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Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiegel entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verfahren zur Zwischengussverschweissung zweier Werkstücke sind in der Form des aluminothermischen Schweissverfahrens bekannt, wobei die Verbindung von Schienenenden im verlegten Gleis aus praktischen Gründen der häufigste Anwendungsfall ist, nachdem für das Aufschmelzen des Schweissgutes keine externe Energie- quelle benötigt wird.
Zur Herstellung einer Verbindung werden die um die Schweisslücke voneinander beabstandeten Schienenenden von einer regelmässig aus zwei Formhälften bestehenden Giessform umgeben, die durch Formhaltebleche zusammengehalten wird. Die Formhälften bestehen aus einem feuerfesten Werkstoff und sind lediglich für einen einmaligen Gebrauch bestimmt.
Die aluminothermische Reaktion, welche ausgehend von einem feinkörnigen, im wesentlichen aus Eisenoxid (Fe203) und Aluminium (al) sowie Dämpfungsmitteln be- stehenden Gemisch zu einem schmelzflüssigen Schweissgut führt, findet in einem Tiegel statt, der ebenfalls aus einem feuerfe- sten Werkstoff ausgebildet ist und der in einer Haltevorrich- tung aufgenommen ist, mittels welcher er in eine solche Posi- tion oberhalb der Giessform überführbar ist, welche ein Einbrin- gen des aluminothermisch erschmolzenen Stahles in die Schweiss- lücke ermöglicht. Der Tiegel ist mit einer zentralen Ausfluss- öffnung versehen, in die ein unter Wärmeeinfluss nach Ablauf ei- ner definierten Zeitspanne infolge Durchschmelzens selbsttätig öffnender Tiegelstöpsel eingesetzt ist. Ein solcher Tiegel ist regelmässig für einen mehrfachen Gebrauch bestimmt.
Fur die Benutzung dieses Tiegels ist eine relativ teure, schwere und kompliziert ausgebildete Haltevorrichtung erforder-
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lich die an den Schienen zu befestigen ist und deren Zweck u. a. darin besteht, den vergleichsweise masserelchen Tiegel in der korrekten Position oberhalb der Giessform zu fixieren. Diese Haltevorrichtung muss somit mitgefuhrt werden, ein Umstand, der sich bei Arbeiten im verlegten Gleis erschwerend auswirkt. Ein weiterer Nachteil dieses Tiegels besteht darin, dass dieser aus werkstofflichen Gründen ständig der Gefahr von Beschadigungen ausgesetzt ist.
A Aus der EP-0 407 240 ist ein zur Verwendung bei der alumino- thermischen Verschweissung von Schienenenden bestimmter Tiegel bekannt, der an eine Giessform angepasst ist und bei dem sich der Einsatz einer besonderen Haltevorrichtung erübrigL. Der aus ei- nem feuerfesten Werkstoff bestehende, relativ massereiche Tie- gel ist für einen einmaligen Gebrauch bestimmt. Seine prakti- sche Handhabung beim Transport und bei der Aufstellung gestal- ten sich jedoch vergleichsweise beschwerlich, da der Tiegel über keine Tragevorrichtung verfügt. Da der Tiegelwerkstoff als spröde anzusehen ist und eine Schutzhülle nicht vorgesehen ist, besteht ferner ständig die Gefahr von Beschädigungen.
Zur Behebung der Nachteile dieser bekannten Tiegel sind soge- nannte Einweg-Tiegel entwickelt worden, die aussen aus einem me- tallischen Mantel und innenseitig aus einer feuerfesten Aus- kleidung bestehen, wobei der Boden mit einer Ausflussöffnung versehen ist. Diese Ausflussöffnung ist zur Aufnahme einer unter Wärmeeinfluss selbsttätig öffnenden Abstichvorrichtung einge- richtet. Die Abstichvorrichtung wird vorzugsweise derart ausge- staltet, dass die eine Auslauföffnung verschliessenden, aus kera- mischen Filzmaterialien oder Graphit bestehenden Verschluss- plättchen direkt in diese Auslauföffnung eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer solchen Abstichvorrich- tung einen separaten Tiegelstöpsel zu verwenden.
