DE2531573A1 - Zusammensetzung und verfahren fuer deren zugabe zu einer metallschmelze - Google Patents

Zusammensetzung und verfahren fuer deren zugabe zu einer metallschmelze

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DE2531573A1 DE19752531573 DE2531573A DE2531573A1 DE 2531573 A1 DE2531573 A1 DE 2531573A1 DE 19752531573 DE19752531573 DE 19752531573 DE 2531573 A DE2531573 A DE 2531573A DE 2531573 A1 DE2531573 A1 DE 2531573A1
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Description

Hamburg, den 10. Juli 1975
177975 .1414 HED
Priorität: 15. Juli 1974, U.S.A. Pat.Anm.Nr. 488 755
Anmelder;
Caterpillar Tractor Co
Peoria, 111. , U.S.A.
Zusammensetzung und Verfahren für deren Zugabe zu einer Metallschmelze
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zusammengesetzten, Zusatzmittel enthaltenden Metallkörper und ein Verfahren für dessen Zugabe zu einer Metallschmelze. Die Erfindung betrifft insbesondere einen zusammengesetzten Metallkörper zur Zugabe verhältnismäßig leicht flüchtiger oder verdampfbarer metallischer Zusätze zu einem geschmolzenen Eisenmaterial,
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während dieses geformt wird.
Es ist allgemein bekannt, Metallschmelzen, wie z. B. Stahl, Legierungs- und Behandlungszusätze zuzugeben. Auch die Zugabe solcher Zusätze in drahtähnlicher Form ist bereits bekannt und wurde beispielsweise in der US-PS 3 634 075 und in "Iron Age", Ausgabe vom 28. Oktober 1971 beschrieben. Außerdem wurde die Verwendung drahtform!ger Zusätze vorgeschlagen, um einer Stahlschmelze ein zusätzliches Material zuzugeben. Die Verwendung drahtähnlicher Körper zur Zugabe von Legierungs- und Behandlungszusätzen bietet dabei eine vorteilhafte Möglichkeit für eine sehr genau steuerbare Erzeugung eines fertigen Formkörpers mit gewünschten Eigenschaften.
Gewisse Probleme treten jedoch insbesondere in den Fällen auf, in denen der Zusatz verhältnismäßig leicht flüchtig bzw. verdampfb'ar ist, weil solches Material die Neigung hat, vorzeitig abgezogen oder freigegeben zu werden, wenn es einer Eisenschmelze zugegeben wird. Wenn solche Zusatzmittel beispielsweise in einem ummantelten Draht gelagert sind, schmelzen Werkstoffe, wie z. B. Magnesium bei einer Temperatur-unterhalb des Schmelzpunktes einer Eisenschmelze und werden somit abgezogen oder herausgetrennt, bevor der Draht geschmolzen und von dem Schmelzbad aufgenommen ist.
Es wurden auch Versuche zur Lösung dieses Problems unternommen,
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und in der US-PS 3 056 190 ist ein Verfahren beschrieben, in welchem Magnesium und Silizium zu Magnesiumsilizid und dieses in eine Eisenmetallumhüllung eingelagert wird. Jedoch selbst in dieser Form hat das Magnesium die Neigung, frühzeitig abgezogen oder herausgelöst zu werden. In der US-PS 3 741 753 ist ein Verfahren angegeben, in welchem Mangan einer Stahlschmelze unter Vakuumbedingungen zugegeben wird, wobei das Mangan verhältnismäßig leicht flüchtig ist und somit wiederum ein Problem darstellt. Gemäß der Lehre dieses Patentes wird das Mangan zuerst so legiert, daß seine Flüchtigkeitseigenschaften verringert werden, bevor es eingesetzt wird. Dies zeigt also, daß bei den beiden vorstehend erwähnten Patenten bei der Vorbereitung des Werkstoffes zur Verwendung als Zusatz zu einer Metallschmelze ein zusätzlicher Arbeitsschritt für einen Legierungsvorgang erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird ein zusammengesetztes, drahtähnliches Gebilde oder Gefüge geschaffen, um verhältnismäßig leicht flüchtige metallische Zusätze einer zum Gießen vorbereiteten Metallschmelze zuzugeben. Der erfindungsgemäße Aufbau umfaßt vorzugsweise einen inneren Kern aus verhältnismäßig leicht flüchtigen metallischen Zusätzen, einen äußeren Mantel aus Metall mit verhältnismäßig geringen Flüchtigkeitseigenschaften und ein zwischen dem Mantel und dem Kern angeordnetes, den Kern umschließendes Isoliermaterial.
