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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine neue Vorrichtung zum Stranggießen von
Stahl, mit der man ein Endprodukt gemischter chemischer Zusammensetzung
erhält,
d.h. das einerseits aus dem Grundstahl und andererseits aus einer
Legierung des Grundstahls mit während
des Gießens
hinzugefügten
Stoffen besteht.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls das Verfahren, das mit der Vorrichtung
zur Anwendung kommt.
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Stand der Technik
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Die
Technik des Stranggießens
von Stahl ist wohlbekannt. Sie besteht im Wesentlichen darin, eine
Stahlschmelze aus einem Verteilerkorb oder „Tundish" in eine gekühlte Form aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung, die Stranggießkokille
genannt wird, und die an ihrem unteren Ende offen ist, einzubringen,
und aus dieser Öffnung
einen teilweise erstarrten Block herauszuziehen.
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Im
Allgemeinen wird die Stahlschmelze mittels eines Gießrohrs in
die Kokille geleitet, d.h. mittels eines normalerweise rohrförmigen Teils,
das zwischen dem Verteilerkorb und der Kokille angeordnet ist. Das
untere Ende des Gießrohrs
besitzt gewöhnlich
ein oder zwei Austrittsöffnungen – in der
Achse des Gießrohrs
oder seitlich angeordnet –,
und mündet
unterhalb der Oberfläche
der Stahlschmelze in die Kokille.
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Ebenfalls
bekannt sind Gießrohre,
die dazu dienen, eine bessere Kühlung
der überhitzten
Stahlschmelze aus dem Verteilerkorb zu erreichen. Das Ziel besteht
darin, einen breiartigen Stahl am Eintritt der Kokille zu erhalten.
Diese Gießrohre
können
insbesondere einen Wärmetauscher
aufweisen, der aus einem wassergekühlten Kupferrohr besteht, oder auch
ein Ablenkblech bzw. eine Kuppel. Damit wird erreicht, dass der überhitzte
Stahl in einer dünnen Schicht
die Wände
des Gießrohrs
entlang nach unten rinnt, wodurch die Wärmeaustauschfläche erheblich gesteigert
wird. Diese Technik wird als Gießen im Hohlstrang bezeichnet.
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Außerdem wird
oft Schutzgas wie Argon beim Eintritt der Stahlschmelze in das Gießrohr eingeblasen,
um das Oxidieren des Stahls zu verhindern und einer ungewollten
Verstopfung, besonders durch die Bildung von Aluminiumoxid vorzubeugen.
Mit der Technik des Hohlstranggießens kann insbesondere der
Gefahr der Verstopfung der Gaszufuhr vorgebeugt werden, im Vergleich
zu dem Fall, dass die Gaseintrittsöffnung direkt in Kontakt mit
der in das Gießrohr
eintretenden Stahlschmelze ist. So ist es bekannt, Schutzgas wie
zum Beispiel Argon in das Innere des Hohlstrahls einzublasen. Man
kann in den Hohlstrahl ebenfalls eine bestimmte Menge einer fein zerstäubten Substanz
einblasen, für
die man als Träger
ein nicht oxidierendes Gas mit leichtem Überdruck gegenüber dem
Luftdruck verwendet, um jeglichen Lufteintritt zu verhindern. Diese
Substanz ist zum Beispiel ein Legierungsmetall oder Keramik. Je nach
Fall soll damit eine Metalllegierung oder ein Verbundwerkstoff hergestellt
werden.
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Derzeit
weckt das Stranggießen
von Produkten auf der Grundlage von Stahl gemischter chemischer
Zusammensetzung oder aus zwei Komponenten bei sehr vielen Spezialanwendungen
großes
Interesse, und zwar sowohl für
Langprodukte als auch für Flachprodukte.
Der Begriff „Zwei-Komponenten-" bezeichnet Produkte,
bei denen die chemische Zusammensetzung des Stahls je nach der Stelle
des betreffenden Produkts unterschiedlich ist, zum Beispiel an der
Außenhaut
anders als im Kern.
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Im
Einzelnen kann eine solche Technik zum Beispiel in folgenden Fällen verwendet
werden:
- – um
die Qualität
der Oberflächenbehandlung
der Produkte zu verbessern. Beim Verzinken ist es zum Beispiel wünschenswert,
den Siliziumgehalt nahe der Oberfläche der Brammen zu verringern, um
die Eignung der Walzprodukte zum Verzinken zu erhöhen.
