EP0249888A2 - Aluminothermischer Formkörper zum Erwärmen einer Scheine und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0249888A2
EP0249888A2 EP87108434A EP87108434A EP0249888A2 EP 0249888 A2 EP0249888 A2 EP 0249888A2 EP 87108434 A EP87108434 A EP 87108434A EP 87108434 A EP87108434 A EP 87108434A EP 0249888 A2 EP0249888 A2 EP 0249888A2
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EP
European Patent Office
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rail
aluminothermic
incandescent
heat
mixture
Prior art date
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EP87108434A
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EP0249888A3 (en
Inventor
Johannes Dr. Guntermann
Roderick Donald Macrae
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Goldschmidt ETB GmbH
Original Assignee
Elektro Thermit GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V30/00—Apparatus or devices using heat produced by exothermal chemical reactions other than combustion

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an aluminothermic incandescent body for heating a rail, an aluminothermic incandescent body produced by this method and an aluminothermic incandescent jacket using such an aluminothermic incandescent body.
  • the invention further relates to a method for heating a rail consisting of a rail head, rail web and rail foot.
  • a method for producing an aluminothermic incandescent body for heating a rail consisting of a rail head, rail web and rail foot is provided, according to which a moldable, curable material made of a particulate aluminothermic mixture, a heat-absorbing material, an alkali silicate binder and water prepares the material into a shaped body with boundary surfaces which are adapted to the rail foot, the rail web and the rail head, and forms the shaped body at elevated temperature in a CO2-containing atmosphere.
  • the aluminothermic mixture can contain aluminum, for example in the form of flakes, with a particle size of ⁇ 1 mm, preferably 0.2 to 0.6 mm.
  • the aluminothermic mixture can also iron oxide, approximately in the form of scale, ie in the form of a mixture of Fe2O3 and FeO, which has preferably been heated in oxygen, so that the proportion of FeO 5 to 30 wt .-%, preferably 5 to 20 wt .-%, is, ent hold.
  • the particle size of the iron oxide can be 0.1 to 2 mm, with smaller particles, ie those smaller than 0.2 mm in size, increasing the rate of the aluminothermic reaction.
  • the moldable and hardenable material can contain sand, for example silicate sand or quartz sand, as the heat-absorbing material.
  • the sand can have a particle size of up to 3 mm, preferably 0.1 to 1.0 mm.
  • the alkali silicate binder of the moldable thermosetting material can be sodium silicate.
  • the aluminothermic mixture may optionally contain one or more boosters, such as alkali nitrates, e.g. NaNO3 or KNO3, and peroxides such as BaO2. However, it can be assumed that boosters are usually not necessary if the iron oxide is selected with a sufficiently small particle size.
  • the moldable and curable material can be prepared by mixing the following preparation with water, the information relating to dry substance:
  • the moldable and hardenable material can be made by mixing the aluminum, iron oxide and quartz sand with an aqueous solution of the sodium silicate and water.
  • the sodium silicate solution can have a concentration of about 38 to 48% by weight, preferably 42 to 46% by weight. This corresponds to a solution with a specific weight of 1.5 g / cm3 and 48.5 ° Be.
  • the moldable and curable material can have the following composition:
  • the shaping of the material into a shaped body with boundary surfaces which are adapted to the rail foot, the rail web and the rail head can be carried out in a suitable form, the molded body having a recess in its surface facing the rail web which can accommodate an insert made of heat-insulating material .
  • the material can be shaped into the desired shape by pressing it into a mold. This can be done by core shooting or by hand.
  • the method according to the invention can include the insertion of a moldable, heat-curable, refractory and heat-insulating mixture into the recess in order to form a heat-insulating insert.
  • the refractory, heat-insulating mixture can contain sand and flaky vermiculite and alkali silicate binders and can be inserted into the recess by hand.
  • the particle size and particle size distribution of the sand and vermiculite can be the same as that of the sand in the moldable and curable material of the aluminothermic filament.
  • the heat insulating mixture can consist of about 60 to 80% by weight of the aforementioned quartz sand and about 20 to 40% by weight of vermiculite and can be bound in a similar manner by sodium silicate.
  • the heat-insulating mixture can contain, for example, about 6 to 7% by weight of a sodium silicate solution with a content of 1.5 g / cm 3.
  • the method according to the invention can further comprise the following steps:
  • Pre-consolidation and pre-hardening can take place at room temperature.
  • the CO2 pressure can be 0.1 to 0.15 M.Pa.
  • the final solidification and curing can preferably take place within a temperature range from 150 to 200 ° C, in particular from 170 to 200 ° C, e.g. at 200 ° C for a period of 75 minutes.
  • an insert made of an aluminothermic ignition mixture which is more flammable than the rest of the aluminothermic mixture of the molded body can also be arranged in the aluminothermic incandescent body. After being ignited, this insert serves to ignite the remaining aluminothermic mixture of the molded body. This insert can be located in the molded body on the opposite side of the insert made of heat-insulating material.
  • the method according to the invention then includes the step of designing the shaped body with a recess for the insertion of the ignition mixture.
  • the ignition mixture can consist, for example, of a mixture of about 3 parts by weight of the iron oxide already described and about 1 part by weight of aluminum and can be bound in similar amounts, for example 6 to 7% by weight, by the sodium silicate which has also already been described.
  • the insertion into the recess is done by hand.
  • the ignition mixture is after the pre-consolidation and first hardening in CO2 and before the final consolidation takes place at elevated temperature.
