REAKTIONSTIEGEL FÜR ALUMINOTHERMISCHE SCHWEISSUNGEN MIT EINEM FEUERFESTEN

SPERRKÖRPER

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

Bei der in feuerfesten, auf Gießformen aufgesetzten Reaktionstiegeln durchgeführ- ten, beispielsweise für Schweißarbeiten im verlegten Gleis benutzten aluminother- mischen Reaktion fallen als Reaktionsprodukte schmelzflüssiger Stahl und eine nach Abschluss der Reaktion auf der Stahlschmelze aufschwimmende Schlacke an. Eine Öffnung der Ausflussöffnung des Reaktionstiegels soll erst vorgenommen werden, nachdem die durch anfänglich turbulente Strömungsverhältnisse gekennzeichnete Reaktion zu einem Abschluss gekommen ist und sich eine Trennung von Schlacke und Schmelze ausgebildet hat. Mit Hinblick auf die Gewinnung einer Schmelze, die stofflich homogen und frei von Schlackenanteilen ist, sind Maßnahmen zur Zurückhaltung bzw. Entfernung der Schlacke erforderlich, da sich ansonsten durch

Schlackeneinschlüsse bedingte Schweißfehler ergeben können.

Es ist allgemein bekannt, die Reaktionstiegel in Verbindung mit Schlackenschalen einzusetzen, die nach Art eines an der Gießform angebrachten Überlaufs zur Aufnahme eines großen Teiles der anfallenden Schlacke eingerichtet sind. Eine vollständige Entfernung der angefallenen Schlacke ist auf diesem Wege jedoch nicht möglich, so dass es nicht zuverlässig verhindert werden kann, dass zusammen mit der ausströmenden Stahlschmelze geringe Mengen an Schlacke mitgeführt werden.

Die mit den Gießformen in Verbindung stehenden Schlackenschalen müssen bei dieser Arbeitsweise mitgeführt werden, ein Umstand, der bei Gleisarbeiten als störend empfunden wird, da er die Masse der mitzuführenden Geräte und Stoffe erhöht. Aus dem Dokument DE 2 316 757 ist es bekannt, zum Verhindern eines Nachlaufens von Schlacke aus einer Gießpfanne deren bodenseitige, in einen Ausgussstein eingeformte Ausflussöffnung mit einem Flüssigkeitsverschluss zu versehen, durch welche ein Rest an schmelzflüssigem Stahl ein Austreten der auf diesem auf- schwimmenden Schlacke verhindert. Der Flüssigkeitsverschluss wird durch eine in den Boden der Gießpfanne eingeformte, die Ausflussöffnung konzentrisch umgebende Ausnehmung gebildet, in die sich von oben eine ringförmige, zum Unterströmen bestimmte Rückhaltestruktur hinein erstreckt, so dass in der Ausnehmung restliche Schmelze eine Sperre für ein Nachströmen von Schlackenanteilen bildet. Die Giess- pfanne ist im Übrigen mit einem, mittels einer äußeren Betätigungsvorrichtung zwischen einer die Ausflussöffnung sperrenden oder diese freigebenden feuerfesten Stopfen versehen.

Ein ebenfalls mit einem eine Ausgießöffnung während eines Abstiches zur Zurück- haltung austretender Schlacke teilweise verschließender Stopfen ausgerüsteter Konverter ist aus dem Dokument US 4 995 594 bekannt.

Aus dem Dokument DE 31 26 559 ist ein weiterer Konverter bekannt, der zur Verhinderung eines Austretens von Schlacke während des Abstechens mit einem länglichen, in diesen eintauchenden, zwischen einer, eine Ausflussöffnung sperrenden und einer diese freigebenden Stellung mittels einer besonderen Betätigungseinrichtung bewegbaren, aus einem feuerfesten Werkstoff ausgebildeten Absperrelement bekannt, welches gegen Ende des Gießvorgangs zur Ausübung einer Rückhaltefunktion auf aufschwimmende Schlackenanteile bestimmt ist. Aus diesem Dokument ist es zur Anwendung bei Konvertern ferner bekannt, sogenannte feuerfeste Schlackenkugeln auf die innenseitige Öffnung eines Abstichloches zu werfen. Dies soll sich jedoch nicht bewährt haben, da eine Selbstsetzung der Kugel auf dem Abstichloch nicht mit einer hinreichenden Sicherheit erreicht werden konnte. Ebenfalls zur Anwendung bei Konvertern bestimmt ist eine aus dem Dokument DE 1 508 223 bekannte, für ein Zurückhalten der Schlacke während eines Abstiches bestimmte Vorrichtung. Diese wird durch einen Schwimmkörper gebildet, dessen Dichte das 1 ,1- bis 1 ,8 fache der Dichte der Schlacke, jedoch geringer als die Dichte der Stahlschmelze bemessen ist. Der Schwimmkörper ist mit einer zum Einführen in eine Ausflussöffnung des Konverters bestimmten Führungsstange und einer an einer Halteeinrichtung lösbar befestigten Haltestange versehen, wodurch auf den

