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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Gußform mit
besseren Kontakteigenschaften zum Stranggießen von Stahlplatten mit einer
Dicke im Bereich von 50–120
mm, die sich insbesondere zu dünnen
Streifen mit Stärken
von weniger als 1 mm auswalzen lassen.
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Im
deutschen Patent 887990 wird eine wassergekühlte Gußform zum Stranggießen von
Metallplatten beschrieben, bei welcher die obere Einlaßzone im
wesentlichen eine Trichterform mit zentraler Aufweitung aufweist,
in welche sich das eingetauchte Ventil öffnet, welche sich sodann über die
Länge der Gußform nach
unten allmählich
verjüngt,
wo dann ein gutes Stück
vor dem eigentlichen Auslaß eine
Breite erreicht wird, welche gleich der Dicke der die Gußform verlassenden
Platte ist.
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Das
nachfolgende europäische
Patent 0149734 hatte das Ziel, im Bereich nahe den Schmalseiten,
zu denen die größeren Seiten
konvergieren, eine Verfestigung zu vermeiden, welche als Ergebnis
davon auftritt, daß die
Gußform
infolge der schräg
verlaufenden Wände
der Trichterform zu den kleineren Seiten hin enger wird, was auch
dazu führt, daß der Fluß der Schmelze
abreißt.
Dieses Problem wurde dadurch gelöst,
daß an
der Seite der trichterförmigen
Gußformzone
die größeren Seitenwände flach
und parallel zueinander verlaufen. Seitlich zu der Austiefung in
der Mitte weist diese Art von Gußform jedoch Turbulenzprobleme
in den Abschnitten mit parallel verlaufenden Wänden auf, indem sich erwünschte Rückflußwirbel
nicht mehr ausbilden, die ausgehend vom eingetauchten Ausguß von aufwärts gerichteten
Strömen
geschmolzenen Metalls verursacht werden. Die sich daraus ergebenden
Folgen wirken sich nachteilig auf die Oberflächenqualität des Fertigprodukts aus und
beeinträchtigen
wegen des im Stahl eingeschlossenenen Pulvers insbesondere ultradünn gewalzte
Produkte.
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Aus
der DE-A-4031691 ist eine Gußform
für dünne Platten
bekannt, mit einer zentralen Aushöhlung oder Austiefung in den
beiden einander gegenüberstehenden
Formplatten, welche ausgehend von der Einlaßzone der Gußform bis
etwa zur halben Höhe
einen im wesentlichen senkrechten Abschnitt aufweisen, worauf sich
dann am Endabschnitt des Gußformausgangs
ein gekrümmtes
Profil anschließt, welches
einen Krümmungsradius
für die
Innenwölbung
aufweist, der gleich dem Krümmungsradius
für die
Außenwölbung vermindert
um die Dicke der dünnen
Platte ist.
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Es
erwies sich jedoch, daß eine
Gußform
mit solcherart geformten Platten nicht in der Lage war, das Problem
einer möglichen
Loslösung
des Gießprodukts
von den Wänden
in den Bereichen mit plötzlicher
Krümmungsänderung
zu lösen,
obwohl sie gegenüber
früheren
Gußformen,
insbesondere in Bezug auf gleichmäßige Kühlung, gewisse Vorteile aufwies.
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Dies
bedingt eine Diskontinuität
in Längsrichtung,
welche nicht nur ein ungleichmäßiges Abkühlen, sondern
auch jeweils an den Innen- und Außenwölbungen lokale mechanische
Druck- und Zugspannungen zur Folge hat, mit der Möglichkeit
von Rissen und Brüchen
der Gußhaut
in den am meisten beanspruchten Bereichen bis hin zu sog. "break-outs". Um diese Schwierigkeiten
zu vermeiden, wurde im italienischen Patent unter dem Namen desselben
Anmelders das Längsprofil
der Gußform geändert, so
daß sich
der senkrechte Abschnitt der beiden Formplatten aus einer bestimmten
Anzahl von miteinander verbundenen Krümmungslinien mit nach oben
zunehmenden, bis fast zu einem unendlichen Wert reichenden Krümmungsradien
und einer am Einlaß senkrechten
Tangente zusammensetzt.
