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Verfahren zum Stranggießen metallischer Werkstoffe Beim bekannten
Stranggießen metallischerWerkstoffe unter Verwendung von ungeteilten Metallkokillen,
die in drer Regel auch künstlich gekühlt sind, ist. .die Anwendung eines meist kohlenstoffhaltigen
Schmiermittels erforderlich, um ein Anschweißten oderAnklehen des schmelzflüssigen
Gießcsutes an der inneren metallischen Kokillenwand zu verhindern; denn sonst würden.
nachteilige Oherflächenfehler an dem Strarggußerze ugnis, wie rauh-Oberfläche, L1)erlappungen
usw., entstehen, und außerdem würde .die metallische Kokille vorzeitig unhrauchbar
werden. Das angewandte Schmiermittel bringt nun aber seinerseits dien bekannten
Nachteil mit sich, daß es infolge einer unvollständigen Verbrennung und dadurch,
.daß es außerdem auch bei einigen im schmelzflüssigen Zustand vorliegenden Werkstoffen
mit Bestandteilen des Gießgutes. in nachteiliger VGTeise in Reaktion tritt, durch
sich selbst auch Oberflächenfehler verursacht, die sich zum Teil auch noch in die
Randzone des Stranges erstrecken, so daß man, im großen und ganzen gesehen, bei
ungeteilten metallischen Kühlkokillen nur das größere Übel durch ein kleineres Übel
durch die Verwenidung eines Schmiermittels abgelöst hat. Diese zwingend erforderliche
N'erwen.dung eines Schmiermittels, insbesondere eines kohlenstoffhaltigen, schließt
darüber hinaus die An--,vendung des fortschrittlicheren Strang :gießverfahrens zur
Herstellung von Barren oder Blöcken aus Werkstoffen, aus, die gegen Öl bei Schmelztemperatur
besonders empfindlich sind, so daß beispi@elswei.se zäh gepoltes Kupfer bisher immer
noch
nach den schon lange gebräuchlichen Gießverfahren vergossen
werden muß, während im Gegensätz dazu mit Phosphor des,oxydiertes Kupfer ohne weiteres
im Strangguß vergossen. werden kann.
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Es ist auch möglich, hochleitfähiges Kupfer, sogenanntes O F H C-Kup-fer,
im Strang zu vergießen, jedoch sind die nach .diesem Verfahren, vergossenen Mengen
von Kupfer relativ gering, da verfahrenstechnische und apparative Schwierigkeiten
einer größeren Anwendung hemmend entgegen stehen.
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Zum Stranggießen metallischer Werkstoffe sind aber nicht nur metallische,
sonldern auch schon nichtmetallische Kokillen( vorgeschlagen worden. Zum Teil sind
diese unmittelbar mit dem Ofen kom-biniert; es liegen aber auch Vorschläge
für ofenunabhängige Bauformen vor. Im ersteren Fall erfolgt die Metallzufiihrung
bekanntlich nach dem Schwerkraftprinzip, und zwar in -dem Maß, wie der Strang aus
der formgebenden Kokille abgezogen wird. Ein sehr wesentlicher Nachteil bei dieserAusführungsform
besteht,aber u. a. auch darin, daß der flüssige Schmelzespiegel nicht innerhalb
der Kokille, sondern. im Warmhalteofen oder Mischer an einer relativ großen Metalloberfläche
beobachtet werden muß. Bei: .den ofe;nunabhänigibgen Gieß.formen hat man u. a. auch
kombinierte Bauformen vorgeschlagen" die. .teilweise aus Metall bestehen, deren
innere Kokillenwand aber mindestens im oberen Teil ein nichtmetallisches Futter
hat. Es ist nicht bekanntgeworden, .daß man mit solchen Vorrichtungen schon jemals
metallische Werkstoffe erfolgreich. stranbgvergossen hat.
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Als, Werkstoff für die nichtmetallischen, S.trang-.gußkoki-llen oder
als Futterwerkstoff für kombi.-nierte Kokillen wurde immer wieder Graphit erprobt.
