DE2620656A1

DE2620656A1 - Duennwandige kokille

Info

Publication number: DE2620656A1
Application number: DE19762620656
Authority: DE
Inventors: Robert Alberny
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-11
Publication date: 1976-12-02
Also published as: AT346511B; SE429414B; GB1501061A; FR2310821B1; JPS598467B2; DE2620656C2; JPS51138529A; CA1046235A; US4009749A; ATA349676A; IT1063312B; SE7605406L; BE841718A; FR2310821A1

Description

Die Erfindung betrifft eine dünnwandige Kokille zum kontinuierlichen Vergießen von schmelzflüssigen Metallen mit einem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden, den Querschnitt des Gußerzeugnisses bestimmenden rohrförmigen inneren Teil und einem dieses Teil umgebenden, aus Stahl bestehenden und mit dem inneren Teil verbundenen Mantelteil.

Kokillen dieser Art stellen eine einer dauernden Kühlung unterworfene, an ihren beiden Enden offene Gießform dar, deren einem Ende das schmelzflüssige Metall zugeführt wird und aus deren anderem Ende ein teilweise erstarrtes Halbzeug austritt. Eine solche Gießform weist im allgemeinen einen

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inneren rohrförmigen, aus Kupfer oder einer Kupferverbindung bestehenden, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Teil auf, dessen lichter Querschnitt die Abmessungen des Gußerzeugnisses bestimmt. Eine solche Gießform weist des weiteren ein dieses innere Teil umgebenden Mantelteil auf, das der Gießform die erforderliche mechanische Festigkeit verleiht. Durch die Zwischenräume dieser beiden Teile werden Kanäle für eine mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit strömende Kühlmittelflüssigkeit gebildet.

Beim Stranggießen von einen verhältnismäßig geringen Querschnitt aufweisendem Halbzeug, wie z.B. von Knüppeln, genügt der mechanische Aufbau des inneren Kokillenteils, selbst wenn dieses eine verhältnismäßig geringe Wandstärke von etwa 20 mm oder darunter aufweist, wie sie bei dünnwandigen Kokillen im allgemeinen üblich ist, den an sie gestellten Anforderungen, ohne daß es notwendig ist, aufwendige Verankerungen in einem Stahlmantel vorzusehen. Ganz anders liegen jedoch die Verhältnisse bei : Kokillen, mittels deren einen größeren Querschnitt aufweisende Gußerzeugnisse, wie z.B. Brammen, gegossen werden. Bei solchen Kokillen kommt dem mechanischen Aufbau eine besondere Bedeutung zu, da die Verbreiterung der Kokillenwände zu einer Verringerung ihrer Biegesteifigkeit insbesondere im mittleren Bereich der Breitseiten führt. Unter dem Einfluß

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des ferrostatischen Drucks in Verbindung mit dem hydrostatischen Druck des sich abkühlenden Schmelzflusses und unter der Auswirkung des starken Temperaturgefälles in den Wänden kann eine solche Verbreiterung der Wände zu Verbiegungen und transversalen Verformungen der Kokille führen. Um diesen nachteiligen Erscheinungen zu begegnen, die schon nach verhältnismäßig kurzer Zeit zur Unbrauchbarkeit der Kokille führen, hat man schon daran gedacht, die Wandstärken der meist aus vier miteinander verbundenen Kupferplatten bestehenden Kokillen auf einen solchen Wert zu erhöhen, der einen verträglichen Kompromiß zwischen der erforderlichen Verbesserung des thermischen und mechanischen Verhaltens dieser Platten und einer ausreichenden Wirksamkeit des Kühlsystems darstellt. Andererseits hat man auch schon daran gedacht, zur Erzielung

der notwendigen Festigkeit und Steifigkeit des Gesamtaufbaus der Kokille die vier den Kokillenkanal bildenden Kupferplatten an einem den Kokillenkanal umgebenden Mantel zu verankern. Es ist bekannt, zu diesem Zweck an den Außenflächen des Kokillenkanals Gewindebohrungen vorzusehen, in die Zuganker eingeschraubt werden, die in dem äußeren Mantel vorgesehene Bohrungen durchsetzen und mittels auf deren äußeres Ende aufgeschraubter Muttern den äußeren Mantel mit dem Kokillenkanal starr verbinden. Solche als dickwandige Kokillen bezeichnete Kokillen weisen jedoch wiederum gewisse Nachteile auf, insbesondere den Nachteil eines ver-