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Ungelöste Turbulenzprobleme
am Gießspiegel
waren ferner Gegenstand der Patentanmeldung MI 96A002336 im Namen
desselben Anmelders, in welchem unter Bedingungen hoher Gießgeschwindigkeit
optimierte Parameter vorgeschlagen wurden, und zwar in Form von
Verhältnissen
der zwischen dem eingetauchten Ausguß und den großen Seiten eingeschlossenen
Fläche
zu den restlichen Flächenabschnitten
des gleichen Querschnitts sowie zwischen dem eingetauchten Ausguß und den
kleineren Seiten, und entsprechende Parameter für diese Bereiche, womit versucht
werden sollte, das Verhalten des Gießspiegels zu verbessern, ohne
daß sich
die Plattenprofile im horizontalen Querschnitt ändern.
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Weitere
Gußformen
zum Stranggießen
sind beispielsweise aus EP-A-065887 und DE-C-4403045 bekannt, die erste mit den großen Seiten
in Form von im Querschnitt konvexen Kreisbögen und die zweite mit konstanter
Aushöhlung,
wobei aber keine von beiden einen optimalen Kontakt mit der Gußhaut der Platte
aufweist. Gleiches läßt sich
von der veröffentlichten
japanischen Anmeldung Nr. 51-112730 sagen, in welcher vorgesehen
ist, daß die
Gußform
mit großen
einander gegenüberstehenden
Seiten ein gekrümmtes
bzw. konkaves oder konvexes, in Bezug auf zwei rechtwinklig aufeinanderstehenden
Mittelachsen symmetrisches und an seinen Enden mit einem geradlinigen
Profil verbundenes Profil aufweist.
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Auch
die EP-A-0611619 offenbart eine Gußform zum Stranggießen mit
einer zentralen Aushöhlung
von konvex-konkaver Form, wobei das Verhältnis von konvexem Radius zu
konkavem Radius zwischen 1,5 und 3,0 liegen sollte. Die Größe der Aushöhlung nimmt
zum Auslaß der
Gußform
hin ab, der Radius der zentralen Aushöhlung wächst aber nicht ständig zum
Gußformauslaß hin, er
bleibt vielmehr über
einen Teil des Endabschnitts konstant. Die Tatsache, daß sich der
Radius nicht stetig ändert
und die Seitenschnitte beider großen Seiten parallel zueinander
angeordnet (und daher nicht gebogen) sind, bedingt, daß die Führung der
Gußhaut
der Platte diskontinuierlich ist, während der Kontakt mit den Formplatten
aufrechterhalten wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gußform zur
Verfügung
zu stellen, bei welcher ein ständiger
Kontakt mit der Gußhaut
einer Platte an jedem Punkt von horizontalen und vertikalen Querschnitten
während
des Abziehens der Platte aufrechterhalten werden kann. Damit wird
ein homogenes Abkühlen
ermöglicht,
womit sich sowohl eine gleichförmige
Dicke der Haut längs
des gesamten Profils desselben Querschnitts sowie eine ständige Änderung
der Dicke entsprechend der Höhe
des sich ändernden
Querschnitts erzielen lassen, wobei diese Bedingungen ideal sind,
um Schrump fungen und unvermeidbare unregelmäßige Belastungen zu vermeiden,
die zu Längsrissen
auf der Plattenoberfläche führen.
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Es
ist ferner wünschenswert,
in Höhe
des Gießspiegels
an den Wänden
der Gußform
weniger aufwärts
fließende
Ströme
von Stahl zu erhalten, so daß an
diesen Wänden
nur wenig stationäre
Wellen auftreten, was beträchtliche
Vorteile für
die Oberflächengüte des Fertigprodukts
mit sich bringt.