Es zeigte sich jedoch, daß gewöhnlicher Graphit für den in Betracht kommenden Zweck
aus verschiedenen, Gründen nicht geeignet ist. Um diesen. Schwierigkeiten zu begegnen,
hat man dann eine bestimmte Werkstoffauswahl dergestalt getroffen, daß mandie Oberflächeder
Stranggußkokille, die mit dem schmelzflüssigen Gießgut in Berührung kommt, aus einem
Graphit herstellt, der durch chemischen Niederschlag gebildet und unter sehr hohem
Druck mit kolloidaler Kohle als Bindemittel derart verpreßt ist, daß die Porosität
höchstens 20%. und die Korngröße sowie die Porengröße höchstens 4o Mikron. beträgt.
Bei Verwendung eines solchen Werkstoffes zum Bau von nichtmetallischen Kokillen
oder als Futter für die innere Kokillenwand der Komb.inationskokille kann man: im
ersteren.Fall Kupferlegierungen in schwachen Abmes.sun@gen erfolgreich stranggießen,
jedoch bleibt die Ausbeute im Vergleich zu gekühlten Metallkokillen ganz erhehli.ch
zurück und beträgt in Einzelfällen nur ein Zwanzigstel von derjenigen, die normalerweise
bei Verwendung von. ungeteilten Metallkühlkokillen erzielbar ist. Diese an. sich
bekannte Leistungsverminderung neben gewissen apparativenC Schwierigkeiten dürfte
wohl bisher -die Hauptursache dafür gewesen sein., .des trotz der besseren: Oberflächenbeschaffenheit
der Stranggußerzeugnisse bei; Verwendung vM nichtmetallischen Kokillen; sich dieses
Stranggießverfahre@n nur in einem sehr geringen Umfang in die Technik ein, führen
konnte. Darüiber hhinaus gelang es. auch nicht, mit nichtmetallischen Gießformen
oder mit kombinierten Kokillen zäh gepoltes Kupfer erfolgreich strangzugießen, das
in relativ großen Mengen tagtäglich anfällt, obwohl bei .der Anwendung einA-r solchen
bekannten formgebenden Kokille kein zusätzliches Schrnierrni.ttel zum Stranggießen
erforderlich ist.
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Die-Erfindung betrifft einVerf.ahren zumschmiermittelfreien, Strarnggießen:
metallischer Werkstoffe, wie Nichteisenmetalle und deren Legierungen, Edelmetalle
und derenLegierungen, Eisen, Stahl, Eisenmetalle und, deren Legierungen usw., unter
Verwendung von-gekühlten Metallkokillen: mit einem nichtnnetadlischen Futter in
.der inneren Kokillenwarnd und direkter Kühlung des _ aus .der Gießform austretenden
Stranges, das dadurch gekennzeichnet i,st, daß .das schmelzflüssige Gießgut innerhalb
d°r Gießform in einer gegen den flüssigen Strangkern durchbruchssicheren Randkruste
erstarrt und der Hauptwärmeentzugdurch ummittelbare Kühlung des Stranges erfolgt,
sowie eine Gießform zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Durch,das erfindungsgemäße Verfahren wird vor allem ein wesentlich
höheres Rohaiusbringen an Stranggußerzeugnlissen bei Verwendung an sich bekannter
Metallkokillen ruft nichtmetallischem Futter im Vergleich zu den bisher bekannten
Leistungen erreicht, wobei .das Ausbringen überraschendenweisedemjenigen entspricht,
das mlit ungetei:l.ten, gekühlten Metallkokillen @in Abhängigkeit von der jeweiligen,
Werkstoffart, der Legierungszusammensetzung, dem Gußquerschnitt, der Intensität
der direkten und indirektere Kühlung, der Kokillenlänge usw. normalerweise erzielbar
,ist. Außerdem werden erfindungsgemäß Stran@ggu.ßerzeugnisse mit einer glatten Oberfläche
erhalten, die frei von ringförmigen Falten und überlappungen sind, so daß die hergestellten
metallischen Voll- oder Hohlstränge ohne spanabhebende Bearbeitung der weiteren
spanlosen Verformung zugeführt werden können, sofern sie nicht unmittelbar im Gußzustand
verwendet werden sollen. Durch .diesen exfindungsgemäß bedingten besonderen Umstafel
wird äber -überraschenderweise das ve_rgltichbare Reinausbringen sogar noch größer
als- dasjenige bei Anwendung von den bekannten ungeteilten metallischen Kühlkokillen,
weil bei ;den letzteren in der Regel die Stränge vor der spanilosen Weiterverarbeitung
spanabhebend bearbeitet werden müssen, um Oberflächenfehler an den Stranggußerzenagnissen,
wie raube Oberfläche, Überlappüngen usw., zu beseitigen, was nur in Sonderfällen
nicht erforderlich ist.
