DE29811679U1

DE29811679U1 - Tiegel für die Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke

Info

Publication number: DE29811679U1
Application number: DE29811679U
Authority: DE
Original assignee: Elektro Thermit GmbH
Current assignee: Goldschmidt ETB GmbH
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2008-07-02
Also published as: DE29818752U1

Description

E 1 e k t ro - The rii t GmbH, Essen

Tiegel für die Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke

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 Energiequelle 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 (Fe₂O₃) und Aluminium (Al) sowie Dämpfungsmittein bestehenden Gemisch, zu einem schmelzflüssigen Schweißgut führt, findet in einem Tiegel statt, der ebenfalls aus einem feuerfesten Werkstoff ausgebildet ist und der in einer Haltevorrichtung aufgenommen ist, mittels welcher er in eine solche Position oberhalb der Gießform überführbar ist, welche ein Einbringen des aluminothermisch erschmolzenen Stahles in die Schweiß-5 lücke ermöglicht. Der Tiegel ist mit einer zentralen Ausflußöffnung versehen, in die ein unter Wärmeeinfluß nach Ablauf einer definierten Zeitspanne infolge Durchschmelzens selbsttätig öffnender Tiegelstöpsel eingesetzt ist. Ein solcher Tiegel ist regelmäßig für einen mehrfachen Gebrauch bestimmt.

Für die Benutzung dieses Tiegels ist eine relativ teure, schwere und kompliziert ausgebildete Haltevorrichtung erforder-

lieh, die an den Schienen zu befestigen ist und deren Zweck u. a. darin besteht, den vergleichsweise massereichen Tiegel in der korrekten Position oberhalb der Gießform zu fixieren. Diese Haltevorrichtung muß somit mitgeführt werden, ein Umstand, der sich bei Arbeiten im verlegten Gleis erschwerend auswirkt.

Aus der EP-O 407 240 ist ein zur Verwendung bei der aluminothermischen Verschweißung von Schienenenden bestimmter Tiegel bekannt, der an eine Gießform angepaßt ist und bei dem sich der Einsatz einer besonderen Haltevorrichtung erübrigt. Der Tiegel besteht aus einem feuerfesten Werkstoff, weist keine äußere Schutzhülle aus Metall und keinen Tragegriff auf, so daß sich die Handhabung beim Transport, bei der Aufstellung und Entfernung des Tiegels von dem Schweißort im Gleis vergleichsweise beschwerlich gestaltet. Es besteht ständig die Gefahr von Beschädigungen, da der Tiegelwerkstoff anfällig für Risse durch mechanische und thermische Belastungen ist.

Zur Behebung der Nachteile dieser bekannten Tiegel sind soge-0 nannte Einweg-Tiegel entwickelt worden. Diese bestehen aus einem metallischen, innenseitig mit einer feuerfesten Auskleidung überzogenen Mantel, dessen Boden mit einer Ausflußöffnung versehen ist. Die Ausflußöffnung ist wiederum zur Aufnahme eines unter Wärmeeinfluß selbsttätig öffnenden Tiegelstöpsels eingerichtet. Dieser Tiegel ist nur für einen einmaligen Gebrauch konzipiert und im Vergleich zu den eingangs genannten Tiegeln masseärmer ausgebildet. Er dient gleichzeitig als Transportgefäß für Schweißportionen und zeichnet sich durch eine erleichterte Handhabbarkeit aus.

Die bei diesen Einweg-Tiegeln eingesetzten Tiegelstöpsel sollen bestimmungsgemäß nach dem Beginn der aluminothermischen Reaktion nach Ablauf einer Zeitspanne von 20 bis 25 Sekunden öffnen. Es ist dies die Zeit, die für den Ablauf der aluminothermischen Reaktion, einschließlich Aufschmelzen des eingesetzten DämpfungsZusatzes und Ablauf des sich anschließenden Trennvor-

ganges, erforderlich ist, welcher zur Ausbildung einer auf dem schmelzflüssigen Stahl aufschwimmenden Schlackenschicht, bestehend u. a. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), führt. Diese Zeitspanne muß 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 spaten Öffnen die Gefahr eines frühzeitigen Erstarrens, einer ungenügenden Erwärmung der Schienenenden und eines Steckgusses. Eine definierte Öffnungszeit des Tiegelausflusses ist somit von Bedeutung für die Erzielung reproduzierbarer Qualitäten der Schweißverbindung.