- – Um
die Vergießbarkeit
zu erhöhen,
zum Beispiel bei peritektischem Stahl, dessen Kohlenstoffgehalt
im Bereich von 0,1–0,15%
liegt und der besonders schwierig zu vergießen ist; man möchte dabei
den Kohlenstoffgehalt in der Nähe
der Oberfläche ändern
- – Um
Produkte zu gießen,
deren mechanische Eigenschaften über
ihren Querschnitt betrachtet unterschiedlich sind, zum Beispiel
eine hohe Oberflächenfestigkeit
und eine hohe Dehnbarkeit im Kern.
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Im
Bereich des Gießens
an sich sind Verfahren bekannt, mit denen Metallteile, insbesondere
aus Stahl, mit gemischter chemischer Zusammensetzung hergestellt
werden können,
zum Beispiel Walzen eines Walzwerks, Verschleißteile usw.
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Jedoch
gibt es nach dem Stand der Technik keine einfache Vorrichtung, mit
der Stähle
gemischter Zusammensetzung im Stranggießverfahren hergestellt werden
können.
Bekannt ist die Verwendung von mindestens zwei parallelen Verteilern,
die jeweils ein eigenes Gießrohr
besitzen und gleichzeitig eingesetzt werden, um Stähle gemischter
Zusammensetzung in dieselbe Kokille zu gießen. Jedoch ist eine solche
Anlage in der Industrie sehr kompliziert und daher kostspielig.
Eine andere Möglichkeit
wurde zur Herstellung eines Zwei-Komponenten-Stahls
gefunden, nämlich
die Einführung
eines Metallblechs in den Block während des Gießens; aber
auch das erweist sich als wenig praktisch.
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Ziele der Erfindung
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Diese
Erfindung hat das Ziel, eine Vorrichtung und ein damit verbundenes
Verfahren zum Stranggießen
von Stahl zu liefern, mit dem Produkte gemischter chemischer Zusammensetzung
hergestellt werden, die nicht die Nachteile nach dem Stand der Technik
aufweisen.
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Insbesondere
bietet die Erfindung ein neues Verfahren, das den Einsatz einer
bestehenden Stranggießanlage
ermöglicht
und nur ein spezielles Gießrohr
besitzt.
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Wichtigste charakteristische
Elemente der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stranggießrohr für den Stahlabguss
aus einem Verteilerkorb in eine Kokille; das besagte Gießrohr umfasst
im Wesentlichen, wenn es in vertikaler Position beschrieben wird
und in Flussrichtung des flüssigen
Stahls von oben nach unten betrachtet wird, ein vertikales Leitungsrohr,
das an seinem oberen Ende eine Eintrittsöffnung für den flüssigen Stahl aus dem Verteilerkorb
und an seinem unteren Ende eine Austrittsöffnung umfasst; das besagte
Leitungsrohr umfasst in seinem oberen Teil eine Verteilervorrichtung, die
sich am Eintritt des besagten Leitungsrohrs befindet und eine Kuppel
umfasst, die es ermöglicht,
das in das Gießrohr
eintretende Metall umzuleiten; das besagte Gießrohr umfasst ebenfalls Mittel
zur Einspritzung von zerstäubten
Gasen, Flüssigkeiten
oder Feststoffen unter die besagte Kuppel in einen inneren Bereich;
dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppel der Verteilervorrichtung
mit Mitteln versehen ist, die die Trennung des flüssigen Stahls
in zwei Strahlen, die getrennt in die Kokille eindringen, ermöglichen.
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Vorteilhafterweise
weist die Kuppel der besagten Verteilervorrichtung mindestens vier
Durchlässe
auf, die so miteinander verbunden sind, dass der Abguss des geschmolzenen
Stahls in zwei getrennte Strahlen geteilt wird, die jeweils durch
einen sogenannten inneren Bereich und einen sogenannten äußeren Bereich
in die Kokille abfließen.