Schwimmkörper nach Maßgabe des Fallens des Pegels der Stahlschmelze während eines Ausgießens eine Führungsfunktion auf den Schwimmkörper ausgeübt werden soll, um diesen in Richtung auf die Ausflussöffnung hin zu führen, hierbei einen Schlackenanteil zurückhaltend. Dieser einen Schwimmkörper umfassende Verschlussmechanismus soll während eines Abstiches in den Konverter eingeführt werden. Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, einen Reaktionstiegel der eingangs bezeichneten Art in einfacher Weise mit Hinblick auf eine zuverlässige Zurückhaltung der während der aluminothermischen Reaktion gebildeten Schlacke auszugestalten. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Reaktionstiegel durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach ein feuerfester Sperrkörper, der von seiner Dichte her dahingehend eingerichtet ist, dass er in dem schmelzflüssigen Stahl schwimmfähig ist, nicht hingegen in der Schlacke. Die globale Dichteeinstellung kann hierbei durch Wahl eines bestimmten Stoffes oder durch strukturelle Maßnahmen erreicht werden. Wesentlich ist ferner, dass ein solcher Sperrkörper bereits der aluminothermischen Mischung beigegeben ist. Aufgrund seiner Schwimmfähigkeit in der Stahlschmelze behindert er das Ausströmen des Stahles nicht, sondern tritt erst dann in Funktion, wenn der Stahl zumindest im wesentlichen aus dem Tiegel ausgetreten und in eine Gießform eingeführt worden ist, auf die er zur Durchführung einer aluminothermischen Schweißung gesetzt worden ist. Der Sperrkörper ist in dieser Phase dazu bestimmt, auf der Ausströmöffnung des Reaktionstiegels aufzusetzen und die gebildeten Schlackenanteile in dem Reaktionstiegel zurückzuhalten. Der mit einer derartigen aluminothermischen einen Sperrkörper beinhaltenden Mischung ausgerüstete Reaktionstiegel ermöglicht einen faktisch automatischen Arbeitsablauf beginnend mit der Zündung des aluminothermischen Gemisches und endend mit dem Eingießen des Stahles in die Gießform, wobei aufgrund der zuverlässigen Zurückhaltung von Schlackeanteilen innerhalb des Reaktionstiegels ein Entstehen von Schweißfehlern infolge von Schlackeneinschlüssen im Schweißgut zuverlässig unterbunden ist. „

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Nachdem Schlackenanteile in dem Reaktionstiegel zurückgehalten werden, erübrigen sich Maßnahmen im Bereich der Gießform, die auf ein Trennen sowie Aufnehmen von Schlackeanteilen gerichtet sind, wie z. B. die an dieser Stelle gebräuchlichen Schlackeschalen. Dies wiederum ermöglicht die Verwendung von masseärme- ren Gießformen, ein Umstand, der bei Arbeiten im verlegten Gleis von besonderem Vorteil ist.

Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind auf eine weitere Ausgestaltung des Reaktionstiegels gerichtet. Dieser weist hiernach eine rotationssymmetrische Gestalt auf sowie einen Boden, dessen innere Oberfläche einen in Richtung auf eine zentral angeordnete Ausflussöffnung hin trichterartig abfallende Gestalt aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass der während des Ausgießens innerhalb des Reaktionstiegels schwimmende Sperrkörper, nachdem er schließlich auf dem Boden aufliegt, durch dessen abfallenden Verlauf eine Führungswirkung in Richtung auf die Ausflussöff- nung hin erfährt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Sperrkörper schließlich auf der Eintrittsöffnung der Ausströmöffnung aufsitzt, hierbei eine Rückhaltefunktion auf die noch innerhalb des Reaktionstiegels befindlichen Schlackenanteile ausübend.