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Diese. vorteilhaiften Wirkungen. werden erfindungsgemäß mit einer
Kühlkokille erreicht, in denen Innenwand ein ge:wöhnhiches Graphi.trfutter eingesetzt
ist. -Das ist deshalb um so überraschender, als sich eingewöhnlicher Graphit nach
den. bisherigen Versuchen nicht zum Stranggießen eignen
sollte,
wenn das schmelzflüssige Gießgut in unmittelbare, Berührung mit ihm kommt, -was
aber bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, nicht zu vermeiden ist. Es kann sein..,
daß :die überraschende Anwendungsmöglichkeit des Graphitfutters bei der erfindungsgemäßen
Kokille damit zusammenhängt, daß jetzt durch die starke mittelbare Kühlung des Futters
über die metallische Kokillenwand und durch die intensiv angewandte unmittelbare
Kühlung des Stranges tatsächlich Temperaturen für das Graphitfutter beim Stranggie;ßen
metallischer Werkstoffe vorliegen, bei :denen :das Futter noch nicht von dem schmelzflüssigen
Gießgut in der bis zur Erstarrung im, Betracht kommenden kurzen Zeit angegriffen
wird. Bekanntlich -ist bei Graphit erst beispielsweise bei Erwärmung der in Luft
befindlichen Teile auf Temperaturen über 6oo° C mit starkem Abbrarnd zu rechnen,
so daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Temperatur des Graphitfutters unterhalb
6oo° C liegen dürfte, weil sich keirnc Oxydation an der Grenzfläche flüssiges Metall-Luft
bemerkbar macht. Sollte aber bei höheren Gießtemperaturen ein solcher zu befürchten
sein, so könnte auch dieser Gefahr, gemäß einer weiteren: der Erfindung, noch dadurch
begegnet -werden, daß man. den Zutritt des Luftsauerstoffs durch Ahdeckung des Gießspiegels
mit bekannten zweckentsprechenden Mitteln verhindert.
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Durch die Fassung des Futters in :der metallischen Warnd wird auch
eine große Haltbarkeit :der Gießform in dem rauhen Gießereibetrieb gewährleistet,
was auch sehr wesentlich ist.
