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Verfahren und Vorrichtung zum Messender Hochtemperatureigenschaften von Formsanden u. a. feuerfesten Baustoffen
Die Werte der heute allgemein eingeführten Methoden der Formsandprüfung werden an kalten Sanden gemessen und können daher nur Formsandeigenschaften vor dem Abguss einer Sandform beschreiben.
Sie ermöglichen jedoch keine zuverlässigen Aussagen über die zu erwartenden Gussfehler, die in der überwiegenden Mehrzahl erst in der Giesshitze entstehen.
Ein grosser Teil der formsandbedingten Gussfehler. beruht auf der Sandausdehnung in der Giesshitze, die sich zusammensetzt aus der allen Stoffen eigenen, aber unterschiedlichen Wärmeausdehnung und jener, die von kristallographischen Umwandlungen, insbesondere die Umwandlung des Quarzes von ss in oc Quarz bei 575oC, herrührt.
Es wurde bereits erkannt, dass die während des Giessvorganges austrocknenden und ausdehnenden Formoberflächen von Nassgussformen Schalen bilden können, indem sich die Formoberflächenschichten bei ungeeigneten Formsanden oder Formsandmischungen in einer Zone mit geringer Festigkeit von Formballen ablösen, weil die Feuchtigkeit, die zufolge der Giesshitze aus der Oberflächenschicht ausgetrieben wurde, als Wasserdampf den porösen Formsand durchstreicht und in kälteren, parallel zur Formoberfläche liegenden Zonen des dahinterliegenden Sandballens kondensiert. Die Festigkeit dieser Kondensationszone, die als Nassfestigkeit bezeichnet wird, ist durch Überfeuchtung und höhere Temperatur geringer als die der angrenzenden heisseren oder kälteren Sandschichten und beträgt als Zugfestigkeit 1/20 - 1/3 der Grünzugfestigkeit.
Man hat schon verschiedentlich versucht, in einem trockenen Sand durch Erhitzung entstehende Kräfte zu messen und auch diesen Werten Rückschlüsse auf das Verhalten des Formsandes beim Giessen zu ziehen. Dazu wurde bereits vorgeschlagen, zylindrische Probekörper in einem Ofen zu erhitzen und die Ausdehnung in axialer Richtung und die Expansionskraft über einen beweglichen Stempel zu messen. Dabei wurde festgestellt, dass die Expansionskraft allgemein mit der Temperatur anstieg, wobei diese jedoch durch Holzmehl und Kohlenstaubzusätze herabgesetzt wurde, während Quarzmehlzusätze die Expansionskraft steigerten. Bei einer andern vorgeschlagenen Prüfmethode wurden zylindrische Prüfkörper von 28 mm Durchmesser und 50 mm Länge in einem elektrischen beheizten Strahlungsofen in zirka 12 min allseitig auf Prüftemperatur gebracht.
Gemessen wurde die Ausdehnung, die Warmverformung und die Warmdruckfestigkeit. Die Belastung der Probe erfolgte hydraulisch und konnte kontinuierlich verändert werden. Es konnten Spannungs-Verformungsdiagramme dargestellt werden. Die Gesamtverformung bis zum Bruch des Prüflings wurde dabei als Warmverformung bezeichnet.
Bei andern Versuchen wurden ebenfalls zylindrische Prüfkörper von 50 mm Durchmesser und 50 mm Höhe allseitig in einem dielektrischen Feld aufgeheizt und Untersuchungstemperaturen von 10000C schon in etwa 3 min erreicht. Hiebei wurde die Ausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur bei etwa 500 g Belastung gemessen. Bisher verwendete kompakte oder hohle zylindrische Prüfkörper mit 28 bzw. 50mm Durchmesser und 50 mm Höhe wurden vor der Prüfung stets getrocknet und nachfolgend minutenlang auf eine bestimmte Temperatur, z. B. 6500C oder 9800C allseitig und möglichst gleichmässig erhitzt. Die verschiedenen Versuchsmethoden lieferten unterschiedliche Aussagen, so dass allgemeingültige Zusam-
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Vielmehr stehen viele der Untersuchungen im Gegensatz zueinander.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Nachteile bisheriger Prüfverfahren zu beseitigen und ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zu schaffen, die eine Prüfung ergibt, die dem Verhalten des Formsandes bzw. einer feuerfesten Auskleidung bei der Erhitzung entspricht oder stark angepasst ist und auch neben der Aufheizung und Auswertung trockener Proben die Aufheizung und Auswertung ausgehend von feuchten Proben innerhalb weniger Sekunden zulässt, um bedingt durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Sandes einen steilen Temperaturgradienten zu erhalten.
