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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft einen Kristallisator zum kontinuierlichen Gießen, wie
er im Hauptanspruch dargelegt ist.
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Der
Kristallisator nach der Erfindung lässt sich auf hochschnelles,
kontinuierliches Gießen
von Gusssträngen
und -blöcken
jeder Art und jeden Querschnitts anwenden und wird dazu verwendet, Produkte
mit einer hohen inneren und Oberflächengüte zu erzielen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Im
Stande der Technik des kontinuierlichen Gießens werden rohrförmige Kristallisatoren
als Alternative zu Plattenkristallisatoren verwendet und bestehen
aus einem im Wesentlichen monolithischen Hohlkörper, dessen Querschnitt den
Querschnitt des Gussprodukts festlegt.
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Um
den geschmolzenen Metallguss im Kristallisator abzukühlen und
damit die fortschreitende Verfestigung des Metalls einzuleiten,
sieht der Stand der Technik außerhalb
der Wände
des Kristallisators eine Hülle
vor, die eine Durchgangskammer bildet, in der eine Kühlflüssigkeit
zum Durchlaufen gebracht wird.
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Diese
Ausführungsform,
die weit verbreitet und in Gebrauch ist, weist einige Nachteile
auf.
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Um
eine geeignete Konstruktionssteifigkeit des Kristallisators zu gewährleisten,
auch weil gegenwärtig
verwendete Kristallisatoren längenmäßig begrenzt
sind, müssen
die Wände
des Kristallisators, um Verformungen aufgrund von thermischen und mechanischen
Belastungen während
des Gussvorgangs zu verhindern, eine bestimmte Mindestdicke aufweisen.
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Gegenwärtig haben
für gewöhnlich verwendete
Kristallisatoren eine Länge
von weniger als 1000 mm und Wände
mit einer Mindestdicke von ca. 13 mm, und auf jeden Fall ca. 10%
der Breite des Gussstrangs oder -blocks.
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Wenn
die Gussgeschwindigkeit zunimmt, nimmt in der Folge auch der Wärmestrom
zu, der zwischen der Kühlflüssigkeit
und dem geschmolzenen Metall ausgetauscht wird, und damit auch der
Wärmestrom,
der durch die Wände
des Kristallisators übertragen
wird.
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Darüber hinaus
besteht aufgrund der großen Dicke
der Wände
ein beträchtlicher
Unterschied zwischen der Temperatur der Außenfläche und der Temperatur der
Innenfläche
des Kristallisators.
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Die
Wärmebedingungen,
die in den Wänden des
Kristallisators entstehen, senken die mechanischen Eigenschaften,
insbesondere die Konstruktionssteifigkeit des Materials, aus dem
der Kristallisator besteht (Kupfer oder Kupferlegierungen) beträchtlich,
und dies verursacht Verformungen und Verwerfungen, die erhebliche
technologische Probleme und Qualitätsprobleme beim Gussprodukt
aufwerfen.
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Als
Erstes verursachen die Verformungen und Verwerfungen eine Veränderung
an der inneren Verjüngung
des Kristallisators, welche sich fortschreitend von der durch die
Konstruktionspläne
festgelegte Verjüngung
stark unterscheidet, mit der Folge, dass sich der Innenhohlraum
des Kristallisators der Schrumpfung der festwerdenden Haut nicht
mehr richtig anpasst.
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Dies
wirft erhebliche Probleme bei der Qualität des Gussprodukts auf und
macht eine Senkung der Gussgeschwindigkeit notwendig. Darüber hinaus kann
die Verformung und Verwerfung auch eine Veränderung des Querschnitts des
Kristallisators hervorrufen, wodurch sowohl Oberflächen- als
auch inwendige Defekte im Gussprodukt bestimmt werden.
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Darüber hinaus
verkürzen
die Verformungen und Verwerfungen die Nutzdauer des Kristallisators.
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Ein
weiterer Nachteil, welcher besonders ernsthaft ist, besteht darin,
dass permanente Verformungen und Verwerfungen im Bereich des Meniskus entstehen.
