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Die Erfindung bezieht sich auf eine Gießform entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine aluminothermische Schweißverbindung besteht aus einem, eine Schweißfuge zwischen den Stirnseiten der zu verbindenden Schienenenden ausfüllenden Zwischengussgefüge, welches als Reaktionsprodukt des aluminothermischen feinkörnigen Gemisches aus Eisenoxid und Aluminium anfällt, dem bestimmte Legierungselemente zur Beeinflussung der Härte sowie weitere Reaktanden zur Dämpfung der Reaktion beigegeben sein können.
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Die Verschweißung der Schienenenden wird regelmäßig unter Vorwärmung durchgeführt, um homogene Oberflächentemperaturen der Innenwandungen des Giessraumes darzustellen und eventuell vorhandene Feuchtigkeit auszutreiben. Durch die Oberflächentemperaturen werden die Abkühlgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Stahls und damit die Gießzeit sowie die Gießgeschwinddigkeit beeinflusst, wobei sich jedoch in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der Innenwandungen der Gießform sowie der Stirnseiten der Schienenenden unvermeidbar Temperaturabweichungen einstellen.
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Eine solche Gießform ist beispielsweise aus dem
EP 0 925 866 B1 bekannt und besteht aus zwei Formhälften, die beiderseits der herzustellenden Schienenverbindung aufgestellt werden, hierbei die Schweißfuge symmetrisch überdeckend. Die Schweißfuge bildet mit den Stirnseiten der zu verbindenden Schienenenden sowie den Innenwandungen der Formhälften einen Gießraum, der in seinem Kernbereich das Schienenprofil nachbildet und in den das Reaktionsprodukt der aluminothermischen Reaktion, nämlich schmelzflüssiger Stahl oberseitig eingebracht wird. Ausgehend von einem Fußbereich des Schienenprofils erstrecken sich symmetrisch zu einer Längsmittelebene der Schienen unter einem in Richtung zu einer Unterseite hin auf die genannte Längsmittelebene hin geneigte, oberseitig offene Fußsteiger, wobei im Kopfbereich des Schienenprofils jeweils sich im wesentlichen horizontal erstreckende Kopfseitensteiger angeordnet sind, durch welche eine durchgängige Verbindung zwischen den Fußsteigern und dem übrigen Gießraum dargestellt ist. Oberhalb des Schienenprofils befindet sich ein Riegel, durch den eine seitlich gleichförmige Verteilung des auftreffenden Stahles bewirkt wird, der an dieser Stelle nach horizontaler Umlenkung entlang der Innenwandungen der Formhälften in den Gießraum einströmt.
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Die genannten Kopfseitensteiger dienen während des Einführens des Stahles einer Nachführung im Bereich des vergleichsweise massereichen Schienenkopfes und einem Wärmeeintrag ausgehend von den Steigern. Sie steuern somit das sich einstellende Temperaturfeld innerhalb des Gießraumes und damit den Erstarrungsprozess an einer Stelle, welche als lunker- und heißrißgefährdet angesehen wird. Nachdem der Erstarrungsprozess regelmäßig von außen nach innen fortschreitet, besteht an dieser Stelle aufgrund der Massekonzentration und des abkühlungsbedingten Kontraktionsprozesses stets eine Gefahr von Lunkerbildung, welcher dadurch begegnet werden muss, dass der Erstarrungsprozess durch Zuführung von Masse und Wärme über die Kopfseitensteiger von unten nach oben fortschreitet. Indem gleichzeitig in einem Gebinde unterhalb des eingangs genannten Riegels in einem thermisch zersetzbaren, während des Eingiessens auflösbaren Gebinde Legierungselemente bereitgehalten werden, besteht die Möglichkeit der Herstellung einer gezielten Auflegierung und damit beispielsweise die Herstellung eines gehärteten abriebfesten Kopfbereichs sowie eines weichen duktilen Gefüges im Schienenfuß.
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Eine Vorwärmung der Giessform findet üblicherweise unter Einsatz eines Gasbrenners statt, dessen Heißgase von der Oberseite her in die Giessform eingeführt werden. Hierbei kommt es jedoch zu einem nicht unbeträchtlichen Wärmeverlust über die Kopfseitensteiger, der der Einstellung einer möglichst gleichförmigen Temperaturverteilung entlang der Innenwandungen der Giessform entgegensteht und dem durch eine entsprechende Bemessung der Vorwärmzeit begegnet werden muss.