Dazu wird zum Messen der Hochtemperatureigenschaften, insbesondere der Druckspannung von Formsanden und andern feuerfesten Baustoffen erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass der Prüfstoff zu einer dünnen, vorzugsweise bombierten Scheibe verdichtet, und diese über ihren gesamten Aussenrand oder über einen Teil desselben eingespannt bzw. gehalten wird, anschliessend die Scheibe nur einseitig erhitzt und die durch die Erhitzung auftretende Aufwölbung infolge der Ausdehnung der Scheibe gemessen wird. Der dünne scheibenförmige Probekörper mit einer Wandstärke von vorzugsweise 2 bis 5 mm kann dabei verschiedene Grundflächen aufweisen, so auch rechteckig sein. Da sich eine flache und erfindungsgemäss nur einseitig erhitzte Sandscheibe od. dgl.
Probe wegen des steilen Temperaturgradienten innerhalb des Prüfkörpers wie ein Bi-Metallstreifen in Richtung der Wärmequelle hin aufwirft, wird die Mess- und gegebenenfalls zusätzlich die Belastungsvorrichtung zwischen der Wärmequelle und dem Prüfkörper liegen. Weil dies in manchen Fällen nicht vorteilhaft sein dürfte und einen technischen Mehraufwand bedeutet, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, dass ein gewölbter Prüfkörper verwendet wird, dessen konkave Fläche erhitzt
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besonders vorteilhaft kugelscheibenförmig.
Die Dicke der erfindungsgemässen Scheibe aus einem verdichteten Formsand, gegebenenfalls mit üblichem Wassergehalt und entsprechend auch den betriebsüblichen oder vorgesehenen Formsandzusätzen oder die Dicke einer sonstigen Probe aus einem feuerfesten Baustoff soll möglichst gering sein, um inner : halb kürzester Zeit eine Durchheizung und damit einen konstanten Messwert zu erhalten. Da aber dünne Sandschpiben nur schwierig gleichmässig zu verdichten sind und auch keine zur Prüfung ausreichende mechanische Festigkeit besitzen, wird weiterhin vorgeschlagen, die Scheibe, insbesondere zur Prüfung feuchter Sande, aus zwei Schichten herzustellen, wobei die der Erhitzungsquelle zugerichtet Seite der Schei- be aus dem Prüfsand und die abgekehrte Seite aus einem Stoff mit keiner oder nur geringer Wärmeausdehnung besteht.
Zweckmässig wird als zweiter Stoff beispielsweise Zirkonsand, Olivinsand oder Chamottegranulat verwendet, wobei diese Stoffe vorzugsweise mit dem Prüfsand gleichzeitig zu einer Scheibe verdichtet werden. Für die Stoffe geringer Wärmeausdehnung sind weiterhin vorzugsweise solche Binder zu wählen, die eine niedrige Nassfestigkeit ergeben, damit die Ausdehnung der Prüfsandsehichten möglichst wenig behindert wird. Da nach diesem Vorschlag allein in der Prüfsandschicht interessierende messbare Druckspannungen entstehen, und diese Prüfsandschicht nur noch etwa 2 mm dick zu sein braucht, kann der erstrebte Messwert in noch kürzerer Zeit und etwa 30 sec erreicht werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Gestaltung des Probekörpers als eine dünne Scheibe sind in hervorragender Weise geeignet, auch die Einflüsse von Schlichten, Schwarzen u. dgl. Überzüge auf die Druckspannung von Formsanden zu messen. Diese Überzüge werden dazu auf die zu erhitzende Fläche des Probekörpers aufgebracht. Ähnlich wie bei Schlichten in Verbindung mit dem Formsand können auch Prüfkörper aus unterschiedlichen Sandschichten aufgebaut sein, wobei die Druckspannung des mehrschichtigen Prüfkörpers Aussagen über die Dehnungsbehinderung bzw. Dehnungsförderung der einzelnen Formsandschichten untereinander zulässt. Auch können die Hochtemperatureigenschaften anderer als mit Tonen gebundenen Sande, wie beispielsweise Kohlesäureerstarrungssand, Zementsand, kunstharzgebundene Sande oder Kerne gemessen werden.