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Man glaubte bis jetzt beim Stran:ggießen metallischer Werkstoffe unter
Verwendung nichtmetallischer Gießformen zum mindesten die ganze Schmelzwärme des:
Stranges über :die nichtmetallische Wand der Kokille: abführen zu müssen, um eine
zweckentsprechende Winkellage -der Kristalle im erstarrten. Strang, :die für die
nachfolgende spanlose Weiterverarbeitung günstig ist, zu erreichen, und -wollte
diese Arbeitsweise auch auf metallische Gießformen mit nichtmetallischer Kokilleninnenwan.d
im oberen Teil der Kokille anwenden, was aber nicht ging. Bei letzteren Bauformen
strebte man darüber hinaus bei, einem anderen berannten. Verfahren überhaupt eine
Erstarrung im Bereich des nichtmetallischen. Futters nicht nur nicht an, sondern
mau sorgte sogar durch Aufheizun:g dafür, daß auf keinen Fall eine Randerstarrung
im Sinne der vorliegenden Erfindung ,i.ndem nichtmetallischen Kokillenteil eintrat,
was zur Folge hatte, daß die später einsetzende Randerstarrung erst in dem metallischen
Teil der Kombinationskokille beginnen konnte. Wegen des Fehlens: eines Schmiermittels
zwischen metallischer Kokilleninnenwand und erstarrter Randkruste des Stranges blieb
aber bei diesem Verfahren der Strang an, der metallischen Kokillenwand kleben, so
daß. nach diesem gemachten Vorschlag metallische Werkstoffe bisher nicht erfolgreich
strangvergossen werden.konnten. Wurde aber dieses vorbekannte Verfahren nach einem
anderen Vorschlag so angewandt, daß auch in dem metallischen Unterteil der Kombinia.tionskokille
keine Randerstarrung eintrat, dann ließ sich ein solches Verfahren praktisch wiederum
-nicht verwirklichen, weil der schmelzflüssiäie Stra,ngkern nicht so schnell über
:den ganzen Querschnitt zur Erstarrung gebracht werden, konnte, :daß ein Auftauen
der bereits erstarrten Randkruste, ausgeschlos:sen blieb, was aber zu einem betriebssicheren
Verfahren vom Unfallstandpunkt aus zwingend erforderlich ist.
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Da schon, bei gekühlten Metallkokillen :der Wärmeentzug aus dem schmelzflüssigen
Gießgut nur zu einem Bruchteil mittelbar über die metallische Kokill.eninnenwand
erfolgt und der H:auptwärmeentzug meistens,durch :die unmittelbar nachgeschaltete
schroffe Abkühlung des mindestens in seiner Randkruste erstarrten Stranges in, bekannter
Weise und mit bekannten Mitteln durchgeführt wird, muß .der Wärmeentzug aus .dem
Gießgut bei nichtmetallischen, Kokilieninnen,wänden bei den schon bekannten Vorrichtungen
noch geringer sein. Man hat nun bei diesen Verfahren in manchen Fällen von: einer
unmittelbaren Kühlung des Stranges Abstand genommen, und wendet lieber die mittelbare
Kühlung mehrfach an. Das hat aber zur Folge"daß die Gießgeschwindigkeit auf die
wesentlich langsamere Erstarrungsgeschwindigkeit auf Kosten der ersteren abgestimmt
werden muß, insbesondere, wenn die Gießform mit dem Ofen verbunden ist, womif sich
die geringere Ausbeute an Strang gußerzeugn@issen gegenüber einem Verfahren mit
gekühlter Metallkokille ohne weiteres ergibt. Dasselbe würde zutreffen für bekannte
Metallkokillen mit einem nichtmetallischen Futter, solange auch hier die Erstarrung
des Stranges über den ganzen Querschnitt noch innerhalb: des Bereichs des nichtmetallischen
Futters, angestrebt wird.
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Im Gegen em,sa,tz zu :diesen vorbeikannten Verfahren erstarrt bei
:dem erfind.ungsge:mäßen Verfahren., der Strang bereits in dem Raum, dner :durch
die nichtmetallische Kokilleninnenwand begrenzt ist, in einer gegen den flüssigen:
Strangkern durchbruchssicheren Randschicht, deren Stärke in Abhängigkeit von der
Werkstoffart, der Legierungszusammensetzung, :dem Strangquerschnitt, der Intensität
der direkten und indirekten Kühlung, der Kokillenlänge usw. -in gewissen Grenzen
schwankt. Diese erfindungsgemäße Randerstarrung beginnt unterhalb des Metallspiege:lsund
nimmt .mit wachsendem Abstand von,dem; Gießspiegel nach innen an Stärke zu. Da bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren nur eine Randzone genügender Stärke zu erstarren
braucht, kann überraschender-leise die Gießgeschwindigkeit genau so groß gehalten
werden wie bei Verwendung von gekühlten Metallkokillen ohne Graph.itfutter vergleichbarer
Abmessung. Die erstarrte Randkruste wird insbesondere zu Anfang noch :durch den
noch schmelzflüssigen Strangkern an die nichtmetallische Kokilleninnenwand gedrückt,
die, weil sie selbstschmierend ist, w=as beispielsweise der Fall ist, wenn sie aus
Graphit besteht, das Abgleiten des Stranges ohne Oberflächenbeschädigung unterstützt.