  • the invention further relates to an aluminothermic incandescent body produced by the method described above.
  • the invention also relates to an aluminothermic mantle jacket for heating a rail consisting of a rail head, rail web and rail foot, which comprises a pair of aluminothermic glow bodies of the type described for heating the opposite sides of a rail and an aluminothermic plate for covering the top of the rail head between the glow bodies, wherein the aluminothermic plate has the same composition as the aluminothermic mixture of the incandescent body.
  • the aluminothermic plate can also have an insert made of an aluminothermic ignition mixture.
  • the invention further extends to a method for heating a rail consisting of rail head, rail web and rail foot by means of an aluminothermic incandescent body of the type described above, wherein the aluminothermic incandescent body is attached to the side of the rail, then the incandescent body is ignited and allowed to burn until the rail is heated to the desired temperature.
  • two incandescent bodies are preferably placed opposite one another on opposite sides of the rail and are ignited simultaneously, e.g. by igniting the aluminothermic ignition inserts with pyrotechnic agents containing BaO2.
  • the incandescent body is then allowed to burn off until the rail has been heated to the desired temperature.
  • an intermediate casting weld can be carried out by pouring molten metal between the heated rail ends or a repair or build-up weld on the heated parts of the rail.
  • the incandescent bodies can be part of an incandescent jacket of the type described, and the plate made of aluminothermic material can can be used to cover and heat the surface of the rail head.
  • the plate of aluminothermic material can be used in place of, or in addition to, the incandescent body to reheat the top of the rail after welding to temper the weld metal and surrounding metal to form a desired structure.
  • the underside of the rail foot can be isolated by placing a plate of insulating material under the rail foot during heating, but before welding and during welding.
  • the process according to the invention relates to the production of a thermal heating element for heating a metallic object, characterized in that a moldable and curable material is prepared from a particulate aluminothermic mixture, a heat-absorbing material, an alkali silicate binder and water, whereby the thermal mixture contains at least one metal from the group consisting of aluminum and magnesium and at least one transition metal oxide, then forms the material into a shaped body with boundary surfaces which are adapted to the rail foot, the rail web and the rail head, and the shaped body at elevated temperature solidified in an atmosphere containing CO2.
  • the transition metal oxide can be iron oxide or manganese oxide.
  • Figure 1 shows a three-dimensional exploded view of an incandescent jacket with incandescent bodies according to the invention
  • Figure 2 shows a three-dimensional partial view in a partially exploded view of an incandescent jacket with incandescent bodies according to the invention, which are arranged on a railroad track.
  • an aluminothermic glow jacket 10 is made mouldable and hardenable material, a pair of aluminothermic molded bodies 12, which are shaped according to the invention so that they have contact surfaces 14, 16 and 18, which correspond to the rail foot 22, the rail web 24 and the rail head 26 of the rail 20 ( Figure 2), and an aluminothermic plate 13 for covering the running surface 27 of the rail 20, the rail 20 being shown between the blocks 12.
  • the blocks 12 have recesses 28 in the surface 16, which adjoin the rail web 24 of the rail 20, the recesses 28 having inserts 30 made of heat-insulating material.
  • the inserts 30 are arranged in such areas of the molded body 12 of the aluminothermic sheathing 10 that, when in use (Figure 2), they are located opposite the rail web 24 of the rail 20 and thereby insulate the rail web 24 against excessive heat from the glow element 12.
  • the incandescent body 12 and the plate 13 also have recesses 32 which contain inserts made of ignition mixture 34.
  • the moldable and curable material used to produce the aluminothermic filament 12 and the plate 13 can have the following composition (based on dry weight):
  • the flaky aluminum has a particle size of 0.2 to 0.6 mm.
  • the scale is a mixture of Fe2O3 and FeO and was heated in oxygen to an FeO content of 18 wt .-%. It has a particle size of approximately 0.1 to 2 mm.
  • the quartz sand has a particle size of 0.1 to 1 mm.
  • the heat insulating material of the inserts 30 can be a mixture of the following composition (based on dry weight):
  • the previously described quartz sand is used.
  • the particle size and particle size distribution of the vermiculite correspond to that of the sand.
  • the ignition mixture of the inserts 34 can have the following composition (based on dry weight):
  • the aluminum and the scale correspond to the products already mentioned.
  • the moldable and curable material is mixed, shaped in a mold and solidified.
  • scale, aluminum and sand are mixed in a mixer, e.g. for 4 minutes, mixed.
  • Sodium silicate e.g. in the form of an aqueous solution with 44 wt .-% sodium silicate, and 3 wt .-% additional water. After another 4 minutes of mixing, the material is ready for shaping.
  • This moldable, curable material is then pressed (stamped) into a suitable mold for shaping. This can be done by core shooting or done by hand.
  • the shapes are designed to form the recesses 32 and 28 in the incandescent bodies and plates.
  • the ignition mixture of the ignition insert 34 and the insulating material of the inserts 30 are inserted into these recesses. They thus become integral parts of the incandescent body 12.
  • the insulating inserts 30 are made in the same way by mixing the sand and vermiculite, adding the silicate in the form of the same solution, filling the mixture into the recesses 28 provided for this purpose in the CO2 pre-solidified incandescent body 12 by hand and molding the inserts 30.
  • the pre-consolidation of the molded body 12 is carried out by exposing it to a CO2 pressure of about 0.1 to 0.15 M.Pa at room temperature for about 5 seconds.