So auch Ofenfutter und Wandauskleidungen aus Stampfmassen und feuerfeste Steine, deren Haltbarkeit weitgehend durch die Druckspannung und das Warmverformungsvermögen dieser Stoffe bestimmt ist. Weiterhin ist das erfindungsgemässe Verfahren durch geeignete Gestaltung des Erhitzungsraumes dazu geeignet, die Druckspannungen der Prüfstoffe, insbesondere solcher, die brennbare oder vergasbare Zusatzstoffe aufweisen, in unterschiedlichen Atmosphären, insbesondere oxydierenden oder reduzierenden, zu untersuchen.
Durch den erfindungsgemässen Vorschlag, zur Messung der Temperatureigenschaften von einer dünnen Scheibe auszugehen und diese einseitig in sehr kurzer Zeit zu erhitzen, wird erreicht, dass die in dem Prüfkörper aus grünem Sand enthaltenen flüchtigen, brennbaren oder verflüssigenden Formsandzusätze mit ihrem Einfluss auf die Hochtemperatureigenschaften ebenfalls berücksichtigt werden.
Weiterhin wird durch eine dünne sehr schnell und einseitig erhitzte Probe ein sehr steiler Temperaturgradienter-
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reicht, der beispielsweise in Übereinstimmung mit den Bedingungen in der Form, insbesondere bei Vorhandensein der stark dehnenden Quarzsande einen starken Ausdehnungsgradienten zur Folge hat, wodurch zwischen den einzelnen Sandkornlagen beträchtliche Verspannungen auftreten und die Hochtemperatureigenschaften insgesamt sehr beträchtlich beeinflusst werden. Durch den erfindungsgemässen Vorschlag, auch Formsande mit üblichem Wassergehalt zu prüfen, wird weiterhin als Folge des sich ändernden Temperaturgradienten eine Kondensationszone erhalten, wobei gerade durch die Übernässung des Sandes in der Kondensationszone die Binderfestigkeit und damit das spätere Warmverformungsvermögen des Sandes beeinflusst wird.
Weiterhin bewirkt die Nassfestigkeit der Kondensationszone eine spezifische Dehnungsbehinderung von trockenen, auf feuchten Sandzonen aufsitzenden Oberflächenschichten.
Die Probekörper können auf üblichen Verdichtungseinrichtungen hergestellt und in die nachfolgende Erhitzungs- und Prüfeinrichtung zur Feststellung der Druckspannung eingelegt werden. Weil dies aber sehr geringe Herstellungstoleranzen erfordert, um genaue Messergebnisse der Druckspannung zu erhalten, wird weiterhin erfindungsgemäss vorgeschlagen, die den Prüfkörper umgebenden Teile der Verdichtungseinrichtung ebenfalls zur anschliessenden Prüfung der Druckspannung zu verwenden. Dadurch ist es weiterhin möglich, die Scheibe relativ dünn auszuführen, weil sie von Teilen der Verdichtungseinrichtung und entsprechend der späteren Prüfeinrichtung dauernd umgeben und in dieser gehalten ist.
Die Prüfeinrichtung besteht vorzugsweise aus Werkstoffen mit sehr geringer Wärmeausdehnung, z. B.
Invarstahl. Weiterhin wird vorgeschlagen, diese während der Messung mit Bauelementen aus Quarzglas zu halten und auch die Übertragungsvorrichtung zur Messuhr od. dgl. Messeinrichtung ebenfalls aus diesen oder andern geringdehnenden Werkstoffen zu gestalten.
Eine erfindungsgemässe Verdichtungs- und Prüfeinrichtung besteht beispielsweise aus einem Kolben mit konkaver Kopffläche und einem den Kolben im Bereich der Kopffläche umgebenden, über die Kopffläche hinausragenden Haltering, der auch zur Führung des Kolbens bei der Druckspannungsprüfung dient.
Der Haltering ist mit einem ringsumlaufenden Auflager für den Prüfkörper versehen, wobei die Fläche des Auflagers schräg ist, damit der Prüfkörper beispielsweise in Gestalt einer Kugelkappe sich rechtwinkelig oder annähernd rechtwinkelig abstützen kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Prüfeinrichtung zur Messung der Druckspannung ruht der Haltering auf vertikal gerichteten Quarzrohren und das weitere, der Wärmequelle gegenüberliegende innerhalb des Kolbens angeordnete Quarzrohr zur Übertragung der Belastung und Dehnung ist im Boden des Kolbens zentriert.
Die einseitige Erhitzung des dünnen Prüfkörpers in Gestalt einer Scheibe oder einer Kugelscheibe kann. auf verschiedene Weise erfolgen, soll aber die gesamte Prüfkörperfläche möglichst gleichmässig erhitzen.