Dieser Tiegel ist nur für einen einmaligen Gebrauch konzipiert und im Ver- gleich zu den eingangs genannten Tiegeln masseärmer ausgebil- det. Er dient gleichzeitig als Transportgefass für Schweisspor-
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tionen und Reststoffe wie Giesssandformen, Schlacke sowie Thermitstahl und zeichnet sich durch eine wesentlich erleich- terte Handhabbarkeit aus. Insbesondere ist im verlegten Gleis die Verwendung einer besonderen Haltevorrichtung nicht erfor- derlich, so dass bereits aus diesem Grund Schweissungen in kurze- rer Zeit durchführbar sind.
Die bei diesen Einweg-Tiegeln eingesetzten Abstichvorrichtungen sollen bestimmungsgemäss nach dem Beginn der aluminothermischen Reaktion nach Ablauf einer Zeitspanne von üblicherweise 20 sec bis 25 sec öffnen. Es ist dies die Zeit, die für den Ablauf der aluminothermischen Reaktion, insbesondere das Aufschmelzen des Schweissgutes und den Ablauf des sich anschliessenden Trennvor- ganges erforderlich ist, weicher zur Ausbildung einer auf dem schmelzflüssigen Stahl aufschwimmenden Schlackenschicht, beste- hend u. a. aus Aluminiumoxid (A1203) führt. Diese Zeitspanne sollte möglichst genau eingehalten werden, da sich ansonsten die Qualität der Schweissverbindung mindert.
So besteht bei zu frühem Öffnen die Gefahr, dass der Trennvorgang unvollständig abgelaufen ist, so dass zusammen mit dem ausströmenden Stahl auch Schlackepartikel mitgeführt und in den erstarrenden Stahl eingebunden werden, welches mit Festigkeitsverlusten verbunden ist. Umgekehrt besteht bei einem zu späten Öffnen die Gefahr eines frühzeitigen Erstarrens, einer ungenügenden Erwärmung der Schienenenden und eines Steckgusses. Eine definierte Öffnungs- zeit des Tiegelausflusses ist somit von Bedeutung für die Er- zielung reproduzierbarer Qualitäten der Schweissverbindung.
Einweg-Tiegel sind in ihren Festigkeitseigenschaften, insbeson- dere auch hinsichtlich ihrer thermischen Belastbarkeit dahinge- hend bemessen, dass die Beanspruchungen, die sich aus der alumi- nothermischen Reaktion unter Zugrundelegung der genannten Zeit- spanne bis zum Öffnen des Ausflusses ergeben, zumindest einma- lig aufgenommen werden können, ohne dass die äussere Integrität des Tiegels beeinträchtigt wird. Diese Eigenschaft des Einweg- Tiegels ermöglicht eine vergleichsweise leichte Bauart, auf der
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alle praktischen Vorteile beruhen.
Allerdings werden im Verlauf der aluminothermischen Reaktion Temperaturen von mehr als 2000 C entwickelt, so dass sich ein beträchtliches Sicherheits- risiko ergeben kann, wenn - aus welchen Gründen auch immer - die zum selbsttätigen Offnen eingerichtete Abstichvorrichtung nicht innerhalb der angegebenen Zeitspanne öffnet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Tiegel der eingangs be- zeichneten Art dahingehend auszugestalten, dass während der alu- minothermischen Reaktion eine erhöhte Betriebssicherheit für Personen und Sachen in unmittelbarer Umgebung des Tiegels gege- ben ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Tiegel durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungswesentlich ist hiernach, dass der Boden des Tiegels zur Aufnahme einer weiteren Abstichvorrichtung eingerichtet ist, die jedoch bestimmungsgemäss bei regulärem Betrieb der er- sten Abstichvorrichtung, dass heisst dann, wenn diese tatsächlich nach Ablauf des dieser zugeordneten Zeitintervalls von 20 sec bis 25 sec öffnet, funktionslos ist. Erst dann, wenn die erste Abstichvorrichtung nach Ablauf des genannten Zeitintervalls nicht öffnen sollte, tritt nach Ablauf einer Zeitspanne von 30 sec bis 40 sec die zweite Abstichvorrichtung in Funktion, wobei diese Zeitspanne vom Beginn der aluminothermischen Reak- tion an gerechnet wird. Zwischen den, den beiden Abstichvor- richtungen jeweils zugeordneten Zeitspannen sollte ein Inter- vall liegen, so dass ein gleichzeitiges Öffnen beider Abstich- vorrichtungen zumindest im Regelfall unterbleibt.