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hältnismäßig großen Aufwandes an Kupfer, eine ungünstige Spannungsverteilung in der Wandung und eine gegenüber dünnwandigen Kokillen wesentlich schlechtere Wärmeableitung.

Mit einem weiteren Nachteil sind solche dickwandige Kokillen dann behaftet, wenn sie, wie dies beim Betrieb von Kokillen immer mehr der Fall ist, mit einem elektromagnetischen Induktor ausgerüstet sind, der die Bewegung des schmelzflüssigen Metalls beeinflußt. Bei solchen Kokillen ist es notwendig, die in den Kupferplatten in verhältnismäßit starkem Maß und in der Kühlmittelflüssigkeit in geringerem Maß auftretende Absorption des elektromagnetischen Feldes auf ein Minimum zu beschränken. Aus diesem Grund muß angestrebt werden, den Abstand zwischen dem Induktor und dem schmelzflüssigen Metall soweit wie möglich zu verringern.

Hieraus resultiert das Interesse, dünnwandige Kokillen beim Gießen von einen verhältnismäßig großen Querschnitt aufweisendem Halbzeug, wie z.B. beim Gießen von Brammen, verwenden zu können.

Es sind schon Kokillen bekannt, bei denen die Kanäle für die Kühlmittelflüssigkeit in dem äußeren Mantel angeordnet sind und bei denen zur Befestigung des Mantels eine Mehrzahl von.Bolzen vorgesehen sind, die an längs angeordneten-Stahlbändern angeschweißt sind, die ihrerseits in an dem

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Kokillenkanal ausgesparten Rillen angeschweißt sind. Ein solcher Aufbau ist jedoch mit erheblichen technologischen Schwierigkeiten behaftet, weil die Gefahr besteht, daß die Schweißstellen den erheblichen, an diesen Stellen aufgrund des starken Temperaturgradienten auftretenden Wärmespannungen und auch den mechanischen Spannungen nicht standhalten, die auf den starken hydrostatischen Druck zurückzuführen sind, der von der mit großer Geschwindigkeit strömenden Kühlmittelflüssigkeit auf die Wände der Kühlmittelkanäle ausgeübt wird. Das Problem eines sicheren und dauerhaften Zusammenbaus der mit dem schmelzflüssigen Metall in Berührung stehenden Kupferplatten kann auf diese Weise nicht befriedigend gelöst werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine dünnwandige Kokille konstruktiv so zu gestalten, daß den Erfordernissen eines dauerhaften stabilen Aufbaus und einer wirksamen ausreichenden Kühlung des schmelzflüssigen Metalls genügt wird und daß gleichzeitig die Möglichkeit besteht, einen elektromagnetischen Induktor in größtmöglicher Nähe des schmelzflüssigen Metalls anzuordnen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das innere, den Kokillenkanal bildende Teil an seiner Außenfläche zur Verankerung der Verbindungselemente dienende Längsrippen aufweist, die parallel zueinander verlaufen und

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Längsrillen begrenzen, denen an der Innenfläche des den äußeren Mantel der Kokille bildenden Teils angeordnete Rippen unter Bildung von Kanälen für die Kühlmittelflüssigkeit gegenüberliegen.Aus Gründen der einfachen Herstellung sind die Längsrillen und die Längsrippen rechteckig ausgebildet, so daß sich für die Kühlmittelleitungen ein rechteckiger Querschnitt ergibt. Um zum Zweck eines besseren Wärmeaustausche die Wandflächen einer Kühlmittelleitung zu vergrößern, wird die Breite der Längsrillen vorteilhafterweise größer gewählt als die Breite der Längsrippen, so daß die die Wandung einer Kühlmittelleitung bildenden Oberflächen je einer Längsrinne und einer Längsrippe einen Kühlmittelkanal mit einem U-förmigen Querschnitt ergeben.