Möglich ist die Erhitzung durch eine elektrische Strahlungsquelle, beispielsweise in Gestalt von Lichtbogenelektroden im nahen Bereich der zu erhitzenden Flächen. Die Erhitzung kann auch durch elektrische Widerstandsdrähte erfolgen und möglich ist die zusätzliche Verwendung von Strahlungsspiegeln, um die zu erhitzende Fläche gleichmässig und schnell aufzuheizen.
Besonders vorteilhaft und einfach ist die Verwendung eines Gasbrenners mit einer Sauerstoff-Leuchtgasflamme, wobei die Zusammensetzung an Rotamessern abgelesen und mit Gashähnen geeicht und einreguliert werden kann.
Die Messung der Dehnung kann ebenfalls auf verschiedene Weise erfolgen. So kann der Betrag der Krümmung der Kugelschale beim Erhitzen und die dabei auftretende Verringerung des Krümmungshalbmessers optisch gemessen werden. Sehr einfach wird die Ausdehnung des Prüfkörpers über ein Quarzglasrohr nach oben auf eine Tastuhr übertragen.
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung von der Erhitzungsquelle durch eine Schutzwandung bzw. ein Schutzgehäuse aus Asbest abgeschirmt.
Eine steigende Belastung der Probe erfolgt über den auf der konvexen Seite der Probe aufliegenden Kolben durch Aufsetzen von Gewichten. Durch Prüfung bei mehreren verschiedenen Belastungen oder durch kontinuierliche Lastaufgabe während des Versuches kann diejenige Last experimentell gefunden oder gra-
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behinderung einem Nomogramm entnommen werden, wenn die Werte der Ausdehnung der betreffenden Prüflast und der Durchmesser der am Kolben der erfindungsgemässen Vorrichtung aufliegenden und sich auf diesen abdrückenden Probefläche in dieses eingesetzt werden.
Eine steigende Belastung kann auch kontinuierlich durch eine z. B. aus Zylinder und Kolben beste-
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hende Zusatzeinrichtung erfolgen, die bei steigendem hydraulischem oder pneumatischem Druck eine zunehmende Last auf den Kolben der erfindungsgemässen Vorrichtung überträgt.
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ausgebildeter Kopffläche zur Aufnahme der kugelschalenförmigen Scheibe aus dem Prüfstoff besteht, deren Rand in einem schräg verlaufenden Widerlager einer den Kolben umgebenden Haltering eingespannt ist und wobei der als Messkopf ausgebildete Haltering nach Art eines Bajonettverschlusses mit Haltebolzen verbunden ist, die an der Bodenplatte eines Wasserbehälters befestigt sind und wobei Kolben, Haltering und Haltebolzen unter Wasser stehen oder von Wasser umgeben sind und die Erhitzung der Prüfscheibe von oben erfolgt und der Kolben mit einer durch die Bodenplatte des Wasserbehälters hindurchragenden und an der Durchtrittsstelle abgedichteten Kolbenstange versehen ist.
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, den Haltering und den Kolben aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kupfer herzustellen, die die von der Erhitzung der Prüfscheibe ausgehende Erwärmung auf das Wasserbad od. dgl. Kühlbad übertragen und das Wasser zum Sieden bringen. Da Wasser bei 1000 siedet und weiterhin ein ständiger Wasserzufluss vorgesehen ist, der einen Wasserspiegel bestimmter Höhe stets halten soll, ergibt sich, dass bei den laufenden Prüfungen die Temperatur der die Scheibe umgebenden Bauelemente stets konstant etwa 1000 beträgt und somit verfälschte Messergebnisse, insbesondere bedingt durch eine Vergrösserung des Aussendurchmessers des die Probescheibe umgebenden Halteringes und somit die Vergrösserung des Krümmungsradius vermieden werden.
Um weiterhin unterschiedliche Messergebnisse durch Verkanten od. dgl. möglichen Unregelmässigkeiten beim Verbinden des Halteringes mit den Haltebolzen auszugleichen, insbesondere das satte Aufliegen der Probescheibe auf der gesamten Kolbenoberseite zu gewährleisten, wird weiterhin vorgeschlagen, dass die aus dem Wasserbehälter herausragende Kolbenstange innerhalb einer axial im Kolben verlaufenden Bohrung lose geführt ist und die Abdichtung der Kolbenstange mit der Bodenplatte des Wasser-
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zusätzlich auch eine Führung der Kolbenstange ausserhalb und/oder innerhalb des Wasserbehälters besonders vorteilhaft ist.