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Die
Lösung
der Aufgabe wird mittels einer besonderen konkaven Ausbildung der
Gußform
erreicht, welche den großen
Flächen über konkav-konvexe
weite Krümmungen
eine definierte Konizitäz verleiht
(und daher nicht rein konkav oder konvex ist, wie in der obigen
japanischen Schrift), welche die Schmalseiten mit der zentralen
geradlinig profilierten Zone der Austiefung verbinden.
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Allgemein
weist die erfindungsgemäße Gußform die
Merkmale des Anspruchs 1 auf und die besonders bevorzugten Ausführungsformen
die einschränkenden
Merkmale der abhängigen
Ansprüche.
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Diese
und weitere Zwecke, Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen verbesserten Gußform werden
anhand der folgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
besser verständlich,
welche unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen als nicht
beschränkendes Beispiel
aufzufassen ist.
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1 stellt
eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gußform dar.
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2a und 2b zeigen
schematische Ansichten nur für
die Bogenflächen
der Außenplatten von
zwei Gußformen
mit unterschiedlichen Profilen eines vertikalen Schnitts entlang
einer durch die Mittelachse X-X in 1 verlaufenden
vertikalen Ebene; zur Verdeutlichung des Austiefungsgrades sind gemäß einer
ersten Ausführungsform
einige Radien gemäß dem italienischen
Patent 1265065 bzw. ein Abschnitt mit geradlinig verlaufendem Profil
eingetragen.
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3a und 3b zeigen, ähnlich wie
in den 2a und 2b, einen
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
kontinuierlich nach unten abnehmenden Grad für die Austiefung.
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4 zeigt
eine schematische Draufsicht auf die Gußform-Platten der 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
für das
Horizontalprofil, welches senkrecht auf den Schnittbildern der 2 und 3 steht.
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5 zeigt
eine geometrisch genauere Draufsicht auf die Gußform-Platte einer anderen Ausführungsform
für ein
Horizontalprofil.
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Wie
aus den Zeichnungen ersichtlich, besteht eine erfindungsgemäße Gußform aus
zwei einander gegenüberstehenden
Kupferplatten mit Innenseiten, welche außer einer zentralen Austiefung
unterschiedlicher Größe a auch einen unterschiedlichen
senkrechten Verlauf haben können,
wie dies beispielhaft in den 2a, 2b,
und 3a, 3b wiedergegeben ist. Diese
Platten, insbesondere ihre aktiven Innenflächen oder "großen
Flächen" F, werden mit Wasser
gekühlt
und sind seitlich von zwei "schmalen
Flächen" f, welche auch als
Schultern bezeichnet werden, eingefaßt, wobei ihr Abstand die Breite
der Platte bestimmt.
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Wie
aus 4 ersichtlich, weisen erfindungsgemäß die großen Flächen F einen
Mittelabschnitt Ce mit der reduzierten Länge 2t1 auf, welcher eine geradlinige
oder gekrümmte
oder in Bezug auf die Innenseite der Gußform eher konkave Form hat, welche
durch Schlagen eines Kreises mit dem Radius rc ≥ 10 m um den Mittelpunkt Oc auf
der querverlaufenden Mittelachse X-X darstellbar ist. Ist rc = ∞, weist
Ce einen geradlinigen Verlauf auf, wobei die Länge t1 entspricht, was in 4 als
durchgehende Linie eingezeichnet ist, wobei rc bei endlichen Werten
einen mehr oder weniger gekrümmten
Verlauf nimmt, wie dies in 5 oder mit
der gestrichelten Linie in 4 gezeigt
ist. In jedem Falle ist rc eine konstante Größe und der Mittelpunkt Oc bleibt
für jeden Gußformquerschnitt
gleich, während
der Abschnitt Ce in Bezug auf eine senkrechte Ebene, die durch eine
rechtwinklig auf X-X stehende Mittelachse Z-Z verläuft, zum
Mittelabschnitt der gegenüberliegenden Fläche symmetrisch
ist.
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Wie
aus 4 ersichtlich, sind die Längen Ce jeweils in Bezug auf
die Mittelebene X-X symmetrisch und mit den schmalen Flächen f zu
beiden Seiten über
konkav-konvexe weite Krümmungen
verbunden, wobei für
den Innenteil der Gußform
die Mittelbereiche Ce die einzig möglichen parallel verlaufenden
Strecken darstellen, wenn sie bei rc = ∞ ein geradliniges Profil aufweisen.