Um den Durchflußwiderstand der Kühlmittelleitungen möglichst gering zu halten, sind die Kühlmittelkanäle geradlinig ausgebildet und weisen einen konstanten Querschnitt auf.

Die Verbindung des den inneren Teil der Kokille bildenden Kokillenkanals mit dem dieses Teil im Abstand umgebenden, den äußeren Teil der Kokille bildenden Mantel erfolgt in einfacher Weise mittels in die Rippen des inneren Teils eingeschraubter, aus Stahl bestehender Gewindemuffen, in die den Kokillenmantel durchsetzende Zuganker eingeschraubt sind.

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Der den äußeren Teil der Kokille bildende Mantel ist vorteilhafterweise als doppelwandiger, von der Kühlmittelflüssigkeit durchströmter Hohlmantel ausgebildet, in dem vorteilhafterweise mindestens ein ein Wanderfeld erzeugender, die Bewegung des schmelzflüssigen Metallstrangs beeinflussender elektromagnetischer Induktor angeordnet ist.

Eine so aufgebaute Kokille wird den beim Gießen von einen großen Querschnitt aufweisendem Halbzeug an sie gestellten Anforderungen bezüglich eines stabilen Aufbaus, bezüglich eines reibungslosen Gleitens des Metallstrangs sowie bezüglich einer wirksamen Kühlung des Strangs weitgehend gerecht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kokille in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Kokille;

Fig. 2 einen waagerechten Schnitt durch einen Teil der Wandung der Kokille.

Der den Kokillenkanal bildende, aus Kupfer bestehende innere Teil 1 der Kokille ist von dem aus Stahl bestehenden Kokillenmantel 2 umschlossen. Sowohl der innere Teil 1 als auch der äußere Mantel 2 ist entweder einstückig ausgebildet oder aus

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mehreren Teilen zusammengebaut. Die Schmalseitenteile des Mantels 2 sind in Fig. 1 nur durch die Platten 22 angedeutet. Diese Schmalseitenplatten können im Gegensatz zu den Breitseitenteilen des Mantels als ebene Platten ausgebildet sein, da sie wegen ihrer verhältnismäßig geringen Belastung keinen Biegebeanspruchungen unterworfen sind. Darüberhinaus ist die Anordnung eines Induktors diesen Stxrnseitenplatten gegenüber im allgemeinen nicht unbedingt notwendig, so daß bezüglich dieser Stxrnseitenplatten die Forderung einer dünnwandigen Ausbildung nicht besteht. Daraus ergibt sich, daß für die Anordnung dieser die Schmalseite des Kokillenkanals begrenzenden Platten und auch für die Ausbildung der an diesen Schmalseiten gelegenen Kühlmittelkanäle bekannte Konstruktionen Verwendung finden können.

Die die Breitseiten des Kokillenkanals 1 begrenzenden Platten weisen auf ihrer Außenseite Längsrippen 4 auf, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, zur Verankerung der aus Stahl bestehenden Zuganker 3 dienen, die entsprechende Bohrungen in dem äußeren Mantel 2 durchsetzen. Dieser doppelwandig ausgebildete Mantel besteht an der Breitseite der Kokille aus einer inneren Platte 17 und einer äußeren Platte 18, zwischen denen als Abstandshalter dienende, die Zuganker aufnehmende Hülsen 20 angeordnet sind. Auf diese Weise wird zwischen den Platten 17 und 18 ein Hohlraum 19 gebildet. In die Läng£|ipDen.4 4%r den Kokillenkanal 1 an

