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Verfahren zum Betrieb einer Doppelbandstranggieß-
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kokille zum Druckgießen von Stahl und mit einer Doppelbandstranggießkokille
zusammenwirkende Gießdüse zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Betrieb einer Doppelbandstranggießkokille zum Druckgießen von
Stahl, in deren Kokillenraum mittels einer rohrförmigen Gießdüse aus einem Zwischenbehälter
unter Aufrechterhaltung eines Dichtspalts zwischen dieser und den in Gießrichtung
mitlaufenden Kokillenwänden Stahlschmelze eingeleitet wird. Die Erfindung bezieht
sich weiterhin auf eine mit einer Doppelbandstranggießkokille zusammenwirkende Gießdüse,
bestehend aus einem Keramikrohr, welches - verbunden mit einem Zwischenbehälter
- über sein Mundstück in den von den Kokillenwänden umgrenzten Kokillenraum hineinragt
und mit diesen über einen als Dichtfläche ausgebildeten Außenwandabschnitt allseitig
einen Dichtspalt bildet.
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Eine in den geringfügig geneigten Kokillenraum einer Doppelbandstranggießkokille
hineinragende rohrförmige Gießdüse ist in der DE-OS 32 31 321 beschrieben. Da die
Dichtung zwischen der feststehenden Gießdüse und den in Gießrichtung bewegten Kokillenwänden
zumindest dem metallostatischen Druck widerstehen muß, der durch die Lage des Flüssigkeitsspiegels
im Zwischenbehälter bedingt ist, muß dafür Sorge getragen werden, daß der Dichtspalt
zwischen Gießdüse und Kokillenwänden in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern
während
des Gießvorgangs mit ausreichender Genauigkeit aufrechterhalten wird. Dabei ist
zu berücksichtigen, daß das in den Kokillenraum hineinragende Gießdüsen-Mundstück
eine Wärmedehnung erfährt und die ihm benachbarten Kokillenwände unter Wärmeeinfluß
ihre Lage bezüglich des Mundstücks ändern.
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Falls also der Dichtspalt vor Einleiten des Gießvorgangs zu groß bemessen
wird, kann die Doppelbandstranggießkokille nicht angefahren werden, da Stahlschmelze
entgegen der Gießrichtung am Mundstück vorbei nach außen austritt. Bei einer zu
engen Bemessung des Dichtspalts besteht die Gefahr, daß Mundstück und Kokillenwände
miteinander in Berührung geraten und unter Umständen die Gießdüse von ihrer Halterung
abgerissen und in Gießrichtung mitgeführt wird.
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Um Anerstarrungen am Mundstück insbesondere auch bei Einleiten des
Gießvorgangs zu vermeiden, ist mit der DE-OS 30 29 223 bereits der Vorschlag unterbreitet
worden, das Mundstück einer Gießdüse - im Gegensatz zu dessen Restbereich - aus
einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit, unter anderem Bornitrid (BN), herzustellen.
Der genannte Werkstoff ist nur in geringemUmfang durch Stahlschmelze benetzbar;
nachteilig ist jedoch seine verhältnismäßig große Wärmedehnung, die bei der Bemessung
des Dichtspalts Berücksichtigung finden muß, sowie sein außerordentlich hoher Preis.
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Mit der Erfindung sollen ein Verfahren zum Betrieb einer Doppelbandstranggießkokille
zum Druckgießen von Stahl bei Gießbeginn und eine zur Durchführung des Verfahrens
geeignete Gießdüse angegeben werden, welche die Beseitigung der Schwierigkeiten
ermöglichen, die sich aus der Aufrechterhaltung eines engen Dichtspalts zwischen
den relativ zueinander
bewegten Bestandteilen sowie aus der Gefahr
der Bildung von Anerstarrungen am Gießdüsen-Mundstück ergeben.