Einweg-Tiegel sind in ihren Festigkeitseigenschaften, insbesondere auch hinsichtlich ihrer thermischen Belastbarkeit dahingehend bemessen, daß die Beanspruchungen, die sich aus der aluminothermischen Reaktion unter Zugrundelegung der genannten Zeit-0 spanne bis zum Öffnen des Ausflusses ergeben, zumindest einmalig aufgenommen werden können, ohne daß die äußere Integrität des Tiegels beeinträchtigt wird. Diese Eigenschaft des Einweg-Tiegels ermöglicht eine vergleichsweise leichte Bauart, auf der alle praktischen Vorteile beruhen. Allerdings werden im Verlauf der aluminothermischen Reaktion Temperaturen von mehr als 2000 ⁰C entwickelt, so daß sich ein beträchtliches Sicherheitsrisiko ergeben kann, wenn - aus welchen Gründen auch immer der zum selbsttätigen Öffnen eingerichtete Tiegelstöpsel nicht innerhalb der angegebenen Zeitspanne öffnet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Tiegel der eingangs bezeichneten Art dahingehend auszugestalten, daß während der alumino thermischen Reaktion eine erhöhte Betriebssicherheit für Personen und Gegenstände in unmittelbarer Umgebung des Tiegels gegeben 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 eines weiteren Tiegelstöpsels eingerichtet ist, der jedoch bestimmungsgemäß bei regulärem Betrieb des ersten Tiegelstöpsels, daß heißt dann, wenn dieser tatsächlich nach Ablauf des diesem zugeordneten Zeitintervalls von 20 bis 25 Sekunden öffnet, funktionslos ist. Erst dann, wenn der erste Tiegelstöpsel nach Ablauf des genannten Zeitintervalls nicht öffnen sollte, tritt nach Ablauf einer Zeitspanne von 30 bis 40 Sekunden der zweite Tiegelstöpsel in Funktion, wobei diese Zeitspanne vom Beginn der aluminothermischen Reaktion an gerechnet wird. Zwischen den, den beiden Tiegelstöpseln jeweils zugeordneten Zeitspannen sollte ein Intervall liegen, so daß ein gleichzeitiges Öffnen beider Tiegelstöpsel zumindest im Regelfall unterbleibt. Infolge des Öffnens des zweiten Tiegelstöpseis 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 voneinander unabhängiger Tiegelstöpsel jedenfalls als unwahrscheinlicher als das Versagen eines Tiegelstöpsels anzusehen ist, ist auf diese Weise ein bedeutender Beitrag zur Betriebssicherheit derartiger Tiegel geleistet.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 sind die Öffnungen im Boden des Tiegels mit Abstand nebeneinander angeordnet. Es ist dies die einfachste Ausführungsform, bei welcher insbesondere handelsübliche Tiegelstöpsel einsetzbar sind, deren Öffnungszeiten 0 im erfindungsgemäßen Sinn gewählt sind.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 sind die Öffnungen aneinandergrenzend plaziert und können insbesondere auch mit der Maßgabe angeordnet sein, daß die zweite Öffnung die erste Öffnung umgibt oder umgekehrt. Auch in diesem Fall können Tiegelstöpsel eingesetzt werden, die auf dem gleichen Funktionsprinzip basie-

ren, die jedoch eine andere geometrische Ausgestaltung erfahren haben. Insbesondere die zueinander konzentrische Anordnung zweier Öffnungen bringt den Vorteil mit sich, daß der Ausfluß aus dem Tiegel in einen Mittenbereich des Bodens plaziert werden kann, und zwar unabhängig davon, aus welcher 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 konische Ausbildung der Durchströmungsausnehmung des Tiegelstöpsels im Sinne der Merkmale des Anspruchs 5 bringt strömungstechnische Vorteile für den ausströmenden Stahl mit sich, die sich insbesondere in einer gegenüber einer zylindrischen Ausführungsform geringeren Streuung der Öffnungs- bzw. Abstichzeiten des Tiegelstöpsels bemerkbar machen. Eine geringere Streuung in diesem Zusammenhang bedeutet eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Bedingungen des GießVorganges, der 0 Schweißbedingungen und letztendlich der Qualität der hergestellten Schweißverbindung.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungsfiguren schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Tiegels im Axialschnitt ohne Tiegelstöpsel;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Tiegelstöpsels im Axial-0 schnitt.

Mit 1 ist in Fig. 1 der erfindungsgemäße, zur einmaligen Verwendung bestimmte Tiegel in seiner Gesamtheit bezeichnet. Er besteht aus einem zylindrischen, oberseitig durch einen aufgesetzten Deckel 2 schließbaren Gefäß, das mittels eines Handgriffes 3 transportiert werden kann.

Die Seitenwandungen 4 und der Boden 5 weisen einen strukturell gleichen Aufbau auf und bestehen jeweils aus einem außenseitigen metallischen Mantel 6, der innenseitig eine Auskleidung 7 aus einem feuerfesten Werkstoff trägt. Der Deckel 2 kann mit dem Gefäß werkstoff gleich ausgebildet sein - es kann sich jedoch auch um einen ausschließlich metallischen Deckel handeln.

In den Boden 5 sind zwei Öffnungen 8, 9 eingeformt, die mit Abstand zueinander angeordnet sind und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine gleiche Größe aufweisen, was allerdings keine notwendige Bedingung ist. Diese Öffnungen 8, 9 dienen der Aufnahme von unter Wärmeeinwirkung nach Maßgabe vorgegebener Zeitspannen selbsttätig öffnender Tiegelstöpsel, von denen einer in Fig. 2 beispielhaft gezeigt ist. Dieser Tiegelstöpsel wird üblicherweise vor Ort in den Tiegel eingesetzt.

