DE29818752U1

DE29818752U1 - Tiegel für die Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke

Info

Publication number: DE29818752U1
Application number: DE29818752U
Authority: DE
Original assignee: Elektro Thermit GmbH
Current assignee: Elektro Thermit GmbH and Co KG
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2008-10-22
Also published as: DE29811679U1

Description

Elektro - Thermit GmbH, Essen Tiegel für die Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiegel entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verfahren zur Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke sind in der Form des aluminothermischen Schweißverfahrens bekannt, wobei die Verbindung von Schienenenden im verlegten Gleis aus praktischen Gründen der häufigste Anwendungsfall ist, nachdem für das Aufschmelzen des Schweißgutes keine externe Energiequelle benötigt wird.

Zur Herstellung einer Verbindung werden die um die Schweißlücke voneinander beabstandeten Schienenenden von einer regelmäßig aus zwei Formhälften bestehenden Gießform umgeben, die durch Formhaltebleche zusammengehalten wird. Die Formhälften bestehen aus einem feuerfesten Werkstoff und sind lediglich für einen einmaligen Gebrauch bestimmt. Die aluminothermische Reaktion, welche ausgehend von einem feinkörnigen, im wesentlichen aus Eisenoxid (Fe₂O₃) und Aluminium (Al) sowie Dämpfungsmitteln bestehenden Gemisch zu einem schmelzflüssigen Schweißgut führt, findet in einem Tiegel statt, der ebenfalls aus einem feuerfesten Werkstoff ausgebildet ist und der in einer Haltevorrichtung aufgenommen ist, mittels welcher er in eine solche Position oberhalb der Gießform überführbar ist, welche ein Einbringen des aluminothermisch erschmolzenen Stahles in die Schweißlücke ermöglicht. Der Tiegel ist mit einer zentralen Ausflußöffnung versehen, in die ein unter Wärmeeinfluß nach Ablauf einer definierten Zeitspanne infolge Durchschmelzens selbsttätig öffnender Tiegelstöpsel eingesetzt ist. Ein solcher Tiegel ist regelmäßig für einen mehrfachen Gebrauch bestimmt.

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

lieh, die an den Schienen zu befestigen ist und deren Zweck u. a. darin besteht, den vergleichsweise massereichen Tiegel in der korrekten Position oberhalb der Gießform zu fixieren. Diese Haltevorrichtung muß somit mitgeführt werden, ein Umstand, der sich bei Arbeiten im verlegten Gleis erschwerend auswirkt. Ein weiterer Nachteil dieses Tiegels besteht darin, daß dieser aus werkstofflichen Gründen ständig der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt ist.

Aus der EP-O 407 240 ist ein zur Verwendung bei der aluminothermischen Verschweißung von Schienenenden bestimmter Tiegel bekannt, der an eine Gießform angepaßt ist und bei dem sich der Einsatz einer besonderen Haltevorrichtung erübrigt. Der aus einem feuerfesten Werkstoff bestehende, relativ massereiche Tiegel ist für einen einmaligen Gebrauch bestimmt. Seine praktische Handhabung beim Transport und bei der Aufstellung gestalten sich jedoch vergleichsweise beschwerlich, da der Tiegel über keine Tragevorrichtung verfügt. Da der Tiegelwerkstoff als spröde anzusehen ist und eine Schutzhülle nicht vorgesehen ist, 0 besteht ferner ständig die Gefahr von Beschädigungen.

Zur Behebung der Nachteile dieser bekannten Tiegel sind sogenannte Einweg-Tiegel entwickelt worden, die außen aus einem metallischen Mantel und innenseitig aus einer feuerfesten Auskleidung bestehen, wobei der Boden mit einer Ausflußöffnung versehen ist. Diese Ausflußöffnung ist zur Aufnahme einer unter Wärmeeinfluß selbsttätig öffnenden Abstichvorrichtung eingerichtet. Die Abstichvorrichtung wird vorzugsweise derart ausgestaltet, daß die eine Auslauföffnung verschließenden, aus keramischen Filzmaterialien oder Graphit bestehenden Verschlußplättchen direkt in diese Auslauföffnung eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer solchen Abstichvorrichtung einen separaten Tiegelstöpsel zu verwenden. Dieser Tiegel ist nur für einen einmaligen Gebrauch konzipiert und im Vergleich zu den eingangs genannten Tiegeln masseärmer ausgebildet. Er dient gleichzeitig als Transportgefäß für Schweißpor-

tionen und Reststoffe wie Gießsandformen, Schlacke sowie Thermitstahl und zeichnet sich durch eine wesentlich erleichterte Handhabbarkeit aus. Insbesondere ist im verlegten Gleis die Verwendung einer besonderen Haltevorrichtung nicht erforderlich, so daß bereits aus diesem Grund Schweißungen in kürzerer Zeit durchführbar sind.

