DE2815293A1 - Verfahren zum zufuehren der metallschmelze in eine raupengiessform - Google Patents

Description

PROLIZENZ AG, Chur

Verfahren zum Zuführen der Metallschmelze in eine Raupengiessform

Zum Stranggiessen von Eisen und Nichteisenmetallen sind Maschinen mit Raupenkokille entwickelt worden, bei denen die Giessform durch eine Doppelreihe von Kokillenhälften gebildet ist, die zu zwei endlosen umlaufenden Ketten vereinigt sind. Am Eingiessende legen sich die einander gegenüberliegenden Kokillenhälften gegeneinander und bewegen sich in dieser Lage über eine gewisse Strecke, auf der sie parallel zueinander laufen und die eigentliche Raupenkokille bilden. Dann trennen sie sich, um sich nach kurzer Zeit am Eingiessende wieder zu treffen.

Von den Maschinen zum Giessen von Platten aus Aluminium und Aluminiumlegierungen hat sich vor bald 20 Jahren die Maschine der Hunter-Douglas Corporation durchgesetzt. Mit der Hunter-Douglas-Maschine wird horizontal gegossen. Das Metall wird durch eine Flachdüse aus feuerfestem Werkstoff zugeführt.

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Dieser feuerfeste Werkstoff wird z.B. aus einer Mischung von 30 % langen Asbestfasern, 20 % Natriumsilikat (Trockengewicht) und 28 % Kalk (zur Bildung von Kalziumsilikat, das wärmebeständiger ist als Natriumsilikat) zusammengesetzt;

das Natriumsilikat wird den anderen Bestandteilen als Wasserglas zugegeben, worauf die teigartige Masse geformt und unter leichtem Druck gebrannt wird. Ein Herstellungsverfahren für diesen feuerfesten Werkstoff ist in der US-PS 2 326 516 beschrieben.

In neuerer Zeit ist eine weitere Raupengiessmaschine für das Giessen von breiten Metallbändern bekannt geworden, die horizontal oder in einer zur Horizontalen leicht geneigten Lage verwendet wird. Eine für diese letztere Raupengiessmaschine entwickelte Zuführungsdüse ist in der CH-PS 508

15 beschrieben.

Für das Zuführen der Metallschmelze zum Giessformhohlraum beim Giessen von verhältnismässig dünnen Platten (Bändern) in horizontalen oder in zur Horizontalen leicht geneigten Raupenkokillen müssen die bekannten Zuführungsdüsen, die den Querschnitt des Giessformhohlraumes für die Metallschmelze praktisch dicht abschliessen, unter einem bestimmten metallostatischen Druck vom Zuführungsbehälter her stehen. Das ist der FAIl z.B. bei der Zuführungsdüse nach der US-PS 2 752 649 und derjenigen nach der CH-PS 508 433 bzw. der US-PS

25 3 774 670.

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Bei der bisherigen Arbeitsweise des Giessens von Bändern mittels Flachdüse in zur Horizontalen leicht geneigter Raupenkokille wirkt diese als ofenabhängige Kokille, wobei als Ofen auch jeder Schmelzbehälter, z.B. der Zuführungsbehälter, zu verstehen ist (auf Englisch open-ended mould dependent on the furnace or on another molten metal receptacle); die Raupenkokille wird während des Giessens bis zur Düsenmündung stets vollgehalten, sodass sich in ihr während des Betriebes kein Giesskopf mit Metallspiegel bildet.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Zuführen der Metallschmelze· beim Giessen von breiten Bändern aus nichtferromagnetischen Metallen, vorzugsweise aus Aluminium und Aluminiumlegierungen, aber auch aus Kupfer und Kupferlegierungen, Zink und Zinklegierungen, Magnesium und Magnesiumlegierungen, in

einer um 3 bis 30° zur Horizontalen geneigten Raupengiessform durch eine Zuführungsdüse aus feuerfestem Werkstoff zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Metallschmelze unter Vermeidung einer vorzeitigen Berührung mit der Formwand der umlaufenden Kokillenhälften einem Giesskopf im Giessformhohlraum unter dem Metallspiegel so zugeführt wird, dass sie durch diesen Giesskopf hindurch die Wandungen des Giessformhohlraumes praktisch drucklos erreicht.

