EP2701874A1

EP2701874A1 - Vorwärmeeinrichtung

Info

Publication number: EP2701874A1
Application number: EP12720093.9A
Authority: EP
Inventors: Jan Hantusch; Werner ANGENENDT
Original assignee: Elektro Thermit GmbH and Co KG
Current assignee: Elektro Thermit GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-23
Filing date: 2012-04-07
Publication date: 2014-03-05
Also published as: DE202011005561U1; RU2013152156A; US20140045134A1; WO2012146345A1; CN103561898A; AU2012247804B2; JP2014512962A; AU2012247804A1; CA2832251A1

Abstract

Eine zur Verwendung bei aluminothermischen Schweißungen bestimmte Vorwärmeinrichtung besteht aus einem, eine Düse (8) aufnehmenden, mit einer Flüssiggaszuführung (9) versehenen Gehäuse (12) sowie einem der Düse in Strömungsrichtung nachgeordneten Verdampfer (10), wobei das Gehäuse (12) auf seinem, einer Gießform zugekehrten Ende einen, in einer Ausströmöffnung (11) für Verbrennungsgase endenden, die Düse aufnehmenden Brennraum sowie einen, die Ausströmöffnung (11) umschließenden, in einen, in die Oberseite der Gießform eingeformte Öffnung einsetzbaren Abschnitt (22) aufweist und wobei sich der Verdampfer (10) zwischen der Ausströmöffnung (11) und der Düse (8) befindet, hierbei in einem Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen stehend.

Description

B E S C H R E I B U N G

Vorwärmeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorwärmeinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Ausführung einer aluminothermischen Schweißung müssen in der Regel die Schienenenden, die sie umgebenden Formhäften der zur Schweißung benutzten Gießform sowie die zur Abdichtung benutzten Materialien wie Abdichtpaste oder Formsand vor dem Einguss des flüssigen Stahls vorgewärmt werden, um Feuchtigkeit zu entfernen und eine sichere Verschweißung der Schienenenden zu gewährleisten. Es ist allgemein bekannt, zur Vorwärmung die heißen Abgase von Brennern zu benutzen, in denen ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff mit Luft oder Sauerstoff umgesetzt wird. Regelmäßig werden bei der Durchführung von aluminothermischen Schweißungen Autogenbrenner eingesetzt, die mit einem gasförmigen Brennstoff wie z. B. einer Propan-Butan-Mischung oder Azetylen und reinem Sauerstoff betrieben werden. Alternativ hierzu sind auch Brenner bekannt, die mit Benzin und Druckluft betrieben werden.

Nachteilig bei dieser Art der Vorwärmung mit gasförmigen Brennstoffen ist die Notwendigkeit des Mitführens von schweren und teuren Gasflaschen, die mit einer aufwändigen Druckregulierung ausgerüstet sein müssen. Zum Einsatz von Brennern, die mit Benzin und Druckluft betrieben werden, ist das Mitführen eines schweren und teuren Druckluftaggregates erforderlich, für welches außerdem eine externe Stromversorgung benötigt wird.

Aus dem Dokument WO 00/76713 A1 ist eine bei der aluminothermischen Ver- schweißung zweier Schienenenden bestimmte, auf eine die Schienenenden umgebende Gießform aufsetzbare, mit Flüssiggas betreibbare Vorwärmeinrichtung bekannt. Diese besteht aus einem eine Gaskartusche haltenden Rahmengestell mit einem Brenner, dessen Austrittsöffnung sich oberhalb einer Eingußöffnung der aus zwei Formhälften bestehenden Gießform befindet. Zwischen der Gaskartusche und dem Brenner befindet sich ein aus einem als Vollkörper ausgebildeten, von einem Leitungsabschnitt durchzogenen Verdampfungsblock und einem sich an diesen in Richtung auf die Gaskartusche hin anschließenden wendeiförmigen Verdampfungs- abschnitt zusammengesetzter, aus Kupfer bestehender Verdampfer. Die Effizienz dieser Brenner ist erheblich davon abhängig, dass das eingesetzte Flüssiggas in einem vollständig verdampften Zustand in den Brenner gelangt, Eine unvollständige Verdampfung bzw. ein Austreten von Flüssiggas aus der Düse belastet nicht nur die entwickelte Wärmeleistung des Brenners, sondern kann u. U. auch ein Sicherheits- risiko für die Umgebung bedeuten.