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seiner Breitseite begrenzenden Platten sind Gewindemuffen eingeschraubt, in die die Zuganker 3 eingeschraubt sind, an deren äußerem Ende ein Gewinde eingeschnitten ist, auf das Spannmuttern 9 aufgeschraubt sind. Die Zwischenräume zwischen den Rippen 4 bilden Längsrillen 5, die etwa dieselbe Breite wie die Rippen 4 aufweisen. An der inneren Platte 17 des Mantels 2 sind Längsrippen 7 vorgesehen, die mit allseitigem Abstand in die Rillen 5 der Breitseitenplatten des Kokillenkanals 1 eingreifen und auf diese Weise zusammen mit den die Rillen 5 begrenzenden Flächen einen Kanal (6) 14,15,16) bilden, der von der Kühlmittelflüssigkeit, im allgemeinen Wasser, durchströmt wird. Besteht der Mantel 2 nur aus einem einzigen Stück, so ergibt sich ein einfacher Zusammenbau der Kokille in der Weise, daß die Rippen 7, die in diesem Fall dieselbe Breite aufweisen wie die Rillen 5, dem Kokillenkanal als Gleitfläche dienen.

Die Wandung des Kokillenkanals 1 besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, beispielsweise einer Kupfer-Silberoder Kupfer-Chrom-Legierung, die eine gute Wärmeleitfähigkeit gewährleisten. Der Mantel 2 besteht aus ".Festigkeitsgründen vorzugsweise aus Stahl.

Die in die Rippen 4 der den Kokillenkanai an seinen Breitseiten begrenzenden Platten eingeschraubten, aus Stahl bestehenden Gewindemuffen 10 ergeben eine verhältnismäßig

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große, den Wärmefluß begünstigende Kontaktflache Kupfer-Stahl und auch eine bessere zuverlässige Verankerung der Zuganker 3 und damit auch einen guten Zusammenhalt zwischen der Wandung des Kokillenkanals 1 und dem äußeren Mantel 2, der einem erheblichen, von der unter hohem Druck und mit großer Geschwindigkeit die Kanäle 6 durchströmenden Kühlmittelflüssigkeit ausgeübten hydrostatischen Druck ausgesetzt ist. Die Wandstärke E der den Kokillenkanal begrenzenden Platten beträgt etwa 20 mm; sie kann sich zwischen 15 und 25 mm bewegen. Die Wandstärke der den Mantel 2 bildenden Platten 17 und 18 kann etwa 10 mm betragen und ist ausreichend, um einen stabilen und starren Aufbau der Kokille zu gewährleisten.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel insofern, als bei dem letzteren der doppelwandig ausgebildete Mantel 2 aus einem einstückigen Gußstück besteht, bei dem die Hülsen 20 nur zur Aufnahme der Zuganker 3 dienen und mit den Platten 17 und 18 verschweißt sind, während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 diese Hülsen 20 als Abstandshalter dienen und stirnseitig in Ausbohrungen 12 und 12* der Platten 17 und 18 eingreifen. Beide Ausführungsbeispiele sind jedoch insofern gleichwertig, als der doppelwandige Hohlmantel 2 eine zusätzliche Kühlung dieses Mantels mittels einer den Hohlraum 19 durchströmenden Kühlmittel-

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flüssigkeit ermöglicht, was beim Gießen von einen großen Querschnitt aufweisendem Halbzeug von Bedeutung ist. Außerdem bietet dieser Hohlraum 19 die Möglichkeit, in ihm einen ein magnetisches Wanderfeld erzeugenden elektromagnetischen Induktor 21 anzuordnen, der, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, unmittelbar gegen die Platte 17 anliegt, die zu diesem Zweck aus unmagnetischem Material, beispielsweise einem nichtrostenden Stahl besteht. Zu dem Vorteil, daß der elektromagnetische Induktor auf diese Weise verhältnismäßig nahe an dem schmelzflüssigen Strang angeordnet werden kann, kommt noch der Vorteil, daß der Induktor infolge seiner dauernden Kühlung mit hoher Leistung ausgelegt werden kann.