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Der hier verwendete Ausdruck "verhältnismäßig leicht flüchtig" soll Materialien umfassen, welche bei der Temperatur der Metallschmelze, welcher der Zusatz zugegeben werden soll, einen beträchtlichen Dampfdruck ausüben. Der Außenmantel kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus einem Metall bestehen, welches einen ähnlichen Schmelzpunkt hat wie die zu behandelnde Metallschmelze, und welches vorteilhafterweise auch ähnlich zusammengesetzt ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß der äußere Mantel die stoffliche Zusammensetzung der Metallschmelze im wesentlichen nicht beeinflußt oder verändert. Es ist jedoch zu betonen, daß bei der Erfindung nichtflüchtige Legierungsmittel oder andere Zusätze dem äußeren Mantel beigefügt sein können, falls dies erwünscht ist. Als Isoliermaterial kann erfindungsgemäß ein Werkstoff vorgesehen sein, der die Fähigkeit hat, das Kernmaterial unterhalb seines Siedepunktes oder unterhalb des Punktes zu halten, bei welchem der Dampfdruck übermäßig hoch wird, bevor der Mantelwerkstoff schmilzt. Vorzugsweise ist auch das Kernmaterial unterhalb dessen Schmelzpunktes gehalten. Auf diese Weise erfolgt bei der Erfindung die Zugabe des Kernmaterials gleichzeitig mit dem Schmelzen des Mantelwerkstoffes*
Das Isoliermaterial sollte außerdem ein Werkstoff sein, der mit der gewünschten Schmelze verträglich ist» d. h. der keinerlei unerwünschte Stoffe zugeben sollte. Eine bevorzugte Form eines
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erfindungsgemäßen Isoliermateriales ist daher eine Fkrtikel-Substanz eines gewünschten Zusatzmittels oder einer der Schmelze im wesentlichen entsprechenden Zusammensetzung oder einer Kombination von beiden.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren geschaffen, mit welchem ein Zusatzmittel einer Metallschmelze vorzugsweise in der Weise zugegeben wird, daß das erfindungsgemäße, das gewünschte Zusatzmittel enthaltende, zusammengesetzte drahtförmige Gebilde mit einer gesteuerten Geschwindigkeit zugeführt wird, wobei die Geschwindigkeit so gewählt ist, daß sie ausreicht, um der Metallschmelze die gewünschte Menge des Zusatzmittels zuzugeben.
Die Erfindung kann zur Zugabe von Legierungs- oder Behandlungszusätzen zu Eisenmetall-Schmelzen mit besonderem Vorteil in solchen Fällen eingesetzt werden, in welchen die Temperatur der Schmelze in einer Größenordnung von etwa 2600 F (etwa 1430° C) oder höher liegt, und in welchen eine Reihe der vorgesehenen Zusätze relativ leicht flüchtig sind.
Beispielsweise ist es bekannt, einem Gußeisen oder Gußstahl Magnesium zuzugeben, um durch diese .Behandlung einen sogenannten Sphäroguß zu erhalten. Magnesium hat jedoch einen Kochpunkt von etwa 2025° F (etwa 1100° C). Magnesiumzusätze
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können daher auf dem hier diskutierten Gebiet zu Störungen und Schwierigkeiten führen. Ähnlich hat auch Zink einen verhältnismäßig niedrigen Kochpunkt, und Flüchtigkeitsschwierigkeiten treten daher auch dort auf, wo einer Metallschmelze Zink zugegeben wird. Außerdem werden bestimmte Gießverfahren in einem Vakuum ausgeführt, und in einem solchen Fall sind Metalle, wie z. B. Aluminium und Mangan ebenfalls in einem solchen Maße flüchtig, daß Probleme auftreten können. Diese und irgendwelche anderen Werkstoffe, die Flüchtigkeitseigenschaften aufweisen können, die zu Problemen und Schwierigkeiten führen^ können also unter Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre besonders vorteilhaft zugegeben werden»
Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung» in welchen die Erfindung beispielsweise dargestellt und erläutert ist. Es zeigen:
Fig, 1 eine teilweise geschnittene isometrische Darstellung eines erfindirngsgemlß aufgebauten zusammengesetzten clrahtförmigen Gebildes und
Fig. 2 einen Querschnitt in der durch die Linie 2-2 in Fig. angedeuteten Ebene.