Ausgehend vom Teilstück
Ce ist für
jeden horizontalen Querschnitt der Gußform zunächst ein mit Ce verbundener
konkaver Bogen auszumachen, dessen Mittelpunkt O1 auf einer Geraden
X1 liegt, welche mit der Achse X-X einen Winkel α ≥ 0° bildet. Dieser konkave Bogen
setzt sich bis zu einem Abstand t2 von der mittleren Querachse X-X
fort, d.h. bis zu einem Wendepunkt β, wo dann die Kurve konvex wird
mit einem Krümmungsmittelpunkt
O2, welcher O1 gegenüber
und auf einer mit der Achse X-X einen Winkel γ ≥ 0° bildenden Geraden X2 liegt.
Die Krümmungsmittelpunkte
O1 und O2 liegen in derselben Ebene und die Radien r1 und r2 stehen
im gegenseitigen Verhältnis
von 0,6 bis 1,4. Liegt das Verhältnis
r1 : r2 außerhalb
dieses Bereichs, ist die Krümmung
im Abstand t1 (r1 : r2 ≤ 0,6) oder
nahezu im Abstand t3 von der Achse X-X (r1 : r2 ≥ 1,4) zu groß und bietet nicht den besten
Kontakt zwischen der äußeren Oberfläche (Haut)
der Platte und den Kupferplatten, wodurch Risse entstehen, die zu
Durchbrüchen
führen
können,
ganz abgesehen von den negativen Auswirkungen auf die Qualität des Stahls.
Das Verhältnis
ist vorzugsweise 1, wobei bei jedem horizontalen, bei jeder Höhe längs der
y-Achse in 1 genommenen Querschnitt der
Gußform die
beiden Radien gleich sind: r1 = r2 = r. In diesem Falle sind auch
die Winkel α und γ gleich.
Die Werte für
r1 und r2 nehmen bei nach unten zunehmendem y-Wert in allen Fällen zu.
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Nach
einer in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung (die Plattenprofile in horizontalem Querschnitt gesehen),
wo r1 = r2 = r, liegen die Wendepunkte β zwischen konkavem und konvexem
Abschnitt mit dem Abstand b in
der Mitte zwischen dem Anfang der schmalen Fläche f und dem Ende des Mittelabschnitts
Ce, der sich von der Mittelachs X-X nach beiden Seiten jeweils um
den Abstand t1 erstreckt (wenn rc = ∞, beträgt seine Länge 2t1). Folglich ist in diesem
Falle b = t2 – t1,
wobei t1 der Abstand des Wendepunktes β von der querverlaufenden Mittelachse
X-X ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß wenn rc → ∞, die Winkel α und γ Null sind, d.h.
daß die
Geraden X1 und X2, auf denen die Mittelpunkte O1 und O2 liegen,
bei geradlinigem Verlauf des Abschnitts Ce parallel zur Achse X-X
ausgerichtet sind, wie dies aus 4 entnommen
werden kann.
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Aus
dem Vorhergehenden folgt, daß der
gesamte aktive Teil der großen
Flächen
mit der Austiefung zusammenfällt,
welche in Bezug auf die Achse Z-Z längs des Abschnitts t3 im wesentlichen
symmetrisch und in Bezug auf die Mittelachse X-X streng symmetrisch
verläuft:
die Größe der Austiefung
kann als übereinstimmend
mit derjenigen der Gußform
betrachtet werden, wenn die schmalen Flächen f im Abstand t3 von der
Mittelachse X-X angeordnet sind.