Die bei diesen Einweg-Tiegeln eingesetzten Abstichvorrichtungen sollen bestimmungsgemäß nach dem Beginn der aluminothermisehen Reaktion nach Ablauf einer Zeitspanne von üblicherweise 20 see bis 25 see öffnen. Es ist dies die Zeit, die für den Ablauf der aluminothermisehen Reaktion, insbesondere das Aufschmelzen des Schweißgutes und den Ablauf des sich anschließenden Trennvorganges erforderlich ist, welcher zur Ausbildung einer auf dem schmelzflüssigen Stahl aufschwimmenden Schlackenschicht, bestehend u. a. aus Aluminiumoxid (AI2O3) führt. Diese Zeitspanne sollte möglichst genau eingehalten werden, da sich ansonsten die Qualität der Schweißverbindung mindert. So besteht bei zu frühem Öffnen die Gefahr, daß der Trennvorgang unvollständig 0 abgelaufen ist, so daß zusammen mit dem ausströmenden Stahl auch Schlackepartikel mitgeführt und in den erstarrenden Stahl eingebunden werden, welches mit Festigkeitsverlusten verbunden ist. Umgekehrt besteht bei einem zu spaten Öffnen die Gefahr eines frühzeitigen Erstarrens, einer ungenügenden Erwärmung der Schienenenden und eines Steckgusses. Eine definierte Öffnungszeit des Tiegelausflusses ist somit von Bedeutung für die Erzielung reproduzierbarer Qualitäten der Schweißverbindung.

Einweg-Tiegel sind in ihren Festigkeitseigenschaften, insbeson-0 dere auch hinsichtlich ihrer thermischen Belastbarkeit dahingehend bemessen, daß die Beanspruchungen, die sich aus der aluminothermischen Reaktion unter Zugrundelegung der genannten Zeitspanne bis zum Öffnen des Ausflusses ergeben, zumindest einmalig aufgenommen werden können, ohne daß die äußere Integrität des Tiegels beeinträchtigt wird. Diese Eigenschaft des Einweg-Tiegels ermöglicht eine vergleichsweise leichte Bauart, auf der

alle praktischen Vorteile beruhen. Allerdings werden im Verlauf der aluminothermischen Reaktion Temperaturen von mehr als 2000 ⁰C entwickelt, so daß sich ein beträchtliches Sicherheitsrisiko ergeben kann, wenn - aus welchen Gründen auch immer die zum selbsttätigen Öffnen eingerichtete Abstichvorrichtung nicht innerhalb der angegebenen Zeitspanne öffnet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Tiegel der eingangs bezeichneten Art dahingehend auszugestalten, daß während der aluminothe maischen Reaktion eine erhöhte Betriebssicherheit für Personen und Sachen in unmittelbarer Umgebung des Tiegels gegeben ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Tiegel durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach, daß der Boden des Tiegels zur Aufnahme einer weiteren Abstichvorrichtung eingerichtet ist, die jedoch bestimmungsgemäß bei regulärem Betrieb der ersten Abstichvorrichtung, daß heißt dann, wenn diese tatsächlich nach Ablauf des dieser zugeordneten Zeitintervall von 20 see bis 25 see öffnet, funktionslos ist. Erst dann, wenn die erste Abstichvorrichtung nach Ablauf des genannten Zeitintervalls nicht öffnen sollte, tritt nach Ablauf einer Zeitspanne von 30 see bis 40 see die zweite Abstichvorrichtung in Funktion, wobei diese Zeitspanne vom Beginn der aluminothermischen Reaktion an gerechnet wird. Zwischen den, den beiden Abstichvorrichtungen jeweils zugeordneten Zeitspannen sollte ein Intervall liegen, so daß ein gleichzeitiges Öffnen beider Abstichvorrichtungen zumindest im Regelfall unterbleibt. Infolge des Abgießens der zweiten Abstichvorrichtung findet nunmehr ein Ausfluß schmelzflüssigen Stahls aus dem Tiegel statt, wobei die letztgenannte Zeitspanne auch derart festgelegt ist, daß selbst bei deren maximaler Ausnutzung keine festigkeitsmäßige bzw. thermische, für die Umgebung ein Sicherheitsrisiko mit sich bringende Überlastung der Wandungen und des Bodens des Tiegels gegeben ist. Nachdem das gleichzeitige Versagen zweier voneinander unabhängiger Abstichvorrichtungen jedenfalls als unwahr-