Beide in den Boden 5 eingeformten Öffnungen 8, 9 weisen einen sich zur Unterseite hin konisch verjüngenden Verlauf auf, so daß ein von der Oberseite 11 her eingesetzter Tiegelstöpsel eine Stützwirkung erfährt. Mit 10 ist in Fig. 2 ein beispielsweise aus gebundenem Sand oder auch Graphit bestehender hülsenartiger Stöpselkörper bezeichnet, in den von der Oberseite 11 her ein beispielsweise aus Graphit bestehender Hülsenkörper 12 eingesetzt ist, dessen Bodenbereich durch Verschlußplättchen 13 gebildet wird, die zum Durchschmelzen bestimmt sind und die aus Graphit oder auch aus Metallen bestehen können, wobei das Durchschmelzverhalten des Tiegelstöpsels im wesentlichen von der Beschaffenheit dieser Verschlußplättchen, somit deren Werkstoff in Verbindung mit deren Dicke bestimmt wird. Mit 14 ist 0 die in dem Stöpselkörper vorgesehene Durchflußausnehmung bezeichnet, die nach erfolgtem Durchschmelzen der Verschlußplättchen 13 für den Ausfluß von schmelzflüssigem Stahl zur Verfügung steht.

Vorzugsweise wird der Tiegel direkt werkstattseitig mit entsprechenden Tiegelstöpseln ausgestattet, wobei in diesem Fall

der Stöpselkörper 14 entfällt. Der Hülsenkörper 12, bestückt mit der notwendigen Anzahl an Verschlußplättchen 13, wird in den Tiegelboden 5 eingesetzt. Die Öffnungen 8, 9 entsprechen dann der Auslauföffnung des oben beschriebenen separaten Tiegelstöpsels.

Erfindungswesentlich ist nunmehr, daß in beide Öffnungen 8, 9 Tiegelstöpsel eingesetzt sind, deren Öffnungsverhalten mit der Maßgabe unterschiedlich bemessen ist, daß - nach Beginn der aluminothermisehen Reaktion - der Tiegelstöpsel der ersten Öffnung 8 nach Ablauf einer Zeitspanne von 15 bis 25 Sekunden und der Tiegelstöpsel der zweiten Öffnung 9 hingegen erst nach Ablauf einer Zeitspanne von 30 bis 40 Sekunden öffnet.

Sollte somit die Funktion des ersten regulären Tiegelstöpsels gestört sein, kommt es nach Ablauf der dem zweiten Tiegelstöpsel zugeordneten Zeitspanne zur selbsttätigen Öffnung des zweiten Tiegelstöpsels und in der Folge zu einem Ausfluß schmelzflüssigen Stahls. Risiken für die unmittelbare Umgebung des Tiegels infolge einer thermischen und festigkeitsmäßigen Überlastung, die durch eine zu lange Verweilzeit des schmelzflüssigen Stahls innerhalb des Tiegels bestehen können, werden auf diese Weise wirksam unterbunden.

Nahezu jeder Einweg-Tiegel ist in einfachster Weise durch Vorsehung einer zweiten Ausflußöffnung im erfindungsgemäßen Sinn ausrüstbar, nachdem Tiegelstöpsel mit definierten, über die Beschaffenheit der Verschlußplättchen variierbaren Öffnungszeiten im Handel verfügbar sind.

Claims

Schutzansprüche:

1. Tiegel (1) zur Verwendung im Rahmen eines aluminothermischen Schweißverfahrens zur Verbindung zweier Werkstücke, insbesondere zweier Schienenenden, bestehend aus einem Gefäß, dessen Seitenwandungen (4) und dessen Boden (5) aus einem äußeren metallischen Mantel (6) bestehen, der innenseitig mit einer aus einem feuerfesten Werkstoff bestehenden Auskleidung (7) überzogen ist, wobei in dem Boden (5) eine erste, zur Aufnahme eines unter Wärmeeinwirkung nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne von 15 bis 25 Sekunden nach dem Beginn der aluminothermischen Reaktion selbsttätig öffnenden Tiegelstöpsels eingerichtete Öffnung (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
15

daß in dem Boden (5) eine zweite, zur Aufnahme eines unter Wärmeeinwirkung nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne selbsttätig öffnenden Tiegelstöpsels eingerichtete Öffnung (9) angeordnet ist, und
20

daß die dem Tiegelstöpsel der zweiten Öffnung (9) zugeordnete Zeitspanne 30 bis 40 Sekunden nach erfolgtem Beginn der aluminothermischen Reaktion beträgt.

2. Tiegel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Öffnungen (8, 9) mit Abstand nebeneinander in dem Boden (5) angeordnet sind.

3. Tiegel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

0 - daß die Öffnungen (8, 9) aneinandergrenzend, insbesondere mit der Maßgabe in dem Boden (5) angeordnet sind, daß die zweite Öffnung (9) die,erste Öffnung umgibt.

4. Tiegel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gefäß zylindrisch ausgestaltet ist.

5. Tiegel (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die einem jeden Tiegelstöpsel zugeordnete, nach erfolgtem Durchschmelzen freigegebene Durchströmungsausnehmung (14) einen sich in Ausflußrichtung konisch oder in sonstiger Weise verjüngenden Verlauf aufweist.