Die Merkmale der Ansprüche 4 bis 8 sind auf unterschiedliche Formen eines Sperr- körpers gerichtet, der dazu geeignet sein muss, innerhalb der Stahlschmelze zu schwimmen, nicht hingegen in der Schlacke. Dies bedeutet, dass er stofflich und / oder strukturell so beschaffen sein muss, dass er in der Stahlschmelze schwimmend teilweise aus der Phasengrenze zwischen der Stahlschmelze und der Schlacke herausragt. Um einen positiven Auftrieb in diesem Sinne darzustellen, kann der Sperrkörper aus einer feuerfesten Hülle bestehen, deren Füllung nach Maßgabe der global darzustellenden Dichte entweder ein metallischer Vollkörper oder ein metallisches Granulat ist. Der Sperrkörper muss ferner eine Gestalt aufweisen, deren Durchmesser größer ist als derjenige der Ausströmöffnung. Er sollte insbesondere bei einem rotationssymmetrischen Reaktionstiegel ebenfalls eine rotationssymmetri- sehe Gestalt aufweisen, z. B. in der Form einer Kugel oder eines Kegels vorliegen.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgerüsteten Reaktionstiegel vor dem Öffnen einer Ausflussöffnung;

Fig. 2 den Reaktionstiegel gemäß Fig. 1 nach erfolgtem Öffnen der Ausflussöffnung;

Fig. 3 eine Zusammenstellung unterschiedlicher Ausführungsformen eines

Sperrkörpers.

Mit 1 ist in den Figuren 1 und 2 ein aus einem feuerfesten Werkstoff hergestellter Reaktionstiegel bezeichnet, der beispielsweise als zylindrisches Gefäß ausgebildet ist und einen Boden 2 aufweist, der innenseitig eine trichterartig in Richtung auf einen zentrale Ausflussöffnung 4 hin geneigt geformte Oberfläche 3 aufweist.

In die Ausflussöffnung 4 ist ein an sich bekannter Tiegelstöpsel 5 eingesetzt, der als eine unter den Bedingungen einer aluminothermischen Reaktion innerhalb des Reaktionstiegels durchschmelzbare, somit nach Ablauf eines definierten Zeitintervalls die Ausflussöffnung freigebende Struktur ausgebildet ist. Dieses Zeitintervall, während welchem der Tiegelstöpsel 5 seine Sperrfunktion innerhalb der Ausflussöffnung 4 erfüllen soll, ist so bemessen, dass innerhalb dieses Intervalls die alu- minothermische Reaktion abgeschlossen und sich eine Trennung der Reaktionsprodukte in einen schmelzflüssigen Stahl 6 und eine auf diesem aufschwimmende Schlacke 7 gegeben ist.

Der Reaktionstiegel 1 kann in eine Tiegelhülle 8 eingebunden sein, welche gleich- zeitig den Verschluss für die Oberseite 9 bildet.

Mit 10 ist ein kugelförmiger Sperrkörper bezeichnet, dessen Dicht größer ist als diejenige der Schlacke 7, jedoch kleiner als diejenige des Stahls 6 bemessen ist. Der Sperrkörper besteht aus einer feuerfesten Hülle 11 und einer Füllung 12, wobei die Hülle 11 sowie die Füllung 12 stofflich und / oder von ihren Dimensionen her mit der Maßgabe bemessen sind, dass ein teilweises Aufschwimmen in der Stahlschmelze darstellbar ist. Der erfindungsgemäß ausgerüstete Reaktionstiegel 1 enthält im Ausgangszustand eine aluminothermische, als feinkörniges Granulat vorliegende Mischung, der ein Sperrkörper 10 beigefügt ist. Er ist somit in besonders einfacher Weise für eine selbsttätig wirksame Zurückhaltung von Schlackenanteilen ausgerüstet und dient gleichzeitig als Transportbehältnis für die genannte Mischung.

Nach Zündung der Mischung bzw. Einleiten der aiuminothermischen Reaktion kommt es innerhalb des Tiegels zur Ausbildung zweier nicht miteinander mischbarer Phasen, nämlich schmelzflüssigem Stahl einerseits und Schlacke andererseits, welche nach Beruhigung eines anfangs turbulenten Strömungsfeldes eine Phasengrenze 13 bilden, aus der der Sperrkörper 10 aufgrund seiner Dichte im Verhältnis zu der Stahlschmelze teilweise herausragt.

Nach Ablauf des eingangs genannten Zeitintervalls ist der Tiegelstöpsel 5 durchge- schmolzen, so dass die Ausflussöffnung 4 freigegeben ist und der Stahl in Richtung auf eine zeichnerisch nicht dargestellte Gießform ausströmen kann, die bei einer aiuminothermischen Schweißung zwei miteinander zu verbindende Schienenenden umgibt und auf weiche der Reaktionstiegel 1 gesetzt ist. Da der Sperrkörper 10 auf der Stahlschmelze schwimmt, behindert er deren Austreten aus der Ausflussöffnung 4 nicht.