  • annealing jacket In order to fully harden and solidify the parts of the annealing jacket, they are heated to a temperature of at least 150 ° C, e.g. 200 ° C, heated for about 75 minutes.
  • the temperature which is reached when the parts of the casing are burned off corresponds directly to the thickness of the components, ie the glow body 12 and the plate 13, of the casing 10.
  • a jacket whose components have a thickness of approximately 20 mm burns in the rail 20 to achieve a temperature of approximately 350 ° C.
  • the casing can be used to heat up a railroad track 20 for the repair or build-up welding of the rail 20, a pair of the incandescent bodies 12 of the casing 10 being placed in the area of the welding point 36 on opposite sides of the rail 20.
  • the position of the incandescent bodies 12 on the rail 20 is secured by side plates or clips, not shown in the figures.
  • the incandescent bodies 12 are simultaneously ignited by means of burning pyrotechnic igniters containing BaO 2 at the inserts 34 of the ignition mixture. The incandescent body is left to burn until the desired temperature of the rail is reached.
  • the annealing jacket 10 can similarly be used to preheat the ends of the adjacent rails which are to be welded by an intermediate pour of molten metal to obtain a joint weld 36.
  • incandescent bodies 12 with a thickness "A" of approximately 30 mm and a length "B" of approximately 220 mm, when applied to a typical rail 20, allow a temperature of approximately 430 ° C. at the Reach top 27 of the rail head about 6 minutes after ignition. If desired, this temperature may e.g. be measured with a suitable thermocouple.
  • a plate made of heat-insulating material 38 can be placed under the rail foot 22 of the rail 20 in the region of the welding point before the rail 20 is heated and welded.
  • the running surface of the rail 20 is heated again by means of the plate 13, the plate 13 having a thick "A" of approximately 35 mm and a Length "B" of about 200 mm has to leave the structure of the weld metal and the adjacent metal, the plate 13 is set on fire in the same way with a pyrotechnic, BaO2-containing igniter which ignites the insert 34.
  • the aluminothermic plate 13 is placed and ignited on the surface 27 of the build-up weld approximately 12 minutes after ignition of the incandescent body 12.
  • the plate 13 burns and increases the temperature of the surface of the rail 20 from about 400 ° C to about 675 ° C.
  • the plate 13 and the incandescent body 12 are allowed to burn out and then cool.
  • the invention has been described with reference to the figures in connection with a specific application. However, as explained above, the invention extends further and more generally to a method for carrying out welding work, the object to be welded being heated to the desired extent in the region of the welding point by means of one or more aluminothermic incandescent bodies, and the object being carried out after the welding is heated to the desired extent using aluminothermic incandescent elements.
  • thermal elements may contain other metals such as magnesium instead of or in addition to aluminum, together with other metal oxides instead of iron oxide such as manganese oxide or other transition metal oxides.
  • iron oxide and aluminum are preferred in terms of cost and availability.
  • the inserts 30 and / or 34 can also be molded separately and cured by heating. They are then pressed into the green body of the filament 12 or plate 13 before the final curing of the filament 12 or plate 13 in CO2.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines aluminothermischen Glühkörpers zur Erwärmung einer Schiene, wobei man ein formbares und härtbares Mate­rial aus einer teilchenförmigen aluminothermischen Mischung, einem hitzeabsorbierenden Material, einem Alkalisilicat-Bindemittel und Wasser bereitet, das Material zu einem Formkörper mit Begrenzungs­flächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, formt und den Formkörper bei erhöhter Temperatur in einer CO₂-haltigen Atmosphäre verfestigt.
Die Erfindung betrifft ferner einen Glühkörper zur Durchführung des Verfahrens, der vorzugsweise in seiner dem Schienensteg zugewendeten Seite eine Ausnehmung aufweist, in welcher ein Einsatz aus hitzeiso­lierendem Material eingepaßt ist. Der Glühkörper kann zusätzlich einen Einsatz aus leichter entzündlichem aluminothermischen Gemisch zum Initiieren des Abbrennens aufweisen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Glühummantelung, die aus zwei der vorgenannten Glühkörper und einer den Schienenkopf abdeckenden Platte aus aluminothermischer Mischung besteht.
Die Glühkörper oder die Glühummantelung können zum Erwärmen der Schienen vor der Schienenverbindungsschweißung, zum Anlassen des Le­gierungsgefüges der Schiene und zum Ausgleichsglühen von Schienen oder anderen metallischen Gegenständen verwendet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines alumino­thermischen Glühkörpers zur Erwärmung einer Schiene, einen nach die­sem Verfahren hergestellten aluminothermischen Glühkörper und eine aluminothermische Glühummantelung unter Verwendung eines solchen alu­minothermischen Glühkörpers. Die Erfindung betrifft ferner ein Ver­fahren zur Erwärmung einer aus Schienenkopf, Schienensteg und Schie­nenfuß bestehenden Schiene.
  • Entsprechend einem Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines aluminothermischen Glühkörpers zur Erwärmung einer aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß bestehenden Schiene vorgesehen, gemäß dem man ein formbares, härtbares Material aus einer teilchenförmigen aluminothermischen Mischung, einem hitzeabsorbieren­den Material, einem Alkalisilicat-Bindemittel und Wasser bereitet, das Material zu einem Formkörper mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, formt und den Formkörper bei erhöhter Temperatur in einer CO₂-hal­tigen Atmosphäre verfestigt.