Um die Ausdehnung der Prüfscheibe nach aussen zu unterdrücken und die durch die Unterdrückung innerhalb der Scheibe entstehende Spannung zu kompensieren, wobei die Kompensionskraft ein direktes Mass der Druckspannung ist, wird nach einem weiteren erfindungsgemässen Merkmal zur Messung der Druckspannung vorgeschlagen, dass die Kolbenstange auf die Oberseite und in die Mitte einer Platte drückt, die auf einer weiteren Platte mindestens an ihrem ringsumlaufenden Rand ganz aufliegt und wobei die einander zugekehrten Flächen der Platten geschliffen sind und zwischen den Platten ein Hohlraum vorhanden ist, der über eine Luftleitung mit einem Luftgebläse verbunden ist und wobei in der Luftleitung, die den Hohlraum zwischen den beiden Platten und dem Gebläse verbindet, ein Druckmanometer angeschlossen ist.
Sofern die Probescheibe noch nicht erhitzt ist, übt die Kolbenstange auf die obere Platte keinen Druck aus und die in die Kammer zwischen den beiden Platten durch das Gebläse od. dgl. Luftpumpe eingepumpte Luft entweicht zwischen den beiden Auflageflächen der beiden Platten hindurch nach aussen und da in diesem Fall kein Gegendruck herrscht, ist der Ausschlag am Manometer Null. Werden durch die Erhitzung der Probescheibe über den Kolben und die Kolbenstange die beiden Platten gegeneinander gedrückt, dann wird die zwischen den beiden Platten entweichende Luftmenge geringer und entsprechend entsteht in der Kammer ein Überdruck, der sich auf das Manometer überträgt und dort angezeigt wird.
Nach einem weiteren erfindungsgemässen Merkmal wird vorgeschlagen, die obere und untere Scheibe rund auszuführen und an der oberen Scheibe, an der die Kolbenstange anliegt, zwei getrennte Kammern vorzusehen, die gebildet sind durch in der Unterseite angebrachte, zentrisch zum Mittelpunkt der Platte angebrachte Vertiefungen und wobei jeder in der oberen Platte angeordneten Kammer Luftleitungen zugeordnet sind, die durch die untere Platte hindurchgehen und zum Gebläse führen und wobei in der Verbindungsleitung ein Druckmanometer angeschlossen ist und in der Luftleitung zur äusseren ringsumlaufenden Kammer ein Ventil mit einem Drei-Wege-Hahn angeordnet ist.
Durch diesen Vorschlag ergeben sich mehrere verschiedene Messbereiche, weil beispielsweise die Druckluft in die mittlere Kammer eingeleitet werden kann, die in Abhängigkeit von dem auf die Platte ausgeübten Druck durch den Spalt zwischen den Platten in die äussere Kammer gelangt und dort durch die Abflussleitung nach aussen entweichen kann. Ein grösserer Messbereich wird erhalten, sofern beide Kammern mit Druckluft beaufschlagt werden und ein Entweichen nur durch die Spalte zwischen den Auflageflächen nach aussen mög- lich ist.
Sofern in der Luftleitung, die zur mittleren Kammer führt, ein Zwei-Wege-Ventil angeordnet ist, die einmal die Verbindung mit dem Gebläse zulässt, auf der ändern Seite aber auch die Verbindung mit dem Gebläse sperren kann und die Verbindung von der mittleren Kammer zur Aussenluft freigibt, ist
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mit der vorgenannten Anordnung von zwei verschiedenen Kammern ein dreifacher Messbereich möglich.
Es können auch mehr als zwei Kammern zwischen den Platten vorhanden sein.
Das Gebläse besteht vorteilhaft aus einer Schwingankerpumpe. Um ein Einjustieren der Vorrichtung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, die untere Platte einseitig im Bereich ihres äusseren Randes schwenkbar zu lagern und durch eine am gegenüberliegenden Ende angreifende Schraubspindel anzuheben und abzusenken, so dass dadurch die Kolbenstange angehoben und zur Anlage an den Kolben gebracht wird und auch eine Nullstellung am Manometer bei einem vorbestimmten Druck in den Kammern zwischen den beiden Platten einreguliert werden kann.
Neben Ausdehnungsmessungen der unbelasteten oder gleichmässig belasteten oder verschieden stark belasteten Probe und der quantitativen Bestimmung der Druckspannung können mit der erfindungsgemässen Vorrichtung noch weitere Grössen, wie z. B. die Warmverformung gemessen und mittels einer geeigneten Schreibvorrichtung Spannungsverformungsdiagramme aufgenommen werden. Hiefür wird die Probe nach einer den jeweiligen Erfordernissen entsprechenden unvollständigen bis vollständigen Ausdehnung bis zum Bruch belastet und aus der Kompressibilität das Warmverformungsvermögen ermittelt.