scheinlicher als das Versagen einer Abstichvorrichtung anzusehen ist, ist auf diese Weise ein bedeutender Beitrag zur Betriebssicherheit derartiger Tiegel geleistet.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 sind die Öffnungen im Boden des Tiegels mit Abstand nebeneinander angeordnet. Es ist dies die einfachste Ausführungsform, bei welcher Abstichvorrichtungen aus handelsüblichen Verschlußmaterialien einsetzbar sind, deren Öffnungszeiten im erfindungsgemäßen Sinn gewählt sind.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 sind die Öffnungen aneinandergrenzend plaziert und können insbesondere auch mit der Maßgabe angeordnet sein, daß die zweite Öffnung die erste Öffnung umgibt oder umgekehrt. Auch in diesem Fall können Abstichvorrichtungen eingesetzt werden, die auf dem gleichen Funktionsprinzip basieren, die jedoch eine andere geometrische Ausgestaltung erfahren haben. Insbesondere die zueinander konzentrische Anordnung zweier Öffnungen bringt den Vorteil mit sich, daß der Ausfluß aus dem Tiegel in einen Mittenbereich des Bo-0 dens plaziert werden kann, und zwar unabhängig davon, aus welcher der beiden Öffnungen der Ausfluß stattfindet.

Eine zylindrische Ausgestaltung des Tiegelgefäßes entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 dürfte aus praktischen Gründen die zweckmäßigste sein.

Die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 sind auf unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Abstichvorrichtungen gerichtet. Diese können hiernach wahlweise als Tiegelstöpsel oder als Schmelzeinsatz ausgebildet sein. Letzterer Form einer Abstichvorrichtung wird in Anbetracht der gleichzeitigen Transportbehälterfunktion des Tiegels sowie dessen bestimmungsgemäßem, lediglich einmaligem Gebrauch als Tiegel der Vorzug gegeben.

Die bündig insbesondere zu der Innenfläche des Tiegels verlaufende Anordnung der Schmelzeinsätze hat sich als praktisch vor-

teilhaft erwiesen. Indem somit keinerlei Strukturelemente des Schmelzeinsatzes aus der Öffnung des Bodens des Tiegels herausragen, ist der genannte Einsatz nahezu beschädigungsfrei angeordnet, wodurch die Eignung des Tiegels als Transportbehälter weiter verbessert wird.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungsfiguren schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:
10

Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Tiegels im

Axialschnitt ohne Abstichvorrichtung;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer in einen Tiegelstöpsel integrierten Abstichvorrichtung im Axialschnitt;
Fig.3 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels

eines erfindungsgemäßen Tiegels im Axialschnitt mit eingesetzten Abstichvorrichtungen.

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

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

In den Boden 5 sind zwei Öffnungen 8,9 eingeformt, die mit Abstand zueinander angeordnet sind und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine gleiche Größe aufweisen. Diese Öffnungen 8,9 dienen der Aufnahme von unter Wärmeeinwirkung nach Maßgabe vorgegebener Zeitspannen selbsttätig öffnender Abstichvorrichtun-

gen, von denen eine in Fig. 2 beispielhaft in einen Tiegelstöpsel integriert gezeigt ist.

