DE2329953A1 - Verfahren zur erhoehung der giessgeschwindigkeit und/oder zur verbesserung der gefuegestruktur des giesstranges beim stranggiessen von stahl - Google Patents

Description

PATK NYAN WALTE

DR.-ING. W. STUHLMANN - DIPL.-ING. R. WILLERT

DR.-ING. P. H.OIDTMANN

ϊ2. Juni ;g?3

AKTEN-NR. 49 24 9I3 463BOCHUM, XX/M Postschileefach 24BO Ihr Zeichen Femruf O23S1/14O81

Bergstraße 15Θ Telegr.: Stuhlmannpatent

Paderwerk Gebr. Benteler, 4794 Schloß Neuhaus Kr. Paderborn

Verfahren zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit und/oder zur Verbesserung der Gefügestruktur des Gießstranges beim Stranggießen von Stahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit und/oder zur Verbesserung der Gefügestruktur, insbesondere des Kerngefüges, des Gießstranges beim Stranggießen von Stahl durch kontinuierliche, dosierte Zugabe von fein zerteiltem festem Eisen zum Gießstrahl im Bereich der oder nur wenig oberhalb der Stahlbadoberfläche innerhalb der Gießkokille.

Beim Stranggießen von Stahl ist es eine bekannte Erscheinung, daß insbesondere im Kernbereich des Gießstranges Fehler in Form von Lunkern und vom sogenannten "Kernlunker" ausgehenden Rissen auftreten, die im wesentlichen auf der Volumenkontraktion des Gießstranges beim Erstarren beruhen. Diese Fehler treten bevorzugt bei höheren Gießgeschwindigkeiten und größeren Formatabmessungen auf. Hierbei wird durch die große Sumpflänge und die dabei auftretende Abschnürung durch voreilende Dendriten die Volumenkontraktion durch nachfließende Schmelze nicht mehr kompensiert. Außerdem führt die langsame und nach innen gerichtete Erstarrung zu einem grobkörnigen Dendritengefüge.

Sowohl die Lunker und Risse als auch die Gefügefehler sind deswegen äußerst nachteilig, weil sie sich bei der

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Weiterverarbeitung des Gießstranges durch Walzen od. dgl. nicht befriedigend beseitigen lassen und daher die Qualität des Walzerzeugnisses erheblich beeinträchtigen.

Aus diesem Grunde ist es häufig notwendig, die Gießgeschwindigkeit zu verringern. Auf diesem Wege ist eine bessere Kernverdichtung zu erreichen. Die auf diese Weise erzielbaren Qualitätsverbesserungen haben sich aber nicht als befriedigend erwiesen, zumal aus Wirtschaftlichkeitsgründen höhere Gießgeschwindigkeiten wünschenswert sind.

Um den vorbeschriebenen Mängeln abzuhelfen, ist es bereits bekannt, dem flüssigen Stahl festes Eisenpulver zuzugeben, und zwar bevorzugt in der Weise, daß das Eisenpulver bereits dem Gießstrahl im Bereich der oder nur wenig oberhalb der Stahlbadoberfläche innerhalb der Gießkokille zugeführt wird, derart, daß das Eisenpulver mittelbar über den Gießstrahl in das Stahlbad eingezogen wird. Durch diese Zugabe von Eisenpulver während des Gießens wird infolge der rascheren Erstarrung ein wesentlich kürzerer und damit stumpferer Sumpfkegel innerhalb des Gießstranges erzeugt, so daß der flüssige Stahl leichter von oben her bis zur Spitze hin vordringen und dort besser die Volumenkontraktion kompensieren kann. Eine weitere Folge dieser Maßnahme ist eine entscheidende Kornverfeinerung, insbesondere des Kerngefüges, und damit eine wesentlich gleichmäßigere Verteilung der Seigerungselemente mit der Wirkung, daß sich geringere Konzentrationsunterschiede an Begleitelementen, insbesondere von Schwefel, über den Querschnitt des Strangmaterials einstellen.