  • Die aluminothermische Mischung kann Aluminium, z.B. in Schuppenform, mit einer Teilchengröße < 1 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,6 mm, enthal­ten. Die aluminothermische Mischung kann ferner Eisenoxid, etwa in Form von Zunder, d.h. in Form einer Mischung von Fe₂O₃ und FeO, wel­cher vorzugsweise in Sauerstoff erhitzt worden ist, so daß der Anteil an FeO 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, beträgt, ent­ halten. Die Teilchengröße des Eisenoxids kann 0,1 bis 2 mm betragen, wobei kleinere Teilchen, d.h. solche mit weniger als 0,2 mm Größe, die Geschwindigkeit der aluminothermischen Reaktion erhöhen. Das formbare und härtbare Material kann Sand, z.B. Silicatsand oder Quarzsand, als hitzeabsorbierendes Material enthalten. Der Sand kann eine Teilchengröße bis zu 3 mm, vorzugsweise 0,1 bis 1,0 mm, aufwei­sen.
  • Das Alkalisilicat-Bindemittel des formbaren, wärmehärtbaren Materials kann Natriumsilicat sein. Die aluminothermische Mischung kann gege­benenfalls einen oder mehrere Booster enthalten, wie Alkalinitrate, z.B. NaNO₃ oder KNO₃, sowie Peroxide, wie BaO₂. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß bei entsprechender Auswahl des Eisenoxids mit genügend kleiner Teilchengröße Booster üblicherweise nicht notwendig sind.
  • Die Zubereitung des formbaren und härtbaren Materials kann durch Mi­schen der folgenden Zubereitung mit Wasser erfolgen, wobei sich die Angaben auf Trockensubstanz beziehen:
    Figure imgb0001
  • Besteht der Glühkörper aus Aluminium, Eisenoxid, Quarzsand und Natri­umsilicat, wie oben beschrieben, kann das formbare und härtbare Mate­rial durch Vermischen des Aluminiums, Eisenoxids und Quarzsand mit einer wäßrigen Lösung des Natriumsilicats und Wasser erfolgen. Die Natriumsilicatlösung kann eine Konzentration von etwa 38 bis 48 Gew.-%, vorzugsweise 42 bis 46 Gew.-%, haben. Das entspricht einer Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 1,5 g/cm³ und 48,5°Be. In diesem Falle kann das formbare und härtbare Material folgende Zu­sammensetzung haben:
    Figure imgb0002
  • Die Formgebung des Materials zu einem Formkörper mit Begrenzungsflä­chen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf an­gepaßt sind, kann in einer geeigneten Form erfolgen, wobei der Form­körper in seiner dem Schienensteg zugewendeten Oberfläche eine Aus­nehmung aufweist, welche einen Einsatz aus hitzeisolierendem Material aufzunehmen vermag.
  • Die Formgebung des Materials in die gewünschte Gestalt kann durch Einpressen (Einstampfen) in eine Form erfolgen. Dies kann durch Kern­schießen oder von Hand erfolgen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Verfahrensschritt das Einfü­gen eines formbaren, hitzehärtbaren, feuerfesten und hitzeisolieren­den Gemisches in die Ausnehmung, um einen hitzeisolierenden Einsatz zu bilden, beeinhalten.
  • Das feuerfeste, hitzeisolierende Gemisch kann Sand und blättchenför­migen Vermiculit sowie Alkalisilicat-Bindemittel enthalten und kann von Hand in die Ausnehmung eingebracht werden. Die Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung des Sandes und des Vermiculits kann die gleiche wie die des Sandes in dem formbaren und härtbaren Material des aluminothermischen Glühkörpers sein. Durch Veränderung der Dicke des hitzeisolierenden Einsatzes kann die Hitzeabgabe des Glühkörpers durch den Einsatz hindurch verändert werden.
  • Das hitzeisolierende Gemisch kann aus etwa 60 bis 80 Gew.-% des vor­genannten Quarzsandes und etwa 20 bis 40 Gew.-% Vermiculit bestehen und kann in ähnlicher Weise durch Natriumsilicat gebunden werden. Dabei kann das hitzeisolierende Gemisch z.B. etwa 6 bis 7 Gew.-% einer Natriumsilicatlösung mit einem Gehalt von 1,5 g/cm³ enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die folgenden Schritte um­fassen:
  • Vorverfestigen und Vorhärten des Formkörpers vor dem Einbringen des hitzeisolierenden Gemisches in die Ausnehmung, indem man den Formkör­per einer CO₂-Atmosphäre aussetzt,
    weiteres Verfestigen und Aushärten des Formkörpers und des hitzeiso­lierenden Einsatzes nach dem Einbringen des hitzeisolierenden Gemi­sches in die Ausnehmung bei erhöhter Temperatur innerhalb eines Be­reiches von etwa 150 bis 250°C in einer CO₂-Atmosphäre während mehr als einer Stunde.
  • Die Vorverfestigung und Vorhärtung kann bei Raumtemperatur erfolgen. Der CO₂-Druck kann 0,1 bis 0,15 M.Pa betragen.
  • Die endgültige Verfestigung und Aushärtung kann bevorzugt innerhalb eines Temperaturbereiches von 150 bis 200°C, insbesondere von 170 bis 200°C, z.B. bei 200°C während einer Zeitdauer von 75 Minuten, erfol­gen.
  • Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ferner in dem alu­minothermischen Glühkörper ein Einsatz aus einem aluminothermischen Zündgemisch angeordnet werden, welches leichter entzündlich als das übrige aluminothermische Gemisch des Formkörpers ist. Dieser Einsatz dient, nachdem er entzündet ist, dazu, die übrige aluminothermische Mischung des Formkörpers zu entzünden. Dieser Einsatz kann sich in dem Formkörper auf der gegenüberliegenden Seite des Einsatzes aus hitzeisolierendem Material befinden. Somit dann das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt der Ausgestaltung des Formkörpers mit einer Ausnehmung für die Einfügung des Zündgemisches umfassen.
  • Das Zündgemisch kann z.B. aus einer Mischung von etwa 3 Gew.-Teilen des bereits beschriebenen Eisenoxides und etwa 1 Gew.-Teil Aluminium bestehen und durch das ebenfalls bereits beschriebene Natriumsilicat in ähnlichen Mengen, z.B. 6 bis 7 Gew.-%, gebunden sein. Die Einfü­gung in die Ausnehmung erfolgt von Hand. Das Zündgemisch wird nach der Vorverfestigung und ersten Härtung in CO₂ und vor der bei erhöh­ter Temperatur erfolgenden Endverfestigung eingesetzt.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen nach dem oben beschriebenen Ver­fahren hergestellten aluminothermischen Glühkörper.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine aluminothermische Glühum­mantelung zum Erwärmen einer aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß bestehenden Schiene, welche ein Paar aluminothermischer Glühkörper der beschriebenen Art zum Erwärmen der gegenüberliegenden Seiten einer Schiene und eine aluminothermische Platte zum Abdecken der Oberseite des Schienenkopfes zwischen den Glühkörpern umfaßt, wo­bei die aluminothermische Platte die gleiche Zusammensetzung wie das aluminothermische Gemisch des Glühkörpers aufweist. Die aluminother­mische Platte kann ebenfalls einen Einsatz aus einem aluminothermi­schen Zündgemisch aufweisen.
  • Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zum Erwärmen einer aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß bestehenden Schiene mittels eines aluminothermischen Glühkörpers der oben be­schriebenen Art, wobei man den aluminothermischen Glühkörper an der Seite der Schiene anbringt, sodann den Glühkörper entzündet und ihn abbrennen läßt, bis die Schiene auf die gewünschte Temperatur erwärmt ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bringt man vorzugsweise zwei Glühkörper einander gegenüber an gegenüberliegenden Seiten der Schie­ne an und entzündet sie gleichzeitig, z.B. durch Entzünden der alu­minothermischen Zündeinsätze mit BaO₂ enthaltenden pyrotechnischen Mitteln. Man läßt dann die Glühkörper abbrennen, bis die Schiene auf die gewünschte Temperatur erwärmt ist. Danach kann dann eine Zwi­schengußschweißung durch Eingießen geschmolzenen Metalls zwischen die erwärmten Schienenenden oder eine Reparatur- oder Auftragsschweißung an den erwärmten Teilen der Schiene erfolgen.
  • Die Glühkörper können Bestandteil einer Glühummantelung der beschrie­benen Art sein, und die Platte aus aluminothermischem Material kann zum Umhüllen und Erwärmen der Oberfläche des Schienenkopfes verwendet werden. Die Platte aus aluminothermischem Material kann anstelle der Glühkörper oder zusätzlich zu diesen verwendet werden, die Oberseite der Schiene nach dem Schweißen wieder zu erwärmen, um das Schweißme­tall und das umgebende Metall zur Ausbildung einer gewünschten Struk­tur anzulassen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Unterseite des Schienen­fußes isoliert werden, indem man eine Platte aus isolierendem Mate­rial unter dem Schienenfuß während des Erwärmens, aber vor dem Schweißen und während des Schweißens anordnet.
  • In der allgemeinsten Form betrifft das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung eines thermischen Heizelementes für die Erwärmung eines metallischen Gegenstandes, mit dem Kennzeichen, daß man ein formbares und härtbares Material aus einer teilchenförmigen aluminothermischen Mischung, einem hitzeabsorbierenden Material, einem Alkalisilicat-­Bindemittel und Wasser bereitet, wobei die thermische Mischung we­nigstens ein Metall aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium und Mag­nesium, und wenigstens ein Übergangsmetalloxid enthält, sodann das Material zu einem Formkörper mit Begrenzungsflächen, die dem Schie­nenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, formt und den Formkörper bei erhöhter Temperatur in einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre verfestigt.
  • Das Übergangsmetalloxid kann Eisenoxid oder Manganoxid sein.
  • Die Erfindung soll nun in Form eines Ausführungsbeispiels an Hand der folgenden Abbildungen näher erläutert werden. Dabei zeigen Abbil­dung 1 eine dreidimensionale auseinandergezogene Darstellung einer Glühummantelung mit erfindungsgemäßen Glühkörpern und Abbildung 2 eine dreidimensionale Teilansicht in teilweise auseinandergezogener Darstellung einer Glühummantelung mit erfindungsgemäßen Glühkörpern, die an einer Eisenbahnschiene angeordnet sind.
  • Bezug nehmend auf die Abbildungen weist entsprechend einem Aspekt der Erfindung eine aluminothermische Glühummantelung 10, hergestellt aus formbarem und härtbarem Material, ein Paar aluminothermischer Form­körper 12 auf, die erfindungsgemäß so geformt sind, daß sie Berüh­rungsflächen 14, 16 und 18 aufweisen, die dem Schienenfuß 22, dem Schienensteg 24 und dem Schienenkopf 26 der Schiene 20 (Abbildung 2) entsprechen, sowie eine aluminothermische Platte 13 zur Abdeckung der Fahrfläche 27 der Schiene 20, wobei die Schiene 20 zwischen den Blök­ken 12 dargestellt ist.