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Die Ausbilaung der Gießdüse soll auch der Erkenntnis Rechnung tragen,
daß ihr Mundstück (d.h. der in den Kokillenraum hineinragende Längsabschnitt, über
den auch der Dichtspalt gebildet wird) im Normalfall ledialich für einen Gießvorgang
einsetzbar ist, also ein möglichst preiswert herzustellendes Verschleißteil darstellen
sollte.
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Die aestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt insofern eine Kombination
aus drucklosem Gießen und Druckgießen dar, als während einer Einlaufphase die Dichtung
zwischen dem Gießdüsen-Mundstück und den benachbarten Kokillenwänden nicht beansprucht,
sondern im Kokillenraum ein Schmelzbad aufrechterhalten wird, dessen Badspiegel
- bedingt durch die Neigung des Kokillenraums bezüglich der Waagerechten - unterhalb
des Gießdüsenaustritts und damit außerhalb des Bereichs des Mundstücks liegt.
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Nach Beendigung der Einlaufphase - d.h. der Zeitspanne, innerhalb
der sich das Mundstück ausreichend erwärmt und die entsprechende Wärmedehnung erfahren
hat - wird zumindest eine der beiden Einflußgrößen - Zuführmengenstrom und der Geschwindigkeit
der Kokillenwände entsprechende Gießgeschwindigkeit - derart verändert, daß sich
der Schmelzbadspiegel entgegen der Gießrichtung dem Gießdüsenaustritt nähert und
das Schmelzbad schließlich den Kokillenraum vollständig ausfüllt.
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Erst dann wird die aus dem Mundstück und den sich bewegenden Kokillenwänden
gebildete Dichtung durch den in der Stahlschmelze herrschenden Druck beansprucht.
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Der Zuführmengenstrom sollte während der Einlaufphase möglichst so
bemessen sein, daß die fortlaufend in
der Gießdüse aufgestaute Stahlschmelze
diese als Freistrahl verläßt. Der Auf stau hat eine Aufheizung des Mundstücks zur
Folge, die wesentlich wirksamer ist als die mittels einer Zusatzheizung - die ohnehin
vor Einleiten des Gießvorgangs außer Betrieb gesetzt werden muß - herbeigeführte
Temperaturerhöhung: Innerhalb einer Zeitspanne von wenigen Minuten läßt sich das
Mundstück durch Zuführung der Stahlschmelze um mehrere hundert Grad auf etwa 1300
OC aufheizen, wodurch die Bildung von Anerstarrungen ausgeschlossen ist.
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Damit sich der Kokillenraum ohne plötzliche Beanspruchung der Dichtung
zwischen dem Mundstück und den bewegten Kokillenwänden füllt, wird das Verhältnis
zwischen dem Zuführmengenstrom und dem Austrittsmengenstrom etwa zwei bis drei Minuten
nach Gießbeginn während einer kurzen Übergangs zeitspanne allmählich verändert,
und zwar dadurch, daß bei gleichbleibenden Zuführmengenstrom die den Austrittsmengenstrom
festlegende Gießgeschwindigkeit herabgesetzt wird (Anspruch 2).
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Das Verfahren ist dadurch weiter ausgestaltet, daß einer Verschiebung
des Schmelzbadspiegels während der Einlaufphase durch eine Veränderung der Gießgeschwindigkeit
entgegengewirkt wird (Anspruch 3). Falls also der Schmelzbadspiegel, bedingt beispielsweise
durch Schwankungen des Zuführmengenstroms, in Richtung auf den Gießdüsenaustritt
ansteigt, kann dieser Badspiegelbewegung durch eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit
- entsprechend einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Kokillenwände - entgegengewirkt
werden. Die jeweilige Lage des Schmelzbadspiegels läßt sich dabei in einfacher Weise
aufgrund von Temperaturmessungen, die an unterschiedlichen Abschnitten des Kokillenraums
vorgenommen werden, ermitteln. Insbesondere können dazu
Thermofühler
in Form von Thermoelementen Verwendung finden, mit denen das obere Gießband abgetastet
wird.
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Die die Durchführung des Verfahrens ermöglichende Gießdüse weist die
Merkmale des Anspruchs 4 au.