Abgesehen davon, daß sich auf diese Weise Gefügefehler sowie Lunker und Risse weitgehend vermeiden lassen,

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liegen weitere Vorzüge dieser "Impfung" mit festem Eisenpulver darin, daß gefahrlos mit höherer Gieiireschwindigkeit gearbeitet werden und der Gießstrang bereits in einem geringeren Abstand unterhalb der Kokille umgelenkt bzw. abgebogen werden kann_a ohne daß die Gefahr von Biegerissen oder gar des Anschneidens des flüssigen Sumpfes beim Zerteilen besteht.

3ei den bekannten Verfahren, die mit der Zugabe von festem Eisen arbeiten, wird das Eisen dem Gießstrahl in Pulverform zugeführt. Dabei geht man davon aus, daß es auf eine möglichst feine Zerkleinerung der zugegebenen Eisenmenge ankommt, um dem flüssigen Stahl spontan die für das Aufheizen des Eisenpulvers von Raumtemperatur auf Schmelztemperatur benötigte Wärme zu entziehen und bei überhitzter Schmelze das Eisenpulver möglichst vollständig aufschmelzen zu lassen, um dem Stahl-zusätzlich auch die dazu benötigte Schmelzwärme zu entziehen. Das zugegebene Eisenpulver umfaßt zwar auch gröberes Korn, weit überwiegend aber feinere Bestandteile bis herunter zur Kornfraktion 0. Dabei herrschte die Vorstellung vor, mit - bezogen auf den gleichen Gewichtsanteil an zugegebenem Eisenpulver - möglichst kleinen Teilchen zu arbeiten, um die Gesamtgröße sämtlicher Oberflächen der Teilchen zu vergrößern und den Kühleffekt dadurch wirksamer zu gestalten.

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Dabei wurde festgestellt, daß sich vermeintlich optimale Verhältnisse dann ergeben, wenn das Eisenpulver dem Gießstrahl mit einem Gewichtsanteil von 1 bis 5 %» bezogen auf den zu vergießenden, flüssigen Stahl, zugegeben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gußgefüge des Gießstranges im Sinne einer fehlerfreien und besonders feinkörnigen Struktur noch weiter zu verbessern und die Gießgeschwindigkeit durch noch schnelleres Abkühlen und Erstarren des flüssigen Stahls innerhalb des Gießstranges weiter zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß das mittelbar über den Gießstrahl in das Stahlbad eingezogene Eisen dem Gießstrahl in einem auf den zu vergießenden flüssigen Stahl bezogenen Gewichtsanteil von 1 bis höchstens etwa 3 %_t vorzugsweise angenähert 2 %, in körniger Form mit einer möglichst einheitlichen Korngröße zwischen etwa 0,2 und 0,8 mm zugegeben wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß trotz einer prozentual kleineren Menge zugegebenen körnigen Eisens die Abkühlungs- bzw. Erstarrungsgeschwindigkeit dadurch erheblich erhöht und zugleich ein noch gleichmäßigeres, feinkörniges Gefüge, auch in der Kernzone, des Gießstranges erreicht werden kann, wenn das Eisen in körniger Form mit einer möglichst einheitlichen Korngröße zugegeben wird, die mindestens 0,2 mm, höchstens jedoch 0,8 mm, beträgt, je nachdem mit welcher Angießtemperatur und mit welchem Reinheitsgrad des zugegebenen festen Eisens gearbeitet wird.

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Es wurde überraschend festgestellt, daß die Einhaltung der angegebenen Korngrößengrenzen für das zugegebene Eisen unter den jeweiligen Bedingungen gewährleistet, daß die Eisenkörner zwar unter Ausübung eines optimalen Kühleffektes abschmelzen, aber gerade nicht vollständig aufschmelzen, sondern im Zeitpunkt des Erreichens der Liquidustemperatur des Stahls im Gießstrang noch kleine feste Einheiten mit einem Kornradius von etwa 10 mm bilden, die unter der Annahme kugelförmiger Teilchen mindestens etwa 1000 Atomen entsprechen.

