Automatischer Tiegelstöpsel

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen selbstöffnenden Verschluß aus einem hochschmelzenden Material für Gießtiegel, die bei aluminothermischen Reaktionen verwendet werden. Dieser Verschluß besteht ganz oder teilweise aus luftdurchlässigem Graphit oder Metallen, deren Schmelzpunkte zwischen 2100 und 3727 °C liegen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen selbstöffnenden Verschlµß aus eine hochschmelzenden Material für Gießtiegel, die bei aluminothermischen Reaktionen verwendet werden.

[0002] Aluminothermische Reaktionen werden üblicherweise in einem kegelförmigen Tiegel durchgeführt, in dessen verjüngtem unteren Bereich eine Auslaufdüse auswechselbar angeordnet ist. Die Auslaufdüse muß während der Durchführung der aluminothermischen Reaktion verschlossen sein.

[0003] Die bei der aluminothermischen Reaktion entstandene Metallschmelze darf erst dann aus der Auslaufdüse abfließen, wenn sich die im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehende schmelzflüssige Schlacke von der Metallschmelze getrennt hat und auf dieser aufschwimmt. Erfolgt die Öffnung der Auslaufdüse zu früh, besteht die Gefahr eines fehlerhaften Gusses infolge noch unvollständiger Reaktion des aluminothermischen Gemisches oder durch noch nicht vollständig erfolgte Abtrennung der gebildeten Aluminiumoxidschlacke von der gebildeten Metallschmelze.

[0004] Zur Erhöhung der Schweißsicherheit sind Verschlüsse der Auslaufdüse bekannt, die innerhalb einer vorbestimmten Zeit von der aluminothermisch erzeugten Metallschmelze auf- und durchgeschmolzen werden.

[0005] So beschreibt die DE-C-32 11 831 eine Vorrichtung zum automatischen Abgießen von aluminothermisch erzeugte Stahl, die aus verschiedenen keramischen Plattchen und einer Aluminiumhülse zusammengesetzt ist. Diese Vorrichtung wird in den Ausfluß des Reaktionstiegels eingesetzt und dient als selbstöffnender Verschluß, d. h. der Verschluß schmilzt zu eine bestimmten Zeitpunkt durch, und der Ausfluß wird ohne Zutun einer Person automatisch geöffnet, und der so erzeugte flüssige Stahl kann aus dem Reaktionstiegel ausfließen. Diese Vorrichtung wird auch automatischer Tiegelstöpsel genannt.

[0006] Solch ein automatischer Tiegelstöpsel besteht üblicherweise aus einem Stöpselkörper, beispielsweise aus Sand, einer Hülse, beispielsweise aus Aluminium, und einem oder mehreren Verschlußplättchen, beispielsweise aus komprimierbarem faserigen Aluminiumsilikat.

[0007] Das zur Herstellung dieser Verschlußplättchen verwendete Material weist einen Schmelzpunkt von ≥ 1650 °C auf. Ein bevorzugter Bereich wird mit einem Schmelzpunkt von 1700 °C ± 20 °C angegeben.

[0008] Die WO 80/00546 beschreibt eine Methode, um den Auslauf eines Zwischengefäßes beim kontinuierlichen Vergießen von Stahl zu regulieren. Dabei wird zunächst die Ausflußöffnung des Zwischengefäßes mit einem Deckel abgedeckt, welcher aus Graphit, Silizium oder einer Kombination dieser Elemente besteht.

[0009] In dieser Veröffentlichung wird weder auf die Bedeutung der Gießtemperatur noch auf die lokal erreichte Temperatur bei der stark exothermen Thermitreaktion eingegangen, die durchaus die Gießtemperatur übersteigen kann.

[0010] Es wird sogar darauf hingewiesen, daß eine Penetration des Graphits durch den Stahl zu vermeiden ist.

[0011] Die Thermitreaktion kann in zwei Schritte unterteilt werden, in die Reduktionsreaktion und die Trennung zwischen Thermit-Stahl und Schlacke. Üblicherweise betragt jeder dieser Schritte durchschnittlich etwa 10 Sekunden.