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Vorzugsweise
mündet
der äußere Bereich durch
mindestens 2 seitliche Öffnungen
in die Kokille und der innere Bereich mündet durch mindestens eine
erste Öffnung
in die Kokille. Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung wird das flüssige Metall, das unter der
Kuppel in dem Bereich, in dem zerstäubte Gase, Flüssigkeiten
oder Feststoffe eingespritzt werden, durchfließt, in dem inneren Bereich kanalisiert
und fließt
durch die erste(n) Öffnung(en)
in die Kokille ab.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird das flüssige Metall, das unter der
Kuppel in dem Bereich, in dem zerstäubte Gase, Flüssigkeiten
oder Feststoffe eingespritzt werden, durchfließt, in dem äußeren Bereich kanalisiert und
fließt
durch die seitlichen Öffnungen
in die Kokille ab.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Gießrohr
für den
Stahlabguss aus einem Verteilerkorb in eine Kokille. Das Gießrohr umfasst
im Wesentlichen, wenn es in vertikaler Position beschrieben wird
und in Flussrichtung des flüssigen Stahls
von oben nach unten betrachtet wird, ein vertikales Leitungsrohr,
das an seinem oberen Ende eine Eintrittsöffnung für den flüssigen Stahl aus dem Verteilerkorb
und an seinem unteren Ende eine erste Austrittsöffnung umfasst. Außerdem umfasst
das besagte Leitungsrohr in seinem oberen Teil eine Verteilervorrichtung,
die sich am Eintritt des besagten Leitungsrohrs befindet und eine
Kuppel umfasst, die es ermöglicht,
das in das Gießrohr
eintretende Metall umzuleiten, sowie eine vertikale Wand, die die
Kuppel nach unten abschließt
und sich bis zu dem unteren Ende des besagten Leitungsrohrs erstreckt;
die besagte vertikale Wand umfasst mindestens zwei seitliche Austrittsöffnungen,
die Verteilervorrichtung teilt das vertikale Leitungsrohr in zwei
getrennte Bereiche, einen sogenannten inneren Bereich und einen
sogenannten äußeren Bereich.
Das Gießrohr umfasst
ebenfalls Mittel zur Einspritzung von zerstäubten Gasen, Flüssigkeiten
oder Feststoffen unter die besagte Kuppel in den inneren Bereich.
Das Gießrohr
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppel der Verteilervorrichtung
mit Mitteln versehen ist, die die Trennung des flüssigen Stahls
in zwei Strahlen ermöglicht,
einen Strahl, der in den sogenannten inneren Bereich fließt und durch
die besagte erste Öffnung
in die Kokille eindringt, und einen Strahl, der in den sogenannten äußeren Bereich
fließt
und durch die seitlichen Öffnungen
in die Kokille eindringt.
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Vorzugsweise
ist das vertikale Leitungsrohr zylinderförmig und weist einen runden
oder ovalen Querschnitt auf.
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Ebenfalls
gemäß der Erfindung
besteht das flüssige
Metall, das den Strahl bildet, in den die Einspritzung unter der
Kuppel erfolgt, aus einer Mischung aus Grundstahl und dem Material,
das unter die Kuppel eingespritzt wird. Außerdem unterscheidet sich die
chemische Zusammensetzung des Metalls, das nach einer Einspritzung
unter der Kuppel entsteht, von der chemischen Zusammensetzung des
Grundstahls.
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Vorteilhafterweise
ist der besagte zerstäubte Feststoff,
der unter die Kuppel eingespritzt wurde, in einem nicht oxidierenden
Gas suspendiert.
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Vorteilhafterweise
weist der besagte zerstäubte
Feststoff, der unter die Kuppel eingespritzt wurde, eine Korngröße von weniger
als 2000 μm
auf.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise liegt die Korngröße des besagten zerstäubten Stoffes
zwischen 100 und 300 μm.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung weisen die beiden Strahlen unterschiedliche
Ausflussmengen auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung beträgt die
Ausflussmenge des gegossenen flüssigen
Metalls für
die flachen Produkte zwischen 1,5 und 6 Tonnen pro Minute. Für die langen Produkte
beträgt
die Ausflussmenge des gegossenen flüssigen Metalls zwischen 0,3
und 0,5 Tonnen pro Minute.
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Vorteilhafterweise
ist das vertikale Leitungsrohr mit Mitteln zur Temperaturregelung
des flüssigen Metalls,
das durch das Leitungsrohr fließt,
versehen. Jedoch unterscheiden sich gemäß der Erfindung die Mittel
zur Temperaturregelung des flüssigen
Metalls, das durch den Bereich vor dem mit der Kuppel ausgestatteten
Verteilerelement fließt,
von den Mitteln zur Temperaturregelung des flüssigen Metalls, das durch den
Bereich hinter der besagten Kuppel fließt.