Im Gegensatz zur bisherigen Arbeitsweise entsteht also beim erfindungsgemässen Verfahren am Eingiessende der Zuführungs-

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düse ein Giesskopf mit Metallspiegel wie beim vertikalen Giessen in kurzer Gleitkokille (auf Englisch D.C. Casting). Die zur Horizontalen geneigte Raupenkokille wird daher gemäss der Erfindung als ofenunabhängige Kokille benützt; der Giess-

kopf mit Metallspiegel bildet sich in der Kokille, die bei Giessbeginn durch einen Anfahrboden bzw. Anfahrstrang geschlossen ist, der nach Bildung des Giesskopfes entsprechend der Giessgeschwindigkeit aus der Kokille herausgezogen wird. Bei den bekannten ofenabhängigen Raupenkokillen, die horizontal sind oder mit der Horizontalen einen spitzen Winkel von z.B. 1 bis 30 bilden, hat es einen Metallspiegel nur im Zuführungsbehälter, nicht aber in der Kokille selbst.

Ausgedehnte Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass sich der metallostatische Druck in einer zur Horizontalen leicht geneigten Raupengiessmaschine beim Giessen, z.B. von Reinaluminium, bei der bisherigen Arbeitsweise mit Bildung eines Metallspiegels nur im Zuführungsbehälter durch die Schroffheit der Abkühlung schädlich auswirkt, obwohl die Temperaturverhältnisse es nicht vermuten Hessen. Die Versuche haben also ergeben, dass die Anfangserstarrung nicht zu schroff sein darf. Ohne metallostatischen Druck bei der Schmelzezuführung nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist das Anliegen der erstarrenden Schmelze an die Kokillenoberfläche nicht so stark wie bei der Zuführung unter metallostatischem Druck und infolgedessen die Abkühlung nicht so schroff zu Beginn der Erstarrung. Eine

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schroff erstarrte Metallkruste weist Spannungen auf, wodurch Verwölbungen und infolgedessen örtliches Abheben von der Kokillenoberfläche entstehen. An den abgehobenen Stellen entstehen Lunker oder starke Porosität im gegossenen Band.

Die Schroffheit der stattgefundenen Erstarrung lässt sich .an der Feinheit der Gusszellen (fineness of the cellular structure) auf metallographischein Wege feststellen.

In Raupengiessmaschinen mit Stahlkokillenhälften, deren Giessformwand beim Eingiessen einer 680 bis 700 C heissen Schmelze von Aluminium mit 99,2 % Reinheit eine Temperatur von zum Beispiel 105 bis 115 C aufweist, entsteht beim Giessen mit geschlossener Zuführungsdüse, wie sie beispielsweise in der CH-PS 508 433 beschrieben ist, bis etwa O,3 mm unter der Gusshaut ein Gussgefüge mit einer Zellengrösse von 5 bis 30 pn; bei Verwendung einer geschlossenen Düse wirkt sich der metallostatische Druck der Schmelze vom Zuführungsbehälter aus, was eine schroffe Abkühlung im Giessformhohlraum und die oben erwähnten Nachteile zur Folge hat. Lässt man jedoch die Aluminiumschmelze ohne metallostatischen Druck vom Zuführungsbehälter her in den Giessformhohlraum einfliessen, entsteht infolge der milderen Erstarrung bis etwa 0,3 mm unter der Gusshaut ein Gussgefüge mit einer Zellengrösse von 30 bis 70 um und die oben erwähnten Nachteile bleiben aus.

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Bisher war es nicht bekannt und zunächst nicht zu erwarten, dass der metallostatische Druck in einer um beispielsweise um 1 bis 15 zur Horizontalen geneigten Raupengiessmaschine einen so ausgeprägten Einfluss auf die Schroffheit der Anfangserstarrung hat.

