DE29819333U1 - Tiegelstöpsel - Google Patents
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Description
Elektro - Thermit GmbH, Essen
Tiegelstöpsel
Tiegelstöpsel
Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiegelstöpsel entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Tiegelstöpsel bilden selbsttätig öffnende Verschlußkörper
für Gießtiegel, die beispielsweise bei aluminothermischen Schweißverfahren Verwendung finden. Die diesen Schweißverfahren
zugrundeliegende Reaktion beruht auf der starken Affinität von Aluminium zu Sauerstoff, welche zur Reduktion von
Eisenoxiden benutzt wird, wobei dieser stark exothermen Reaktion die zur Bildung eines schmelzflüssigen Schweißgutes erforderliche
Wärme entnommen wird.
Auscfangsprodukt der aluminothermi sehen Reaktion ist ein feinkörniges
Gemisch, welches im wesentlichen aus Al und Fe2O3 besteht
und welches zur Durchführung der aluminothermisehen Reaktion in einen beispielsweise kegelförmigen Tiegel eingebracht
wird, der sich oberhalb einer Gießform befindet, welche die Schweißfuge zwischen zwei zu verbindenden Werkstücken umgibt.
0 . Die Reaktion dieses Gemisches kann mittels eines Zündstäbchens
eingeleitet werden, woraufhin innerhalb des Tiegels die aluminothermische
Reaktion abläuft, die zur Bildung einer Schmelze führt, welche im wesentlichen aus Eisen und einer aufschwimmenden
Schlacke aus Tonerde besteht. Im Verlauf dieser Reaktion vollzieht sich innerhalb eines verhältnismäßig kurzen Zeitintervalls
die Trennung von Eisen und Schlacke, woraufhin der Tiegelstöpsel den Ausfluß des Tiegels freigeben sollte, so daß
schmelzflüssiger Stahl zwecks Durchführung der Schweißung in die Schweißfuge einströmt.
Die aluminothermische Reaktion kann im wesentlichen in zwei Schritte unterteilt werden, nämlich die Reduktionsreaktion und
die sich anschließende Trennung von schmelzflüssigem Stahl und
; ♦
Schlacke. Wesentlich für ein reproduzierbares Ergebnis des Schweißvorgangs ist nunmehr, daß der Ausfluß des Tiegels zur
rechten Zeit, daß heißt weder zu früh noch zu spät öffnet. Bei einem zu frühen Öffnen besteht die Gefahr, daß der Trennvorgang
von Stahl und Schlacke noch nicht abgeschlossen ist, so daß zusammen mit dem Stahl Schlackepartikel ausgetragen werden und in
die Schweißfuge gelangen, so daß sich erhebliche Festigkeitsminderungen der Schweißverbindung ergeben können. Bei einem zu
späten Öffnen besteht die Gefahr eines Steckgusses, wobei der Erstarrungsprozeß des Stahles bereits im Tiegel eingesetzt hat.
Der Verweilzeit des aluminothermisch erschmolzenen Stahles in dem Tiegel kommt somit eine zentrale Bedeutung zu und ein
selbsttätig öffnender Tiegelstöpsel, der nach erfolgter Zündung des aluminothermischen Gemisches nach Ablauf einer definierten
Zeitspanne den Tiegelausfluß freigibt, bildet ein einfach handhabbares Arbeitsmittel, um reproduzierbare Verweilzeiten-, des
Stahles innerhalb des Tiegels zu realisieren.
0 Es wird heute bei den dem Stand der Technik zuzuordnenden Schweißportionen von einer Mindestabstichzeit des Tiegels von
15 see ausgegangen. Langjährige Erfahrungen aus dem Gleis haben gezeigt, daß nach dieser Mindestzeit eine ausreichende Trennung
von aluminothermisch erzeugtem Stahl und Schlacke erfolgt und 5 eine zufriedenstellende Schweißqualität gewährleistet werden
kann.