Infolge des Abgiessens der zweiten Abstichvorrichtung findet nunmehr ein Ausfluss schmelzflüssigen Stahls aus dem Tiegel statt, wobei die letztgenannte Zeitspanne auch derart festgelegt ist, dass selbst bei deren maximaler Ausnutzung keine festigkeitsmässige bzw. thermische, für die Umgebung ein Sicherheitsrisiko mit sich bringende Überlastung der Wandungen und des Bodens des Tiegels gegeben ist. Nachdem das gleichzeitige Versagen zweier vonein- ander unabhängiger Abstichvorrichtungen jedenfalls als unwahr-
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scheinlicher als das Versagen einer Abstichvorrichtung anzuse- hen ist, ist auf diese Weise ein bedeutender Beitrag zur Be- triebssicherheit derartiger Tiegel geleistet.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 2 sind die Offnungen im Boden des Tiegels mit Abstand nebeneinander angeordnet. Es ist dies die einfachste Ausführungsform, bei welcher Pbstichvorrichtun- gen aus handelsüblichen Verschlussmaterialien einsetzbar sind, deren Öffnungszeiten im erfindungsgemässen Sinn gewählt sind.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 3 sind die Öffnungen aneinan- dergrenzend plaziert und können insbesondere auch mit der Mass- gabe angeordnet sein, dass die zweite Öffnung die erste Öffnung umgibt oder umgekehrt. Auch in diesem Fall können Abstichvor- richtungen eingesetzt werden, die auf dem gleichen Funktions- prinzip basieren, die jedoch eine andere geometrische Ausge- staltung erfahren haben. Insbesondere die zueinander konzentri- sche Anordnung zweier Öffnungen bringt den Vorteil mit sich, dass der Ausfluss aus dem Tiegel in einen Mittenbereich des Bo- dens plaziert werden kann, und zwar unabhängig davon, aus wel- cher der beiden Öffnungen der Ausfluss stattfindet.
Eine zylindrische Ausgestaltung des Tiegelgefässes entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 dürfte aus praktischen Gründen die zweckmässigste sein.
Die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 sind auf unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Abstichvorrichtungen gerichtet. Diese können hiernach wahlweise als Tiegelstöpsel oder als Schmelz- einsatz ausgebildet sein. Letzterer Form einer Abstichvorrich- tung wird in Anbetracht der gleichzeitigen Transportbehälter- funktion des Tiegels sowie dessen bestimmungsgemässem, lediglich einmaligem Gebrauch als Tiegel der Vorzug gegeben.
Die bündig insbesondere zu der Innenfläche des Tiegels verlau- fende Anordnung der Schmelzeinsätze hat sich als praktisch vor-
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teilhaft erwiesen. Indem somit keinerlei Strukturelemente des Schmelzeinsatzes aus der Öffnung des Bodens des Tiegels heraus- ragen, ist der genannte Einsatz nahezu beschädigungsfrel ange- ordnet, wodurch die Eignung des Tiegels als Transportbehälter weiter verbessert wird.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungsfiguren schematisch wiedergegebene Ausfuhrungsbei- spiel näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemässen Tiegels im
Axialschnitt ohne Abstichvorrichtung; Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer in einen Tiegelstöpsel integrierten Abstichvorrichtung im Axialschnitt; Fig.3 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Tiegels im Axialschnitt mit eingesetzten Abstichvorrichtungen.
Mit 1 ist in Fig. 1 der erfindungsgemässe, zur einmaligen Ver- wendung bestimmte Tiegel in seiner Gesamtheit bezeichnet. Er besteht aus einem zylindrischen, oberseitig durch einen aufge- setzten Deckel 2 schliessbaren Gefäss, das mittels eines Hand- griffes 3 transportiert werden kann.
Die Seitenwandungen 4 und der Boden 5 weisen einen strukturell gleichen Aufbau auf und bestehen jeweils aus einem aussenseiti- gen metallischen Mantel 6, der innenseitig eine Auskleidung 7 aus einem feuerfesten Werkstoff trägt. Der Deckel 2 kann mit dem Gefäss werkstoffgleich ausgebildet sein - es kann sich je- doch auch um einen ausschliesslich metallischen Deckel handeln.