Nachdem eine aluminothermische Schweißung regelmäßig im verlegten Gleis stattfindet, ergibt sich ein unvermeidbarer Einfluss der Umgebungstemperatur auf den Verdampfungsprozess, der somit bei tieferen Temperaturen unzureichend ausfallen kann. Die Benutzung einer solchen Vorwärmeinrichtung bei Arbeiten im verlegten Gleis könnte somit witterungsbedingten Beschränkungen unterliegen.

Die Vorwärmeinrichtung wird bei der Vorwärmung der Gießform derart betrieben, dass die heißen Verbrennungsgase von oben in die Gießform einströmen, die Gießform durchströmen, um schließlich aus seitlichen Kanälen auszutreten. Hierbei besteht ein Risiko, dass diese austretenden und anschließend aufsteigenden Verbrennungsgase sich mit der für den Verbrennungsprozess des Brenners bestimmten Luft vermischen, hierbei die entwickelte Wärmeleistung des Brenners mindernd. Aus dem Dokument DE 40 21 819 A1 ist eine u. a. mit Flüssiggas betreibbare, mit einer Gaskartusche ausgerüstete, insbesondere zum Hartlöten bestimmte Brennereinheit bekannt, welche aus einem, sich an eine Gaszuleitung anschließenden, durch ein Rückschlagventil dargestellten Druckverstärker, einer sich an diesen anschließenden, aus einem Messingkörper bestehenden und von Leitungen durch- zogenen Verdampfungseinrichtung und einer zur Vermischung mit Umgebungsluft bestimmten, rohrförmigen Brennkammer besteht, welche die Verdampfungseinrichtung außenseitig umgibt. Angestrebt wird eine vollständige Verdampfung des

Flüssiggases dadurch, dass über den metallischen Mantel der Brennkammer Wärme, die in der Brennkammer aufgrund des Verbrennungsprozesses entwickelt wird, auf den Messingkörper übertragen wird. Unterstützend für die Brennerleistung soll sich auch der Umstand auswirken, dass das Gas unter einem durch die Charakteristik des Rückschlagventils bestimmten Druck in die Verdampfungseinrichtung eintritt.

Diese bekannte Brennereinheit ermöglicht aufgrund des Druckverstärkers zwar eine lageunabhängige Verwendung - nachdem jedoch die Brennkammer mit seitlichen, für einen Eintritt von Verbrennungsluft bestimmten Öffnungen versehen ist, ist bei einem vertikalen Einsatz bei der aluminothermischen Schweißung nicht sicher aus- zuschließen, dass über diese Öffnungen Verbrennungsgase, welche die Gießform durchströmt haben, angesogen werden und die Wärmeleistung des Brenners mindern.

Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine klein bauende, mit Gas, insbesondere Flüssiggas betreibbare, keine externe Energieversorgung benötigende, leistungsfähige, witterungsunabhängig einsetzbare Vorwärmeinrichtung zu konzipieren, die ohne die Notwendigkeit des Mitführen von komplizierten sowie teuren und schweren Zusatzeinrichtungen einsetzbar ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer solchen Vorwärmeinrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Die Vorwärmeinrichtung weist hiernach einen unmittelbar einer Ausströmöffnung für die Verbrennungsgase vorgeordneten Brennraum auf, wobei sich der Verdampfer in diesem Raum befindet, somit in einem Wärmeaustausch mit den Verbrennungs- gasen stehend. Der Verdampfer, der sich zwischen der Düse und der Ausströmöffnung befindet, unterliegt auf diese Weise einer effektiven Beheizung, so dass eine vollständige und reproduzierbare sowie witterungsunabhängige Verdampfung des Flüssiggases erreichbar ist. Die erzielbare Wärmeleistung der Einrichtung wird somit nicht durch eine nach Maßgabe der herrschenden Temperaturverhältnisse mehr oder weniger vollkommene Verdampfung beeinträchtigt.

Das Gehäuse weist entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 einen unterseitigen, die Ausströmöffnung umschließenden Abschnitt auf, der zum Einsetzen in eine, in die zugekehrte Oberseite der Gießform eingeformte Öffnung „

- 4- bestimmt ist. Das Gehäuse und damit die Vorwärmeinrichtung nehmen somit auf der Gießform eine festgelegte Betriebsposition ein, welche den Abstand zwischen der Ausströmöffnung und den Oberseiten der zu verschweißenden Schienenenden festlegt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass bei wiederholtem Gebrauch der Vorwärmeinrichtung stets gleiche Vorwärmbedingungen dargestellt sind. In der Öffnung ist der genannte Abschnitt vorzugsweise formschlüssig gesichert, so daß eine zuverlässige sowie stabile Betriebsposition eingerichtet ist. Andere, dem

Fachmann geläufige Arten der Sicherung der Betriebsposition kommen jedoch gleichermaßen in Betracht. Bei der genannten Öffnung kann es sich im einfachsten Fall um die Eingießöffnung der Gießform handeln.