Dadurch, daß die Korngröße erfindungsgemäß bewußt so gewählt wird, daß ein vollständiges Aufschmelzen der Eisenkörner gerade nicht eintritt, wird zunächst erreicht, daß die dafür eingesparte Schmelzwärme nicht in Form latenter Wärme im Zuge der weiteren Abkühlung des Stranges wieder abgeführt werden muß. Bedeutender ist demgegenüber der weitere wichtige Vorteil, daß alle oder nahezu alle Eisenkörner über ihre Kühlwirkung hinaus als Kristallisationskeime erhalten bleiben, die den Erstarrungsvorgang im Sinne der Ausbildung eines besonders feinkörnigen Gußgefüges beträchtlich beschleunigen.

Selbst eine vergleichsweise geringe Menge von nur angenähert etwa 2 % körnigem Eisen, bezogen auf das Gewicht des zu vergießenden Stahls, bewirkt ein so enormes Angebot an Kristallisationskeimen, daß der allein darauf zurückgehende Beschleunigungseffekt der Erstarrung den auf den reinen Kühleffekt zurückgehenden Anteil wesentlich verstärkt, zumal der reine Kühleffekt bei konstanter Menge zugegebenen körnigen Eisens von der Korngröße unabhängig ist, während der kristallisationsbeschleunigende Effekt allein von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Keime abhängt. Als Kristallisationskeime können die

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zugegebenen Eisenkörner aber nur dann dienen, wenn sie in den angegebenen Grenzen eine solche, möglichst einheitliche Größe aufweisen, daß sie im Zuge ihres Wärmetausches mit dem schmelzflüssigen Stahl gerade nicht vollständig aufschmelzen, sondern oberflächlich nur so weit abschmelzen, daß sie in dem Augenblick, in dem der Stahl im Strang seine Liquidustemperatur erreicht, noch kleinste feste Einheiten bilden, die aus angenähert 1000 Atomen bestehen, d.h. immerhin noch einen Radius von etwa 10 mm aufweisen.

Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß Eisenkörner der angegebenen Korngröße aufgrund des vorbeschriebenen Effektes nicht nur zu einer ungewöhnlich raschen Erstarrung des schmelzflüssigen Stahls innerhalb des Gießstranges führen, die eine gefahrlose Erhöhung der Gießgeschwindigkeit bis zu etwa 50 % zuläßt, sondern darüber hinaus auch ein besonders gleichmäßiges, fehlerfreies und feinkörniges Gefüge ergeben, was offenbar darauf beruht, daß die sämtlich als Kristallisationskeime ausgenutzten Körner das Größenwachstum der Kristalle im Zuge der Erstarrung auf natürliche Weise begrenzen. Alternativ kann bei Verzicht auf eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit unter Anwendung der vorgeschlagenen Technik eine Reduzierung der Spiübwassermenge im Bereich der Sekundärkühlung um bis zu 40 % vorgenommen werden.

Wird die Ausgangskorngröße des zugegebenen Eisenkorns kleiner gewählt, schmilzt das Korn vollständig auf, so daß nur der reine Kühleffekt erstarrungsbeschleunigend wirkt. Der die Erstarrung ebenfalls vorantreibende Effekt der Keimbildung und insbesondere der kornverfeinernde Einfluß der Impfung entfallen hierbei. Die Folge ist eine deutlich schlechtere Gefügestruktur und der Verzicht auf eine spürbare Erhöhung der Gießgeschwindigkeit.

Liegt die Größe der zugegebenen Eisenkörner dagegen oberhalb der angegebenen Grenzen, bleibt zwar die kristaliisa-

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tionsfordernde Wirkung des Einzelkornes grundsätzlich erhalten; in diesem Falle beträgt aber die Anzahl der Körner und mithin der Kristallisationskeime bei gleicher Zusatzmenge nur einen Bruchteil, nämlich bei doppelt so großem Korn nur χχχχ ein Achtel, so daß der sich einerseits aus der Kühlwirkung und andererseits aus der kristallisationsbeschleunigenden Wirkung zusammensetzende Gesamteffekt entscheidend schlechter ist. Dies gilt insbesondere für die Gleichmäßigkeit und Feinkörnigkeit des Gefüges. Außerdem besteht bei Zugabe zu großer Eisenkörner die Gefahr einer Inhomogenität des Gußmaterials, die im Interesse der angestrebten Qualitätsverbesserung erst recht unerwünscht ist.