Diese Tiegelstöpsel sind stofflich derart beschaffen, daß sie unter den herrschenden Bedingungen der aluminothermischen Reaktion
nach Ablauf der gewünschten Zeitspanne durchgeschmolzen sind und somit den Ausfluß freigeben. So sind Tiegelstöpsel bekannt,
die global aus einem aus Sand hergestellten Stöpselkörper bestehen, der eine Ausflußausnehmung umgibt, in die ein
Hülsenkörper beispielsweise aus Aluminium eingesetzt ist, innerhalb welchem sich Verschlußplättchen aus keramischen Stoffen,
aus komprimierbarem faserigem Aluminiumsilikat oder der-
gleichen befinden. Es sind ferner Verschlußkörper aus gebundenem Sand, aus Graphit oder aus einer Kombination der beiden
letztgenannten Elemente bekannt. Schließlich sind Tiegelstöpsel bekannt, die ganz oder teilweise aus luftdurchlässigem Graphit
5 oder aus solchen Metallen bestehen, deren Schmelzpunkt zwischen 2100 0C und 3727 0C liegt wie z. B. Niob, Tantal, Molybdän,
Wolfram oder Hafnium. In den letzteren Fällen wird davon ausgegangen, daß diese Werkstoffe infolge einer Legierungsbildung
solche Verbindungen mit dem schmelzflüssigen Stahl bilden, deren Schmelzpunkte unterhalb der Auslauftemperatur des Stahles
liegen. Aufgrund der Inkomprimierbarkeit dieser Werkstoffe ergeben sich im Verhältnis zu den eingangs bereits genannten komprimierbaren
Stoffen Verbesserungen hinsichtlich der Erzielung reproduzierbarer Zeitspannen bis zur Öffnung des Tiegels.
Infolge eines gestiegenen Umweltbewußtseins, jedoch auch aus Gründen des Arbeitsschutzes werden dem aluminothermischen"· Gemisch
Zusatzstoffe, insbesondere Dämpfungsmittel in feinkörniger Form beigemischt, deren Zweck darin besteht, den Ablauf der
0 aluminothermischen Reaktion dahingehend zu beeinflussen, daß diese weniger heftig, unter geringerer Rauchentwicklung sowie
möglichst unter Vermeidung eines Auswurfes an schmelzflüssigem Stahl abläuft. Ein in diesem Sinne beruhigtes Reaktionsverhalten
bei einer Schweißportion kann bei Verwendung von Legie-5 runqjsbildnern, die ein perlitisches Gefüge ergeben, durch Zusatz
eines erhöhten Kaltmetallanteils z. B. in der Form von Fe-Granalien erreicht werden. Dieser erhöhte Kaltmetallanteil
führt zu einem verzögerten Reaktionsablauf und zu einer Beruhigung der Reaktion. Infolge des Verbrauchs an Lösungswärme für
0 das Kaltmetall ergibt sich jedoch auch ein geringerer Wärmeinhalt der aluminothermischen bzw. der Thermit®-Schweißportion.
Letzteres kann die Schweißeigenschaften negativ beeinflussen. Ziel sollte vor diesem Hintergrund ein möglichst ruhiges Reaktionsverhalten
bei gleichzeitig möglichst hohem Wärmeinhalt der Thermit®-Schweißportion sein. Diese Eigenschaften bietet eine
aus der DE-PS 196 50 207 bekannte Thermit®-Schweißportion.
Außer von den Abkühlverhältnissen hängt die Gefügeausbildung ferner von der Zusammensetzung des eingesetzten aluminothermischen
Gemisches bzw. der Schweißportion ab. So sind aus der DE-PS 196 50 207 aluminothermische Gemische bekannt, deren Legierungsbestandteile
zu einem bainitischen oder teilweise bainitischen Gefüge führen. Ein solches Gefüge weist bei unveränderter
Verschleißfestigkeit eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit auf. Ein Wesensmerkmal derartiger Schweißportionen besteht
ebenfalls in einem verlangsamten und beruhigten Reaktionsablauf.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Tiegelstöpsel der eingangs
bezeichneten Art zu entwerfen, der bei Wahrung einer reproduzierbaren Schweißgutqualität für eine Verwendung bei einem
Gießtiegel in Verbindung mit solchen aluminothermischen Gemischen bestimmt ist, deren Zusammensetzung üblicherweise mit
Hinblick auf die Ausbildung eines diesen angepaßten, insbesondere zumindest teilweise bainitischen Gefüges hin gewählt ist.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Tiegelstöpsel durch 0 die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
Erfindungswesentlich ist hiernach, daß die Durchschmelzeigenschaften
des Tiegelstöpsels in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches auf werkstofflichem