Beide in den Boden 5 eingeformten Öffnungen 8,9 weisen einen sich zur Unterseite hin konisch verjüngenden Verlauf auf, so daß ein von der Oberseite 11 her eingesetzter Tiegelstöpsel eine Stützwirkung erfährt. Mit 10 ist in Fig. 2 ein beispielsweise aus gebundenem Sand oder auch Graphit bestehender hülsenartiger Stöpselkörper bezeichnet, in den von der Oberseite 11 her ein beispielsweise aus Graphit bestehender Hülsenkörper 12 eingesetzt ist, dessen Bodenbereich durch Verschlußplättchen 13 gebildet wird, die zum Durchschmelzen bestimmt sind und bei denen es sich um keramische Filzplättchen, um Scheiben aus Graphit oder auch aus Metallen handeln kann, wobei das Durchschmelzverhalten des Tiegelstöpsels im wesentlichen von der Beschaffenheit dieser Verschlußplättchen, somit deren Werkstoff in Verbindung mit deren Dicke bestimmt wird. Diese, die Abstichvorrichtung bildenden Verschlußplättchen können im einfachsten Fall unmittelbar, daß heißt ohne den Verbund mit den 0 genannten übrigen Komponenten des Tiegelstöpsels in die Öffnungen 8,9 eingesetzt sein.

Mit 14 ist die in dem Stöpselkörper vorgesehene Durchflußausnehmung bezeichnet, die nach erfolgtem Durchschmelzen der Verschlußplättchen 13 für den Ausfluß von schmelzflüssigem Stahl zur Verfügung steht.

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

Mit 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, für einen einmaligen Gebrauch bestimmten Tiegels bezeichnet, welcher aus einem zylindrischen, oberseitig mit einem aufsetzbaren Deckel 16 schließbaren Gefäß besteht. Wesensmerkmal des Gefäßes ist wiederum ein metallischer Mantel 17 nebst Boden 18, welche innenseitig eine feuerfeste Auskleidung 19 tragen. Der ebenfalls aus einem Feuerfestwerkstoff ausgebildete Deckel 16 ist zur Außenseite hin ausgewölbt und trägt eine zentrale Entlüftungsöffnung 20.

Die Auskleidung 19 bildet an ihrem oberen Ende eine ringartige Auflagefläche 21 für den Deckel 16, der im übrigen dadurch, daß der Mantel 17 diese Auflagefläche überragt, in seiner Auflageposition seitlich gesichert ist.

Mit 22 sind außenseitig aus dem oberen Endbereich des Tiegels 15 herausragende, einander diametral gegenüberliegende Zapfen bezeichnet, die der Anbringung eines zeichnerisch nicht dargestellten Traggriffs dienen.

Mit 23,24 sind bodenseitige Öffnungen des Tiegels bezeichnet, die jeweils zur Aufnahme einer Abstichvorrichtung eingerichtet sind. Diese werden bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils durch Schmelzeinsätze gebildet, die derart bemessen sind, daß die Öffnung 24 als erste bzw. reguläre und die Öffnung 23 als zweite Abstichvorrichtung bzw. als Notauslauf fungiert.

So ist die Öffnung 24 durch insgesamt drei Verschlußplättchen 25 gekennzeichnet, die auf einer Ringschulter 26 der Innenwandung der Öffnung aufliegen. Die Öffnung 23 hingegen ist durch vier Verschlußplättchen 25 gekennzeichnet, die in die sich zur Unterseite 27 hin verjüngende Öffnung eingepreßt sind. Der Sitz der letztgenannten Verschlußplättchen kann gleichermaßen auch demjenigen der Öffnung 24 entsprechen und umgekehrt.

Grundsätzlich kommen auch andere Befestigungsarten der Ver-

• ·

schlußplättchen in den Öffnungen 23,24 in Betracht, z. B. ein Einkleben.

Die Verschlußplättchen 25 bestehen aus den üblichen, bereits genannten Materialien, z. B. Keramik, insbesondere keramischen Filzmaterialien, Graphit oder Metall. Sie sind von ihrer werkstofflichen Beschaffenheit sowie ihrer Bemessung her in jedem Fall dahingehend ausgebildet, daß sich die eingangs dargelegten Abstichzeiten ergeben.

Vorzugsweise sind die durch die Verschlußplättchen 25 gebildeten Schmelzeinsätze ferner derart ausgebildet, daß sie sich bündig zumindest an der Innenfläche 28 der Auskleidung 19 erstrecken.

