the emerging casting material and extending essentially transversely to the longitudinal direction of the emerging solid body is produced , within which there is no substantial radial heat dissipation through the surface of the casting material to the outside.

2. The method according to claim 1, characterized in that

the edge zone of the casting material, which is essentially free of radial heat flow, is generated by supplying heat over the surface of the melt in its mouth area above the solidification front.

3. The method according to claim 1, characterized in that the edge zone of the casting material, which is essentially free of radial heat discharge, is produced by thermal insulation in a section of the surface of the casting material that extends over the solidification front.

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100/71 comb.

2U6792

* J. Method according to claim 1, characterized in that below that essentially free of radial heat dissipation Radial cooling is brought about by heat dissipation over the surface of the plague body at the edge zone of the casting material.

5. The method according to claim 4, characterized in that the Radial cooling, through the entry of the plague body into a liquid Cooling bath below the edge zone, which is essentially free of heat transfer is brought about.

6. Device for carrying out the method according to one of the Claims 1 to 5, characterized in that a crucible (10 or 50) is provided for receiving the melt, which is in the area its mouth a zone surrounding the mouth cross-section without any substantial radial heat inflow from that in the crucible mouth Has cast material located.

7 · Device according to claim 6, characterized in that for receiving the melt a heat-insulated in the area of its mouth Crucible (10) is provided.

8. Device according to claim 6, characterized in that a heatable in the region of its mouth for receiving the melt Crucible (50) is provided.

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100/71 comb.

yf - 2H6792

9. Device according to claim 8, characterized in that an electrical high-frequency heater for heating the crucible (50) preferably an induction heater with a susceptor (55) located in the area of the crucible mouth is.

10. Device according to claim 9, characterized in that at least part of the crucible wall in the region of the crucible mouth is designed as a susceptor.

11. Device according to one of claims 6 to 10, characterized in that that in the area of the crucible mouth (103) on the inside of the crucible wall at least one crucible mouth (103) partially surrounding depression (105) is provided.

12. Device according to claim 11, characterized in that between the depression (105) and the crucible mouth (1031 a annular bead (106) projecting into the interior of the crucible is provided 1st.

13. Device according to claim 12, characterized in that the annular bead (106) as a cylinder-like inner projection of the crucible bottom (101a) is formed.

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100/71 comb.

XAXA

Ik. Device according to Claim 131, characterized in that the height (h) of the annular bead (106) measured from the bottom (105a) of the depression (105) is at least equal to the maximum radial wall thickness (w) of the annular bead (106).

15. Device according to one of claims 11 to I ¹ I, characterized in that the annular bead (106) within its free end portion contains a funnel-like widened inlet (107) for the channel forming the crucible mouth (103).

16. Device according to one of claims 6 to 15, characterized in that an at least partially evacuated space (108) surrounding ^{the exiting strand body (10 1 I) is provided on the outside of the crucible mouth (103).}

Public company Brown, Boveri & Cie.

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