Das Gehäuse der Einrichtung ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 mit zumindest einem seitlich abstehenden, für die Einbringung von Verbrennungsluft in den Brennraum bestimmten Rohrstutzen versehen. Wesentlich ist, dass unmittelbar unter Umgebungsbedingungen stehende Verbrennungsluft zum Einsatz kommt, die aufgrund der über die Ausströmöffnung austretenden Verbrennungsgase in dem im übrigen geschlossen ausgebildeten Gehäuses entwickelten Unterdrucks angesogen wird. Somit ergibt sich ein verhältnismäßig einfacher Aufbau der Einrichtung, deren Betrieb sich ebenfalls einfach gestaltet, da sich in Abkehr von dem eingangs dargestellten Stand der Technik ein Mitführen von schweren und teuren

Zusatzgeräten erübrigt.

Die Merkmale des Anspruchs 5 sind auf die weitere Ausgestaltung des Gehäuses, hier der Ansatzstelle des wenigstens einen Rohrstutzens gerichtet. Nachdem diese mit Abstand von der Düse auf deren der Ausströmöffnung abgekehrten Seite angeordnet ist, ist der Brennraum durch gleichförmige, eine optimale Durchmischung von Verbrennungsluft und verdampftem Flüssiggas ermöglichende Strömungsbedingungen gekennzeichnet. Der Verdampfer wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 6 durch eine sich entlang der Innenwandung des Gehäuses innerhalb der Brennkammer erstreckende Leitungsanordnung gebildet, die somit in einem flächigen Wärmeaustausch mit den, den Kernquerschnitt des beispielsweise global zylindrischen Gehäuses durchströmenden Verbrennungsgasen steht. Das Gehäuse ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 7 zum Aufsetzen einer Flüssiggaskartusche eingerichtet, wobei an dieser Stelle gleichzeitig eine Verbindung mit dem zugekehrten Ende der Flüssiggaszuleitung vorhanden ist.

Alternativ kann an dieser Stelle jedoch auch allgemein eine Flüssiggasleitung anschließbar sein.

Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 8 ist die seitliche Erstreckung des zur Einführung von Verbrennungsluft bestimmten Rohrstutzens mit der Maßgabe angelegt, dass über dessen Eintrittsöffnung faktisch keine, seitlich aus einer Gießform während eines Vorwärmvorgangs austretenden Verbrennungsgase angesogen werden können. Auf diese Weise ist ein Beitrag zur Darstellung stabiler Bedingungen des Verbrennungsprozesses und damit einer reproduzierbaren Wärmeleistung gegeben.

Die Merkmale des Anspruchs 9 sind auf eine mögliche Leistungssteigerung des Brenners gerichtet, indem zusätzliche Verbrennungsluft mittels eines Ventilators in das Gehäuse eingeführt wird. Hierzu kann ein batteriebetriebener Ventilator benutzt werden. Diese Maßnahme erhöht zwar das Gewicht der Vorwärmeinrichtung, dies jedoch nur geringfügig im Vergleich zu einer motorbetriebenen Kompressoreinheit.

Man erkennt, dass mit der erfindungsgemäßen Vorwärmeinrichtung ein

leistungsfähiges, einfach, dass heißt ohne aufwändige Zusatzkomponenten witterungsunabhängig betreibbares und somit insbesondere für Arbeiten im verlegten Gleis geeignetes Gerät zur Verfügung gestellt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht der auf eine Gießform aufgesetzten erfindungsgemäßen Vorwärmeinrichtung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorwärmeinrichtung in einer Ebene I - II der Fig. 1. Mit 1 , 2 sind in Fig. 1 zwei miteinander zu verschweißende Schienenenden bezeichnet, deren einander gegenüberliegende, um den Schweißspalt beabstandete Stirnseiten sich innerhalb einer, aus zwei Formhälften 4, 5 (Fig. 2) bestehenden Gießform 3 befinden. Die Gießform 3 umgibt in an sich bekannter Weise einen Gießraum, der in der Oberseite 6 eine Eingießöffnung sowie Entlüftungsöffnungen aufweist, die über den Gießraum miteinander in durchgängiger Verbindung stehen. Mit 7 ist eine erfindungsgemäße Vorwärmeinrichtung bezeichnet, die aus einer Düse 8, einer Flüssiggaszuführleitung 9 und einem Verdampfer 10 besteht, wobei sämtliche dieser Komponenten in einem unterseitig eine Ausströmöffnung 11 bildenden, global zylindrischen Gehäuse 12 angeordnet sind.