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In
diesem Bereich entstehen nämlich
unkontrollierte Wechselwirkungen zwischen des Wänden des Kristallisators und
der Haut, die sich bildet; dies ruft die Bildung tiefer Hubmarken
auf der Oberfläche des
Gussprodukt hervor, einen ungesteuerten Wärmeaustausch, Defekte in der
Planheit der Haut, Innenrisse in den Bereichen nahe der Ecken, die
die Gefahr hervorrufen können,
dass die Haut am Auslass des Kristallisators reißt und flüssiges Metall ausläuft.
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Ein
weiterer schwerer Nachteil monolithischer Kristallisatoren ergibt
sich aus dem Verhalten des Gussprodukts im Zusammenhang mit den Ecken.
Da sich in diesem Bereich die Abkühlung auf beide Seiten auswirkt,
neigt die Haut dazu, anders zu schrumpfen, mit dem Ergebnis, dass
es unmöglich ist,
die gewünschte
Dicke auszubilden, und es können
Phänomene
wie ein Reißen
der Haut am Auslass des Kristallisators auftreten.
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Auf
jeden Fall ist die entstandene Haut nicht gleichmäßig, und
es bestehen sowohl Oberflächen- als
auch inwendige Defekte im Produkt.
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Die
Veröffentlichung
GB-A-954 719 beschreibt einen rohrförmigen Kristallisator, in dessen Wänden vertikale
Durchgangslöcher
zur Umwälzung einer
Kühlflüssigkeit
ausgebildet sind.
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Um
das Problem der sehr hohen Wärmebelastungen
zu lösen,
denen die Wände
des Kristallisators während
des Gießens
geschmolzenen Stahls unterliegen, schlägt die Veröffentlichung GB-A-954 719 vor,
Kanäle
zur Umwälzung
der Kühlflüssigkeit einzufügen, die
auf Ebenen quer zur Gussachse angeordnet sind; insbesondere schlägt sie Kombinationen
von Längskanälen und
Querkanälen
vor, die sich mit den Längskanälen nicht
schneiden, um die durch Wärmebelastung
hervorgerufene Verformung und Ausbauchung der Wände des Kristallisators so
weit wie möglich
aufzufangen. Die Veröffentlichung
lehrt jedoch keine Lösung,
noch führt
sie zu einer Vermutung darüber,
wo wenigstens die Längslöcher im
Hinblick auf die Innenfläche
des Kristallisators mit dem Zweck, die Wärmebelastungen auf ein Minimum
zu reduzieren und Verformungen des Kristallisators zu verhindern,
angeordnet werden sollen.
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Der
vorliegende Anmelder hat diese Erfindung erdacht und in die Tat
umgesetzt, um diese Nachteile zu überwinden und weitere Vorteile
zu erzielen, wie nachstehend noch gezeigt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist im unabhängigen
Anspruch offenbart und gekennzeichnet, während die abhängigen Ansprüche weitere
innovative Merkmale der Erfindung beschreiben.
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Zweck
der Erfindung ist es, einen Kristallistor zum kontinuierlichen Gießen zu erzielen,
der geeignet ist, eine hohe Konstruktionssteifigkeit zu gewährleisten
sowie die Gefahren permanenter Verformungen und Verwerfungen selbst
dann aus der Welt zu schaffen, wenn extrem hohe Wärmebelastungen
aufgrund des starken Wärmeaustauschs
zwischen der Kühlflüssigkeit
und dem geschmolzenen Metall bestehen.
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Diese
Konstruktionssteifigkeit wird ohne die Kühlkapazität zu senken erzielt, die für ein richtiges Verfestigen
des Gussmetalls auch bei hohen Gießgeschwindigkeiten erforderlich
ist.
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Der
Kristallisator nach der Erfindung hat einen monolithischen rohrförmigen Aufbau,
der aus einer Wand mit einer Außenfläche und
einer Innenfläche
besteht, die mit dem geschmolzenen Gussmetall in Kontakt steht.
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Erfindungsgemäß weist
der Kristallisator in der Dicke seiner Wand ausgebildete Durchgangslöcher auf,
in denen eine Kühlflüssigkeit
zum Zirkulieren gebracht wird.