In der Folge sinkt die Phasengrenze 13 in Richtung auf den Boden 2 ab, so dass der Sperrkörper 10, unterstützt durch den in Richtung auf die Ausflussöffnung 4 hin schräg abfallenden Verlauf der Oberfläche 3 schließlich auf den Eintrittsquerschnitt der Ausflussöffnung 4 gelangt, diesen sperrend, so dass ein Austritt von Schlacke 7 jedenfalls verhindert wird. Der Sperrkörper 10 ist zu diesem Zweck in Abhängigkeit von den Abmessungen der Ausflussöffnung 4 dahingehend dimensioniert, dass sein Durchmesser etwas größer bemessen ist als derjenige der Austrittsöffnung 4, so dass diese durch den aufliegenden Sperrkörper 11 zuverlässig geschlossen wird.

Der Reaktionstiegel 1 kann anschließend nach Erstarren der Schlacke zu deren Abtransport bzw. Entsorgung benutzt werden. In den Figuren 1 und 2 kommt ein kugelförmiger Sperrkörper 10 zum Einsatz. Die Form des Sperrkörpers ist aus praktischen Gründen vorteilhaft, insbesondere mit Hinblick auf ein sicheres Verschleißen der Ausflussöffnung 4. Gemäß Fig. 3 kommen jedoch auch andere Formen des Sperrkörpers in Betracht.

Mit 14 ist ein kreiskegelförmiger Sperrkörper bezeichnet. Dieser nimmt schwimmend eine Orientierung derart an, dass die Grundfläche dieses Kegels der Oberseite 9 zugekehrt ist, so dass auch in diesem Fall ein zuverlässiges Verschließen der Ausflussöffnung 4 gesichert ist.

Mit 15, 16 sind weitere Formen von Sperrkörpern dargestellt, die kugelförmig ausgebildet sind.

Sämtliche Sperrkörper 14 bis 16 weisen eine aus einem feuerfesten Werkstoff be- stehende Hülle 14 ^' , 15 ^' und 16 ^' auf. Die Füllungen 14 ^" und 16 ^" der Sperrkörper 14, 16 bestehen jedoch aus einem vorzugsweise metallischen Granulat, wohingegen die Füllung 15 ^" des Sperrkörpers 15 aus einem vorzugsweise metallischen

Massivkörper besteht. Wesentlich für die Gestalt der Sperrkörper 10 und 14 bis 16 ist, dass es sich um rotationssymmetrische Körper handelt, nachdem die Ausflussöffnung 4 im Regelfall einen Kreisquerschnitt aufweist.

Man erkennt anhand der vorstehenden Ausführungen, dass ein Reaktionstiegel 1 , der mit einem erfindungsgemäßen, der aluminothermischen Mischung beigefügten Sperrkörper ausgerüstet ist, ein bequemes Arbeiten ermöglicht, da in einfacher und zuverlässiger Weise ein Einbringen von Schlackenanteilen in das aluminothermisch generierte Zwischengussgefüge verhindert und ein Beitrag zu reproduzierbaren Arbeitsergebnissen geleistet wird.

Die Erfindung ist bei Reaktionstiegeln anwendbar, die für eine einmalige Benutzung bestimmt sind. Sie ist jedoch auch bei sonstigen Reaktionstiegeln vorteilhaft einsetzbar. Ein zur Längsachse des Reaktionstiegels rotationssymmetrischer Boden 2 mit einer zentralen Ausflussöffnung 4 ist von Vorteil bei der Darstellung einer Führungswirkung auf den Sperrkörper 10, um eine einwandfreie Sperrung der Ausflussöffnung 4 zu erreichen. Andere, dem Fachmann geläufige, zur Darstellung einer insbesondere schwerkraftbedingten Führungswirkung auf den Sperrkörper, nämlich in Richtung auf eine Ausflussöffnung hin geeignete Ausführungsformen kommen jedoch ebenfalls in

Betracht.

Bezugszeichenliste:

1. Reaktionstiegel

2. Boden

3. Oberfläche

4. Ausflussöffnung

5. Tiegelstöpsel

6. Stahl

7. Schlacke

8. Tiegelhülle

9. Oberseite

10. Sperrkörper

11. Hülle

12. Füllung

13. Phasengrenze

14. Sperrkörper

14 ^' . Hülle

14 ^" . Füllung

15. Sperrkörper

15 ^' . Hülle

15 ^" . Füllung

16. Sperrkörper

16 ^' . Hülle

16 ^" . Füllung