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Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines zusammengesetzten drahtförmigen Gebildes 11, welches einen inneren Kern 12 aus einem verhältnismäßig leicht flüchtigen Werkstoff, einen äußeren Mantel 13 aus einem Metall mit verhältnismäßig geringen Flüchtigkeitseigenschaften und ein zwischen dem Mantel und dem Kern angeordnetes, den Kern umfassendes isolierendes Material 14 aufweist.
Dieser Körper wird vorzugsweise verwendet, um einer Eisenmetallschmelze ein Zusatzmittel zuzugeben, wobei so vorgegangen wird, daß das drahtförmige Gebilde mit einer ausreichenden gesteuerten Geschwindigkeit zugeführt wird, um eine gewünschte Menge eines Zusatzmittels der Eisenmetallschmelze zuzusetzen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der rohrförmige Mantel 13 im wesentlichen ebenfalls aus Eisenmetall mit oder ohne Legierungszusatz, und das Isoliermaterial 14 ist vorzugsweise aus Partikeln eines Eisenmetalls, wie z. B. Eisen oder Stahl oder eines eisenhaltigen Werkstoffes.
Das drahtförmige Zusatzmittel wird verwendet, um Leg-ie rungs zusätze zuzugeben, Werkstoffe zu behandeln oder beides, und zwar mit Hilfe irgendeines verfügbaren Verfahrens, mit welchem drahtförmige Zusätze einer Metallschmelze zugegeben werden können. Solche Verfahren sind beispielsweise in den oben genannten Veröffentlichungen beschrieben.
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Die im folgenden angegebenen Beispiele für erfindungsgemäße Zusammensetzung dienen der besseren Veranschaulichung der Erfindung, die dadurch jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt wird. In den Beispielen besitzt der Drahtkern 12 einen Durchmesser von 0,125" (etwa 3,175 mm) und der rohrförmige Mantel 13 hat bei einer Wandstärke von 0,015" (etwa 0,381 mm) einen Nenndurchmesser von 0,375" (etwa 9,525 mm).
Beispiel 1:
Bei diesem Beispiel besteht die Schutzhülle oder Schutzabschirmung aus pulverisiertem Eisen, der Mantel aus Stahl und der Kern aus Magnesium. Die Schutzabschirmung ist besonders vorteilhaft wegen ihrer hohen spezifischen Wärme von etwa 0,11 Btu/lb ° F (0,11 kcal/kg ° C) und seiner verhältnismäßig niedrigen Wärmeleitfähigkeit.
In der folgenden Tafel I sind die sich ergebenden Parameter zusammengefaßt, welche die Zusammensetzung klarer darstellen:
Tafel I
Volumen /100 ft (I) Dichte Gewicht (%) Π ft = 30,48 cm)
Mantel 408,89 cm2 (18,8) χ 7,82 = 3,197,5 g (33,3) Fe-Pulver 1.521,67 cm2 (70,1) χ 3,92 = 5.964,9 g (62,2) Mg-Kern 241,32 cm2 (11,1) x 1,80 * 434,4 g ( 4,5)
Gesamt 2.171,88 cm2 (100,0)x 4,42 « 9.596,8 g (100,0)
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-9-
Beispiel 2:
Bei diesem Beispiel besteht die Schutzabschirmung aus einer Mischung aus Eisenpulver und Graphit, während der Mantel aus Stahl und der Kern aus Magnesium besteht. Da bekannt ist, daß Kohlenstoff die Reaktion von Magnesiumdampf unterdrückt, ist er beigefügt, um den Grad der Reaktion zu steuern. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die Zugabe von Kohlenstoff bei bestimmten Eisenlegierungen zugelassen werden kann, bei welchen von einer Schmelze ausgegangen wird, die die Fähigkeit besitzt, diesen Zusatz zu verwerten. Im übrigen ist die bei diesem Ausführungsbeispiel zugegebene Kohlenstoffmenge ziemlich klein. Die nachfolgend in Tafel II zusammengestellten physikalischen Parameter wurden für dieses Ausführungsbeispiel eingesetzt:
Volumen
(1 ft =		 CC) 408,89 /100
30,4		 Tafel II X Dichte Gewicht g C (37,9)
.141,25 cm2 ft (%)
8 cm)		 X 7,82 3, g (53,0)
Mantel Fe-Pulver 1, 2, 380,42 cm (18,8) X 3,92 4, g (4,0)
Graphit 3: 241,32 ™2 (52,5) X 0,89 g ( 5,1)
