DE2428770A1 - Selbstoeffnender verschluss fuer das abflussloch eines tiegels zum aluminothermischen schmelzschweissen - Google Patents

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Selbstöffnender Verschluß für das Abflußloch eines Tiegels zum aluminothermisch en Schmelzschweißen 2428770

Erfindungsgegenstand ist ein selbstöffnender Verschluß für das Abflußloch eines Tiegels zum aluminothermischen Schmelzschweißen. Das Prinzip des aluminothermischen Schmelzschweißens ist allgemein bekannt. Es besteht darin, die durch die Reaktion zur Bildung von Aluminiumoxid aus seinen Bestandteilen zum Gewinnen von ächmelzflüssigem Metallot freigesetzte Wärme zu nutzen. Beim Durch führen dieses Schweißverfahrens läßt man das Schweißmetall oder. Lot im allgemeinen als Oxid auf Aluminiumpulver in einem Schmelztiegel einwirken, wobei die,Reaktion durch bekannte Mittel wie eine örtliche Erhöhung der Temperatur eingeleitet wird. Wenn die gesamte Masse geschmolzen ist, wird das Abflußloch de3 Tiegels geöffnet. Das Schweißmetall ergießt sich dann in einen Aufnahmetiegel, der die zu verschweißenden Teile enthält. Der Augenblick, in dem das öffnen geschieht, ist für dieses Verfahren sehr wichtig. Wenn es nämlich zu früh geschieht, ist die Trennung von Aluminiumoxid und geschmolzenem Metall unvollständig, während im Gegensatz dazu ein zu spätes öffnen eine Abkühlung des Metalls und damit eine unzureichende Gießtemperatur herbeiführt.

Die bis jetzt benutzten Verschlüsse zum öffnen des Abflußloches von Tiegeln sind rein mechanischer Art und werden häufig von Hand aufgrund empirischer Daten betätigt, wodurch,abgesehen von der Notwendigkeit eine Bedienungsperson bereitzustellen, offensichtlich die erforderliche Genauigkeit fehlen kann.

Die Erfindung schlägt einen Verschluß vor, dessen öffnung im optimalen Zeitpunkt geschieht, weil diese öffnung durch die Temperatur des Schmelzbades und das Ende der Reaktion bedingt ist. Dies stellt einen bedeutenden Vorteil dar und erlaubt es, die Mängel der bisherigen Technik in einem gewissen Maße zu beseitigen, beispielweise die bei einem.Teil der Charge existierenden Unterschiede im Zündzeitpunkt. Der erfindungsgemäße Verschluß hat außerdem den Vorteil, daß er leicht an die jeweiligen Verhältnisse anpaßbar ist und gut reproduzierbare Ergebnisse liefert.

Der erfindungsgemäße selbstöffnende Verschluß für das Abflußloch eines eine aluminothermische Mischung enthaltenden Tiegels zum aluminothermischen Schmelzschweißen ist dadurch gekennzeichnet, daß das Abflußloch durch eine feste, eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisende, beim Erhitzen nicht gasende

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Tablette verschlossen ist, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit (unter 2 kcal/m· h · C) hat und deren Schmelztemperatur unter 16OO°C liegt.

Es hat nach Versuchen, die mit verschiedenen Materialien wie insbesondere Metallen,-Holz, Verbindungen pyrotechnischer Art und Asbest,durchgeführt wurden, den Anschein, als ob das Schmelzen des Verschlusses durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit verzögert werden müßte, um einen brauchbaren selbstöffnenden Verschluß zu erhalten. Daher stellen die Metalle mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Stahl nicht zufrieden, weil sie schnell schmelzen, wenn ihr Schmelzpunkt erreicht ist, und zwar selbst dann, wenn es sich nur um eine örtliche oder vorübergehende überhitzung handelt. Die erhaltenen Öffnungszeitpunkte sind daher wenig reproduzierbar. Außerdem stellt die Dicke des Verschlusses keinen auf den Öffnungszeitpunkt einwirkenden Parameter dar, ganz im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verschluß, bei dem die Verzögerung zumindest in einem bestimmten Bereich der Dicke der Tablette proportional ist (Fig. 2). .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschlusses besteht die Tablette aus Asbest, vorzugsweise aus einem Stück Asbestpappe, die unter der Bezeichnung CP von der Firma Carteron hergestellt wird und deren physikalische Eigenschaften folgende sind:

a) ein Gehalt von 9 8% bis 99% an Asbest in Form von Chrysotilfasern kanadischen Ursprungs,

b) eine Dichte um 1,04 (Wasser 1,00)

c) eine Zugfestigkeit von 0,7 kp/mm

d) eine Schmelztemperatur von 145O°C und 3) einen .Abbrandverlust von ungefähr 15%.

Indessen wurde während der Benutzung eines selbstöffnenden Verschlusses nur mittels einer Tablette festgestellt, daß, obwohl die erzielten Ergebnisses, was das eigentliche Schmelzschweißen anbetrifft, völlig zufriedenstellend waren, im Gegensatz dazu aufgrund eines nicht völlig erklärbaren Phänomens am Ende einer gewissen Anzahl von Verwendungen desselben Tiegels eine Zerstörung der Innenwände desselben in der Nähe der Tablette stattgefunden hat.

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Aus diesem Grunde zeichnet sich die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschlusses durch einen am Abflußloch angeordneten Einsatz aus, der eine auf die Tablette geschichtete aluminothermische Mischung enthält. Es ist zweckmäßig, wenn der Einsatz ein Metallrohr aufweist, das die Tablette abdeckt.

Vorteilhafterweise ist die Tablette am unteren Ende des Matelirohres angeordnet und sind dessen beide Enden verschlossen. Es handelt sich zweckmäßigerweise um ein Metallrohr, . dessen Wandung eine geringe Dicke hat, aus Eisen oder Stahl. Bevorzugt ist ein Aluminiumrohr als Metallrohr, das am unteren Ende einen die Tablette tragenden ebenen Boden aufweist. Es kann sich dabei um ein Röhrchen von der Art der in Apotheken erhältlichen Tablettenröhrchen handeln. Die Tablette wird er3t auf den ebenen Boden gelegt. Dann wird das Aluminiumrohr mit der aluminothermischen Mischung aufgefüllt. Schließlich wird das Aluminiumrohr an seinem oberen Ende verschlossen, beispielsweise durch Flachdrücken.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verschlusses ist das Abflußloch des Tiegels, der die aluminothermische Mischung enthält, Zum Erleichtern des Einsatzes der Tablette · durch die Bohrung einer auswechselbar am Tiegel gelagerten Hülse gebildet, deren eines Ende eine Innenschulter aufweist, auf der die in die Bohrung versenkte Tablette ruht und die durch zwei Bohrungsabschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser gebildet ist.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Verschlusses gehört in die nachstehende Schrittfolge:

1) Es wird ein Tiegel mit einer auswechselbaren Hülse benutzt, wie dies beschrieben wurde;

2) es wird der oben erwähnte Einsatz, bestehend aus Metallrohr, Tablette und überschichteter aluminothermischer Mischung in die Hülse gesetzt, so daß er auf der genannten Innenschulter der Hülse steht;

3) es wird nun um die Einheit herum bis zu einer gewissen Höhe eine feuerfeste Mischung, wie Aluminiumoxidpulver,aufgeschichtet, damit das Metallrohr des Einsatzes von den seitlichen Wänden des Tiegels, die ihm gegenüberstehen, isoliert ist,

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wobei vermieden werden sollte, mit dem feuerfesten Pulver den oberen Teil des Einsatzes zu bedecken;

4) anschließend wird die Hauptmasse der eigentlichen aluminothermisch en Mischung in den Tiegel geschüttet. Es kann festgestellt werden, daß die erwähnte Einheit alle vorteilhaften Eigenschaften eines Verschlusses aufweist, der nur eine einfache Tablette benutzt und daß die verwendeten Tiegel außerdem dieselbe Lebensdauer haben wie diejenigen Tiegel, die mit den herkömmlichen Verschlüssen versehen sind.