Mit einer Kokille der erfindungsgemäßen Art, die eine Höhe von 700 mm aufwies und bei der die Absinkgeschwindigkeit des Strangs etwa 2 m/min betrug, wurden befriedigende Ergebnisse erzielt. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Kühlmittelkanal 6 erzielt, der, wie in Fig. 2 dargestellt, einen U-förmigen Querschnitt aufweist, da das parallel zur Breitseitenfläche der Bramme in dem Steg 14 des einen U-förmigen Querschnitt aufweisenden Kanals 6 strömende Kühlmittel eine so nachhaltige Kühlung bewirkt, daß die am Umfang des Strangs erzeugte erstarrte Randschicht bei der vorgenannten Absinkgeschwindigkeit beim Verlassen der Kokille dem Druck des noch flüssigen Kerns standhält. Die beiden seitlichen Schenkel 15 und 16 des so ausgebildeten Kühlmittelkanals 6 gewährleisten eine ausreichende Kühlung

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der Rippen 4 und damit der die Zuganker 3 aufnehmenden Gewindemuffen 10. Anstelle eines U-förmigen Querschnitts kann der Kühlmittelkanal 6 auch einen V-förmigen oder einen gekrümmten Querschnitt aufweisen.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn, wie ebenfalls in ELg. 2 dargestellt, die Breite der beiden seitlichen Schenkel 15 und 16 des Kühlmittelkanals 6 dieselbe ist wie die Breite des diese beiden Schenkel verbindenden Stegs 14.

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ζ λ 2 υ ο 5 ο

Die. Rippen 4 und die Rillen 5 wiesen dieselbe Breite von etwa 50 cm auf. Diese Breite kann variieren; zur Erzielung möglichst großer Warmeaustauschflachen sollte die Breite der Rillen jedoch nicht kleiner als diejenige der Rippen sein.

Die durchgeführten Versuche .zielten insbesondere auf die Ermittlung genauer Abmessungen für die geometrische Gestaltung der Kanäle für die Kühlmittelflüssigkeit unter Beachtung bestimmter einengender Versuchsbedingungen. Bei diesen handelt es sich in erster Linie darum, ein Kochen der Flüssigkeit zu vermeiden, was zu einer Erhöhung der Temperatur des Kupfers führen kann, die sehr leicht die Anlaßtemperatur überschreitet. Dies hätte eine Zerstörung der Kokille und ernste Unfälle zur Folge. Des weiteren mußte

die, Vermeidung , , . . ,

auf/einer ungleichen Verteilung der durch die einzelnen Kanäle strömenden Wassermengen geachtet werden, die durch eine Dampfblasenbildung hervorgerufen wird, die zu einer Verstopfung eines Kanals und zu nachteiligen Auswirkungen auf die anderen Kanäle führen kann. Eine solche Dampfbildung und Dampfansammlung muß auch deshalb vermieden werden, weil sie zu Erschütterungen und Schwingungen führt, die sich nachteilig auf die Kokille auswirken. Hiermit können auch örtliche Überhitzungen der Kokille verbunden sein, die wiederum zur Dampfbildung führen. Ein Kochen des Kühlwassers muß auch deshalb vermieden werden, weil es zu einer

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Unterbrechung des Gießvorgangs zwingen kann, die auch dann Kalkabsetzungen zur Folge haben kann, wenn vorbehandeltes enthärtetes Wasser verwendet wird. Bei nur kurzzeitigem Auftreten solcher Erscheinungen ist jedoch der B_etrieb der Kokille nicht gefährdet.

Aus diesen Gründen muß auf einen kontinuierlichen und gleichmäßigen Durchfluß des Kühlwassers geachtet werden. Dies bedingt, daß die Kurvenneigung des Druckabfalls in einem Kanal positiv und möglichst steil verlaufen muß. Wenn diese Kurvenneigung positiv ist, so hat eine solche durch Dampfansair.mlung verursachte Verstopfung eines Kanals eine Abnahme des Druckabfalls und damit einen Druckanstieg am Eingang des Kanals zur Folge, die es ermöglicht; den gewünschten Kühlmitteldurchsatz wiederherzustellen, und zwar um so wirksamer und rascher, je steiler die Kurvenneigung ist.