Mg-Kern .171,88 cm (17,6) X 1 ,80 g 100,0)
Gesamt cm2 (11,1) 3,89 8,
Beispiel (100,0)
.197,5
.473,7
338,6
434,4
.444,2
Bei diesem Beispiel besteht die Schutzabschirmung aus pulveri-
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siertem Magnesium und Koks. Dieses Material ist ein handelsübliches Produkt der American Cast Iron Pipe Company, Birmingham, Alabama, welches Magnesium und Kohlenstoff enthält. Dieses Material, das aus Gießereikoks mit etwa 45 Gewi Magnesium.besteht, sorgt für eine zeitlich abgestimmte Auslösung bzw. Freigabe des Magnesiumdampfes zusätzlich zu dem in dem festen Kern enthaltenen Magnesium. In Tafel III sind die physikalischen Parameter dieses Ausführungsbeispieles zusammengestellt:
Tafel III
Volumen /100 ft (I) Dichte Gewicht (I) (1 ft = 30,48 cm)
Mantel 408,89 cm2 (18,8) χ 7,82 = 3.197,5 g (65,5) Mg-Koks-Pulver 1521,67 cm2 (70,1) χ 0,82 = 1.247,8 g (25,6) MF-Kern 241,32 cm2 (11,1) x 1,80 = 434,4 g ( 8,9)
Gesamt 2.171,88 cm2 (100,0)x 2,25 = 4.879,7 g (100,0)
Der durch die Abschirmung 14 erreichte Wärmeschutz ist durch die Wärmeleitfähigkeit und die Partikelgröße des Abschirmmaterials bestimmt. ^
Dies zeigt also, daß das Isoliermaterial vorzugsweise eine partikelförmige Masse aus einer oder mehreren der zuzufügenden Substanzen ist. Die Partikel können dabei von kleinen Staubteilchen bis zu großen körnigen Teilchen variieren. Da ent-
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sprechend kleinere Teilchen eine größer Anzahl nichthomogener Wärmeübertragungsflächen und daher eine verringerte Wärmeleitfähigkeit darstellen, kann der durch irgendeine der oben genannten Abschirmverbindungen* durch Änderung der Größe der in der Abschirmung enthaltenen Partikel variiert werden. Es wurde festgestellt, daß ein Draht mit den oben genannten Abmessungen in einer im Beispiel 1 beschriebenen Zusammensetzung in einem Bad mit 2500° F (etwa 1371° C) bei einer Geschwindigkeit von etwa 6 bis 7" (etwa 15,25 - 17,78 cm) pro Sekunde schmilzt. Unter diesen Bedingungen sorgt beim Beispiel 1 die aus Eisenpulver bestehende Schutzabschirmung mit Partikeln einer Korngröße zwischen 40 und 140 für einen ausreichenden Wärmeschutz, um ein frühzeitiges Schmelzen und Verdampfen des Magnesiumkerns zu verhindern.Falls es erwünscht ist, den durch die Partikelgrößen von 40 bis 140 erreichbaren Wärmeschutz zu erhöhen, können kleinere Partikel verwendet werden. So könnte auch eine geringere Zuführgeschwindigkeit vorgesehen werden.
Für größere Abgüsse, die bei dem vorgesehenen Draht über 6 bis 7" (15,24 bis 17,78 cm) pro Sekunde liegende Draht-Zyführgeschwindigkeiten erfordern können, ist es möglich, dem geschmolzenen Metallbad gleichzeitig zwei oder mehr Drähte zuzuführen. Alternativ könnte der Draht erwärmt werden, um die Schmelzgeschwindigkeit zu erhöhen. Im allgemeinen kann ein beliebiges Erwärmungsverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann der
-12· *erzielbare Schutz
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Draht durch eine erhitzte Zone geführt werden oder es kann mit einer Widerstandserwärmung des Außenmantels gearbeitet werden.
Falls eine Widerstandserwärmung des Mantels erwünscht ist, sollte die Abschirmung und/oder der Kern elektrisch isoliert werden, um eine Widerstandserwärmung dieser Komponenten zu verhindern. Für diesen Zweck können elektrisch nichtleitende Werkstoffe für die Abschirmung gewählt werden oder elektrisch leitfähige Werkstoffe können beispielsweise durch Beschichtung behandelt werden, um,sie nichtleitend zu machen. Ferner kann ein nichtleitender Oberzug an der Innenfläche des Außenmantels oder an der Außenfläche des Kerns vorgesehen werden.