Bei der Definition der erfindungsgemäßen Tablette als Festkörper soll unter einer "guten mechanischen Widerstandsfähigkeit" eine solche verstanden werden, welche die in einem Schmelztiegel enthaltene Charge aufzunehmen gestattet. Unter "beim Erhitzennicht gasend" soll verstanden werden, daß die Tablette beim Erhitzen keinen Wasserdampf abgibt, daß sie also gar keine oder nur wenig Feuchtigkeit absorbiert, aber auch, daß die Tablette sich unter den Bedingungen, die im Tiegel herrschen, nicht zersetzt oder nicht mit den Bestandteilen des Schmelzbades reagiert und dadurch zur Bildung von Gas beiträgt. Unter "geringer Wärmeleitfähigkeit" ist eine solche zu verstehen, die kleiner als 2 kcal/m · h · C ist und vorzugsweise unter 0,5 kcal/m· h « °C liegt.

Die Schmelztemperatur der Tablette muß zwar erfindungsgemäß unter 160O⁰C liegen, sollte jedoch vorzugsweise über 1300⁰C liegen.

Einer der Hauptvorteile des selbstöffnenden Verschlusses nach der Erfindung besteht darin, daß in dem interessierenden Temperaturbereich des aluminothermischen Schmelzschweißens eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Dicke der Tablette und derjenigen Zeit besteht, die vergeht, bis der Verschluß selbst öffnet, so daß es möglich ist, den Gebrauch von aluminothermischen Tiegeln zu optimieren.

Im folgenden ist dieErfindung anhand zweier durch die Zeichnung beispielhaft dargestellter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen-Verschlusses für einen Tiegel im einzelnen erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den Tiegel mit einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 ein Schaubild, das die Zeit bis zur Verschlußöffnung als Funktion der Tablettendicke für eine bestimmte Charge zeigt;
Fig. 3 einen vertikalen Längsschnitt durch eine zweite

Ausführungsform ungefähr in natürlicher Größe und" Fig. 4 einen Fig. 1 entsprechenden vertikalen Längsschnitt durch denselben Tiegel ohne Aufbau mit der zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Tiegel 1 dargestellt, auf dem mittels einer Befestigungsvorrichtung 3 ein erhöhender Aufbau 2 befestigt ist. Der Tiegel 1 ist im wesentlichen kegelförmig und besteht aus drei Schichten, nämlich einer.äußeren Hülle 4, deren unterer Teil 7 mit einem den Abfluß aus dem Tiegel ermöglichenden Durchbruch 7a versehen ist, einem feuerfesten Futter 6 und einer isolierenden Schicht 5 zwischen der Hülle 4 und dem Futter 6. Das Futter 6 ist an seinem unteren Ende mit einer schwach konischen Ausnehmung 8 versehen, in die eine Hülse 9 eingesetzt ist, deren Bohrung ein Abflußloch 10 für den Tiegel bildet. Die Hülse 9 hat dieselbe Konizität wie die Ausnehmung 8, so daß sie am Grund des Tiegels 1 festsitzt. Das Abflußloch 10 weist an seinem oberen Ende einen Abschnitt mit größerem Durchmesser auf, nämlich eine Aufboh^ng 11, die eine Asbesttablette 12 aufnimmt. Um das Einsetzen der Asbesttablette 12 zu erleichtern, ist die Aufbohrung 11 des Abflußloches 10 vorteilhafterweise mit einer Fase an ihrem oberen Rand versehen. Die Hülse 9 kann beispielsweise aus silikathaltigem Sand oder einem anderen, von den aluminothermischen Verfahren her wohl bekannten feuerfesten Material bestehen,ebenso wie der Tiegel. Bei der Benutzung des erfindungsgemäßen Verschlusses in Form der Asbesttablette 12 für das Abflußloch 10 hat sich gezeigt, daß es, wenn eine große Gleichmäßigkeit der Öffnungszeit des Tiegels erreicht werden soll, notwendig ist, daß die Hülse 9 wenigstens die Oberseite der Asbesttablette 12 überragt, wodurch der übergang von Wärme von der im Tiegel 1 enthaltenen Charge