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Deshalb
ist der Abstand zwischen der Kühlflüssigkeit
und dem geschmolzenen Metall reduziert, ohne jedoch die Gesamtdicke
der Wand des Kristallisators und damit seine mechanische und strukturelle Steifigkeit
zu reduzieren.
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Genauer
ausgedrückt
sind die Löcher
so angeordnet, dass sich ihre Längsachsen
in einem Abstand von 5 bis 20 mm, vorteilhafter Weise 7 bis 15 mm
von der Innenfläche
des Kristallisator und somit im Wesentlichen vom flüssigen Metall
befinden.
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Dank
des Vorhandenseins der Kühlflüssigkeit
im Inneren der Wand des Kristallisators ist es möglich, eine niedrigere Durchschnittstemperatur
der Wand zu erzielen, wodurch die Wärmebelastungen reduziert werden,
die zu permanenten Verformungen und Verwerfungen führen.
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Darüber hinaus
besteht eine erhebliche Senkung des Unterschieds zwischen der Temperatur
der Fläche
der Wand, die mit der Kühlflüssigkeit
in Kontakt ist, und derjenigen der Innenfläche, die mit dem geschmolzenen
Metall in Kontakt ist.
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All
dies ermöglicht
es, die Verformungen und Verwerfungen innerhalb einer elastischen
Zone zu belassen, wodurch die ursprüngliche Form wieder angenommen
werden kann, wenn die Belastungen aufhören.
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Der
Kristallisator nach der Erfindung ist 1050 bis 1500 mm lang.
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Diese
größere Länge verleiht
zusammen mit den direkt im monolithischen Aufbau des Kristallisators
ausgebildeten Löchern,
welche es ermöglichen, die
Breite der Wand auf einem bestimmten Wert zu halten, eine hohe Steifigkeit
und Widerstandsfähigkeit
gegen mechanische und Wärmebelastungen.
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Die
Vorteile, welche diese erfindungsgemäße Lösung erbringt, bestehen in
erster Linie darin, dass die innere Verjüngung des Kristallisators den technischen
Vorschriften gemäß bleibt
und deshalb so aufgebaut ist, dass er sich der Schrumpfung des Gussprodukts
während
der Verfestigung anpasst.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
die hohen Qualitätseigenschaften
des Gussprodukts aufrechtzuerhalten und die Gießgeschwindigkeit hoch zu halten,
wodurch eine hohe Produktivität
erzielt wird.
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Darüber hinaus
werden mögliche
Fehlerursachen im Produkt ausgeschaltet, wie mangelnde Planheit,
Vorhandensein von Rissen nahe den Ecken, Entstehung tiefer Hubmarken.
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Darüber hinaus
wird die Nutzdauer des Kristallisators verlängert.
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Der
erfindungsgemäße Kristallisator
besteht aus einem monolithischen Körper der rohrförmigen Bauweise,
dessen innerer Hohlraum den Querschnitt des Gussprodukts bestimmt.
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Nach
einer Variante wird die Abkühlung
in den Ecken des Kristallisators auf eine andere Weise gesteuert
als in seinen ebenen Zonen.
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Dies
ermöglicht
es, die Schrumpfung des Gussprodukts den Ecken entsprechend zu bedingen, welche
Schrumpfung schneller ist als in den ebenen Zonen, weil die Kühlung gleichzeitig
von beiden Seiten der Ecke her wirkt.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung fließt
die den Ecken entsprechende Kühlflüssigkeit nicht
mit demselben Volumen und/oder Druck durch die in den Wänden ausgebildeten
Löcher
wie die Flüssigkeit,
die in den ebenen Zonen des Kristallisators durchläuft.
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Nach
einer Variante sind in Entsprechung zu den Ecken die Löcher mit
einer geringeren Dichte gegenüber
den ebenen Zonen der rohrförmigen
Wand des Kristallisators vorgesehen.