Sollte somit die Funktion der ersten regulären Abstichvorrichtung gestört sein, kommt es nach Ablauf der der zweiten Abstichvorrichtung zugeordneten Zeitspanne zur selbsttätigen Öffnung der zweiten Abstichvorrichtung und in der Folge zu einem 0 Ausfluß schmelzflüssigen Stahls. Risiken für die unmittelbare Umgebung des Tiegels infolge einer thermischen und festigkeitsmäßigen Überlastung, die durch eine zu lange Verweilzeit des schmelzflüssigen Stahls innerhalb des Tiegels bestehen können, werden auf diese Weise wirksam unterbunden.

Die nachstehende Tabelle 1 verdeutlicht lediglich beispielhaft die den jeweils zweiten Abstichvorrichtungen zugeordneten Abstichzeiten, welche anhand einer Reihe von Versuchen ermittelt worden sind, bei welchen von einem Versagen der ersten Abstichvorrichtung ausgegangen wird.

Tabelle 1:

Lfd. Nr.

Reaktionszeit [sec] Abstichzeit Notauslauf [see]

1	9
2	11
3	9
4	9
5	10
6	10
7	8
8	9
9	10
10	10
Mittelwert	9

35 29 30 31 31 32 34 33 31

31,8

Als Reaktionszeit wird eine Zeitspanne betrachtet, die mit dem Beginn einer visuell feststellbaren Reaktion des aluminothermisehen Gemisches beginnt und die mit dem Abschluß dieser Reaktion endet, welche durch das Vorliegen eines aluminothermisch erschmolzenen Stahles und einer auf der Schmelze aufschwimmenden Schlacke gekennzeichnet ist.

Man erkennt, daß die Notauslauffunktion der zweiten Abstichvorrichtung innerhalb der erfindungsgemäß zur Verfugung stehenden Zeitspanne von 30 see bis 40 see nach Beginn der aluminothermischen Reaktion gegeben ist. Trotz der im Vergleich zu einem mehrfach benutzbaren Tiegel erheblich masseärmeren Ausbildung eines Einwegtiegels besteht somit selbst im Fall des Versagens der ersten Abstichvorrichtung praktisch kein Sicherheitsrisiko.

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

Claims

Schutzansprüche:

1. Tiegel (1,15) zur Verwendung im Rahmen eines aluminothermischen Schweißverfahrens zur Verbindung zweier Werkstücke, insbesondere zweier Schienenenden, bestehend aus einem Gefäß, dessen Seitenwandungen (4) und dessen Boden (5,18) aus einem äußeren metallischen Mantel (6,17) bestehen, der innenseitig mit einer aus einem feuerfesten Werkstoff bestehenden Auskleidung (7,19) überzogen ist, wobei in dem Boden (5,18) eine erste, zur Aufnahme einer unter Wärmeeinwirkung nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne von 15 see bis 25 see nach dem Beginn der aluminothermischen Reaktion selbsttätig öffnenden Abstichvorrichtung eingerichtete Öffnung (8,24) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß in dem Boden (5,18) eine zweite, zur Aufnahme einer unter Wärmeeinwirkung nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit-0 spanne selbsttätig öffnenden Abstichvorrichtung eingerichtete Öffnung (9,23) angeordnet ist, und

- daß die der Abstichvorrichtung der zweiten Öffnung (9,23) zugeordnete Zeitspanne 30 see bis 40 see nach erfolgtem Beginn der aluminothermischen Reaktion beträgt.

2. Tiegel (1,15) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,
30

- daß die Öffnungen (8,9;23,24) mit Abstand nebeneinander in dem Boden (5) angeordnet sind.

3. Tiegel (1,15) nach Anspruch 1,
35

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Öffnungen (8,9;23,24) aneinandergrenzend, insbesondere mit der Maßgabe in dem Boden (5,18) angeordnet sind, daß die zweite Öffnung (9,23) die erste Öffnung (8,24) umgibt.

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

dadurch gekennzeichnet,
- daß das Gefäß zylindrisch ausgestaltet ist.

5. Tiegel (1,15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,
15

- daß beide Abstichvorrichtungen jeweils durch Tiegelstöpsel gebildet sind.

6. Tiegel (1,15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 20

dadurch gekennzeichnet,

- daß beide Abstichvorichtungen jeweils durch Schmelzeinsätze gebildet sind.

7. Tiegel (1,15) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Schmelzeinsätze jeweils bündig zumindest bezüglich der Innenfläche (28) des Tiegels angeordnet sind.