  • Die Blöcke 12 haben Ausnehmungen 28 in der Fläche 16, welche an den Schienensteg 24 der Schiene 20 angrenzen, wobei die Ausnehmungen 28 Einsätze 30 aus hitzeisolierendem Material aufweisen.
  • Die Einsätze 30 sind in solchen Bereichen der Formkörper 12 der alu­minothermischen Ummantelung 10 angeordnet, daß sie bei Gebrauch (Ab­bildung 2) sich gegenüber dem Schienensteg 24 der Schiene 20 befinden und dadurch den Schienensteg 24 gegen übermäßige Wärme der Glühkör­per 12 isolieren.
  • Die Glühkörper 12 und die Platte 13 weisen außerdem Ausnehmungen 32 auf, welche Einsätze aus Zündgemisch 34 enthalten.
  • Das zur Herstellung des aluminothermischen Glühkörpers 12 und der Platte 13 verwendete formbare und härtbare Material kann folgende Zusammensetzung haben (auf Trockengewicht bezogen):
    Figure imgb0003
  • Das schuppenförmige Aluminum hat eine Teilchengröße von 0,2 bis 0,6 mm. Der Zunder ist ein Gemisch aus Fe₂O₃ und FeO und wurde in Sauerstoff bis zu einem FeO-Anteil von 18 Gew.-% erhitzt. Er weist eine Teilchengröße von etwa 0,1 bis 2 mm auf. Der Quarzsand hat eine Teilchengröße von 0,1 bis 1 mm.
  • Das hitzeisolierende Material der Einsätze 30 kann eine Mischung fol­gender Zusammensetzung sein (auf Trockengewicht bezogen):
    Figure imgb0004
  • Als Quarzsand wird der bereits beschriebene verwendet. Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung des Vermiculits entsprechen derjenigen des Sandes.
  • Die Zündmischung der Einsätze 34 kann folgende Zusammensetzung haben (auf Trockengewicht bezogen):
    Figure imgb0005
  • Das Aluminium und der Zunder entsprechen den bereits genannten Pro­dukten.
  • Zur Herstellung der Glühkörper 12 und der Platte 13 der aluminother­mischen Glühummantelung 10 wird das formbare und härtbare Material gemischt, in einer Form geformt und verfestigt.
  • Um das formbare und härtbare Material zu mischen, werden Zunder, Alu­minium und Sand in einem Mischer, z.B. während 4 Minuten, gemischt. In den Mischer werden Natriumsilicat, z.B. in Form einer wäßrigen Lösung mit 44 Gew.-% Natriumsilicat, und 3 Gew.-% zusätzliches Wasser gegeben. Nach weiteren 4 Minuten Mischzeit ist das Material bereit zur Formgebung.
  • Dieses formbare härtbare Material wird nun zur Formgebung in eine geeignete Form gepreßt (gestampft). Dies kann durch Kernschießen oder von Hand geschehen. Die Formen sind entsprechend zur Bildung der Aus­nehmungen 32 und 28 in den Glühkörpern und Platten gestaltet. In diese Ausnehmungen werden das Zündgemisch des Zündeinsatzes 34 und das Isoliermaterial der Einsätze 30 eingefügt. Sie werden damit inte­grale Bestandteile der Glühkörper 12.
  • In gleicher Weise werden Zunder und Aluminium der Zündmischung in einem Mischer z.B. 4 Minuten gemischt. Danach wird Natriumsilicat in Form einer Lösung wie oben beschrieben zugegeben. Es wird noch einmal 4 Minuten gemischt. Nach der Vorverfestigung des Glühkörpers 12 mit CO₂ wird die Zündmischung von Hand in die Ausnehmungen 32 der Glüh­körper 12 und der Platte 13 eingefüllt, um die Einsätze 34 zu bilden.
  • Die isolierenden Einsätze 30 werden in gleicher Weise durch Vermi­schen des Sandes und des Vermiculits, Zugabe des Silicates in Form der gleichen Lösung, Einfüllen des Gemisches in die hierfür vorgese­henen Ausnehmungen 28 der in CO₂ vorverfestigten Glühkörper 12 von Hand und Formen der Einsätze 30 hergestellt.
  • Die Vorverfestigung der Formkörper 12 erfolgt dadurch, daß man sie einem CO₂-Druck von etwa 0,1 bis 0,15 M.Pa bei Raumtemperatur für etwa 5 Sekunden aussetzt.
  • Um die Teile der Glühummantelung vollends auszuhärten und zu verfe­stigen, werden sie auf eine Temperatur von wenigstens 150°C, z.B. 200°C, etwa 75 Minuten lang erhitzt.
  • Es sollte beim Gebrauch beachtet werden, daß die Temperatur, die beim Abbrennen der Teile der Ummantelung erreicht wird, der Dicke der Be­standteile, d.h. der Glühkörper 12 und der Platte 13, der Ummante­lung 10 direkt entspricht. So brennt eine Ummantelung, deren Bestand­teile eine Dicke von etwa 20 mm aufweisen, unter Erzielung einer Tem­peratur von etwa 350°C in der Schiene 20. Eine Ummantelung mit einer Dicke von etwa 50 mm brennt dagegen unter Erzielung einer Temperatur von etwa 700°C in der Schiene 20. Diese Dicke ist in den Abbildungen mit "A" bezeichnet.
  • Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Ummantelung zum Aufheizen einer Eisenbahnschiene 20 für die Reparatur- oder Auftrags­schweißung der Schiene 20 verwendet werden, wobei ein Paar der Glüh­körper 12 der Ummantelung 10 im Bereich der Schweißstelle 36 an gegenüberliegenden Seiten der Schiene 20 angelegt werden. Die Glüh­körper 12 werden in ihrer Lage an der Schiene 20 durch in den Abbil­dungen nicht gezeigte Seitenplatten oder Klammern gesichert. Die Glühkörper 12 werden gleichzeitig mittels brennenden, BaO₂ enthalten­den pyrotechnischen Anzündern an den Einsätzen 34 des Zündgemisches entzündet. Man läßt die Glühkörper so lange brennen, bis die ge­wünschte Temperatur der Schiene erreicht ist.
  • Bei der Schienenverbindungsschweißung kann die Glühummantelung 10 in ähnlicher Weise benutzt werden, um die Enden der benachbarten Schie­nen, welche durch einen Zwischenguß von geschmolzenem Metall ver­schweißt werden sollen, vorzuheizen, um eine Verbindungsschweißung 36 zu erhalten.
  • Im praktischen Betrieb, bei Reparaturschweißungen, ermöglichen Glüh­körper 12 mit einer Dicke "A" von etwa 30 mm und einer Länge "B" von etwa 220 mm, wenn sie an eine typische Schiene 20 angelegt werden, eine Temperatur von etwa 430°C an der Oberseite 27 des Schienenkopfes etwa 6 Minuten nach der Zündung zu erreichen. Falls erwünscht, kann diese Temperatur z.B. mit einem geeigneten Thermoelement gemessen werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man eine Platte aus hitzeisolierendem Material 38 unter den Schienenfuß 22 der Schiene 20 im Bereich der Schweißstelle vor dem Erhitzen und Verschweißen der Schiene 20 legen.
  • Bei der Reparaturschweißung bauen sich, wenn die gewünschte Tempera­tur erreicht ist, durch die Schweißverfahren Schwächungszonen auf, wie sie z.B. angrenzend an die Schweißstelle 36 bei 40 gezeigt sind, während die Glühkörper 12 die Schiene 20 im Bereich der Schwächungs­zonen auf der gewünschten Temperatur halten. Nach der Reparatur­schweißung fällt die Temperatur der Oberseite 27 des Schienenkopfes in 2 bis 5 Minuten auf etwa 400°C.
  • Nach der Reparaturschweißung, während die Schiene noch heiß ist und die Glühkörper 12 sich noch an der Schiene 20 befinden, wird die Fahrfläche der Schiene 20 mittels der Platte 13 wieder aufgeheizt, wobei die Platte 13 eine dicke "A" von etwa 35 mm und eine Länge "B" von etwa 200 mm hat, um das Gefüge des Schweißmetalls und des angren­zenden Metalls anzulassen, wobei die Platte 13 in gleicher Weise mit einem pyrotechnischen, BaO₂ enthaltenden Anzünder, der den Einsatz 34 entzündet, in Brand gesetzt wird.
  • Bei dem hier beschriebenen Beispiel wird die aluminothermische Plat­te 13 auf die Oberfläche 27 der Auftragsschweißung etwa 12 Minuten nach Zündung der Glühkörper 12 aufgelegt und gezündet. Die Platte 13 brennt ab und erhöht die Temperatur der Oberfläche der Schiene 20 von etwa 400°C auf etwa 675°C. Man läßt die Platte 13 und die Glühkör­per 12 ausbrennen und anschließend abkühlen.
  • Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die Abbildungen in Verbin­dung mit einer speziellen Anwendung beschrieben. Jedoch erstreckt sich die Erfindung, wie oben ausgeführt, weiter und allgemeiner auf ein Verfahren zur Durchführung von Schweißarbeiten, wobei das zu schweißende Objekt im Bereich der Schweißstelle in gewünschtem Umfang mittels eines oder mehrerer aluminothermischer Glühkörper erhitzt wird, und wobei nach Durchführung der Schweißung der Gegenstand in gewünschtem Umfang unter Verwendung aluminothermischer Glühkörper wieder aufgeheizt wird.
  • Natürlich erstreckt sich das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip über aluminothermische Glühkörper hinaus und kann unter Verwendung ähnlicher thermischer Elemente angewendet werden. Dabei können die thermischen Elemente anstelle des oder zusätzlich zum Aluminium an­dere Metalle wie Magnesium, zusammen mit anderen Metalloxiden an­stelle von Eisenoxid, wie Manganoxid oder andere Übergangsmetalloxide enthalten. Im Hinblick auf Kosten und Verfügbarkeit sind Eisenoxid und Aluminium jedoch bevorzugt. Wenn auch die Erfindung mit Blick auf Eisenbahnschienen beschrieben worden ist, können das Verfahren oder die Glühkörper gemäß der Erfindung auch zum Schweißen anderer Ob­jekte, bei denen ähnliche Anforderungen zu erfüllen sind, eingesetzt werden, z.B. beim Ausgleichsglühlen, wobei die Glühkörper und die hitzeisolierenden Einsätze angemessen profiliert, dimensioniert und plaziert werden müssen.