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Nach
einer weiteren Variante sind in Entsprechung zu den Ecken die Löcher mit
einer anderen Form vorgesehen, beispielsweise mit einem kleineren
Querschnitt gegenüber
den ebenen Zonen der rohrförmigen
Wand des Kristallisators.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung hat in Entsprechung zu den
Ecken die Wand des Kristallisators Verstärkungs- und Versteifungseinsätze oder
Abschnitte mit einer größeren Dicke,
die sich dazu eignen, eine höhere
Steifigkeit den Zonen entsprechend, die stärker Belastungen ausgesetzt
sind, und auch einen geringeren Wärmeaustausch zu gewährleisten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Figuren sind als nicht einschränkendes
Beispiel wiedergegeben und zeigen wie folgt einige bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung:
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1 zeigt einen Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Kristallisators
zum kontinuierlichen Gießen;
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2 ist ein Querschnitt des
in 1 gezeigten Kristallisators;
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3 zeigt eine erste Variante
von 2;
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4 zeigt eine zweite Variante
von 2;
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die 5a und 5b zeigen mit zwei Varianten das Detail
der Eckzone des in 2 gezeigten
Kristallisators;
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die 6a und 6b zeigen zwei Varianten der 5a und 5b;
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die 7a, 7b und 7c zeigen
drei weitere Ausführungsformen
für die
Eckzonen des erfindungsgemäßen Kristallisators.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt teilweise und in
Diagrammform einen Längsschnitt
eines Kristallisators 10 der monolithischen, rohrförmigen Bauweise
zum kontinuierlichen Gießen
von Gusssträngen
oder -blöcken 11.
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Das
geschmolzene Metall, dass kontinuierlich mittels einer Düse 12 gegossen
wird, verfestigt sich nach und nach ausgehend vom Bereich des Meniskus 13,
indem eine Hautdicke 14 entsteht, welche fortschreitend
zunimmt, je näher
es an den Auslass des Kristallisators 10 geht.
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Der
Kristallisator 10 wirkt in einer im Stand der Technik bekannten
Weise mit Halterungseinrichtungen 15 zusammen, die sich
dazu eignen, mit mechanischen Schwingungseinrichtungen verbunden zu
werden, welche hier nicht gezeigt sind.
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Der
Kristallisator 10 bildet einen inneren, sich verjüngenden
Hohlraum, der dazu ausgelegt ist, sich der Schrumpfung der Haut 14 anzupassen,
wenn sie schrittweise fester wird.
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Die
Verjüngung
kann durchgehend sein und einen im Wesentlichen parabolischen Verlauf
nehmen, oder kann durch mehrere, miteinander verbundene, sich verjüngende Segmente
gebildet sein.
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Der
Kristallisator 10 nach der Erfindung besteht aus einem
monolithischen Aufbau mit einer Länge „L" von 1050 bis 1500 mm.
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Erfindungsgemäß sind in
der rohrförmigen Wand
des Kristallisators 10 Längslöcher 16 ausgebildet,
die sich vertikal, parallel zueinander im Wesentlichen über die
gesamte Höhe
des Kristallisators 10 erstrecken, in welchen die Kühlflüssigkeit,
die für
gewöhnlich
aus Wasser besteht, zum Zirkulieren gebracht wird.
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Nach
einer Variante fallen die Löcher 16 gegenüber dem
Längsverlauf
des Kristallisators 10 ab. Die Längslöcher 16 sind in einer
ersten Ausführungsform
kreisförmig
und haben einen Durchmesser von 8 bis 16 mm.
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Dank
der direkt in der Wand des Kristallisators 10 ausgebildeten
Löcher 16 ist
es möglich,
die Kühlflüssigkeit
näher an
das flüssige
Metall heranzuführen,
aber immer noch eine gute Wanddicke aufrechtzuerhalten, welche zusammen
mit der großen Länge „L" des Kristallisators 10 selbst
die notwendige strukturelle Steifigkeit und Widerstandsfestigkeit
gegen Verformungen und Verwerfungen sicherstellt, die von Wärme- und
mechanischen Belastungen hervorgerufen wird.
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Erfindungsgemäß beträgt der Abstand „d" zwischen den Längsachsen
der Löcher 16 und
der Innenwand des Kristallisators 10 5 bis 20 mm, vorteilhafter
Weise 7 bis 15 mm, um den Wärmeaustausch zwischen
der Kühlflüssigkeit
und dem flüssigen
Metall zu optimieren.