Bevorzugt sollte für die Eisenzugabe chemisch reines Eisen verwendet werden, wobei in diesem Falle die Körnung im Bereich der unteren Korngrößengrenzen zwischen etwa 0,2 bis 0,5 mm liegen kann. Ist das dem Gießstrahl zugegebene körnige Eisen dagegen nicht ganz, sondern nur weitgehend 0- und C-frei, ist es notwendig oder doch zweckmäßig, eine Körnung zu wählen, die mehr im Bereich der oberen Grenzen von etwa 0,4 bis 0,8 mm liegt.

Generell besteht die Beziehung, daß ein höherer Grad an Verunreinigungen des zugegebenen Eisens, insbesondere in Form von C, durch entsprechende Kornvergröberung kompensiert werden muß.

Eine ähnlich Abhängigkeit besteht auch hinsichtlich der Höhe der Angießtemperatur, und zwar in dem Sinne, daß die Korngröße des zugegebenen Eisens um so größer sein muß, je höher die Angieß- bzw. Anfangstemperatur liegt. Bei höheren Angießtem-

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peraturen muß die Korngröße deswegen größer gewählt werden, weil dabei in höherem Maße die Gefahr besteht, daß die zugegebenen Eisenkörner im Zuge des Wärmetausches mit dem schmelzflüssigen Stahl ganz aufschmelzen, statt als Kristallisationskeime erhalten zu bleiben.

Bei einer Angießtemperatur zwischen etwa 1500⁰C bis 155O⁰C sollte sich die Korngröße daher mehr dem unteren Grenzwert von etwa 0,2 mm nähern, wohingegen bei höheren Angießtemperaturen über 1550⁰C Korngrößen gewählt ¹ dem oberen Grenzwert von 0,8 mm nähern.

raturen über 155O°C Korngrößen gewählt werden, die sich mehr

Schließlich ist es zweckmäßig, mit zunehmender überhitzung des schmelzflüssigen Stahls und abnehmender Zugabemenge an körnigem Eisen auf gröberes Korn überzugehen, um die doppelte Aufgabe des zugegebenen körnigen Eisens optimal zu erfüllen, nämlich einerseits den Kühleffekt und andererseits den kristallisationsbeschleunigenden Effekt, die erst gemeinsam sowohl zu der schnelleren Erstarrung und damit zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit als auch zugleich zu der angestrebten Qualitätsverbesserung, insbesondere des Kerngefüges, des Gießstranges führen.

In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Gießkokille sowie

den Gießstrang und
Fig. 2 den Kurvenverlauf der Radiusveränderung des

einzelnen Eisenkorns als Funktion der Zeit.

In Fig. 1 sind der Gießstrang mit 1, die Gießkokille mit 2 und die an ihrem unteren Ende angeordneten Führungsrollen mit 3 bezeichnet. ^₀₉₈₈₂ZOOSO

Der aus der über der Kokille 2 angeordneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Gießpfanne ausfließende Gießstrahl ist mit k bezeichnet und die Oberfläche des Stahlbades innerhalb der Kokille 2 mit 5-

Der Pfeil X deutet schematisch die Zugabe des körnigen reinen Eisens zum Gießstrahl 4 an, über welchen die zugegebenen Eisenkörner in das Stahlbad innerhalb der Kokille 2 tief hineingezogen und möglichst gleichmäßig verteilt werden.

Der prozentuale Gewichtsanteil des auf diese Weise zum Gießstrahl H zugegebenen körnigen Eisens beträgt, bezogen auf die zu vergießende, flüssige Stahlmenge, zwischen etwa 1 bis 3 X₁ bevorzugt nur angenähert etwa 2 %.