Das Gehäuse 12 bildet im Bereich der Ausströmöffnung 11 einen Abschnitt 22, der in eine, in die Oberseite 6 der Gießform 3 eingeformte Öffnung einsetzbar und in dieser formschlüssig gesichert aufgenommen ist. Be dieser Öffnung kann es sich um die genannte Eingießöffnung handeln - es kommt jedoch auch eine sonstige Öffnung in Betracht. Das Gehäuse 12 erfährt auf diesem Wege einen sicheren Halt, wobei sich der weitere Vorteil ergibt, dass die Lage der Ausströmöffnung 11 in einem reproduzierbaren Abstand oberhalb der Schienenoberfläche positioniert ist, so dass sich dementsprechend reproduzierbare Vorwärmbedingungen ergeben.

Das Gehäuse 12 sowie die Flüssiggaszuführleitung 9 können in an sich bekannter Weise mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Flüssiggaskartusche in Verbindung stehen. Mit 13, 14 sind zwei von dem Gehäuse 12 radial abstehende Rohrstutzen bezeichnet, die an ihren freien Enden Einströmöffnungen für Verbrennungsluft bilden und die mit dem Innenraum des Gehäuses 12 in durchgängiger Verbindung stehen.

Die Austrittsöffnung 15 der Düse 8 befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 mit Ab- stand vor der Ausströmöffnung 11 , wodurch ein Brennraum definiert ist und es steht die Düse 8 mit dem, durch eine im peripheren Bereich entlang der Innenseite des Gehäuses 12 wendelartig geführten Rohrleitung gebildeten Verdampfer 10 derart in Verbindung, dass das über die Flüssiggaszuführleitung 9 geführte Flüssiggas über die Düse 8 zunächst in den Verdampfer 10 eintritt, der sich auf der, der Austrittsöff- nung 11 zugekehrten Seite der Düse 8, somit innerhalb des Brennraumes erstreckt, hierbei verdampft wird, um in diesem Zustand über die Austrittsöffnung 15 der Düse 8 in das Gehäuse 12 zu gelangen. Hier erfolgt eine Mischung mit der über die Rohrstutzen 13, 14 eingeführten Verbrennungsluft und damit die Bildung eines brennfähi- gen Gas-Dampf-Gemisches, durch welches nach Einleitung der Brennprozesses die Wärme erzeugt wird, die auch die Verdampfung des Flüssiggases im Verdampfer 10 unterstützt.

Infolge der Ausströmung der Verbrennungsgase aus der Austrittsöffnung 12 ergibt sich innerhalb des Gehäuses 12 ein das Einführen der Verbrennungsluft über die Rohrstutzen 13, 14 unterstützender Unterdruck.

Das Gehäuse 12 ist, von den Rohrstutzen 13, 14 und der Ausströmöffnung 11 abgesehen, geschlossen ausgebildet.

Die aus der Ausströmöffnung 11 austretenden Verbrennungsgase gelangen über die genannte Öffnung der Gießform in Richtung des Pfeiles 16 in deren Gießraum, somit in der Form einer senkrecht nach unten gerichteten Brennerflamme 17. Die

Verbrennungsgase durchströmen den Gießraum, und zwar unter Wärmeübertra- gung auf dessen Wandungen und Verdampfung vorhandener Feuchtigkeit, um anschließend wiederum im wesentlichen vertikal aufsteigend über seitliche Entlüftungsöffnungen in Richtung der Pfeile 18, 19 auszutreten.