Der mit dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltene Wert der Druckspannung in kg/cm2 ist unter Be- rücksichtigung der Nassfestigkeit ein eindeutiges Mass für die Stabilität der Formraumwände in der Giesshitze. Mit steigender Druckspannung nimmt bei gleicher Nassfestigkeit zur Bildung von Ausdehnungsfeh-
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bestimmt werden.
Es hat sich gezeigt, dass eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren gemessene Druckspannung von 1 kg/cm durch etwa 10 g/cm Nasszugsfestigkeit kompensiert werden muss, damit Sandausdehnungsfehler vermieden werden, wobei die Druckspannung praxisilblicher Formsande im Bereich zwischen 1-10 kg/cm liegt.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 Teile der Rammeinrichtung zum Herstellen des Prüfkörpers, Fig. 2 in der Rammeinrichtung verwendete Teile bei der Prüfung der Hochtemperatureigenschaften des Prüfkörpers. Fig. 3 die unbelastete Probe, Fig. 4 die Belastung einer Probe, die die Ausdehnung teilweise verhindert, Fig. 5 eine in solchem Masse belastete Probe, dass sie an einer Ausdehnung vollständig gehindert wird, Fig. 6 einen Prüfkörper aus zwei Schichten, Fig. 7 eine beispielhafte Darstellung einer gesamten Prüfeinrichtung zur Messung der Druckspannung, Fig. 8 einen senkrechten Schnitt durch eine andere Prüfeinrichtung und Fig. 9 eine Ansicht der mit Kammern versehenen Platte von unten.
Nach Fig. 1 wird in einer Verdichtungseinrichtung mit dem Rammstempel 10 und dem Stempel des Rammgerätes 11, dem Führungsring 12, dem Haltering 13, dem Kolben des Prüfkopfes 14 und dem Rammuntersatz 15 der Prüfsand 16 zu einerdünnen Scheibe verdichtet. Diese Scheibe hat zufolge der konkaven Ausbildung der Kopffläche des Kolbens des Prüfkörpers 14 und der konvexen Ausbildung des Rammstempels 11 die Gestalt einer Kugelschale, wobei sich der Rand der Kugelschale ringsumlaufend an der Schrägfläche 17 des Halteringes des Prüfkopfes 13 abstützt. Der Prüfkörper hat einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 3 mm.
Der Haltering 13 und der Kolben 14 der Rammeinrichtung werden zusammen mit dem eingebetteten Prüfkörper 16 auch zur Prüfung der Druckspannung benutzt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 2 zeigt weiterhin die Lagerung des Halteringes 13 auf Quarzglasrohren 18 und die Übertragung der auf die Probe 16 ausgeübten Belastung über ein Quarzglasrohr 19 und die Übertragung der Ausdehnung des Probekörpers 16 auf eine später im einzelnen noch zu beschreibende Messeinrichtung durch das gleiche Quarzglasrohr 19, das zentrisch innerhalb des Kolbens 14 geführt und dazu im Boden des Kolbens zentriert ist. Mit 20 ist in Fig. 2 schematisch die Erhitzungseinrichtung fürdie einseitige Erhitzung des Prüfkörpers 16 in Gestalt eines Gasbrenners dargestellt. Die Erhitzung beträgt zirka 30 - 40 sec.
Fig. 3 zeigt einen unbelasteten Prüfkörper, der sich frei ausdehnen kann. Die Berührungsstelle zwischen dem Prüfkolben und Kolben ist punktförmig. Die freie Ausdehnung tritt bei der Messung nicht auf, da bereits der Prüfkolben selbst eine Belastung darstellt.
Nach Fig. 4 ist der Prüfkörper mit einer Last P belastet, die die Ausdehnung teilweise verhindert.
Die Berührungsstelle zwischen Prüfkolben und Prüfkörper ist eine Kreisfläche mit dem Durchmesser d.
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Bei der Darstellung nach Fig. 5 ist die auf den Prüfkörper ausgeübte Belastung so gross, dass dieser vollständig an einer Ausdehnung gehindert wird. Die Druckspannungen werden quantitativ durch Umlagerung der einzelnen Quarzkörner abgebaut. Die Probe liegt mit der ganzen Fläche an dem Prüfkolben an.