Das körnige Eisen kann dem Gießstrahl in beliebiger, auch bekannter Weise unter dem Druck eines Inertgases, wie Argon od.dgl., und zwar mit einem Druck von etwa 0,01 bis 0,1 atü, zugegeben werden, wobei der Winkel zwischen dem Gießstrahl und dem durch das Druckgas zugeführten körnigen Eisen zweckmäßig zwischen etwa 15° und 25° beträgt. Die Zuführung erfolgt zweckmäßig so, daß das körnige Eisen erst im Bereich der Stahlbau-Oberfläche 5 von dem Gießstrahl aufgenommen und mitgerissen wird, doch kann die Zuführungsstelle auch geringfügig oberhalb der Stahlbadoberfläche liegen, nämlich bis maximal etwa 50 mm.

In Fig. 1 ist der normale Strangschalenverlauf gestrichelt veranschaulicht, und es ist erkennbar, daß auf diese Weise ein sehr langer und verhältnismäßig spitzwinkliger Sumpfkegel 6 aus schmelzflüssigem Stahl innerhalb des Gießstranges entsteht. Der strichpunktiert quer schraffierte innere Bereich

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der Strangschale deutet denjenigen Bereich an, in dem normalerweise das sehr grobkörnige, nach innen zu gerichtete Dendritengefüge entsteht bzw. anwächst, das bei sehr spitzwinkligem Sumpfkegel das Nachfließen des schmelzflüssigen Stahls zur Spitze hin erschwert und dadurch die Kompensation der Volumenkontraktion verhindert, wie sie für die Ausbildung eines einwandfreien Kerngefüges Voraussetzung ist.

Mit ausgezogenen Linien ist in Pig. I der wesentlich verkürzte und entsprechend stumpfwinklige Sumpfkegel 7 angedeutet, der sich bei der Zugabe von körnigem Eisen mit einer im wesentlichen einheitlichen Korngröße zwischen etwa 0,2 und 0,6 mm einstellt. Auf diese Weise wird im Zuge einer beschleunigten Erstarrung des Stranginneren nicht nur sichergestellt, daß der noch schnelzflüssige Stahl einwandfrei zur Spitze des Sumpfkegels hin vordringen kann und dadurch die Volumenkontraktion einwandfrei kompensiert wird, sondern außerdem die Ausbildung eines besonders feinkörnigen und zudem gleichmäßigen Kerngefüges begünstigt, da die zugegebenen Eisenkörner der angegebenen Größe nicht völlig aufschmelzen, sondern nur bis zu einer kleinsten Größe von etwa 1000 Atomen abschmelzen und dann Kristallisationskeime bilden, die im Zuge ihres weiteren Anwachsens aufgrund ihrer Anzahl und Verteilung das Größenwachstum gegenseitig begrenzen.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Radiusänderung des Eisenkorns als Funktion der Zeit, bezogen auf den Fall dargestellt, daß die Angießtemperatur 157O°C xxxxxxx und die kontinuierlich zugegebene Menge an körnigem Eisen 2 %_t bezogen auf das Gewicht des zu vergießenden schmelzflüssigen Stahls, beträgt. Der von der Erfindung umfaßte Bereich der Korngröße von 0,2 bis 0,8 mm, entsprechend einem Kornradius von 0,1 bis 0,4 mm, ist in der

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Kurve schraffiert veranschaulicht und mit dem Ausgangsradius r bezeichnet.

Von der Zugabe im Zeitpunkt t bis zur Zeit t,. schmilzt das einzelne Eisenkorn im Bereich A oberflächlich ab, wobei sein Radius bis auf 10 mm abnimmt. Bei t. hat der Stahl zumindest seine Liquidustemperatur erreicht, ist jedoch wahrscheinlich bereits unterkühlt, so daß das Eisenkorn im weiteren zeitlichen Verlauf innerhalb des Bereiches B bis zum Zeitpunkt tpj gespeist durch die umgebende Schmelze, größer wird, bis es im Bereich C ab t~ auf die gleichfalls wachsenden Nachbarkörner stößt und in seiner Größe festliegt.