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Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erindung, eine gattungsgemäße Gießform der eingangs vorgestellten Art in einfacher Weise mit Hinblick auf den Energiebedarf des Schweißvorgangs sowie die Qualität des Schweissergebnisses zu verbessern. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer solchen Giessform durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
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Erfindungswesentlich ist, dass eine solche Gießform in besonderer Weise für ein energiesparendes Vorwärmen ausgerüstet ist, da der Verschlusskörper einen ansonsten unvermeidbaren Energieverlust durch Heißgase, die über die Kopfseitensteiger entweichen, verhindert. Gleichzeitig ergibt sich eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung innerhalb des Gießraumes und bei gegebener Vorwärmzeit eine Temperaturerhöhung gegenüber Gießformen entsprechend dem Stand der Technik. Es besteht auch die Möglichkeit, diese Ausgangssituation zu einer Verkürzung der Vorwärmzeit zu nutzen. Der Verschlusskörper besteht aus einem Werkstoff, der unter dem Einfluß einer metallischen Schmelze, z. B. einer Stahlschmelze thermisch aufgelöst wird, nicht jedoch unter den Bedingungen einer Vorwärmung. Der Kopfseitensteiger dient nach erfolgter thermischer Auflösung in herkömmlicher Weise zur Speisung des Schienenkopfbereiches und somit zur Beeinflussung des Erstarrungsprozesses der Stahlschmelze.
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Der Verschlusskörper besteht entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 aus einem Metall, z. B. einer Stahlplatte, welche sich in einer Stahlschmelze auflöst. Durch die Dicke dieser Platte, insbesondere deren Volumen kann der Zeitpunkt beeinflußt werden, zu dem nach erfolgtem Beginn eines Einbringens der Schmelze in die Gießform der Auflösungsvorgang abgeschlossen ist und der jeweilige Kopfseitensteiger durchgängig zur Verfügung steht. Diese Platte wird während der Vorwärmung erwärmt und speichert somit Energie. Infolge der thermischen Auflösung hingegen entzieht sie dem Gesamtsystem Energie. Hieraus kann sich ein Beitrag zur Verminderung der Wärmeinflusszonen beiderseits der Schweissfuge und einer Heißrißbildung unter dem Schienenkopf ergeben.
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Der metallische Verschlusskörper kann entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 Legierungselemente enthalten oder auch zur Gänze aus Legierungselementen bestehen, welche sich nach erfolgtem Auflösen des Verschlußkörpers im Bereich des Schienenkopfes anreichern, der somit eine selektive Auflegierung erfährt. In Abhängigkeit von den mit diesen Legierungselementen beabsichtigten metallurgischen Wirkungen kann es sich beispielsweise um Ferromangan oder Ferrotitan handeln, mit denen bestimmte Eigenschaften im Bereich des Schienenkopfes dargestellt werden können wie Härte und Abriebfestigkeit bzw. Festigkeit und Zähigkeit. Andere Legierungselemente werden jedoch nicht ausgeschlossen.
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Die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 sind auf alternative Formen des Einbringens der Verschlußkörper in die Kopfseitensteiger der Formhälften gerichtet. Die Verschlußkörper können hiernach im Anlieferungszustand getrennt von den Formhälften bereit gestellt werden und werden in diesem Fall erst unmittelbar vor dem bestimmungsgemäßen Einsatz der Formhälften in diese eingesetzt. Der Verschlußkörper kann jedoch gleichermaßen bereits im Anlieferungszustand der Formhälften in diesen eingesetzt sein.
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Man erkennt, dass mit der erfindungsgemäßen Gießform ein Arbeitsmittel zur Verfügung gestellt wird, welches kostengünstig, insbesondere energiesparend nutzbar ist und dessen praktische Hanhabung sich sehr einfach gestaltet.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine ebene Teildarstellung einer Gießform in einer vertikalen Querschnittsebene einer Schienenverbindung in einer Anfangsphase eines Stahleinbringens;
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2 eine ebene Teildarstellung der Gießform gemäß 1 in einer Endphase des Stahleinbringens.
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Die in den 1 und 2 dargestellten Gießformen sind symmetrisch hinsichtlich einer Schienenlängsmittelebene und bestehen jeweils aus Formhälften 1, die zur Durchführung einer aluminothermischen Schweißung paarweise beiderseits einer Schienenverbindung einander gegenüberliegengend angeordnet sind, hierbei eine Schweißfuge zwischen den zu verbindenden Schienenenden symmetrisch überdeckend und einander zu einer vollständigen Gießform komplettierend. Sie bestehen aus einem feuerfesten Material, z. B. wasserglasgebundenem Quarzsand und umgrenzen einen Gießraum 3, der durch die Wandungen der Formhälften 1 und die Stirnseiten der Schienenenden umgrenzt sowie im Übrigen durch feuerfesten Sand abgedichtet ist. Die Formhälften 1 werden im Betriebszustand durch zeichnerisch nicht dargestellte Formhaltebleche zusammengehalten.
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Zeicherisch ebenfalls nicht dargestellt ist ein zur Durchführung einer aluminothermischen Reaktion bestimmter Reaktionstiegel, der auf die so bestimmte Gießform aufgesetzt wird, aus dem nach Abschluß dieser Reaktion bodenseitig schmelzflüssiger Stahl austritt und an der Stelle 2 in Richtung der gezeigten Pfeile in den Gießraum 3 eintritt. Auf dieser Stahlschmelze schwimmt Schlacke auf, die in seitlichen Schalen im Bereich der oberseitigen Enden der Fußsteiger 5 aufgefangen wird.