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Die Herstellung des Gießdüsen-Nundstücks einschließlich seiner mit
den Kokillenwänden zusammenwirkenden Dichtfläche aus amorpher Kieselsäure (Si02)
ist insofern von Vorteil, als dieser besonders hoch beanspruchte Gießdüsenabschnitt
eine sehr geringe Wärmedehnung aufweist und vom Werkstoff her um ein Vielfaches
billiger ist als ein Mundstück beispielsweise aus Bornitrid.
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Durch die Ausstattung des Mundstücks mit einer einen Freistrahl erzeugenden
Drosselstelle ist sichergestellt, daß das Mundstück durch den damit verbundenen
fortwährenden Aufs tau von Stahlschmelze innerhalb einer kurzen Zeitspanne auf die
erforderliche hohe Temperatur aufgeheizt wird, ohne daß die in den Kokillenraum
austretende Stahlschmelze in den Bereich zwischen dem Mundstück und den Kokillenwänden
gelangt und dort Anerstarrungen bilden kann. Durch Ausstattung des Mundstücks mit
einer Drosselstelle läßt sich ohne weiteres ein Freistrahl erzeugen, dessen Kernbereich
bis zum Auftreffen auf die in Frage kommende Kokillenwand eine Länge in der Größenordnung
von 300 mm erreicht.
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Der Querschnitt F der Drosselstelle wird aufqrund der Beziehungen
und Q/v = F festgelegt, wobei v die Durchflußgeschwindigkeit, a die Durchflußziffer,
Ho die gesamte in Frage kommende ferrostatische Höhe, Q den durchfließenden Mengenstrom
(Menge pro Zeiteinheit) und F die Querschnittsfläche der Drosselstelle bezeichnet.
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Zweckmäßigerweise ist das Mundstück im Bereich des Gießdüsenaustritts
und der Dichtfläche so ausgebildet, daß eine möglichst geringe Wärmemenge an die
Kokillenwände abgegeben wird. Zu diesem Zweck ist bei einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
das Mundstück im Bereich der Dichtfläche doppelwandig ausgebildet und trägt in
dem
dort vorhandenen Zwischenraum eine Wärmeisolierschicht (Anspruch 5), Diese kann
insbesondexe aus einer Mischung aus Aluminiumoxidasern und Aluminiumsilicat-Fasern
bestehen, die mit einem organischen Binder versetzt ist (chemische Bestandteile;
72 % Al203, 21 % SiO2, Rest: Binder). Oberhalb einer Temperatur von etwa 400°C geht
der Binder in den gasförmigen Zustand über, so daß die Wärmeisolierschicht dann
nur noch aus den Bestandteilen Al203 und SiO2 besteht.
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Das Mundstück kann insbesondere so ausgebildet sein,daB sein Körper
am Gießdüsenaustritt eine Umbördelung aufweist, aus deren außenliegendem Endabschnitt
auch die Dichtfläche gebildet ist (Anspruch 6). Das Mundstück weist also am Gießdüsenaustritt
einen Querschnitt auf, der aus zwei U-förmigen, durch die Gießdüsenbohrung voneinander
oetrennten Teilabschnitten zusammengesetzt ist.
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Die Drosselstelle ist vorteilhaft so ausgebildet und angeordnet, daß
zumindest ihr Anfangspunkt in Gießrichtung vor dem Bereich der Dichtfläche liegt
(Anspruch 7).