Aehnliche Verhältnisse bestehen bei Aluminium anderer Reinheit und bei Aluminiumlegierungen, sowie bei anderen nichtferromagnetischen Metallen wie Magnesium, Zink, Kupfer und dereb Legierungen.

Es wurde versucht, die Schroffheit der Abkühlung bei Raupengiessmaschinen durch Auftragen einer Schlichte auf die Formwand der Kokillenhälften, z.B. durch Verwendung von Kokillenhälften aus Werkstoffen geringerer Wärmeleitfähigkeit als Stahl (z.B. aus Chromnickelstahl und aus Grauguss) , oder durch höhere Temperatur der Kokillenhälften herabzusetzen; die Versuche führten wohl zu milderer Erstarrung, aber anderseits zu Oberflächenfehlern. Die Oberflächenfehler bestanden in der Hauptsache aus Ausschwitzungen.

Der Einfachheit halber soll diese Zuführung ohne metallostatischen Druck als "praktisch drucklose Zuführung" bezeichnet werden. Bei' den Versuchen stellte sich nicht nur heraus, dass die Erstarrungsspannungen im Metallbande, die vor allem zu Rissen führen können, sehr stark herabgesetzt

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wurden, sondern darüberhinaus überraschenderweise, dass die Bandoberfläche nicht mehr oder nur in stark vermindertem Masse die üblichen Oberflächenausschwitzungen aufwies. Solche Oberflächenausschwitzungen verursachen Streifigkeit auf den aus den gegossenen Bändern gewalzten Blechen.

Auf Grund der Ergebnisse der obenerwähnten Versuche stellten sich die Erfinder die Aufgabe, die Metallschmelze dem Giessformhohlraum einer geneigten Raupenkokille nicht nur praktisch drucklos zuzuführen, sondern auch unter Vermeidung einer vorzeitigen Berührung der Formwand der umlaufenden Kokillenhälften durch die Metallschmelze. Eine vorzeitige Berührung der Formwand der Kokillenhälften würde stattfinden, wenn die Schmelze wie ein Bach in den sich im Formhohlraum gebildeten Giesskopf ergiessen würde.

Es zeigte sich zunächst, dass der Neigungswinkel der Raupenkokille nicht zu klein sein darf, da sonst der Spiegel des sich bildenden Giesskopfes zu lang ist und die Erstarrungswärme zum überwiegenden Teil durch die untere Kokillenhälfte abgeführt wird; die Sumpfspitze, d.h. die Spitze des flüssigen Metallsumpfes im Giesskopf, verlagert sich dabei aus der Bandmitte im Längsquerschnitt nach oben, sodass eine in der Banddicke assymmetrische Erstarrung entsteht und sich Blasen in der Nähe der oberen Bandfläche ansammeln. Eine stark assymmetrische Erstarrung kann ausserdem bei der weiteren Ver-

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arbeitung zu Schwierigkeiten führen. Deshalb sollte bei der praktisch drucklosen Metallzuführung der Neigungswinkel der Raupenkokille 3 nicht unterschreiten. Vorzugsweise wird bei bedeutend grösserer Neigung gegossen, z.B. von 10 bis 15 . Gute Ergebnisse bietet das Verfahren noch bei einer Neigung von 30 .

Es stellte sich bei den Versuchen weiterhin heraus, dass beim einfachen Zufliessen der Metallschmelze in den Giessformhohlraum, in der Weise eines Baches in einen See, sich an der Oberfläche des Giesskopfes infolge von Wirbelerscheinungen eine stärkere Aluminiumoxidschicht bildet als bei ruhigem Metallspiegel; diese stärkere Oxidschicht dringt auch in den Giesskopf ein. Sie wird von der Formwand der Kokillenhälften mitgenommen und beeinträchtigt sowohl die Oberfläche als auch das Innere des Gussbandes. Es gelang, die Bildung dieser stärkeren Oxidschicht dadurch in wirksamer Weise zu unterbinden, dass die Schmelze dem Giesskopf unter dem Metallspiegel zugeführt wird.

Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens muss dafür gesorgt werden, dass der Metallspiegel während des Giessens auf möglichst gleicher Höhe bleibt, was durch konstante Giessgeschwindigkeit erreicht werden kann.

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Eine annähernd gleichbleibende Giessgeschwindigkeit kommt dadurch zustande, dass die Schmelze durch einen vorgegebenen Durchflussquerschnitt dem Giessformhohlraum zugeführt wird und dort einen Giesskopf bildet. Die Giessgeschwindigkeit wird auf Grund des Abtastens der Höhe des Giesskopfes geregelt.

Die Zuführung der Metallschmelze unter dem Metallspiegel des Giesskopfes in einer zur Horizontalen geneigten Raupenkokille lässt sich auf zweierlei Art und Weise bewerkstelligen: entweder direkt unter dem Metallspiegel oder durch den Metallspiegel hindurch mittels der Zuführungsdüse (underpouring), in beiden Fällen zweckmässigerweise über die Breite des Bandes.

Die beiden Zuführungsarten sind in der Zeichnung durch Beispiele von Zuführungsvorrichtungen veranschaulicht. Die Zeichnung veranschaulicht auch das Beispiel einer Vorrichtung zum Abtasten der Metallspiegelhöhe. Alle Figuren sind rein schematisch und nicht massstabgerecht.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Vorrichtung zum Zuführen einer Aluminiumschmelze direkt unter dem Metallspiegel, Fig. 2 im Längsschnitt eine Vorrichtung zum Zuführen der Metallschmelze durch den Metallspiegel hindurch,

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Fig. 3 im Längsschnitt eine Vorrichtung zum Zuführen der Metallschmelze durch den Metallspiegel hindurch, mit Abtasteinrichtung für den Metallspiegel, Fig. 4 in schaubildlicher Darstellung eine Einrichtung für die Metallspiegelanzeige, mit Anzeigegerät, entsprechend der Düsenspitze von Fig. 2, und

Fig. 5 in schaubildlicher Darstellung eine Einrichtung für die Metallspiegelanzeige, Anzeigegerät nicht dargestellt, entsprechend der Düsenspitze von Fig. 1.

in Fig. 1 ist mit 10 das untere Ende einer Flachdüse (einer flächen Zuführungsdüse) aus feuerfestem Asbestfasern-Silikat-Werkstoff bezeichnet, die an den nicht dargestellten Schmelzezuführungsbehälter angeschlossen ist und mehrere Zuführungskanäle 11 (z.B. Bohrungen) aufweist, die praktisch auf die ganze Breite der Flachdüse 10 verteilt sind, die selbst praktisch der Breite des zu giessenden Bandes entspricht. Die Halterung der Düse kann z.B. derjenigen entsprechen, die in der CH-PS 508 433 oder in der US-PS 3 774 670 beschrieben ist. Bei grossen Breiten ist es zweckmassig, die Düse aus Einzelelementen zu bilden, die zu einer Einheit zusammengefasst sind, die dann praktisch der Breite des Bandes entspricht.

Für das Giessen von Bändern von beispielsweise 1500 mm Brei-

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te werden vorteilhafterweise drei Düsen von je 500 mm Breite nebeneinander in einer Halterung befestigt. Anstelle von drei 500 mm breiten Düsen lassen sich für das Giessen von 1500 mm breiten Bändern auch sechs 250 mm breite Düsen ver-

wenden, beim Giessen von 1000 mm breiten Bändern kommen z.B fünf Düsen von je 200 mm Breite, vier Düsen von je 250 mm' Breite oder zwei Düsen von je 500 mm Breite in Frage.