[0012] Danach liegt der Thermit-Stahl nach ca. 10 Sekunden vor. Dieser Zustand entspricht dem mit Stahl gefüllten Zwischengefäß beim kontinuierlichen Gießen von Stahl. Wenn der Auslauf bei der Thermitreaktion zu dem in der WO 80/00546 beschriebenen Zeitpunkt, also erst nach bis zu 40 Sekunden nach Vorliegen des flüssigen Thermit-Stahles erfolgt, besteht die Gefahr eines Steckgusses, d. h. der Thermit-Stahl erstarrt vorzeitig im Reaktionstiegel.

[0013] Zur Erzielung eines homogenen Reaktionsproduktes ist es notwendig, daß die aluminothermische Reaktion möglichst gleichmäßig abläuft und dieser gleichmäßige Reaktionsablauf reproduzierbar ist. Bei unterschiedlich schnellem Reaktionsablauf kann der Abbrand der Legierungsbildner unterschiedlich ausfallen. Dies führt zu Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen und damit auch zu unterschiedlichen Eigenschaften.

[0014] Wird die Reaktion in einem Gießtiegel durchgeführt, dessen Bodenöffnung durch einen durchschmelzbaren Verschluß abgedichtet ist, wie er z. B. in der DE-C-32 11 831 beschrieben ist, soll das Durchschmelzen des Verschlusses in einem genau vorbestimmten Zeitintervall nach Zündung des Gemisches erfolgen, um sicherzustellen, daß die Reaktion zu einem Endpunkt gekommen ist und die Schlacke sich von der Metallschmelze vollständig getrennt hat. Bei einem zu frühen Durchschmelzen des Verschlusses können noch nicht abgetrennte flüssige Schlacketeilchen von der ausströmenden Metallschmelze mitgerissen werden. Erfolgt das Durchschmelzen des Verschlusses zu spät, kann die Schmelze bereits zu stark abgekühlt sein und damit einen Zustand annehmen, der insbesondere beim Schienenschweißen unerwünscht ist.

[0015] Die Abkühlung der Stahlschmelze im Reaktionstiegel wird überlagert durch eine gleichermaßen stattfindende Abkühlung der Schiene. Je länger die Abstichzeiten sind, desto stärker kühlt die Schiene ab und erschwert deren Verschweißen.

[0016] Die Verweilzeit der Stahlschmelze im Reaktionstiegel ist somit ein wichtiger Parameter für das Schweißen von Schienen. Je gleichmäßiger die Öffnungszeiten, auch Abstichzeiten genannt, des automatischen Tiegelstöpsels sind, desto reproduzierbarer sind die Schweißbedingungen, was gleichzeitig höhere Schweißsicherheit bedingt.

[0017] Da in den automatischen Tiegelstöpseln nach dem Stand der Technik üblicherweise Keramikfasern oder andere geeignete faserige Materialien eingesetzt werden, die eine nicht unerhebliche Kompressibilität aufweisen, werden die Abstichzeiten auch maßgeblich durch das Zusammenpressen dieser faserigen Materialien während der Fertigung der Tiegelstöpsel beeinflußt.

[0018] Der Einsatz der Tiegelstöpsel des Standes der Technik führt deshalb zu großen Schwankungen in den Auslaufzeiten, was wiederum einen negativen Einflüß auf die Schweißbedingungen und folglich auf die Schweißsicherheit hat.

[0019] Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine aluminothermische Vorrichtung bereitzustellen, welche das Abgießen von aluminothermisch erzeugtem Stahl zu einem möglichst frühen und bestimmten Zeitpunkt gewährleistet, um das Mitreißen von unerwünschten Schlackenteilchen zu vermeiden. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein Material zu finden, welches die obengenannten Forderungen erfüllt und dabei eine möglichst geringe Kompressibilität aufweist.

[0020] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem selbstöffnenden Verschluß, der ganz oder teilweise aus luftdurchlässigem Graphit oder Metallen besteht, deren Schmelzpunkte zwischen 2100 und 3727 °C liegen.