Unter diesen Bedingungen und unter Beachtung der Besonderheiten beim Gießen von Brammen wurden unter den möglichen Ausbildungen der Kanäle diejenigen ausgewählt, die bei einem Gesamtdurchsatz des Kühlwassers, der 8 m /h nicht übersteigt, einen Druckabfall je Kanal ergeben, der mindestens etwa 0,5 . 10 Pa beträgt, der einen gleichmäßigen Durchfluß des Kühlwassers gewährleistet.

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Die besten Ergebnisse wurden bei einem Wert e (Fig. 2)
für die Breite eines Kühlwasserkanals erzielt, der zwischen 2,5 mm und 4,5 mm liegt, wobei die Tiefe P einer Rille 5
einen Wert zwischen 10 mm und 25 mm aufweist. Bei einem
Wert e, der zwischen 3,5 mm und 4,5 mm liegt, hat es sich
als zweckmäßig erwiesen, für die Tiefe P einer Rille einen Wert vorzusehen, der 15 mm nicht übersteigt.

Weitere Versuche haben ergeben, daß eine sehr gute Kühlung der Kokille erzielt wird, wenn die Tiefe P der Rillen 12 mm und die Breite e der Rillen 3 mm betrug, wobei ein Gesamtdurchsatz an Kühlwasser von 4 m /h völlig ausreichend war.

Wenn aus technologischen Gründen und aus Gründen einer erhöhten Sicherheit ein Wert e von 3 mm auch als unerwünscht betrachtet werden mußte, so konnte bei einer Breite von 4 mm ein sicherer Betrieb der Kokille gewährleistet werden, wenn der Gesamtdurchsatz des Kühlwassers 6 m /h betrug. Beim
Gießen von Brammen von einer Breite von 2 m mußten auf den Breitseiten der Kokillenwandung ungefähr 20 Kühlmittelkanäle von einer Breite von 50 mm vorgesehen werden, deren Gesamtdurchsatz an Kühlwasser annähernd 3oo m /h betrug. Die
Kühlwasserzuleitung kann für jede Seite der Kokille getrennt oder auch für beide Breitseiten gemeinsam erfolgen.

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Claims

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Patentansprüche

"Iy" Dünnwandige Kokille zum kontinuierlichen Vergießen von schmelzflüssigen Metallen mit einem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden, den Querschnitt des Gußerzeugnisses bestimmenden rohrförmigen inneren Teil und einem diesen Teil umgebenden, aus Stahl bestehenden und mit dem inneren Teil verbundenen Mantelteil, dadurch gekennzeichnet , daß der innere Teil (1) an seiner Außenfläche zur Verankerung der Verbindungselemente (3) dienende Längsrippen (4) aufweist, die parallel zueinander verlaufende Längsrillen (5) begrenzen, denen an der Innenfläche des äußeren Teils (2) angeordnete Rippen (7) unter Bildung von Kanälen (6) für die Kühlmittelflüssigkeit gegenüberliegen.
2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die von den Längsrillen (5) und den Längsrippen (7) begrenzten Kanäle (6) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

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3. Kokille nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der Längsrillen (5) größer als die Breite der Längsrippen (7) ist, so daß die Begrenzungsflächen der Längsrillen (5) und der Längsrippen (7) einen Kanal (6) mit U-förmigem Querschnitt bilden.
4. Kokille nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kanäle (6) für die Kühlmittelflüssigkeit geradlinig ausgebildet sind · und einen konstanten Querschnitt aufweisen.
5. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in die Rippen (4) des inneren Teils (1) zur Aufnahme von den Kokillenmantel (2) durchsetzenden Zugankern (3) aus Stahl bestehende Gewindemuffen (10) eingeschraubt sind.
6. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der äußere, den Kokillenmantel bildende Teil (2) als doppeIwandiger, von der Kühlmittelflüssigkeit durchströmter Hohlmantel ausgebildet ist, der mindestens einen ein die Bewegung des Metallstrangs beeinflussendes Wanderfeld erzeugenden elektromagnetischen Induktor (21) aufnimmt.

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