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Weitere Vorteile: und Merkmale des erfindungsgemäßen. Verfahrens ergeben
sich aus :der folgenden
Beschreibung, in der an Hand der Zeichnungen
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an einer für dieses Verfahren besonders geeigneten
ofenunabhängigen Gießform erläutert ist.
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Abb. i Ist die Gießform in. Ansicht und Abb, z d ieselbe Vorrichtung
in Draufsicht. Zwischen der inneren metallischen Kokillenwand i und dem äußeren
metallischen Kokillenmantel z ist der gekühlte Mittelraum 6, dem das vorzugsweise
flüssige Kühlmittel durch den, Rohrstutzen 5 in bekannter Weise zugeführt wird.
Aus -ihm tritt das Kühlmittel: durch den an sich bekannten Ringschlitz q. aus, dessen
Größe durch vier Stellschrauben 3 vor dem Gießen oder durch besondere, nicht weiter
dargestellte Hilfsmittel auch während des Gießens, einstellbar ist. Der freie Querschnitt
des Ringschlitzes q. wird. so. gewählt, daß er kleiner ist als,derjenige .der Zuflußleitung
für das Kühlmittel.
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Diese Ausführungsform einer Kokille ist im Prinzip bereits bekannt.
Erfindungsgomäß ist nun in die Aussparung der inneren metallischen Kokillen-,vand
i ein nichtmetallisches, selbstschmierendes Futter 7 beispielsweise aus Graphit
satt eingesetzt, was bevorzugt durch Einpressen geschieht. Zur Stützung des Futters
7 dient in bekannter Weise der stehengebliebene Metallbund B. Die lichte Weite des
Graphitfutters 7 ist in der Regel zylindrisch und stimmt zweckmäßig mit der Lichtweite
der Metallkokille gemäß dem stehengebliebenen Bund überein, was aber nicht uribedingt
erforderlich ist, da auch das eingesetzte nichtmetallische Futter 7 eine geringere
lichte Weite haben kann. als der Metallbund. Eine Abstützung des Graphitfutters
7 auf dem Metallbund ist aber nicht unbedingt erforderlich, sondern. nur z-,veckentsprechend.
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Zum Einleiten des Strangbießens wird der Boden .der Gießform in bekannterWeise
mit einem Stopfen verschlossen und nach Einfüllen des Gießgutes in die Gießform
der Gießkoptf, sofern erforderlich, in bekannter Weise und mit bekannten Mitteln
vor der Oxydation: geschützt, beispielsweise durch Abdecken mit einem Gasschleier
oder durch Aufstreuen von Graphit oder auch durch gemeinsame Anwendung beider Mittel.