Die Länge der sich bezüglich des Gehäuses 12 radial erstreckenden Rohrabschnitte 13, 14 ist nach Maßgabe der üblichen Abmessungen der Gießform 3, insbesondere deren oberseitiger Entlüftungsöffnungen derart angelegt, dass deren Einströmöffnungen außerhalb einer Zone liegen, in der noch Verbrennungsabgase angesogen werden können. Dies bedeutet, dass die in Richtung der Pfeile 20 in die Rohrabschnitte 13, 14 eingeführte Verbrennungsluft zur Darstellung einwandfreier Ver- brennungsbedingungen innerhalb des Gehäuses 12 geeignet ist, so dass mit dem aus der Austrittsöffnung 15 der Düse 8 in Dampfform austretenden Flüssiggas ein optimal brennfähiges Gas-Dampf-Gemisch gebildet ist. Die Brennerflamme 17 durchzieht den Gießraum innerhalb der Gießform 3 von oben nach unten, um anschließend aus einer jeden der genannten oberseitigen Entlüftungsöffnungen in der Form einer Flamme 21 auszutreten.

Dadurch, dass sich der Verdampfer 10 - in Strömungsrichtung der Verbrennungs- gase gesehen - innerhalb des Gehäuses 12 unmittelbar an den die Düse 8 aufnehmenden Abschnitt anschließt, somit in dem genannten Brennraum, in dem der Verbrennungsprozess eingeleitet wird, ist sichergestellt, dass für den Betrieb des Verdampfers 10 in ausreichender Weise Wärme bereitgestellt wird, so dass unabhängig von der herrschenden Witterung stets eine vollständige Verdampfung des Flüssiggases erreichbar ist.

Zur weiteren Leistungssteigerung der Vorwärmeinrichtung kann mittels eines batteriebetriebenen Ventilators zusätzliche Verbrennungsluft über zumindest einen der Rohrstutzen 13, 14 in das Gehäuse 12 eingeführt werden.

Bezugszeichenliste:

1. Schienenende

2. Schienenende

3. Gießform

4. Formhälfte

5. Formhälfte

6. Oberseite

7. Vorwärmeinrichtung

8. Düse

9. Flüssiggaszuführleitung

10 Verdampfer

11 Ausströmöffnung

12. Gehäuse

13. Rohrstutzen

14. Rohrstutzen

15. Austrittsöffnung

16. Pfeil

17. Brennerflamme

18. Pfeil

19. Pfeil

20. Pfeil

21. Flamme

22. Abschnitt

Claims

A N S P R Ü C H E

1. Vorwärmeinrichtung für eine bei aluminothermischen Schweißungen zu benutzende Gießform (3), mit einem, eine Düse (8) aufnehmenden, mit einer Flüssiggaszuführleitung (9) versehenen Gehäuse (12) sowie einem, der Düse (8) in Strömungsrichtung des Flüssiggases gesehen - vorgeordneten Verdampfer (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) auf dem, der Gießform (3) zugekehrten Ende einen in einer Ausströmöffnung (11) für Verbrennungsgase endenden, die Düse (8) aufnehmenden Brennraum aufweist und dass sich der Verdampfer (10) zwischen der Ausströmöffnung (11) und der Düse (8) befindet, hierbei in einem Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen stehend.

2. Vorwärmeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) einen, die Ausströmöffnung (11) umschließenden Abschnitt (22) auf- weist, der in eine, in die Oberseite (6) der Gießform (3) eingeformte Öffnung einsetzbar ist.

3. Vorwärmeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der

Abschnitt (22) in der genannten Öffnung gesichert aufgenommen ist.

4. Vorwärmeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) mit wenigstens einem seitlich

abstehenden, der Einfüh-rung von unter Umgebungsbedingungen stehender Verbrennungsluft dienenden Rohrstutzen (13, 14) versehen ist.

5. Vorwärmeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrstutzen (13, 14) an einer solchen Stelle des Gehäuses (12) an dieses angesetzt ist, die sich auf der, einer Austrittsöffnung (15) der Düse (8) abgekehrten Seite des Gehäuses (12) befindet.

6. Vorwärmeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass der Verdampfer (10) durch eine entlang der Innenseite des Gehäuses (12) verlaufende, mit den Verbrennungsgasen in einem flächigen Wärmeaustausch stehende Leitung dargestellt ist.

Vorwärmeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) zum Aufsetzen einer, mit der

Flüssiggaszuführleitung (9) zu verbindenden Gaskartusche eingerichtet ist.

Vorwärmeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rohrstutzen (13, 14) mit der Maßgabe seitlich von dem Gehäuse (12) absteht, dass zumindest kein wesentliches Ansaugen von aus der Gießform (3) aufsteigenden Verbrennungsgasen gegeben ist.

Vorwärmeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch

gekennzeichnet, dass zumindest einer der Rohrstutzen (13, 14) mit einem zur Einführung zusätz-licher Verbrennungsluft in das Gehäuse (12) eingerichteten Ventilator in Wirkverbindung steht.