[0021] Vorzugsweise besteht das Material des Verschlusses aus durchlässigem Graphit; besonders geeignet ist poröser Graphit, da eine Penetration gewünscht ist.

[0022] Im Fall von kompaktem Graphit sind eine oder mehrere Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 2 mm einzubringen. Die Dicke des durchlässigen Graphits beträgt 0,2 bis 15 mm. Die Dichte beträgt 0,8 bis 2,25 g/cm³.

[0023] Weiter kann man hochschmelzende Metalle, wie Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Hafnium, einsetzen, die eine Dicke von 0,2 bis 20 mm und eine oder mehrere Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 2 mm aufweisen.

[0024] Die Bohrungen werden deshalb in die Metallplättchen eingebracht, damit während der Reaktion eingeschlossene Luft entweichen kann und es nicht zu einem sogenannten Steckguß kommt, d. h. daß ein Auslauf der Stahlschmelze durch die Bildung eines Luftpolsters verhindert wird.

[0025] Es war überraschend, daß ein so hochschmelzendes Material verwendet werden kann. Erst durch seine Legierungsbildung mit dem flüssigen Thermit-Stahl bilden sich Verbindungen, deren Schmelzpunkte unterhalb der Auslauftemperatur des flüssigen Stahles liegen. Dieser Ablauf soll wie folgt näher erläutert werden:

Tm:

Schmelzpunkt des Stahls

Tm1:

Schmelzpunkt des Verschlußmaterials des automatischen Tiegelstöpsels

Tm2:

Schmelzpunkt der Verbindung oder Legierungszusammensetzung, gebildet aus dem Verschlußmaterial und dem aluminothermisch erzeugten Stahl

TA:

Temperatur des auslaufenden aluminothermisch erzeugten Stahls

[0026] Durch den Einsatz dieser inkompressiblen Verschlußplättchen hat sich die Reproduzierbarkeit der Tiegelabstichzeit gegenüber den

[0027] Verschlüssen des Standes der Technik erhöht, d. h. die vorgegebenen Abstichzeiten werden entsprechend eingehalten.

[0028] Anhand der Fig. 1 bis 4 werden die erfindungsgemäßen Verschlüsse näher erläutert.

Dabei zeigt Fig. 1 das Verschlußplättchen 3 aus Graphit und die Hülse 2 ebenfalls aus Graphit. Der Stöpselkörper 1 besteht aus Sand und ist formschlüssig im Tiegel 4 eingesetzt.

Fig. 2 zeigt Hülse 2 und Plättchen 3 aus Graphit, wobei der Stöpselkörper 1 ebenfalls aus Graphit ausgebildet ist.

In Fig. 3 besteht der Stöpselkörper 1 aus Sand und Hülse 2 sowie Verschlußplättchen 3 aus Graphit.

Fig. 4 zeigt faserige Keramikverschlußplättchen 3 des Standes der Technik, wobei die Hülse 2 aus Aluminium und der Stöpselkörper 1 aus Sand bestehen.

Ansprüche

1. Selbstöffnender Verschluß aus einem hochschmelzenden Material für Gießtiegel, die bei aluminothermischen Reaktionen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß er ganz oder teilweise aus luftdurchlässigem Graphit oder Metallen besteht, deren Schmelzpunkte zwischen 2100 und 3727 °C liegen.

2. Verschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ganz oder teilweise aus porösem Graphit besteht und eine Dicke zwischen 0,2 bis 15 mm und eine Dichte von 0,8 bis 2,0 g/cm³ aufweist.

3. Verschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ganz oder teilweise aus kompaktem Graphit besteht und eine Dicke zwichen 0,2 bis 15 mm und eine Dichte von 2,0 bis 2,25 g/cm³ aufweist und eine oder mehrere Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 2 mm aufweist.

4. Verschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ganz oder teilweise aus den Metallen Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Hafnium besteht, eine Dicke von 0,2 bis 20 mm und eine oder mehrere Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 2 mm aufweist.

5. Verschluß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dicke. von 0,5 bis 15 mm und Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,4 bis 1 mm aufweist.

Zeichnung