In den Boden 5 sind zwei Öffnungen 8, 9 eingeformt, die mit Ab- stand zueinander angeordnet sind und in dem gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel eine gleiche Grösse aufweisen. Diese Öffnungen 8,9 dienen der Aufnahme von unter Wärmeeinwirkung nach Massgabe vor- gegebener Zeitspannen selbsttätig öffnender Abstichvorrichtun-
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gen, von denen eine in Fig. 2 beispielhaft in einen Tiegelstöp- sel integriert gezeigt ist.
Beide in den Boden 5 eingeformten Öffnungen 8,9 weisen einen sich zur Unterseite hin konisch verjüngender. Verlauf auf, so dass ein von der Oberseite 11 her eingesetzter Tiegelstöpsel eine Stützwirkung erfährt. Mit 10- ist in Fig.
2 ein beispiels- weise aus gebundenem Sand oder auch Graphit bestehender hülsen- artiger Stöpselkörper bezeichnet, in den von der Oberseite 11 her ein beispielsweise aus Graphit bestehender Hulsenkörper 12 eingesetzt ist, dessen Bodenbereich durch Verschlussplättchen 13 gebildet wird, die zum Durchschmelzen bestimmt sind und bei de- nen es sich um keramische Filzplättchen, um Scheiben aus Graphit oder auch aus Metallen handeln kann, wobei das Durch- schmelzverhalten des Tiegelstöpsels im wesentlichen von der Be- schaffenheit dieser Verschlussplättchen, somit deren Werkstoff in Verbindung mit deren Dicke bestimmt wird. Diese, die Ab- stichvorrichtung bildenden Verschlussplättchen können im ein- fachsten Fall unmittelbar, dass heisst ohne den Verbund mit den genannten übrigen Komponenten des Tiegelstöpsels in die Öffnun- gen 8,9 eingesetzt sein.
Mit 14 ist die in dem Stöpselkörper vorgesehene Durchflussaus- nehmung bezeichnet, die nach erfolgtem Durchschmelzen der Ver- schlussplättchen 13 für den Ausfluss von schmelzflüssigem Stahl zur Verfügung steht.
Erfindungswesentlich ist nunmehr, dass in beide Öffnungen 8,9 Abstichvorrichtungen eingesetzt sind, deren Öffnungsverhalten mit der Massgabe unterschiedlich bemessen ist, dass - nach Beginn der aluminothermischen Reaktion - die Abstichvorrichtung der ersten Öffnung 8 nach Ablauf einer Zeitspanne von 15 sec bis 25 sec und die Abstichvorrichtung der zweiten Öffnung 9 hinge- gen erst nach Ablauf von einer Zeitspanne von 30 sec bis 40 sec öffnet.
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Mit 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- massen, fur einen einmaligen Gebrauch bestimmten Tiegels be- zeichnet, welcher aus einem zylindrischen, oberseitig mit einem aufsetzbaren Deckel 16 schliessbaren Gefäss bestehe. Wesensmerk- mal des Gefasses ist wiederum ein metallischer Mantel 17 nebst Boden 18, welche innenseitig eine feuerfeste Auskleidung 19 tragen. Der ebenfalls aus einem Feuerfestwerkstoff ausgebildete Deckel 16 ist zur Aussenseite hin ausgewölbt und trägt eine zen- trale Entlüftungsöffnung 20.
Die Auskleidung 19 bildet an ihrem oberen Ende eine ringartige Auflagefläche 21 für den Deckel 16, der im übrigen dadurch, dass der Mantel 17 diese Auflagefläche überragt, in seiner Auflage- position seitlich gesichert ist.
Mit 22 sind aussenseitig aus dem oberen Endbereich des Tie- gels 15 herausragende, einander diametral gegenüberliegende Zapfen bezeichnet, die der Anbringung eines zeichnerisch nicht dargestellten Traggriffs dienen.
Mit 23,24 sind bodenseitige Öffnungen des Tiegels bezeichnet, die jeweils zur Aufnahme einer Abstichvorrichtung eingerichtet sind. Diese werden bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils durch Schmelzeinsätze gebildet, die derart bemessen sind, dass die Öffnung 24 als erste bzw. reguläre und die Öffnung 23 als zweite Abstichvorrichtung bzw. als Notauslauf fungiert.
So ist die Öffnung 24 durch insgesamt drei Verschlussplätt- chen 25 gekennzeichnet, die auf einer Ringschulter 26 der In- nenwandung der Öffnung aufliegen. Die Öffnung 23 hingegen ist durch vier Verschlussplättchen 25 gekennzeichnet, die in die sich zur Unterseite 27 hin verjüngende Öffnung eingepresst sind.