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Im
Betrieb ist das Gießrohr
gemäß der Erfindung
Teil einer Anlage für
das Stranggießen
von Stahl, vorzugsweise in Form von langen oder flachen Produkten,
die einen Verteilerkorb mit einer Austrittsöffnung und einer Regelvorrichtung
der Ausflussmenge und eine Kokille umfasst. Das Gießrohr ermöglicht dabei
das Gießen
eines Stahls gemischter Zusammensetzung in die Kokille, ausgehend
von dem geschmolzenen Grundstahl im Verteilerkorb.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
für das
Stranggießen
von Stahl, vorzugsweise in Form von flachen oder langen Produkten,
das folgende Schritte umfasst:
- – Gießen eines
geschmolzenen Grundstahls aus einem Verteilerkorb durch eine Austrittsöffnung, die über eine
Vorrichtung zur Regelung der Ausflussmenge verfügt, in ein Gießrohr, das
eine Verteilervorrichtung mit einer Kuppel und einer vertikalen
Wand umfasst, die das Gießrohr
in einen inneren und einen äußeren Bereich
teilt;
- – Trennen
des Grundstahls in der Verteilervorrichtung in einen inneren und
einen äußeren Strahl;
- – Einspritzen
von zerstäubten
Gasen, Flüssigkeiten
oder Feststoffen unter die Kuppel in den inneren Bereich und Mischung
des besagten Stoffes mit dem Grundstahl, um einen Stahl zu bilden, dessen
chemische Zusammensetzung sich von der des Grundstahls unterscheidet;
- – Abfließen des
Strahls aus Grundstahl durch seitliche Öffnungen des Gießrohrs und
Abkühlen
des besagten Strahls entlang der Wände der Kokille;
- – Abfließen des
Strahls aus Stahl mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung
durch eine untere Öffnung
des Gießrohrs
und Abkühlen
des besagten Strahls im Inneren der Kokille.
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Im
Vergleich zum Stand der Technik weist die vorliegende Erfindung
die folgenden Vorteile auf:
- – Erhalt
eines Stahls gemischter chemischer Zusammensetzung im Stranggießverfahren
bei Verwendung eines einzigen Gießrohrs, das mit der Gießanlage
kompatibel ist;
- – Vereinfachung
im Vergleich zu einer aufwändigen
und daher sehr teuren, wenn auch theoretisch industriell umsetzbaren
Anlage, die mindestens zwei Gießrohre
und/oder Verteilerkörbe
aufweist;
- – Machbarkeit
des Stranggießens
einer Reihe von Stahl- oder Metallprodukten mit sogenanntem hohen
Mehrwert wie beschichtete Produkte (verzinkte Produkte, Produkte
mit Plastiküberzug
usw.).
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Vorderansicht einer Anlage zum Stranggießen von
Stahl mit einem Gießrohr
gemäß dieser
Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht eines Gießverteilers, der in ein Gießrohr gemäß dieser Erfindung
eingebaut ist.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung
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1 zeigt
eine Gießvorrichtung
gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung, die zwischen einer Stranggießkokille 1 und
einer Gießpfanne
oder einem Gießverteilerkorb 2,
der ein Austrittsrohr 3 aufweist, montiert ist. Das Austrittsrohr 3 verfügt über einen
Durchflussregler, wie zum Beispiel einen Stopfer 4 oder
einen Schieber. Ein Gießrohr 5, das
im Wesentlichen zylinderförmig
ist, eventuell mit ovalem Querschnitt, und am Verteilerkorb befestigt ist,
ist auf die Kokille 1 montiert. Das Gießrohr 5 kann zum Beispiel
mit einem Wärmetauscher
aus Kupfer ausgestattet sein, der über eine Wasserkühleinrichtung
verfügt.
Das obere Ende des Zylinders ist mit dem Rohr 3 verbunden.
Dieses Ende besitzt eine Öffnung,
die der unteren Öffnung
des Rohrs entspricht. Das Gießrohr 5 weist
in seinem unteren Teil drei Verbindungsöffnungen auf, die den Durchfluss
des Stahls in die Kokille ermöglichen:
zwei seitliche Öffnungen 8 und
eine Öffnung 9,
die im unteren Ende des Rohrs 5 angebracht ist. Am oberen
Ende des Gießrohrs 5 ist
eine Verteilervorrichtung in Form einer Kuppel 6 angebracht,
deren Oberfläche,
eine leichte Neigung aufweist, vorzugsweise mehr als 10° in Bezug
auf die Waagrechte. Die Kuppel 6 ist mit nicht dargestellten
Mitteln am Rohr 5 befestigt. Eine Einspritzvorrichtung 7 ist
so angeordnet, dass sie ein Gas, eine Flüssigkeit oder fein zerstäubte bzw.
pulverförmige
Feststoffe unter die Kuppel 6 einbringen kann, wobei im
letzten Fall gegebenenfalls ein nicht oxidierendes Gas als Träger verwendet
wird. Die Kuppel 6 besitzt eine Seitenwand 10,
vorzugsweise vertikal und zylinderförmig, die sich bis zum Boden des
Gießrohrs 5 erstreckt.