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Grundsätzlich sollte die Gießdüsenbohrung so ausgebildet sein, daß
das Mundstück, nach Art eines Injektors arbeitend, die aus dem Zwischenbehälter
zugeführte Stahlschmelze während der Einlaufphase in Form eines gebündelten Flüssigkeitsstrahls
ohne weitergehende Berührung mit dem Mundstück am Gießdüsenaustritt in den Kokillenraum
eintreten läßt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 als Schemabild den Aufbau einer Gießanordnung bestehend
im wesentlichen aus einem Zwischenbehälter, einer mit diesem in Verbindung stehenden
rohrförmi-
gen Gießdüse und einer Doppelbandstranggießkokille,
in deren Kokillenraum die Gießdüse über ihr aus wechselbar befestigtes Mundstück
hineinragt, Fig. 2, 3 schematisiert einen lotrechten Teilschnitt durch das Gießdüsen-Mundstück
und den Eintrittsbereich der Doppelbandstranggießkokille während der Einlaufphase
bzw. während des Gießvorgangs unter Druck, und Fig. 4, 5 einen Vertikal- bzw. Horizontalschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Mundstück mit im Bereich der Dichtfläche angeordneter
Wärmeisolierschicht.
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Die in Fig. 1 dargestellte Gießanordnung zum Druckgießen von Stahl
weist als Hauptbestandteile einen Zwischenbehälter 1, eine rohrförmige Gießdüse
2 mit einem Vorderabschnitt 2a und einem Mundstück 2b sowie eine Doppelbandstranggießkokille
3 auf, in deren Kokillenraum 4 die Gießdüse über das Mundstück 2b hineinragt.
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Die Doppelbandstranggießkokille, deren Längsachse 3' - ebenso wie
die Gießdüse 2 - bezüglich der Waagerechten unter einem flachen Winkel geneigt ist,
weist als obere und untere Kokillenwand ein endloses Gießband 5 bzw. 6 auf, welches
jeweils an einer vorderen und hinteren Umlenktrommel 7 bzw. 8 umläuft und auf der
dem Kokillenraum 4 zugewandten Seite zusätzlich über Stützwalzen 9 gehalten ist.
Die den Kokillenraum 4 seitlich begrenzenden Kokillenwände bestehen aus gegliederten
endlosen Seitendämmen, die aus Gründen der
Übersichtlichkeit nicht
dargestellt sind. Die Gießbänder 5 und 6 sowie Seitendämme laufen während des Gießvorgangs
in der Weise um, daß sich die durch den Pfeil 10 gekennzeichnete Gießrichtung ergibt.
Die Geschwindigkeit der Kokillenwände im Bereich des Kokillenraums 4 entspricht
der Gießgeschwindigkeit.
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Die aus amorpher Kieselsäure (SiO2) bestehende Gießdüse steht unter
Zwischenschaltung eines Bodenaustrittsrohrs 11 und eines Zwischenrohres 12 mit dem
Zwischenbehälter 1 in Verbindung. Dessen Austrittsquerschnitt 1' ist zur Beeinflussung
des in den Kokillenraum 4 eintretenden Zuführmengenstroms an Stahlschmelze mittels
einer höhenverstellbaren Stopfenstange 13 zu oeffnen und zu schließen.
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Die Teile 11, 12, 2a und 2b sind unter Verwendung von Dichtmörtel
lösbar aneinander befestigt.
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Die Gießdüse 2 ist bezüglich der Doppelbandstranggießkokille 3 so
gehalten, daß ihr Mundstück 2b über seinen als Dichtfläche 2' (vgl. beispielsweise
Fig. 2 und 3) ausgebildeten Außenabschnitt mit den benachbarten Kokillenwänden allseitig
einen Dichtspalt 14 in der Größenordnung von wenigen zehntel Millimetern bildet,
Die Gießdüsenbohrung 2" ist so ausgebildet, daß der eine Drosselstelle 15 bildende
kleinste Bohrungsquerschnitt im Mundstück 2b liegt und - in Gießrichtung (Pfeil
10) gesehen - vor dem Gießdüsenaustritt 2"' endet.
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Die Drosselstelle 15 wird in Abhängigkeit von der Füllhöhe H im Zwischenbehälter
1 (vgl. Fig. 1) so ausgelegt, daß die Stahlschmelze in Form eines Freistrahls 16
ohne weitergehenden Kontakt mit dem Mundstück 2b im Bereich des Gießdüsenaustritts
2"' in den Kokillenraum 4 eintritt und dort ein Schmelzbad 17
bildet,
dessen Badspiegel 17' während einer Einlaufphase in der Größenordnung von mehreren
Minuten unterhalb des Gießdüsenaustritts 2"' gehalten wird (vgl.