Der Sitz der letztgenannten Verschlussplättchen kann gleicher- massen auch demjenigen der Öffnung 24 entsprechen und umgekehrt.
Grundsätzlich kommen auch andere Befestigungsarten der Ver-
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schlusplattchen in den Öffnungen 23,24 in Betracht, z. B. ein Einkleben.
Die Verschlussplättchen 25 bestehen aus den üblichen, bereits genannten Materialien, z. B. Keramik, insbesondere keramischen Filzmaterialien, Graphit oder Metall. Sie sind von ihrer werk- stofflichen Beschaffenheit sowie ihrer Bemessung her in jedem Fall dahingehend ausgebildet, dass sich die eingangs dargelegten Abstichzeiten ergeben.
Vorzugsweise sind die durch die Verschlussplättchen 25 gebilde- ten Schmelzeinsätze ferner derart ausgebildet, dass sie sich bündig zumindest an der Innenfläche 28 der Auskleidung 19 er- strecken.
Sollte somit die Funktion der ersten regulären Abstichvorrich- tung gestört sein, kommt es nach Ablauf der der zweiten Ab- stichvorrichtung zugeordneten Zeitspanne zur selbsttätigen Öff- nung der zweiten Abstichvorrichtung und in der Folge zu einem Ausfluss schmelzflüssigen Stahls. Risiken für die unmittelbare Umgebung des Tiegels infolge einer thermischen und festigkeits- mässigen Überlastung, die durch eine zu lange Verweilzeit des schmelzflüssigen Stahls innerhalb des Tiegels bestehen können, werden auf diese Weise wirksam unterbunden.
Die nachstehende Tabelle 1 verdeutlicht lediglich beispielhaft die den jeweils zweiten Abstichvorrichtungen zugeordneten Ab- stichzeiten, welche anhand einer Reihe von Versuchen ermittelt worden sind, bei welchen von einem Versagen der ersten Abstich- vorrichtung ausgegangen wird.
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EMI10.1
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Lfd. <SEP> Nr. <SEP> Reaktionszeit <SEP> fsecl <SEP> Abstichzeit <SEP> Notauslauf <SEP> (sec)
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<tb> 1 <SEP> 9 <SEP> 32
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<tb> 2 <SEP> 11 <SEP> 35
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<tb> 3 <SEP> 9 <SEP> 29
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<tb> 4 <SEP> 9 <SEP> 30
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<tb> 5 <SEP> 10 <SEP> 31
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<tb> 6 <SEP> 10 <SEP> 31
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<tb> 7 <SEP> 8 <SEP> 32
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<tb> 8 <SEP> 9 <SEP> 34
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<tb>
<tb> 9 <SEP> 10 <SEP> 33
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<tb>
<tb> 10 <SEP> 10 <SEP> 31
<tb>
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<tb>
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<tb> Mittelwert <SEP> 9,5 <SEP> 31,8
<tb>
Als Reaktionszeit wird eine Zeitspanne betrachtet, die mit dem Beginn einer visuell feststellbaren Reaktion des aluminothermischen Gemisches beginnt und die mit dem Abschluss dieser Reaktion endet, welche durch das Vorliegen eines aluminothermisch erschmolzenen Stahles und einer auf der Schmelze aufschwimmenden Schlacke gekennzeichnet ist.
Man erkennt, dass die Notauslauffunktion der zweiten Abstichvorrichtung innerhalb der erfindungsgemäss zur Verfügung stehenden Zeitspanne von 30 sec bis 40 sec nach Beginn der aluminothermischen Reaktion gegeben ist. Trotz der im Vergleich zu einem mehrfach benutzbaren Tiegel erheblich masseärmeren Ausbildung eines Einwegtiegels besteht somit selbst im Fall des Versagens der ersten Abstichvorrichtung praktisch kein Sicherheitsrisiko.
Nahezu jeder Einweg-Tiegel ist in einfachster Weise durch Vorsehung einer zweiten Ausflussöffnung im erfindungsgemässen Sinn ausrüstbar, nachdem Abstichvorrichtungen mit definierten, über die Beschaffenheit der diese bildenden Verschlussplättchen variierbaren Öffnungszeiten im Handel verfügbar sind.