5 und/oder strukturellem Wege festgelegt sind und in jedem Fall dahingehend bemessen sind, daß sich Öffnungs- bzw. Abstichzeiten
ergeben, die auf die Ausbildung eines bestimmten Gefüges im Zwischengußbereich abzielen, wobei ein zu frühes und ein zu
spätes Öffnen des Tiegelausflusses gleichermaßen unterbunden 0 werden müssen. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aluminothermischen
Gemisches, insbesondere dessen Legierungsbestandteilen, die erfindungsgemäß mit Hinblick auf die Ausbildung
eines zumindest teilweise bainitischen Gefüges im Zwischengußbereich gewählt sind, ist mit einer erhöhten Verweilzeit
des Gemisches innerhalb des Tiegels zu rechnen, um die aluminothermische Reaktion und den Trennvorgang der Schlacke
von dem schmelzflüssigen Stahl ablaufen zu lassen. Der erfindungsgemäße
Tiegelstöpsel trägt dem Rechnung und bildet ein selbsttätig wirksames Arbeitsmittel, mittels welchem der der
genannten Zusammensetzung des aluminothermisehen Gemisches entsprechende
verlangsamte Reaktionsablauf berücksichtigt wird, so daß in einfacher Weise Schweißverbindungen mit reproduzierbarer
Qualität und mit wenigstens teilweise bainitischen Gefügeanteilen im Zwischengußbereich herstellbar sind.
Indem die Zeitspanne zwischen dem Beginn der aluminothermisehen
Reaktion und dem Durchschmelzen des Stöpsels entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5 bemessen wird, ergeben sich Abstichzeiten,
die dem verzögerten, beruhigten Reaktionsablauf angepaßt sind, der nach Maßgabe der Zusammensetzung der ThermitS)-Schweißportion
zur Ausbildung eines wenigstens teilweise bainitischen Gefüges im Zwischengußbereich der Werkstücke bzw.
der Schienenenden führt. Als Beginn dieser Zeitspanne ist der Beginn einer visuell wahrnehmbaren Reaktion des aluminothermischen
Gemisches anzusehen.
Die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 sind auf die im Rahmen des Tiegelstöpsels besonders vorteilhaft einsetzbaren Werkstoffe
gerichtet. Gegenüber den komprimierbaren faserigen keramischen Werkstoffen wird den übrigen unkomprimierbaren Werkstoffen al-5
lerdings der Vorzug gegeben, und zwar mit Hinblick auf geringere Streuungen der Werte der Durchschmelzzeiten.
Die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 sind auf die strukturelle Ausgestaltung des Tiegelstöpsels gerichtet. Insbesondere über
0 die Zahl der in einen Hülsenkörper eingesetzten Plättchen lassen sich vor Ort unterschiedliche Durchschmelzzeiten einstellen,
beispielsweise zwecks Anpassung an unterschiedliche aluminothermische
Gemische.
Der erfindungsgemäße Tiegelstöpsel bildet somit ein Arbeitsmittel,
welches in wirksamer gleichförmiger Weise eine selbsttä-
ti ge Beeinflussung der Gefügeausbildung im Zwischengußbereich
mit Hinblick auf die wenigstens teilweise Ausbildung eines bainitischen Gefüges ermöglicht.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert
werden. Es zeigen:
Fig.. l:eine Darstellung eines Gießtiegels im Vertikalschnitt
mit eingesetztem erfindungsgemäßem Tiegelstöpsel;
mit eingesetztem erfindungsgemäßem Tiegelstöpsel;
Fig.. 2: eine Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Tiegelstöpsels;
Fig., 3: eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
erfindungsgemäßen Tiegelstöpsels;
Fig., 3: eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Tiegelstöpsels;
15
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Mit 1 ist in Fig. 1 ein Gießtiegel bezeichnet, der zum Aufsetzen auf eine zur Verwendung im Rahmen eines aluminothermischen
Schweißverfahrens bestimmte Gießform ausgebildet ist. Es handelt sich um ein global konisches, am unteren Ende mit einer
AuslaufÖffnung 2 versehenes Gefäß. Der Gießtiegel 1 besteht aus
einem feuerfesten Werkstoff, &zgr;. &Bgr;. Aluminiumoxid oder einem vergleichbaren Werkstoff.
Die AuslaufÖffnung 2 weist eine zur Unterseite des Gießtiegels
hin leicht konisch ausgebildete Gestaltung auf, so daß der von der Oberseite der Auslauföffnung in diese eingesetzte Tiegelstöpsel
3 eine Stützwirkung erfährt.