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Fig. 2). Da der Schmelzbadspiegel während der genannten Zeitspanne
außerhalb des Dichtspalts 14 liegt, ist die aus der Dichtfläche 2' und den Kokillenwänden
gebildete Dichtung zwischen dem Mundstück 2b und den sich in Gießrichtung bewegenden
Kokillenwänden noch nicht beansprucht.
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Die Lage des Schmelzbades 17 und des Badspiegels 17' wird während
der Einlaufphase dadurch geregelt, daß bei gleichbleibendem Zuführmengenstrom die
Gießgeschwindigkeit (entsprechend der Geschwindigkeit der Kokillenwände in Gießrichtung)
verändert wird. Zur Überwachung der Lage des Schmelzbades 17 sind auf der vom Kokillenraum
4 abgewandten Seite des oberen Gießbandes 5 drei Thermoelemente 18, 19 und 20 vorgesehen,
die in Längsrichtung des Kokillenraums mit Abstand hintereinanderliegen. Die Sollage
des Schmelzbades 17 wird dabei durch das in der Mitte liegende Thermoelement 19
angezeigt, sofern dieses im Bereich des Schmelzbadspiegels 17' liegt. Eine unerwünschte
Verschiebung des Schmelzbadspiegels aus der Sollage wird durch das jeweils benachbarte
Thermoelement 18 bzw. 20 erkennbar gemacht, das in Gießrichtung gesehen vor bzw.
hinter dem Thermoelement 19 angeordnet ist. Falls also der Schmelzbadspiegel 17
in den Bereich des vorderen Thermoelements 18 gelangt, kann aufgrund der damit verbundenen
Anzeige die Gießgeschwindigkeit soweit erhöht werden, daß der Badspiegel 17' innerhalb
des Kokillenraums 4 wieder absinkt und in den Bereich der Sollage gelangt.
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Die Ausstattung des Mundstücks 2b mit der Drosselstelle 15 hat zur
Folge, daß die aus dem Zwischenbehälter 1 einströmende Stahlschmelze sich fortlaufend
vor dem erwähnten kleinsten Bohrungsdurchmesser aufstaut, das
Mundstück
demzufolge in verhältnismäßig kurzer Zeit auf eine Temperatur von etwa 13000 C aufheizt
und damit die Bildung von Anerstarrungen am Mundstück und insbesondere am Gießdüsenaustritt
2"' ausschließt.
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Die während der Einlaufphase bestehenden Gießverhältnisse führen -
bedingt insbesondere auch dadurch, daß die Stahlschmelze ohne Druck vergossen wird
- zwar zu einer unbefriedigenden Qualität des Gießerzeugnisses; sie ermöglichen
es jedoch, die Schwierigkeiten beim Anfahren der Doppelbandstranggießkokille erheblich
herabzusetzen, wobei auf eine wenig aufwendige Gießdüse bzw. auf ein wenig aufwendiges
Gießdüsen-Mundstück zurückgegriffen werden kann.
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Während der Einlaufphase erfährt das Mundstück 2b in Folge der guten
Aufheizung auch eine geringe Wärmedehnung, so daß sich in kurzer Zeit die Verhältnisse
am Dichtspalt 14 einstellen, die während des sich anschließenden Gießvorgangs unter
Druck eingehalten werden müssen.