Mit I ist in Fig. 2 in strichpunktierten Linien der Kurvenverlauf für ein Eisenkorn veranschaulicht, dessen Ausgangsgröße nur etwa halb so groß ist. Wie ersichtlich, schmilzt das Korn bis zum Zeitpunkt t. vollständig auf, so daß eine keirabildende, kristallisationsfordernde Wirkung entfällt.

Den Fall des gegenüber dem erfindungsgemäßen Korn doppelt so großen Korns veranschaulicht die gestrichelte Linie der Kurve II. Wie ersichtlich, bleibt die kristallisationsfordernde Wirkung des Einzelkorns dabei zwar voll erhalten, in

bei
diesem Falle ist aber/gleicher Menge zugegebenen körnigen Eisens die Anzahl der Körner nur noch xxxx gleich dem achten Teil, so daß die kristallisationsfördernde Wirkung entsprechend begrenzt ist und außerdem eine erheblich gröbere Gefügestruktur mit den daraus folgenden Qualitätsverschlechterungen entsteht.

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Claims (6)

AKTEN-NR. ilQ/pÜQ-1^ 463BOCHUM. 12.JlW Hy/cL^yXJ Postschließfach 24.BO .._... Fernruf O2321/14O61 Telegr.: Stuhlmannpatent Paderwerk Gebr. Benteier, 4794 Schloß Neuhaus, Kr. Paderborn - Λ- Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Gießgeschwindigkeit und/oder zur Verbesserung der Gefügestruktur, insbesondere des Kerngefüges, des Gießstranges beim Stranggießen von Stahl durch kontinuierliche, dosierte Zugabe von fein zerteiltem, festem Eisen zum Gießstrahl im Bereich der oder nur wenig oberhalb der Stahlbadoberfläche innerhalb der Gießkokille, dadurch gekennzeichnet, daß das mittelbar über den Gießstrahl (4) in das Stahlbad eingezogene Eisen dem Gießstrahl in einem auf den zu vergießenden flüssigen Stahl bezogenen Gewichtsanteil von 1 bis höchstens etwa 3 %₃ vorzugsweise angenähert 2 %₃ in körniger Form mit einer möglichst einheitlichen Korngröße zwischen etwa 0,2 und 0,8 mm zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß als Eisenzugabe chemisch reines Eisen mit einer Körnung zwischen etwa 0,2 bis 0,5 mm verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch l,dad urch gekennzeichnet , daß dem Gießstrahl körniges, weitgehend 0- und C-freies Eisen mit einer Körnung von etwa 0,4 bis 0,8 mm zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Korngröße des dem Gießstrahl (4) zugegebenen Eisens innerhalb der Korngrößengrenzen von 0,2 bis 0,8 mm mit höherer Angießtemperatur größer und mit

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niedrigerer Angießtemperatur kleiner gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß bei-einer Angießtemperatur zwischen etwa 150O⁰C bis 158O°C Eisen solcher möglichst einheitlichen Korngröße gewählt wird, die sich im Bereich einer Angießtemperatur von 1500⁰C bis 1550⁰C dem unteren Grenzwert von 0,2 mm und im Bereich einer Angießtemperatur von 155O⁰C bis 158O⁰C mehr dem oberen Grenzwert von 0,8 mm nähert.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der dem Gießstrahl (4) laufend zugeführten Eisenkörner und die möglichst einheitliche Körnung desEisens in einem Korngrößenbereich von etwa 0,2 mm bis 0,8 mm in Abhängigkeit von der Höhe der Angießtemperatur und dem Grad der Verunreinigung der Eisenkörner derart aufeinander abgestimmt werden, daß die mit dem Gießstrahl (4) in das Stahlbad der Kokille (2) eingezogenen Eisenkörper ganz oder doch weit überwiegend nicht auf-, sondern nur abschmelzen und dadurch im Zeitpunkt der Erreichung der Liquidastemperatur des Stahls im Gießstrang (1) noch kleinste feste Einheiten mit einem Radius von etwa 10 mm bilden.

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