  • Abschließend soll festgestellt werden, daß man, statt die Einsätze 30 und/oder 34 in den Glühkörper 12 und die Platte 13 nach der Vorver­festigung des Glühkörpers und der Platte in CO₂ und vor der endgül­tigen Verfestigung und Aushärtung durch Erhitzen einzusetzen, die Einsätze 30 und 34 auch separat formen und durch Erhitzen aushärten kann. Sie werden dann in der Form in den Grünling des Glühkörpers 12 oder der Platte 13 vor dem endgültigen Aushärten des Glühkörpers 12 oder der Platte 13 in CO₂ eingepreßt.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines aluminothermischen Glühkörpers zum Erwärmen einer Schiene, die aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß besteht, dadurch gekennzeichnet, daß man ein formba­res, härtbares Material aus einer teilchenförmigen aluminother­mischen Mischung, einem hitzeabsorbierenden Material, einem Al­kalisilicat-Bindemittel und Wasser bereitet, das Material zu einem Formkörper mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schie­nensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, formt und den Form­körper bei erhöhter Temperatur in einer CO₂ enthaltenden Atmo­sphäre verfestigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das form­bare, härtbare Material durch Vermischen einer Zubereitung, be­stehend aus
Aluminium 25 bis 30 Gew.-Teile
Eisenoxid 27 bis 31 Gew.-Teile
Quarzsand als hitzeabsorbierendes Material 32 bis 38 Gew.-Teile
Natriumsilicat 2,3 bis 3,4 Gew.-Teile
bezogen auf Trockensubstanz, mit Wasser bereitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen des Materials zu einem Formkörper mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf ange­paßt sind, in einer geeigneten Form erfolgt, wobei der Formkörper in seiner dem Schienensteg zugewendeten Oberfläche eine Ausnehmung aufweist, welche einen Einsatz aus hitzeisolierendem Material auf­zunehmen vermag.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen des Materials zu dem Formkörper durch Einpressen in eine Form er­folgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man ein formbares, hitzehärtbares, feuerfestes, hitzeisolierendes Ge­misch in die Ausnehmung einbringt, um einen hitzeisolierenden Ein­satz zu erhalten.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das hitze­isolierende Gemisch Sand und blättchenförmigen Vermiculit umfaßt und ein Alkalisilicat-Bindemittel enthält und von Hand in die Aus­nehmung eingebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Formkörper vor dem Einbringen des hitzeisolierenden Gemisches in die Ausnehmung zunächst vorverfestigt und vorhärtet, indem man den Formkörper einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre aussetzt, und den Formkörper nach dem Einbringen des hitzeisolierenden Gemisches in die Ausnehmung bei erhöhten Temperaturen im Bereich von 150 bis 250°C in einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre während eines Zeit­raumes von mehr als 1 Stunde weiter verfestigt und aushärtet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vorverfestigung und Vorhärtung bei Raumtemperatur und einem CO₂-Druck von 0,1 bis 1,15 M.Pa vornimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die endgültige Verfestigung und Aushärtung in einem Temperaturbereich von etwa 150 bis 200°C vornimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die endgültige Verfestigung und Aushärtung in einem Temperaturbereich von etwa 170 bis 200°C vornimmt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß man in dem aluminothermischen Glühkörper wenigstens einen Einsatz anordnet, der aus einem aluminothermischen Zündmit­telgemisch besteht, das leichter als das übrige aluminothermische Gemisch des aluminothermischen Glühkörpers entzündbar ist.
12. Aluminothermischer Glühkörper, hergestellt nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche.
13. Aluminothermische Glühummantelung zum Erwärmen einer aus Schienen­kopf, Schienensteg und Schienenfuß bestehenden Schiene, welche ein Paar aluminothermischer Glühkörper zum Erwärmen der gegenüberlie­genden Seiten einer Schiene und eine aluminothermische Platte zum Abdecken der Oberseite des Schienenkopfes zwischen den Glühkörpern umfaßt, wobei die aluminothermische Platte die gleiche Zusammen­setzung wie das aluminothermische Gemisch der Glühkörper aufweist.
14. Verfahren zum Erwärmen einer aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß bestehenden Schiene mittels eines aluminothermischen Glühkörpers nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man den aluminothermischen Glühkörper an der Seite der Schiene anbringt, den Glühkörper entzündet und den Glühkörper abbrennen läßt, bis die Schiene auf die gewünschte Temperatur erwärmt ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei Glühkörper einander gegenüber an gegenüberliegenden Seiten der Schiene anbringt und gleichzeitig entzündet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Glüh­körper Bestandteil einer Ummantelung nach Anspruch 13 sind und die Platte aus aluminothermischem Material verwendet wird, um die Oberfläche des Schienenkopfes zu umhüllen und zu erwärmen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeich­net, daß man unter der Unterseite des Schienenfußes eine Platte aus isolierendem Material anordnet.
18. Verfahren zur Herstellung eines thermischen Heizelementes zur Er­wärmung eines metallischen Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß man ein formbares, härtbares Material aus einer teilchenförmi­gen aluminothermischen Mischung, einem hitzeabsorbierenden Ma­terial, einem Alkalisilicat-Bindemittel und Wasser bereitet, wobei die thermische Mischung wenigstens ein Metall aus der Gruppe, be­stehend aus Aluminium und Magnesium, und wenigstens ein Übergangs­metalloxid enthält, sodann das Material zu einem Formkörper mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, formt, und den Formkörper bei erhöhter Temperatur in einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre verfestigt.
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