Wesensmerkmal des Tiegelstöpsels 3 ist ein beispielsweise aus Sand bestehender Stöpselkörper 4, der eine Ausflußausnehmung 5
umgibt und der zum Einsetzen in die Auslauföffnung 2 des Gießtiegels 1 bestimmt ist. Der obere Bereich der Ausflußausnehmung
5 ist durch eine Ringschulter 6 gekennzeichnet, an die sich zum oberen Ende hin ein im Querschnitt erweiterter Bereich
anschließt, in dem ein Hülsenkörper 7 aufgenommen ist. Der beispielsweise aus Aluminium oder Graphit bestehende Hülsenkör-
per 7 ragt aus dem oberen Ende des Stöpselkörpers 4 heraus und weist einen Bodenbereich auf, der durch Plättchen 8 gebildet
ist, die ebenfalls aus Graphit oder beispielsweise aus keramischem faserigem Aluminiumsilikat bestehen können.
5
5
Das dargestellte Plättchen 8 weist eine Dicke d auf, die erfindungsgemäß
dahingehend bemessen ist, daß die Zeitspanne bis zum Durchschmelzen nach Beginn der aluminothermisehen Reaktion in
Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aluminothermisehen Gemischs
gewählt ist. Das in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Tiegelstöpsel eingesetzte aluminothermische Gemisch ist ein
solches, welches zur Ausbildung eines zumindest teilweise bainitischen Gefüges hin zusammengesetzt ist. Dies bedeutet, daß
die Durchschmelzeigenschaften des Tiegelstöpsels an die diesen
aluminothermisehen Gemischen entsprechenden verlangsamten Reaktionsabläufe
angepaßt sein müssen.
Die Dicke d des Tiegelstöpsels 3 bildet somit den maßgeblichen Parameter zur Festlegung der Abstichzeit des Gießtiegels 1. An-0
gestrebt wird in jedem Fall eine für die aluminothermische Reaktion zur Verfügung stehende Reaktionszeit, die an die Zusammensetzung
des genannten Gemisches angepaßt ist, die den Ablauf der oben dargelegten beiden Schritte der aluminothermischen Reaktion
ermöglicht, bevor infolge Durchschmelzens des Tiegelstöpsels 3, insbesondere des Plättchens 8 die Auslaufausnehmung
5 des Gießtiegels 1 freigegeben ist. Anstelle eines einheitlichen Plättchens 8 mit einer Dicke d können grundsätzlich
auch mehrere Plättchen von geringerer Dicke vorgesehen sein.
Der in Fig. 1 gezeigte prinzipielle Aufbau eines Tiegelstöpsels 3 kann insbesondere in werkstofflicher und struktureller
Form vielfältig variiert werden. So zeigt Fig. 2 einen Tiegelstöpsel 3', dessen Hülsenkörper 7' aus Aluminium besteht und
dessen Bodenbereich durch drei übereinander befindliche Plättchen 8', bestehend aus faserigen keramischen Stoffen gebildet
ist,, wobei die Dicke d' dessen Bodenbereiches, insbesondere die
Zahl der Plättchen 8' mit der Maßgabe gewählt sind, daß die sich ergebende Dicke d' das im Zeitablauf gewünschte Durchschmelzverhalten
aufweist.
In Fig. 3 ist ein Tiegelstöpsel 3'' gezeigt, dessen Hülsenkörper &Iacgr;' ' gleichermaßen wie das dessen Bodenbereich bildende
Plättchen 8'' beispielsweise aus Graphit besteht, wobei der gezeigte Stöpselkörper 4' aus gebundenem Sand besteht.
Das Plättchen 8'' ist in an sich bekannter Weise ganz oder teilweise porös ausgebildet und/oder mit mehreren, einen Eintritt
von schmelzflüssigem Metall ermöglichenden Bohrungen versehen.
Diese erleichtern das Entweichen von während der aluminothermisehen
Reaktion gebildeten Gasen, die ansonsten das Ausströmen des schmelzflüssigen Stahles behindern könnten. Das
Plättchen 8'' kann bei ansonsten unveränderten Verhältnissen gleichermaßen auch aus einem hochschmelzenden Metall wie z. B.
Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Hafnium bestehen.