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Nach Beendigung der Einlaufphase und der damit verbundenen Aufheizung
insbesondere des Gießdüsen-Mundstücks 2b wird die Gießgeschwindigkeit der Doppelbandstranggießkokille
3 bei gleichbleibendem Zuführmengenstrom während einer kurzen Übergangs zeitspanne
feinfühlig und allmählich in einem bestimmten Umfang herabgesetzt. Dies hat zur
Folge, daß der Badspiegel 17' des Schmelzbades 17 (vgl. Fig. 2) entgegen der Gießrichtung
ansteigt, bis schließlich der Kokillenraum 4 bis zum Gießdüsenaustritt 2"' vollständig
mit Stahlschmelze ausgefüllt ist (Fig. 3). Erst dann liegt an dem Dichtspalt 14
zwischen dem Mundstück 2b und den sich bewegenden Kokillenwänden der metallostatische
Druck an, der sich aus der Füllhöhe H im Zwischenbehälter 1 (vgl. Fig. 1) und aus
der Höhenlage des
Zwischenbehälters bezüglich des Mundstücks ergibt.
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Die vollständige Füllung des Kokillenraums 4 mit unter Druck stehender
Stahlschmelze führt zu einem Gießerzeugnis hoher Qualität, welches - im Gegensatz
zu dem während der Einlaufphase hergestellten Gießerzeugnis - ein dichtes Gefüge,
eine gute Oberfläche und keine Seigerungen aufweist.
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Beim Anstieg des Gießbadspiegels 17' in Richtung auf das Mundstück
2b wird gleichzeitig die im Kokillenraum 4 befindliche Luft durch den Dichtspalt
14 nach außen verdrängt, so daß das Druckgießen ohne die unerwünschte Aufnahme von
Sauerstoff in die Stahlschmelze vor sich geht.
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Bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Mundstück 2b erweitert sich
die Gießdüsenbohrung 2" im Anschluß an die Drosselstelle 15 in der Weise, daß die
zugehörige Bohrungswand 2"" bezüglich der mit der Längsachse 3' zusammenfallenden
Bohrungsachse unter einem Winkel von mindestens 300 geneigt ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Gießdüse weist dessen Mundstück 2b im Bereich der Dichtfläche 2' eine Wärmeisolierschicht
21 auf (vgl. Fig. 4, 5). Der Körper des Mundstücks ist dabei am Gießdüsenaustritt
2"' mit einer Umbördelung versehen, die im Bereich des Gießdüsenaustritts 2"' aus
einem Steg 2c und einem außenliegenden Endabschnitt 2d besteht; aus letzterem ist
auch die Dichtfläche 2' gebildet.
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Der Körper des Mundstücks 2b weist also im Bereich des Gießdüsenaustritts
2"' einen Querschnitt auf, der sich aus zwei durch die Gießdüsenbohrung 2" voneinander
getrennten U-förmigen Abschnitten zusammensetzt.
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Der mit der Verwendung der Wärmeisolierschicht 21 er-
zielte
Vorteil besteht darin, daß die Dichtfläche 2' lediglich über den Steg 2c mit der
Gießdüsenbohrung 2" in Verbindung steht und demzufolge in diesem Bereich nur eine
geringe Wärmemenge an die gekühlten Kokillenwände abgegeben werden kann.
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Bei der in Rede stehenden Ausführungsform der Gießdüse weist das Mundstück
2b eine Gießdüsenbohrung 2" auf, deren Höhe h - abgesehen von einem kurzen Verengungsabschnitt
V auf der linken Seite - über die Länge des Mundstücks konstant ist. Die Länge der
sich an den Verengungsabschnitt anschließenden Drosselstelle 1 5 ist mit D bezeichnet.
Diese Länge beträgt etwa das 1,5-fache des strömungstechnisch gleichwertigen Durchmessers
der Querschnittsfläche der Drosselstelle 15 (Fig. 5).
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Die Gießdüsenbohrung 2" ist also im Horizontalschnitt so ausgebildet,
daß sich an einen kurzen Verengungsabschnitt mit der Länge V auf der linken Seite
und die Drosselstelle 15 mit der Länge D ein Erweiterungsabschnitt mit der Länge
E mit zunehmender Breite b anschließt. Der zugehörige öffnungswinkel bezüglich der
Längsachse 3' beträgt 70 Die Länge der Dichtfläche 2', die durch Schleifen des jeweiligen
Endabschnitts 2d hergestellt wird, liegt in der Größenordnung von etwa 5 bis 6 cm.