EP0249888B1

EP0249888B1 - Aluminothermischer Formkörper zum Erwärmen einer Scheine und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: EP0249888B1
Application number: EP87108434A
Authority: EP
Inventors: Johannes Dr. Guntermann; Roderick Donald Macrae
Original assignee: Elektro Thermit GmbH
Current assignee: Goldschmidt ETB GmbH
Priority date: 1986-06-18
Filing date: 1987-06-11
Publication date: 1992-05-20
Anticipated expiration: 2007-06-11
Also published as: EP0249888A2; US4830611A; EP0249888A3; AU7407787A; AU592513B2; DE3779185D1; ATE76441T1

Description

Die Erfindung betrifft einen aluminothermischen Formkörper zum Erwärmen einer aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß bestehenden Schiene, mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, wobei der Formkörper aus einem Material bereitet ist, welches aus einem aluminothermischen Gemisch, einem hitzeabsorbierenden Material und einem Alkalisilicat-Bindemittel besteht, das durch Einwirkung einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen verfestigt worden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers.
Aus der FR-A-1 257 179 ist ein Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung von Schweißungen bekannt, bei dem man um die zu schweißenden oder einer Wärmebehandlung zu unterwerfenden Bereiche eine Form aus exotherm reagierendem Material anordnet, welches eine für die durchzuführende Arbeit und die zu erreichende Temperatur geeignete Zusammensetzung aufweist, und dann das exotherme Material dieser Form zündet. Dabei wird die für die Erwärmung des Bereiches gewünschte Wärmemenge frei und an das zu erhitzende Werkstück, z. B. eine Schiene, abgegeben. Ist eine anschließende Schweißung der so vorerwärmten Schienenenden durch Eingießen aluminothermisch erzeugter Stahlschmelze beabsichtigt, kann die Form, welche sich bei der exothermen Reaktion verfestigt, direkt als Gießform ausgebildet werden.
In der DE-A-28 36 157 ist eine aluminothermische Masse für die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe, insbesondere im Bereich von Schweißverbindungen, bestehend aus einem Gemisch aus Aluminium, Eisenoxid und Siliciumcarbid, Bindemittel und einem Moderator beschrieben, wobei dem aluminothermischen Gemisch als Moderator Nitrocellulose zugesetzt wird. Hierdurch wird eine Rauchentwicklung beim Abbrand des aluminothermischen Gemisches verhindert, die bei Gebrauch sonst üblicher Moderatoren, wie Carboxymethylcellulose, auftreten soll.
Bei diesen exotherm reagierenden Formkörpern des Standes der Technik wirkt die bei der Reaktion freiwerdende Wärme gleichmäßig auf die Schiene ein. Dies kann insbesondere im Bereich des Schienensteges zu überhitzungen mit den bekannten nachteiligen Effekten, wie breite Erhitzungszonen im Schienenstegbereich und damit zu unerwünschten Gefügeumwandlungen führen. Setzt man den exotherm reagierenden Formkörpern jedoch zur Verminderung der freiwerdenden Wärmemenge inerte Füllstoffe zu, reicht häufig die nun freiwerdende Wärmemenge nicht mehr zur ausreichenden Erwärmung der Kopf- und/oder Fußzonen der Schienen aus.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Der erfindungsgemäße aluminothermische Formkörper ist dadurch gekennzeichnet, daß er in seiner dem Schienensteg zugewendeten Oberfläche eine Ausnehmung aufweist, in welcher ein Einsatz aus hitzeisolierendem Material angeordnet ist.
Vorzugsweise besteht das hitzeisolierende Material aus einem Gemisch von Sand, blättchenförmigem Vermiculit und einem Alkalisilicat-Bindemittel, welches durch Einwirken einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen verfestigt worden ist.
Das hitzeisolierende Material kann eine Mischung folgender Zusammensetzung sein:

Bestandteile Gew.-Teile

Quarzsand 67

blättchenförmiger Vermiculit 33

Natriumsilicat 3
Der Quarzsand und das Vermiculit können eine Teilchengröße von 0,1 bis 1 mm haben.
Durch Veränderung der Dicke des hitzeisolierenden Einsatzes kann die Wärmeabgabe des Glühkörpers durch den Einsatz hindurch verändert werden.
Das aluminothermische Gemisch, aus dem der Formkörper selbst besteht, enthält Aluminium, z. B. in Schuppenform, mit einer Teilchengröße < 1 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,6 mm. Das aluminothermische Gemisch enthält 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. 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.
Die aluminothermische Mischung kann gegebenenfalls einen 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.
Ein weiterer Gegenstand vorliegender Erfindung besteht in der Herstellung des erfindungsgemäßen Formkörpers.
Es ist dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst einen Formkörper mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, wobei jedoch der Formkörper in seiner dem Schienensteg zugewendeten Oberfläche eine Ausnehmung zur Aufnahme des hitzeisolierenden Materials aufweist, in einer geeigneten Form herstellt, sodann das hitzeisolierende Material in die Form einbringt und anschließend den Formkörper einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre aussetzt und ihn bei Temperaturen von 150 bis 250°C während eines Zeitraumes von mehr als 1 Stunde verfestigt und aushärtet.
Vorzugsweise verfährt man derart, daß man den Formkörper vor dem Einbringen des hitzeisolierenden Materials zunächst vorverfestigt und vorhärtet. Diese Vorverfestigung und Vorhärtung des Formkörpers erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperatur und einem CO₂-Druck von 0,1 bis 1,15 M.Pa.
Nach dem Einbringen des hitzeisolierenden Materials erfolgt die endgültige Verfestigung des Formkörpers vorzugsweise in einem Temperaturbereich von etwa 170 bis 200°C.
Besteht der Formkörper, wie oben beschrieben, aus Aluminium, Eisenoxid, Quarzsand und Natriumsilicat, kann das formbare und härtbare aluminothermische Gemisch durch Vermischen der Bestandteile mit einer wäßrigen Lösung des Natriumsilicates 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 form- und härtbare Material folgende Zusammensetzung haben:

Bestandteil Gew.-%

Aluminium 25 bis 30

Quarzsand 32 bis 38

Eisenoxid 27 bis 31

Natriumsilicatlösung 6 bis 7

Wasser 2,5 bis 3
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 feuerfeste, hitzeisolierende Gemisch kann aus etwa 60 bis 80 Gew.-% des bereits erwähnten 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.
In dem erfindungsgemäßen Glühkörper kann ein Einsatz aus einem aluminothermischen Zündgemisch angeordnet sein, 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 auf der gegenüberliegenden Seite des Einsatzes aus hitzeisolierendem Material befinden.
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 bereits beschriebene Natriumsilicat in ähnlichen Mengen, z. B. 6 bis 7 Gew.-%, gebunden sein. Das Zündgemisch wird nach der Vorverfestigung und ersten Härtung mit CO₂ und vor der bei erhöhter Temperatur erfolgenden Endverfestigung eingesetzt.
Die Erfindung soll nun anhand der folgenden Abbildungen noch näher erläutert werden. Dabei zeigt Abbildung 1 ein Paar erfindungsgemäßer Formkörper (Glühkörper) 12 und eine Abdeckplatte aus aluminothermischem Material. Letztere dient der zusätzlichen Beheizung und ist nicht erfindungsgemäß. Das Paar Formkörper und die Abdeckplatte bilden zusammen die Ummantelung 10. Dabei weisen die Formkörper 12 Berührungsflächen 14, 16 und 18 auf, die dem Schienenfuß 22, dem Schienensteg 24 und dem Schienenkopf 26 der Schiene 20, die in Abbildung 2 dargestellt ist, entsprechen. Die aluminothermische Platte 13 deckt die Fahrfläche 27 der Schiene 20 ab.
Die Formkörper 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 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.
Zur Herstellung der Glühkörper 12 wird das formbare und härtbare aluminothermische Material gemischt, in einer Form geformt und verfestigt.
Um das form- 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 form- und härtbare aluminothermische Gemisch wird nun zur Formgebung in eine geeignete Form gepreßt (gestampft). Die Formen sind entsprechend zur Bildung der Ausnehmungen 32 und 28 in den Formkörpern gestaltet. In diese Ausnehmungen werden das Zündgemisch des Zündeinsatzes 34 und das Hitze-Isoliermaterial der Einsätze 30 eingefügt. Sie werden damit integraler Bestandteil 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.
Die Ummantelung kann 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.

Claims

Aluminothermischer Formkörper zum Erwärmen einer aus Schienenkopf, Schienensteg und Schienenfuß bestehenden Schiene, mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, wobei der Formkörper aus einem Material bereitet ist, welches aus einem aluminothermischen Gemisch, einem hitzeabsorbierenden Material und einem Alkalisilicat-Bindemittel besteht, das durch Einwirkung einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen verfestigt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper in seiner dem Schienensteg zugewendeten Oberfläche eine Ausnehmung aufweist, in welcher ein Einsatz aus hitzeisolierendem Material angeordnet ist.
Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzeisolierende Material aus einem Gemisch von Sand, blättchenförmigem Vermiculit und einem Alkalisilicat-Bindemittel besteht, und durch Einwirken einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen verfestigt worden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst einen Formkörper mit Begrenzungsflächen, die dem Schienenfuß, dem Schienensteg und dem Schienenkopf angepaßt sind, wobei jedoch der Formkörper in seiner dem Schienensteg zugewendeten Oberfläche eine Ausnehmung zur Aufnahme des hitzeisolierenden Materials aufweist, in einer geeigneten Form herstellt, sodann das hitzeisolierende Material in die Form einbringt und anschließend den Formkörper einer CO₂ enthaltenden Atmosphäre aussetzt und ihn bei Temperaturen von 150 bis 250°C während eines Zeitraumes von mehr als 1 Stunde verfestigt und aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Formkörper vor dem Einbringen des hitzeisolierenden Materials zunächst vorverfestigt und vorhärtet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vorverfestigung und Vorhärtung des Formkörpers bei Raumtemperatur und einem CO₂-Druck von 0,1 bis 1,15 M.Pa vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die endgültige Verfestigung des Formkörpers in einem Temperaturbereich von etwa 170 bis 200°C vornimmt.