Hinsichtlich der Bemessung der Dicke d'' des Plättchens 8'' gelten obige Ausführungen zu den in den Figuren 1 und 2 gezeigten
Beispielen von Tiegelstöpseln 3,3' sinngemäß.
Claims (9)
1. Selbsttätig infolge Durchschmelzens öffnender Tiegelstöpsel
(3,3',3'') aus einem hochschmelzenden Werkstoff für einen
zur Aufnahme eines aluminothermischen Gemisches bestimmten Gießtiegel (1), der zur Verwendung bei der Zwischengußverschweißung
zweier Werkstücke eingerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die werkstoffliche Zusammensetzung und/oder die Beschaffenheit
des Tiegelstöpsels (3,3',3'') in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches
mit Hinblick auf den DurchschmelzZeitpunkt des Stöpsels mit
der Maßgabe gewählt ist/sind, daß sich im Zwischengußbereich der Werkstücke ein zumindest teilweise bainitisches
Gefüge ausbildet.
2. Tiegelstöpsel nach Anspruch 1,
25
25
dadurch gekennzeichnet,
daß die werkstoffliche Zusammensetzung und/oder die Beschaffenheit
des Tiegelstöpsels (3,3',3'') in Abhängigkeit 0 von der Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches
mit Hinblick auf den DurchschmelzZeitpunkt des Stöpsels ferner mit der Maßgabe gewählt ist/sind, daß ein Durchschmelzen
des Stöpsels nach Ablauf einer Zeitspanne von wenigstens 20 see nach Beginn der aluminothermischen Reaktion
eintritt.
3. Tiegelstöpsel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die werkstoffliche Zusammensetzung und/oder die Beschaffenheit
des Tiegelstöpsels (3, 3',3'') in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches
mit Hinblick auf den Durchschmelzzeitpunkt des Stöpsels ferner mit der Maßgabe gewählt ist/sind, daß ein Durchschmelzen
des Stöpsels nach Ablauf einer Zeitspanne von wenigstens 25 see nach Beginn der aluminothermischen Reaktion
eintritt.
4. Tiegelstöpsel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die werkstoffliche Zusammensetzung und/oder die Beschaffenheit
des Tiegelstöpsels (3,3',3'') in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches
mit Hinblick auf den Durchschmelzzeitpunkt des Stöpsels ferner mit der Maßgabe gewählt ist/sind, daß ein Durchschmelzen
des Stöpsels nach Ablauf einer Zeitspanne von wenigstens 30 see nach Beginn der.aluminothermischen Reaktion
eintritt.
5. Tiegelstöpsel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die werkstoffliche Zusammensetzung und/oder die Beschaffenheit
des Tiegelstöpsels (3,3',3'') in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches
mit Hinblick auf den Durchschmelzzeitpunkt des Stöpsels ferner mit der Maßgabe gewählt ist/sind, daß ein Durch-0
schmelzen des Stöpsels nach Ablauf einer Zeitspanne von we-
nigstens 35 sec nach Beginn der aluminothermischen Reaktion
eintritt.
6. Tiegelstöpsel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tiegelstöpsel (3,3' ,3'') ganz oder teilweise aus
Graphit oder einem Metall wie Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Hafnium besteht.
15
15
7. Tiegelstöpsel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tiegelstöpsel (3,3', 3'') ganz oder teilweise aus
faserigen keramischen Werkstoffen besteht.
8. Tiegelstöpsel nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1
bis 7,
bis 7,
gekennzeichnet durch
einen Hülsenkörper (7,7',7''), in welchen wenigstens ein zum Durchschmelzen bestimmtes Plättchen (8,8',8'') eingesetzt
ist, wobei der Hülsenkörper aus Graphit oder einem Metall wie z.B. Aluminium besteht, wobei das Plättchen aus
Graphit, aus einem keramischen faserigen Aluminiumsilikat oder einem Metall wie Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram oder
Hafnium besteht und wobei der Hülsenkörper und das Plätt-5 chen werkstofflich gleich oder verschieden sein können.
9. Tiegelstöpsel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hülsenkörper (7,7',7'') zur wahlweisen Aufnahme
eines oder mehrerer Plättchen (8,8',8'') eingerichtet ist.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29819333U DE29819333U1 (de) | 1998-10-30 | 1998-10-30 | Tiegelstöpsel |
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