Diese Seitenwand ermöglicht
die Abtrennung eines sogenannten inneren Bereichs 11 des
Rohrs 5 von einem anderen, sogenannten äußeren Bereich 12 des
gleichen Rohrs 5.
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2 zeigt
eine grobe schematische Draufsicht einer Ausgestaltung einer Verteilerkuppel 6,
die vier Durchlässe
für die
Metallschmelze aufweist, die paarweise miteinander verbunden sind.
Die vier Durchlässe
sind jeweils mit einer Öffnung
in der Kuppel 6 verbunden. Zwei Öffnungen 13 sind von
der Kuppel schnittbedingt zwischen dieser und der Innenwand des
Gießrohrs 5 abgegrenzt.
Die beiden anderen Öffnungen 14 sind
zum Beispiel mehr in der Mitte der Oberfläche der Kuppel 6 angeordnet
und sind unter dieser Oberfläche
durch einen gemeinsamen Sammelstutzen 11 verbunden, der
seinerseits unterhalb des Gießrohrs
mündet.
So ermöglicht
die Kuppel 6 die Trennung des Metallstrahls A, der vom Verteilerkorb 2 durch
das Rohr 3 kommt, in zwei verschiedene Strahlen weitgehend
gleicher Größe, die physisch
voneinander getrennt sind: ein erster Metallstrahl B fließt durch
die Mitte 11 des Gießrohrs 5 und
ein zweiter Metallstrahl C fließt
durch den Raum 12, eventuell entlang der inneren Seitenwand
des Rohrs 5 (1).
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Die
Einspritzvorrichtung 7 ermöglicht es, in den Metallstrahl
B einen zusätzlichen
Bestandteil wie Legierungsmetall, Gas oder Keramik einzubringen und
dadurch die Zusammensetzung im Vergleich zum Grundmetall zu ändern. Das
Metall B fließt
aus dem Gießrohr 5 durch
die Öffnung 9 in
den Mittelbereich der Kokille 1. Das Metall C fließt vom Gießrohr 5 durch
die seitlichen Öffnungen 8.
Bei der Erstarrung ist das Metall C entlang der Wände der
Kokille verteilt, während
sich das Metall B mit einer geänderten
chemischen Zusammensetzung mehr im Inneren der erstarrten Masse
befindet.
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Die
durch die Vorrichtung 7 unter der Kuppel 6 eingespritzte
Substanz kann gasförmig,
flüssig oder
fest sein. Im letzten Fall liegt die Substanz pulverförmig oder in
Form fein zerstäubter
Teilchen vor. Die Größe der eingespritzten
Teilchen ist geringer als 2 mm und liegt meistens zwischen 100 und
300 μm.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann genauso gut für
das Stranggießen
von flachen Produkten wie Brammen als auch von langen Produkten wie
Rundstahl, Vierkantstahl, Drähten
usw. verwendet werden.
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Insbesondere
bei flachen Produkten kann die Änderung
der chemischen Zusammensetzung im Produktquerschnitt beim direkten
Walzen aufrechterhalten werden. Solche Stähle sind infolgedessen bestens
zum Verzinken geeignet, zum Beispiel aufgrund der Tatsache, dass
die äußere Schicht
eine andere Zusammensetzung aufweist, als der Produktkern und das
Anhaften der Überzugsschicht
aus Zink unterstützt,
insbesondere durch eine Verringerung der Siliziumkonzentration auf
der Haut. Bei Langprodukten kann der Stahl zum Beispiel fortlaufend
Kupfer enthalten (CORTEN-Stahl), um Korrosionsprobleme an der Oberfläche zu vermeiden.
So kann man auf teuren Edelstahl verzichten.
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In
dem Verfahren gemäß der Erfindung
entsprechen die Durchflussmengen des Stahls in der Kokille den Standardnormen
der Stahlindustrie. Insbesondere bei Flachprodukten beträgt die Menge zwischen
1,5 und 6 Tonnen/min. und bei Langprodukten zwischen 0,3 und 0,5
Tonnen/min.