Fig. 6 zeigt einen aus zwei Schichten bestehenden Prüfsand, wobei die derErhitzungsquelle zugekehr- te Fläche des Prüfkörpers aus dem Prüfsand 16 und die abgekehrte Fläche aus Zirkonsand 21 besteht. Mit 14 ist wieder der Kolben des Prüfkopfes und mit 13 der Haltering bezeichnet. In gestrichelter Linie ist die Kondensationszone mit 22, mit S die Dicke der ausgetrockneten Sandschichten, mit FN die Wirkungsfläche der Nassfestigkeit und mit F die Wirkungsfläche der Druckspannung dargestellt. Die Erhitzung der Formoberfläche erfolgt in Richtung der Pfeile 23.
Fig. 7 zeigt den Gesamtaufbau eines Gerätes zur Messung der Druckspannung. Über die Darstellung in Fig. 2 hinaus ist mit 24 die Messuhr und mit 25 ein Teller mit dem Gewicht 26 dargestellt. 27 bezeichnet die Gashähne zur Regulierung des Verbrennungsgases und des Sauerstoffes für den Gasbrenner 20 und 28 den Rotamesser, um die Zusammensetzung des Verbrennungsgases ablesen und einstellen zu können.
Nach Fig. 8 liegt der Prüfkörper 16, der in vorbeschriebener Weise in dem Haltering 13 eingespannt ist, auf dem Kolben 14 auf, dessen der Krümmung der Scheibe angepasste konkave Oberseite nach oben gerichtet ist. Der Haltering 13 hat einen ringsumlaufenden Flansch 28 und greift nach Art eines Bajonettverschlusses in Ausnehmungen 29 von Haltebolzen 30 ein, die mit einer Bodenplatte 31 über Schrauben 32 verschraubt sind.
Vorteilhaft sind drei Haltebolzen 30 vorhanden, obwohl die Zeichnung einen senkrechten Schnitt darstellt und die Haltebolzen 30 genau gegenüberliegen. Der Kolben 14 und der Haltering 13 bestehen aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kupfer. Die Haltebolzen 30 bestehen aus einem Invarstahl, der bis zu 1000e keine Dehnung hat. Der Kolben 14 hat eine axial verlaufende, nicht durchgehende Mittelbohrung 33, die zu einer Spitze ausläuft. Innerhalb dieser axialen Bohrung ist die Kolbenstange 34 angeordnet, deren Aussendurchmesser geringer als der Innendurchmesser der Bohrung 33 ist. Die Kolbenstange 34 ist an ihrem oberen Ende ebenfalls angespitzt, so dass sie sich am Kolben 14 nur punktförmig abstützt.
Diese Anordnung ist umgeben von einer Behälterwandung 35 zur Aufnahme von Wasser 36, wobei der Behälter 35 einen ständigen, in Abhängigkeit vom Verlust, insbesondere durch Verdunstung, zufliessenden Wassernachschub erhält durch einen Vorratsbehälter 37, der in an sich bekannter Weise dann nachspeist, sofern der Wasserspiegel unterhalb einer Höhe liegt, die dem Ausfluss 38 des Wasserbehälters 37 entspricht.
Die Kolbenstange 34 greift durch den Boden 31 hindurch und ist abgedichtet durch eine Membran aus Gummi 39, die neben der Abdichtung auch ein kräftearmes Durchbiegen nach aussen bei dem Herunterdrücken der Kolbenstange 34 in angegebener Pfeilrichtung 40 ermöglicht. Die Befestigung der Membran mit dem Boden 31 und auch mit der Kolbenstange 34 ist nur schematisch dargestellt.
Die Kolbenstange 34 drückt mit ihrer unteren Spitze auf eine Platte 41, die auf einer weiteren Platte 42 aufliegt. Beide Platten 41 und 42 sind rund und in der Unterseite der Platte 41 sind Kammern 43 und 44 vorhanden und jede Kammer 43, 44 ist an durch die Platte 42 durchgehende Luftleitungen 45 und 46 angeschlossen, die in eine Leitung 47 einmünden, die zu einem Gebläse 48 in Gestalt einer Schwingankerpumpe führt. Weiterhin ist an die Leitung 47 eine Leitung 49 angeschlossen, die zu einem Druckmanometer 50 führt. Zwischen der Leitung 49 und der Pumpe 48 ist noch ein Druckausgleichsgefäss 51 vorgesehen, das vorzugsweise mit Watte gefüllt ist und von der Pumpe 48 ausgehende Druckschwankungen ausgleichen und die Druckluft reinigen soll.