Mit 12 sind Abstandhalter in Form von Gleiteinlagen aus Graphit bezeichnet; diese Abstandhalter verhindern ein Berühren der Düse 10 mit den Kokillenhälften 13, die der Einfachheit halber nur angedeutet sind. Im Betrieb gelangt die Aluminiumschmelze durch die Zuführungskanäle 11 zunächst in eine Querbohrung 14, die als Ausgleichsraum dient und sich fast über die ganze Breite der Düse 10 erstreckt. Sie erreicht dann von dort einen breiten Schlitz 15 (der durch parallel zueinander gereihte, in Giessrichtung angeordnete Bohrungen ersetzt sein kann) bei 16 den Giesskopf 17 unter dem Metallspiegel 18. Damit die Schmelze in der Nähe des Metallspiegels eintritt, das heisst in den oberen Teil des Giesskopfes., ist die Düse 10 mit einer Erhöhung 19 versehen. Dank dieser Erhöhung verteilt sich die Metallschmelze besser im Giesskopf und stört nicht die Bildung der unteren Erstarrungskruste 20.-Im Betrieb soll der Metallspiegel 18 stets höher liegen als die Lippe 21 der Erhöhung 19. Die Aluminiumoxidschicht, die sich auf dem Metallspiegel 18

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bildet, ist durch die zufliessende Metallschmelze nicht gestört; sie wird durch die Formwand der oberen Kokillenhälften 13 mitgenommen und beeinträchtigt praktisch kaum die obere Bandoberfläche. Die untere Bandoberfläche nimmt keine Oxidschicht mit; doch bildet sich dort eine solche aus der Metallschmelze heraus unter der Einwirkung des Luftsauer- . stoffes, der von der Oberfläche der Erhöhung 19 und der Formwand der unteren Kokillenhälften nicht ganz ferngehalten werden kann, zum Teil wegen der die Formwand gegebenenfalls bedeckenden Schmiermittelschicht.

Wenn die Zuführungskanäle 11 Bohrungen sind, haben sie beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm bei einer Düse zum Giessen von 25 ram dicken Bändern; der Durchmesser der Querbohrung 14 beträgt dabei z.B. 14 mm und die Höhe des Schlitzes 15 4 mm.

Mittels der Vorrichtung nach Fig. 1 gegossene, etwa 25 mm dicke und 1000 mm breite Bänder aus Aluminium zeigten eine ausgezeichnete Oberflächengüte, wenn auch diejenige der unteren Bandoberfläche infolge von sehr schwachen Ausschwitzungen nicht ganz so hervorragend war wie diejenige der oberen Bandoberfläche.

Während die Düse nach Fig. 1 es ermöglicht, die Metallschmelze dem Giesskopf direkt unter dem Metallspiegel einfliessen

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zu lassen, lässt sich die Metallschmelze mittels der Düse nach Fig. 2 durch den Metallspiegel hindurch dem Giesskopf zuführen.

In Fig. 2 ist mit 22 das untere Ende einer Flachdüse aus feuerfestem Asbestfasern-Silikat-Werkstoff bezeichnet, die an den nicht dargestellten Schmelzezuführungsbehälter angeschlossen ist und mehrere Zuführungskanäle 23 (z.B. Bohrungen) aufweist, die praktisch auf die ganze Breite der Flachdüse 22 verteilt sind. Auch hier ist es bei grossen Breiten zweckmässig, die Düse aus Einzelelementen, d.h. aus Einzeldüsen geringerer Breite, zu bilden, die parallel aneinandergereiht zu einer Einheit zusammengefasst sind. Mit 24 sind Abstandhalter in Form von Gleiteinlagen aus Graphit bezeichnet. Im Betrieb gelangt die Metallschmelze durch die Zuführungskanäle 23 zunächst in eine über fast die ganze Breite der Düse 22 angeordnete Querbohrung 24, die als Ausgleichsraum dient, und erreicht den Giesskopf 25 unter dem Metallspiegel 26 durch einen breiten Schlitz 27 im Düsenmundstück 28. Es bildet sich ein Meniskus 29 um den ganzen Metallspiegel 26 herum und ein weiterer Meniskus 30 um das Düsenmundstück 28 herum. Der Schlitz 27 kann durch eine Reihe parallel anexnandergereihter Bohrungen ersetzt sein, wie der Schlitz 15 der Vorrichtung nach Fig. 1.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass das Vorhanden-

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sein des Meniskus 29 auf der Formfläche der unteren, nur angedeuteten Kokillenhälften 31 sich sehr.günstig auf die Güte der unteren Oberfläche des gegossenen Aluminiumbandes auswirkt. ,Es soll hier nicht versucht werden, diese Erscheinung wissenschaftlich zu erklären, doch scheint tatsächlich ein ursächlicher Zusammenhang zwischen dem Meniskus auf der Formwand der unteren Kokillenhälften 31 und der Oberflächengüte der unteren Bandfläche zu bestehen. Möglicherweise stört bei der Vorrichtung nach Fig. 1 der üebergang der äusseren Lippe der Erhöhung 19 zur Formwand der unteren Kokillenhälften.