Die oben angeführten Beispiele zeigen, daß das erfindungsgemäß aufgebaute drahtförmige Gebilde bei jedem der erwähnten Verfahren entweder mit oder ohne zusätzliche Erwärmung eingesetzt werden kann. Es ist ferner zu erkennen, daß der zusammengesetzte drahtähnliche Aufbau in vorteilhafter Weise in der Lage ist, den inneren Kern aus leicht flüchtigem Material sehr zuverlässig gegen eine vorzeitige Auflösung zu schützen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht auf der Tatsache, daß, sobald der Draht geschmolzen ist, das gekörnte oder partikelförmige Abschirmmaterial in die
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Schmelzströmung aufgenommen wird. Diese Aufnahme verringert die Temperatur der Strömung in einem kleinen Bereich in der Nähe des Drahtendes, wo der innere Kern zugeführt wird. Diese Zone mit verringerter Temperatur ermöglicht es in vorteilhafter Weise, daß Kerne, wie z. B. Magnesium mit einer geringeren Neigung zur Flüchtigkeit in die Strömung aufgenommen werden, da die Stärke der Magnesiumreaktion temperaturabhängig ist.
Zusätzlich bewirkt die Verwendung eines äußeren Kerns aus einem Material mit einem der zu behandelnden Metallschmelze entsprechenden Schmelzpunkt, daß die Zuführung oder Zugabe und die Reaktionen, wie z. B. die Magnesiumreaktion, unter der Oberfläche des geschmolzenen Materials auftreten. Dies führt zu einer weiteren Verminderung der Stärke der Reaktion.
Die vorausgehende Beschreibung zeigt, daß erfindungsgemäß ein verbesserter zusammengesetzter, Zusatzmittel enthaltender Metallkörper geschaffen wurde, der bei einem Verfahren zur Zugabe von Legierungs- oder Behandlungszusätzen zu einer Metallschmelze verwendet werden kann. Die Beschreibung zeigt auch, daß eine erfindungsgemäß aufgebaute Metallzusammensetzung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, um einer Eisenmetallschmelze od. dgl. leicht flüchtige Zusätze, wie z. B. Magnesium, zuzugeben.
- P ATE NT AN SP RÜCHE-
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Claims (14)

P ATBNTANSP. RÜCHE
1. Drahtförmige Zusammensetzung, gekennzeichnet durch einen inneren Kern (12) eines verhältnismäßig leicht flüchtigen Zusatzmittels zu einer Metallschmelze, durch einen äußeren Mantel (13) aus einem nichtflüchtigen Metall, und durch einen zwischen dem Außenmantel und dem Kern angeordneten, den Kern umfassenden isolierenden Werkstoff (14).
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Werkstoff (14) partikelförmig ausgebildet ist.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Werkstoff eine Wärmemauer (14) zum Schutz des Kerns (12) gegen dessen Abfluß vor dem Schmelzen des äußeren Metallmantels (14) bildet.
4. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Werkstoff zusätzliche Zusatzmittel umfaßt.
5. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (13)
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aus einem Metall besteht, dessen Schmelzpunkt bei der Temperatur der Metallschmelze liegt, welcher die Zusammensetzung (11) zugegeben wird.
6. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmantel (13) im wesentlichen die gleichen chemischen Eigenschaften besitzt wie die anzureichernde Metallschmelze.
7. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (13) im wesentlichen konzentrisch zum Kern (12) angeordnet ist.
8. Zusammensetzung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kern aus einem Kugeln bildenden Zusatzmittel besteht.
9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugeln bildende Werkstoff Magnesium ist.
10. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der partikelförmige Werkstoff Eisen ist.
11. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
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daß der partikelförmige Isolierstoff eine Eisenlegierung ist.
12. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der partikelförmige Werkstoff Magnesiumkoks ist.
13. Verfahren zur Zugabe eines Zusatzmittels in eine Eisenmetallschmelze unter Verwendung einer drahtförmigen Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmige, das Zusatzmittel enthaltende Zusammensetzung mit einer gesteuerten Geschwindigkeit der Metallschmelze zugeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmige Zusammensetzung vorerwärmt wird, bevor sie in die Metallschmelze eintritt.
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