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Wie
außer
der 4 noch in den 2a, 2b und 3a, 3b gezeigt,
hat die Austiefung die Größe a mit
a = Xc – Xb,
wobei Xc und Xb die jeweiligen Abstände des inneren Seitenprofils
der Gußform
(im Abstand t3 von der Achse X-X) und des tiefsten Teils der Austiefung
bei t1 von der senkrechten y-Achse bedeuten, welche als übereinstimmend mit
der Außenwand
der Platte angesehen wird. Wie z.B. im italienischen Patent 1265065 ändert sich
in senkrechter Richtung ihr Wert und nimmt bis zu einer bestimmten
Höhe der
Gußform
ab (in den 2a und 2b als
ybc bezeichnet), ab welchem sie (immer wenn a ≤ 5 mm) bis zum Auslaß konstant
bleibt. Vorzugsweise soll jedoch der Betrag a für die Austiefung vom oberen
oder Einlaßabschnitt
an mit y = 0 bis zum Boden- oder Auslaßabschnitt mit einer Resttiefe ≤ 5 mm kontinuierlich
kleiner werden, wie dies in den 3a und 3b gezeigt
wird.
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Es
ist anzumerken, daß in
den 2a und 2b für die unterhalb
von ybc gelegenen Höhen mit
konstantem a ≤ 1,75
mm sowie für
die Form des Mittelabschnitts Ce (geradlinig oder konkav) jeweils ein
weiterer Verbindungsabschnitt mit (nicht gezeigtem) konstantem Radius
mit einem gegenüber
O2 gelegenen Krümmungsmittelpunkt
vorgesehen ist, der vom Einlaß,
d.h. y = 0, bis zum Formgußauslaß reicht
und sich nicht parallel zwischen dem konvexen Verbindungsabschnitt
mit O2 als Mittelpunkt und dem Endabschnitt der großen Fläche F erstreckt.
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Es
ist ferner darauf hinzuweisen, daß gefunden wurde, daß bei t3
als halber Länge
für die
Austiefung, der Betrag für
die Austiefung a und möglicherweise
der Wert für
den Radius r = r1 = r2 (wie weiter unten gezeigt wird) vorzugsweise
vom Abstands t3 – t1
(welcher mit 2b zusammenfällt,
wenn r1 = r2) abhängen.
Ein Guß ist
in der Tat nur möglich, wenn
am Einlaß,
(d.h. y = 0), wo die Austiefung am größten ist, a ≤ 0,15 (t3 – t1) ist.
Würde für die großen Flächen das
Verhältnis
zwischen der Größe der Austiefung
und der Krümmunglänge der
Austiefung, über welche
der Mittelabschnitt Ce mit den schmalen Flächen verbunden ist, diesen
Wert überschreiten,
wäre der
Guß ernstlich
beeinträchtigt.
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Es
ist ferner bevorzugt, daß der
Wert a für
die Austiefung, welcher sich entweder über die gesamte Tiefe der Gußform oder
möglicherweise
nur über
einen beschränkten
Abschnitt vom Einlaß bis
zu ybc (2a, 2b) kontinuierlich ändert, umgekehrt proportional
zum Niveau y ist, indem er abnimmt, wenn sich der Wert für das Niveau
nach unten vergrößert, wobei
insbesondere der zweite Fall bevorzugt ist, wo am Einlaß bei y
= 0 gilt: a ≤ 0,1
(ybc).
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Bleibt
man innerhalb dieser Grenzen mit den daraus folgenden Krümmungsradien,
dann ist sichergestellt, daß die
Platte in der Vorwärtsbewegung
in Gußrichtung
immer schmalere Abschnitte vorfindet, was den Vorteil bietet, daß dies mit
der normalen Schrumpfung des Materials einher geht, wodurch ein Ablösen von
den Wänden
vermieden wird. Außerdem
wirken pulverförmige
Gußzusätze, die
einen Schmierfilm erzeugen, besser, wenn parallele Seitenzonen fehlen,
welche Rückflußwirbel
von geschmolzenem Stahl vermeiden sollen, die ausgehend vom eingetauchten
Ausguß von
aufwärts
gerichteten Strömen
verursacht werden, was zu unerwünschten
Turbulenzen führt.