In den Figuren 3,4 und 5 ist angedeutet, wie am vorderen Ende der seitlichen Ränder 33 einer Düse 10, 22 aus feuerfestem Asbestfasern-Silikat-Werkstoff vier Graphitfühler 34 eingebaut sind, die zum Teil in den Düsenrändern 33 eingelassene elektrische Leitungsdrähte 35 mit einem Anzeigegerät 36 verbunden sind, das Lämpchen 37 aufweist und auf einem Steuerpult 38 aufgestellt und an eine Stromquelle von z.B. 8 Volt angeschlossen ist. Durch diese Graphitfühler 34 wird der elektrische Stromkreis angeschlossen, sobald ihr freies Ende mit dem flüssigen Giesskopf 39 bzw. dessen Metallspiegel 40 in Berührung tritt. Durch das Schliessen des Stromkreises kommen jeweils die Lämpchen 37 des Anzeigegerätes 36 zum Aufleuchten, wodurch die Höhe des Giesskopfes 39 mit einer Genauigkeit angezeigt wird, die vom Abstand der Graphitfühler voneinander und infolgedessen von deren Zahl ab-

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hängig ist. In den Fig. 3-5 sind an jedem Düsenlängsrand 33 vier Graphitfühler 34 angeordnet. In Fig. 3 erreicht der Giesskopf 39 die beiden dritten Graphitfühler von unten, sodass am Anzeigegerät je die drei unteren Lämpchen 37 aufleuchten.

Während des Giessens wird die Lage des Metallspiegels 40 zum Beispiel zwischen den beiden obersten Graphitfühlern und den gerade darunter liegenden gehalten, wie in Fig. 3 gezeigt. Leuchten die beiden obersten Lämpchen 37 auf, muss der Metallspiegel gesenkt werden, was am besten durch eine Erhöhung der Giessgeschwindigkeit bewerkstelligt werden kann (durch Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit der Kokillenhälften). Sinkt der Metallspiegel zu stark, erlöschen die zweitobersten Lämpchen am Anzeigegerät, v/eil der Stromkreis an den beiden zweitobersten Graphitfühlern unterbrochen ist; zur Wiederherstellung des Sollzustandes muss die Giessgeschwindigkeit verringert werden.

Zum Abtasten der Giesskopfhöhe können z.B. auch Minimantelthermoelemente benützt werden.

Selbstverständlich lässt sich das Anzeigegerät auch für die automatische Steuerung der Giessgeschwindigkeit verwenden.

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Claims (3)

1. Verfahren zum Zuführen der Metallschmelze beim Giessen von breiten Bändern aus nichtferromagnetischen Metallen, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, in einer um 3° bis 30° zur Horizontalen leicht geneigten Raupengiessform durch eine Zuführungsdüse aus feuerfestem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze unter Vermeidung einer vorzeitigen Berührung mit der Formward der umlaufenden Kokillenhälften einem Giesskopf im Giessformhohlraum unter dem Metallspiegel so zugeführt wird, dass sie durch diesen Giesskopf hindurch die Wandungen des Giessformhohlraumes praktisch drucklos erreicht.

2. Verfahren nach ' Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze dem Giesskopf über die Breite des im Entstehen begriffenen Bandes direkt unter dem Metallspiegel zugeführt wird.

3. Verfahren nach . Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze über die Breite des im Entstehen begriffenen Bandes dem Giesskopf mittels der Zuführungsdüse durch den Metallspiegel hindurch zugeführt wird.

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