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Das folgende Zahlenbeispiel soll zeigen, wie sich die Erfindung praktisch
auswirkt: Die Schlitzkokille mit ummittelbar anschließender direkter Strangkühlüng,
die nicht weiter dargestellt ist, hatte eine Bauhöhe von 2ooi mm. Die Graphitauskleidung,der
inneren Kokillenwand war 3 mm stark. Unter Graphit -im Sinne der Erfindung sind
hierbei alle Graphite oder graphithaltigen Werkstoffe zu verstehen, die wie graphitierte
Kohle von schmelzflüssigen Werkstoffen nicht benetzt werden und im Eisem und Metallhüttenwesen
für ähnliche Zwecke vielfach erprobt sind. Die Lichtweibe der Kokille und des Futters
betrug 172 mm. Das schmelzflüssige Gießgut-wurde der Kokille aus dem Vorherd eines
Warmhalteofens mittels eines Düsenrohres mit 5,5 mm Austrittsdurchmesser zugeführt,
wobei das Düsenrohr in bekannter Weise wi;derstarndsbeheizt war. Die Gießleistung
betrug sowohl bei zäh gepoltem Kupfer als auch bei mit Phosphor desoxydiertem Kupfer
2 t/Std. Die Oberfläche des Stranges war völlig glatt und insbesondere auch frei,
vorn den ringförmigen Falten und Überlappungen. Die Tiefe des Sumpfes in der Mitte
war Zoo. mm. Der Sumpf reichte somit unter die Kokillennnterkante, da .der Gießspiegel
etwa 5o mm unter d er Kodz:#illenoberkante lag. Der Sumpf kann aber auch nur bis
an .den Metallbund 8 reichen oder der über den ganzen Querschnitt erstarrte Block
sogar noch in das nichtmetallische Futter 7 hineinragen, wenn. der Gießwerkstoff
eine schroffe, unmittelbare Kühlung verträgt, ohne daß in dem Stranggußblock Wärmespannungen
in einer solchen Höhe entstehen, d:aß sie sich in Wärmerissen auslösen müssen. Die
Erstarrung ;am Rand begann etwa i cm unterhalb des Metallspiegels in einer sehr
dünnen, nach unten stärker werdenden Randschicht. Im vorliegenden Fall war .der
Kokille in einem Ab-
stand eine an sich bekannte Wassertasse nachgeschaltet,
aus der kein Wasser ausfloß, weil der Strang so glatt war, .daß durch Gummiringe
eine völlige Abdichtung ;gegen den Wasseraustritt erzielt werden konnte, was auch
vorteilhaft ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Stranggießen aller metallischen
Werkstoffe angewandt werden, sei, es, @daß es sich um Leichtmetall, Nichteisenschwermetalle
und deren Legierungen, Edelmetalle und deren Legierungen, Eisen, Stahl, Eisenmetalle
und deren Legierungen usw. handelt. Besonders vorteilhaft ist .aber, daß jetzt auch
zäh gepoltes Kupfer mit Hilfe des erfindungs@gemäßen Verfahrens stranggegossen werden
karr. Bei idiesein Werkstoff scheidet sich bekanntlich bei der Erstarrung .an den
Korngrenzen das bekannte Kupfer-Kupferoxydul-Eutektikum aus, das .dicht unterhalb
des Schmelzpunktes des Kupfers durch reduzierend wirkende Stoffe, wie z. B. Wasserstoff,
Kohlenstoff, Kohlenoxyd usw., leicht reduziert -wird: Diese Reaktion führt zu der
unter dem Namen Wasserstoffkrankheit bekannten Schädigung des Kupfers, weil durch
die Wegnahme des Sauerstoffs durch diese reduzierenden Stoffe der Zusammenhang zwischen
-den Kristallkärnern gelockert wird, so daß bei der sparlosen Verformung im-kalten.
oder warmen Zustand unweigerlich: Risse auftreten, die das aus dem Gußblock her--gestellte
Halbzeug unbrauchbar machen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch vorteilhaft anwendbar bei
Legierungen, -die zur umgekehrten Blocksefgerung neigen. Bei den bekannten gekühlten
Metallkokillen wird nämlich die umgekehrte Bloelcseiigerung bei seigerungsfreudigen
Legierungen durch verschiedene Umstände gefördert. Im Gegensatz .dazu wird die umgekehrte
Blockseigerung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gehemmt, einmal wegern der geringeren
Wärmeleitfähigkeit des Graphits und zum anderen wegen des erhöhten Wärmeübergangs@viderstandes
zwischen Graphit und Kupferwand.
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Die: Wiiderstandsfähigke@it .der zu dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwandten Kombinationskokille
gegen mechanische Beanspruchungen
steht derjenigen einer vergleichbaren gekühlten Metallkokille keineswegs nach.
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Wichtig ist auch, @daß bei. .dem erfindungsgemäßen Verfahren die Erstarrungsrichtung
in,die Richtung der Strangachse gelenkt wird. Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren
können sowohl ofenabhängige als auch ofenunabhängige Gießformen verwandt werden.