Insbesondere wenn die Oberflächenqualität eine Rolle
spielt, wirkt sich das Fehlen von Turbulenzen, welches zu pulverförmigen Einschlüssen in
der Schmelze führt,
mit den bekannten Folgen fatal aus. Wie zuvor erwähnt, kann die
Formel r = (4b2 + a2)/4a,
welche die Abhängigkeit der
Größe a für die Austiefung
vom Abstand b wiedergibt, sehr hilfreich bei der Berechnung der
Krümmungsradien
für die
konkav-konvexen Oberflächen sein,
wenn r = r1 = r2.
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Unter
Heranziehung der obigen Parameter erhält man dann beispielhaft für eine Gußform mit
einer Höhe
von 1 m, einer Länge
von 1 m und einem nicht notwendigerweise geradlinigen Mittelabschnitt von
260 mm, d.h. 2t1, t3 = 500 mm und t1 = 130 mm und es folgt: b = (t3 – t1)/2
= 185 mm.
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Für eine Gußform der
im italienischen Patent 1265065 beschriebenen Art kann erwartet
werden, daß am
Einlaßabschnitt
der Wert für
a ca. 25 mm beträgt,
wobei dieser Wert mit Sicherheit < 0,15·2b (d.h. 55,5
mm) ist. Die obige erste Bedingung für die Größe der Austiefung ist damit
erfüllt.
Der Krümmungsradius
für den
konkaven Verbindungsabschnitt, ebenso wie der entsprechende Gegenradius
für den
konvexen Teil, läßt sich
unter Anwendung der obigen Formel ermitteln:
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Anstelle
eines kontinuierlich abnehmenden Wertes für die Austiefung kann, wie
oben bereits ausgeführt,
davon ausgegangen werden, daß im
unteren Teil der Gußform
ein konstanter Wert für
die Austiefung vorliegt (unterhalb des möglichen ybc-Niveaus bis hinab
zum Boden der Gußform)
(2a, 2b) mit einer Mindesttiefe von
z.B. 0,7 mm (aber jedenfalls ≤ 5,
wie zuvor angegeben), und der Betrag für r ist in diesem Fall 45000
mm, weshalb der Krümmungsradius
in diesem Abschnitt viel größer ist.
Legt man den Wert von a für
diesen Abschnitt zu Grunde, dann ist, wie zuvor festgestellt, ein
weiterer konkaver Verbindungsabschnitt mit einem Abstand t3 von
der Achse X-X in der Außenzone
der Gußform
erforderlich.
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Offensichtlich
nimmt a in jedem Falle bei jeder Höhe der Gußform sich geringfügig unterscheidende
Werte an, wenn man die Innen- oder Außenwölbung berücksichtigt, wobei dann die
Radien r1 und r2 solch leichte Änderungen
wiederspiegeln, wenn man die obige Formel heranzieht.
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Es
ist darauf hinzuweisen, daß die
Länge t1 für den Mittelabschnitt
Ce (gleiches gilt für
den Mittelbogen bei konstantem Radius rc) für alle Horizontalquerschnitte
vom Einlaß bis
zum Boden der Gußform vorzugsweise
gleich ist, daß diese
Länge sich
aber auch graduell über
die Breite der Gußform
oder möglicherweise
auch über
die Höhe ändern kann,
und zwar zunehmend oder abnehmend.
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Wie
sich schließlich
speziell aus 4 entnehmen läßt, trifft
die Bedingung, daß mit
Ausnahme des Mittelabschnitts Ce (welcher mit t1 zusammenfällt, wenn
rc = ∞)
nur nicht-parallele Abschnitte vorkommen, welche allgemein nur für die aktiven
Teile der Gußform
beschrieben wurden, auch vorzugsweise auf den normalerweise inaktiven
Abschnitt der großen
Flächen
F jenseits der Schultern oder schmalen Flächen f zu, welcher durch abgewinkelte,
nach außen
konvergierende Linien dargestellt ist. Mit dieser Maßnahme wird
erreicht, daß unerwünschte Auswärtsbewegungen
der Schultern infolge ferrostatischen Drucks vermieden werden, was
zu einem sog. "Konizitätsverlust" führen kann.