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Die Formhälften 1 sind untereinander gleich beschaffen, so dass im Folgenden die Beschreibung einer solchen Formhälfte ausreichend ist.
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Die Formhälfte 1 ist im Bereich des Schienenfusses 4 mit wenigstens einem oberseitig offenen Fußsteiger 5 versehen, der wie die Formhälfte 1 im Übrigen zur Oberseite hin auswärts geneigt ausgebildet ist. Der in durchgängiger Verbindung mit dem Schienenfuß stehende Fußsteiger 5 dient der Vermeidung von Schrumpflunkern im Übergangsbereich von Schienenfuß 4 und Schienensteg 6, indem in diesen Bereich von der Oberseite her Stahlschmelze nachgeführt wird und eine Ausbildung dieser Hohlräume unterdrückt wird.
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Seitlich neben einem Schienenkopf 7 befinden sich Kopfseitensteiger 8, durch welche eine durchgängige Verbindung zwischen dem Bereich des Schienenkopfes 7 und den Fußsteigern 5 dargestellt ist. Diese Kopfseitensteiger 8 sind dem unteren Bereich des Schienenkopfes 7 zu geordnet und erstrecken sich im wesentlichen horizontal. Mit 9 ist ein Verschlußkörper bezeichnet, durch welchen der Kopfseitensteiger 8 zunächst, dass heißt vor dem Gießvorgang verschlossen ist. 1 zeigt diesen Zustand.
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Der Verschlusskörper 9 besteht aus einem metallischen Werkstoff.
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Der Gebrauch einer aus derart ausgestalteten Formhälften 1 zusammengesetzten Gießform gestaltet sich folgendermaßen:
Nachdem die beiden Formhälften 1 beiderseits der Schweißfuge der herzustellenden Schienenverbindung in herkömmlicher Weise positioniert und aneinander befestigt worden sind, findet zunächst die Vorwärmung der so bereitgestellten Gießform statt. Hierzu werden die Heißgase eines Brenners an der Stelle 2 in den Gießraum 3 eingeführt, wobei die Kopfseitensteiger 8 in dieser Phase durch Verschlusskörper 9 geschlossen sind. Der Beheizungsvorgang betrifft somit ausschließlich die Innenwandungen des Giessraumes 3, da ein Austreten von Heißgasen über die Kopfseitensteiger 8 wirksam unterbunden ist. Die Verschlusskörper 9 werden in gleicher Weise wie die Wandungen des Gießraumes 3 beheizt und es ergibt sich über die gießraumseitigen Eintrittsöffnungen der Kopfseitensteiger 8 hinausgehend eine weitgehend homogene Temperaturverteilung auf der Innenseite des Gießraumes 3. Hierbei speichert der Verschlusskörper 9 Energie.
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Eine erste Folge, die sich aufgrund der Verschlusskörper 9 im Vergleich zu einem herkömmlichen Vorwärmvorgang ergibt, ist bei gegebener Vorwärmzeit in höheren Temperaturen innerhalb des Gießraumes 3 und damit in den zu verbindenden Schienenenden zu sehen.
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Nachdem der Vorwärmvorgang abgeschlossen ist, wird in herkömmlicher Weise die aluminothermische Reaktion in einem auf die Gießform aufgesetzten Reaktionstiegel durchgeführt, als deren Ergebnis schließlich schmelzflüssiger Stahl an der Stelle 2 in die Giessform eingeführt wird, hierbei den Gießraum 3 und das System der Fußsteiger 5 füllend.
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Infolge des unmittelbaren Kontaktes zwischen dem schmelzflüssigen Stahl und den metallischen Verschlusskörpern 9 lösen sich diese in der Schmelze auf, hierbei den Strömungsweg über die Kopfseitensteiger 8 freigebend und dem System aus Schmelze und Gießformwandungen entsprechend ihrer Masse Energie entziehend. Die nunmehr bestehende unmittelbare Verbindung zwischen den Fußsteigern 5 und dem Bereich des Schienenkopfes 7 wirkt sich aufgrund des Energieentzugs positiv, d. h. begrenzend auf die beiderseitigen Wärmeeinflußzonen beiderseits der Schweißverbindung und trägt zumindest dazu bei, die Entstehung von Heissrißbildungen unterhalb des Schienenkopfes 7 zu unterdrücken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formhälfte
- 2
- Stelle
- 3
- Gießraum
- 4
- Schienenfuß
- 5
- Fußsteiger
- 6
- Schienensteg
- 7
- Schienenkopf
- 8
- Kopfseitensteiger
- 9
- Verschlusskörper