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einer aluminothermischen Mischung auf die Asbesttablette 12 verbessert wird. Die Durchführung des aluminothermischen Schmelzschweißens mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verschlusses geschieht nach den bekannten Verfahren. Indessen müssen in diesem speziellen Fall gewisse Vorkehrungen getroffen werden. Die Asbesttablette wird zunächst in die Hülse eingesetzt, bevor diese in die Ausnehmung des Tiegels hineingesteckt wird. Wenn die Abdichtung der Hülse gegen den Tiegel infolge des Verschleißes des Tiegels nicht mehr v/irksam hergestellt werden kann, ist es notwendig, auf den inneren Umfang des zylindrischen Abflußloches 10 ein wenig Aluminiumoxid zu verteilen. Im Gegensatz dazu ist es notwendig, darüber zu wachen, daß sich auf der Oberseite der Asbesttablette kein Aluminiumoxid befindet, damit der Einfluß auf den Verschluß nicht zerstört wird.

Aus Fig. 2 ist ein Diagramm ersichtlich, das die Änderung der in Sekunden gemessenen Zeit bis zur Verschlußöffnung in Abhängigkeit von der in mm gemessenen Dicke der Asbesttablette zeigt. Die dargestellte Kurve beruht auf Versuchen, die mit dem Tiegel gemäß Fig. 1 durchgeführt wurden. Fig. 1 zeigt den Tiegel im Maßstab 1:2. Die verschiedenen Asbesttabletten wurden aus Asbestpappe im Format 1100 χ 1000 mm ausgestanzt. Diese Asbestpappe entstand aus der überlagerung sehr feiner Schichten aus Asbestpapiermasse, die nach dem Kneten der Chrysotilfasern in Wasser aufgetragen wurden. Die verschiedenen Dicken der Asbesttabletten, die für die Versuche notwendig sind, wurden durch Zusammenkleben zweier Tabletten mit Wasser erhalten, auf das ein-Trockenvorgang folgte.

Die zu diesen Versuchen benutzte Charge ist eine Charge SO 80, die folgendes" enthält:

•Aluminium 1200 g

Eisenoxid 3900 g

Guß und Schrott 910 g

Andere Bestandteile 170 g

Vor dem öffnen des Verschlusses ist unter dem Tiegel ein feiner weißer Rauch sichtbar, der vom fortschreitenden Anschmelzen des Verschlusses herstammt. Der Beginn des Entstehens vpn Rauch

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scheint einige Sekunden auf das Ende der Reaktion im Laufe des Trennens zu folgen. .

Anhand der Kurve in Fig. 2 läßt sich feststellen,, daß für Dicken der Asbesttablette zwischen 3 und 10 ram die zwischen dem Deginn der Reaktion und dem eigentlichen Abfluß gemessene Zeit bis zur Verschlußöffnung eine lineare Funktion der Tablettendicke ist. Die im Laufe der Versuche ermittelten einzelnen Punkts sind gut reproduzierbar und die Streuung macht ungefähr - 2 Sekunden aus.

Der brauchbare Bereich der Dicke der Asbesttablette liegt zwischen 3 und 8 mm. Dem entspricht eine Verschlußöffnungszeit zwischen 15 und 27 Sekunden. Wenn die Dicke der Tablette zu groß ist, d.h. über 12 nun liegt, wird die Verschlußöffnungszeit sehr lang. Das zu reduzierende Chargenmetall ist nahe bei seiner Erstarrungstemperatur. Sein Abfluß ist schwierig und kann sogar unvollständig sein. Die Temperatur des AuftragsmetalIs reicht dann nicht aus, um die einander gegenüberstehenden Flächen der miteinander zu verscheißenden Metallstücke anzuschmelzen.

Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist eine auswechselbare Hülse 21 ähnlich der zuvor beschriebenen Hülse 9 und eine Verschlußeinheit 22 auf. Die Hülse 21 ist axial durchbohrt. Ihre Bohrung bildet ein Abflußloch 23, dessen oberes Ende mit einer Aufbohrung 24 größeren Durchmessers versehen ist, die als Sitz für die Verschlußeinheit 22 dient. Damit das Einsetzen der Verschlußeinheit 22 erleichtert ist, ist der obere Rand der Aufbohrung 24 der Hülse 21 vorteilhafterweise mit einer Fase versehen. Die Verschlußeinheit 22 besteht u.a. aus einem kreiszylindrischen Aluminiumrohr 25 mit geringer Wandstärke, dessen Durchmesser ungefähr mit dem Durchmesser der Aufbohrung 24 der Hülse 21 übereinstimmt. Das Aluminiumrohr 25 ruht mit seinem ebenen Boden 26 auf der Innenschulter, die durch den unterschiedlichen .Durchmesser der das Abflußloch 23 bildenden beiden Bohrungaabschnitte der Hülse 21 entstanden ist. Eine Asbesttablette 27 ist am Grund des Aluminiumrohres 25 auf dessen Boden 26 gelagert und mit einer aluminothermisehen Mischung 28 überschichtet. An ihrem oberen Ende 29 ist die Verschlußeinheit 22 durch Flach-

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drücken des Aluminiumrohres 25 geschlossen.

Fig. 4 zeigt einen Tiegel 30 der aus Fig. 1 ersichtlichen, zuvor beschriebenen Art, der auch der Tiegel 1 angehört. In seinem unteren Teil ist die mit der Verschlußeinheit 22 versehene Hülse 21 angeordnet. Nach dem Einsetzen der Hülse 21 und der Verschlußeinheit 22 ist zwischen die Seitenwände der Ver3chlußeinheit 22 und die gegenüberliegenden Wände des Tiegels 30 Aluminium^ oxidpulver 31 eingebracht worden, was durch die Form des oberen Endes 29 der Verschlußeinheit 22 erleichtert wurde. Dann wurde der Tiegel 30 mit der aluminothermischen Mischung 32 aufgefüllt.

Ungeachtet der Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verschlusses ist es möglich, alle herkömmlichen bekannten Verfahren zum aluminothermischen Schmelzschweißen damit auszuführen.

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Claims (10)

ANSPRÜCHE

1) Selbstöffnender Verschluß für das Abflußloch eines Tiegels zum aluminothermischen Schmelzschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß das Abflußloch (10; 23) durch eine feste, eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisende, beim Erhitzen nicht gasende Tablette (12; 27) verschlossen ist, deren Wärmeleitfähigkeit unter 2 kcal/m · h · ⁰C und deren Schmelztemperatur unter 1600⁰C liegt.

2) Verschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die . Schmelztemperatur der Tablette (12; 27) über 13OO°C liegt.

3) Verschluß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tablette (12; 27) aus Asbest besteht.

4) Verschluß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tablette (12; 27) ein Stück Asbestpappe ist, deren physikalische Eigenschaften folgende sind: .

a) ein Gehalt von 9 8% bis 99% an Asbest in Form von Chrysotilfasern kanadischen Ursprungs,

b) eine Dichte um 1,04

c) eine Zugfestigkeit von 0,7 kp/mm

d) eine Schmelztemperatur von 1450 C und

e) einen Abbrandverlust von ungefähr 15%.

5) Verschluß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abflußloch durch die Bohrung (10; 23) einer auswechselbar am Tiegel (1; 30) gelagerten Hülse (9; 21) gebildet ist, deren eines Ende (11) eine Innenschulter aufweist, auf der die in die Bohrung versenkte Tablette (12; 27). ruht.

6) Verschluß nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen am Abflußloch (23) angeordneten Einsatz (22) , der eine auf die Tablette (27) geschichtete aluminothermische Mischung enthält.

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7) Verschluß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (22) ein Metallrohr (25) aufweist, das die Tablette (27) abdeckt.

8) Verschluß nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tablette (27) am unteren Ende des Metallrohres (25) angeordnet ist und dessen beide Enden verschlossen sind.

9) Verschluß nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallrohr ein Aluminiumrohr (25) vorgesehen ist, das am unteren Ende einen die Tablette (27) tragenden, ebenen Boden aufweist.

10) Verschluß nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Metallrohres (25) durch Flachdrücken geschlossen ist.

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