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Die
in 3 gezeigte Variante
zeigt eine Ausführungsform,
bei der, den Ecken 20 entsprechend, der Kristallisator 10 Abschnitte
mit einer größeren Dicke 17 aufweist,
die den monolithischen Aufbau des Kristallisators 10 sogar
noch steifer machen.
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Die
weitere, in 4 gezeigte
Variante zeigt eine Ausführungsform,
bei der die Längslöcher 16, worin
die Kühlflüssigkeit
zirkuliert, dadurch erhalten wurden, dass halbkreisförmige parallele
Formgebungen auf den Außenflächen des Kristallisators 10 ausgebildet
wurden, welche dann von außen
durch Einschließplatten 18 verschlossen
wurden. Mit dieser Ausführungsform
ist es einfacher, die Löcher 16 auf den
Wänden
des Kristallisators auszubilden.
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Nach
einer mit einer unterbrochenen Linie gezeigten Variante haben die
Platten 18 auf ihrer Innenfläche halbkreisförmige Formgebungen,
die mit den Formgebungen des Kristallisators 10 zusammenpassen,
welche sich mit ihnen verbinden, um kreisförmige Löcher 16 zu bilden,
durch welche die Kühlflüssigkeit
laufen kann.
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Nach
einer Variante wird das Kühlsystem den
Ecken 20 des Kristallisators 10 entsprechend anders
geregelt, um die Schrumpfung der Haut 14 aufgrund anderer
Kühlbedingungen
zu steuern, die den Ecken 20 entsprechend und in deren
Nähe auftreten.
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In
der in 5a gezeigten
Ausführungsform, welche
das Detail einer Ecke 20 des rohrförmigen Kristallisators 10 nach
der Erfindung zeigt, sind die Löcher 16a zum
Durchgang von Kühlflüssigkeit,
die sich der Ecke 20 entsprechend oder in nächster Nähe dazu
befinden, von kleinerem Querschnitt als die Löcher 16, die entlang
der ebenen Teile des Kristallisators 10 vorgesehen sind.
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Mit
dieser Ausführungsform
wird ein geringeres Volumen der Kühlflüssigkeit der Ecke 20 entsprechend
zugeführt
und damit die Kapazität,
Wärme abzuführen, reduziert;
in der Folge sind die Kühlparameter
im Hinblick auf die ebenen Flächen
des Kristallisators 10 gleichmäßig ausgelegt.
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Nach
einer Variante, die hier nicht gezeigt ist, wird den Löchern 16a,
die den Ecken 20 entsprechen, ein Wasserstrom zugeführt, dessen
Volumen oder Druck dann je nach den speziellen Kühlerfordernissen des Eckenbereichs
verändert
wird.
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Nach
der weiteren, in 5b gezeigten
Variante, sind die Löcher 16a,
die den Ecken entsprechen, weniger dicht verteilt, als die Löcher 16 auf
den ebenen Flächen
des Kristallisators 10.
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Die
in den 6a und 6b gezeigten Varianten zeigen
Ausführungsformen,
bei denen, den Ecken 20 entsprechend, der Kristallisator 10 Abschnitte
mit einer größeren Dicke 17 aufweist,
welche die Aufgabe haben, den Kristallisator 10 in denjenigen
Bereichen steifer zu machen, die am meisten einer Belastung unterliegen,
sowie auch den Wärmeaustausch
mit der in den Löchern 16a zirkulierenden Kühlflüssigkeit
zu senken.
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Die 7a, 7b und 7c zeigen
weitere Beispiele von Abschnitten mit einer größeren Dicke 17, die
den Ecken 20 des Kristallisators 10 entsprechend ausgebildet
sind.
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Die
Abschnitte mit einer größeren Dicke 17 können eine
unterschiedliche Gestalt haben, beispielsweise schwalbenschwanzförmig, quaderförmig oder
anders, und können
mit Löchern 16 versehen sein
oder auch nicht, in denen Kühlflüssigkeit
zirkuliert.