Zwischen der Leitung 46 und der Leitung 47 ist ein Ventil 52 mit einem Drei-Wege-Hahn vorhanden, so dass in Abhängigkeit von der Stellung des Ventils 52 die Leitung 47 mit der Leitung 46 verbunden sein kann, aber auch die Möglichkeit besteht, die Leitung 47 von der Leitung 46 zu trennen und die Leitung 46 mit einer nach aussen führenden Leitung 53 zu verbinden. Dadurch ergibt sich, dass in Abhängigkeit von der Stellung des Drei-Wege-Hahns durch die Pumpe 48 die Kammer 43 allein oder gemeinsam mit der Kammer 44 mit Druckluft beaufschlagt werden kann.
Sofern durch die Pumpe 48 bei entsprechender Stellung des Ventils 52 Druckluft in die Kammer 43 eingeleitet wird, dann strömt diese bei einer Nichtbelastung der Platte 41 durch die feinen Spalte zwischen dem Ring 54 und der Platte 42 in die Kammer 44 und von dort durch die Leitung 46 und Leitung 53 nach aussen. Sollte die Leitung 46 ebenfalls geschlossen sein, was möglich ist, dann entweicht die Luft durch den feinen Spalt zwischen dem Ring 55 und der Oberfläche der Scheibe 42 direkt ins Freie.
Das Manometer 50 zeigt dann keinen Druckausschlag oder nur den Ausschlag für einen geringen Druck, der als Nulldruck der Messung zugrunde gelegt wird. Übt die Kolbenstange in Pfeilrichtung 40 als Folge der Erhitzung der Probescheibe 16 einen Druck auf die Platten 41 aus, denn werden die Platten 41 und 42 in stärkerem Masse aufeinandergepresst und die Möglichkeit der Entweichung der Luft durch die vorgennan-
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ten feinen Spalte wird geringer, u. zw. mit steigender Anpressung der beiden Platten 41 und 42 zueinander. Entsprechend steigt auch der Druck im Manometer, und der Ausschlag des Zeigers 56, der dann seinen maximalen Ausschlag hat, wenn die Druckspannung in der Probescheibe 16 ihren maximalen Wert erreicht hat.
Durch die vorbeschriebenen Leitungen 45 und 46 können beide Kammern 43 und 44unter Luftdruck gesetzt werden, so dass sich dann, abhängig von der beaufschlagten Fläche, ein grösserer Messbereich ergibt. Ein grosser Messbereich wird gewählt, sofern der Prüfkörper, abhängig von seiner Stoffzusammensetzung, hohe Druckspannungen erwarten lässt und ein kleiner Messbereich, sofern die zu erwartenden Druckspannungen im Probekörper 16 gering sind.
Die Platte 42 ist an ihrem äusseren Rand auf einer Schneide 56 gelagert und durch eine Spindel 57, die am andern Ende der Platte 42 angreift, anhebbar oder absenkbar. Dadurch kann der Kolben 14 an der Unterseite des Probekörpers 16 zur Anlage gebracht und gegebenenfalls eine geringevorspannung alsnull- wert, von dem die Messung ausgehen soll, einreguliert werden.
Der Brenner 58 führt vorzugsweise Azetylengas zu und arbeitet nach dem Bunsenbrennerprinzip, so dass die notwendige Luft zum Verbrennen selbsttätig angesogen wird. Es wird die Verwendung eines Gases bevorzugt, da dadurch eine schnelle Aufheizung möglicn ist und Zeit der Aufheizung in etwa der Erhitzungszeit des Sandes einer Giessform beim Einfüllen von flüssigem Metall entspricht. Der Brenner 58 ist schwenkbar angeordnet, um die Probe 16 mit dem Haltering 13 unbehindert einlegen zu können. Beim Einschwenken des Brenners in Arbeitsstellung überfährt dieser eine Zündflamme bzw. einen Zündfunken, so dass die Zündung automatisch erfolgt. Auch wird durch die Schwenkbewegung des Brenners automatisch die Gaszufuhr geöffnet oder gesperrt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Messen der Hochtemperatureigenschaften, insbesondere der Druckspannung, von Formsanden und andern feuerfesten Baustoffen, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfstoff zu einer dünnen, vorzugsweise bombierten Scheibe verdichtet und diese über ihren gesamten Aussenrand oder über einen Teil desselben eingespannt bzw. gehalten wird, anschliessend die Scheibe nur einseitig erhitzt und die durch die Erhitzung auftretende Aufwölbung infolge der Ausdehnung der Scheibe gemessen wird.