DE20006983U1 - Vorrichtung zur aluminothermischen Verschweißung zweier Schienenenden - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNG

Vorrichtung zur aluminothermischen Verschweißunq zweier Schienenenden

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

Die aluminothermische Verschweißung zweier Schienenenden, insbesondere

&iacgr;&ogr; bei Arbeiten im verlegten Gleis wird aus praktischen Gründen als besonders vorteilhaft angesehen, insbesondere mit Hinblick auf die Art der zur Erzeugung eines schmelzflüssigen Schweißguts erforderlichen Energie. Denn diese wird ausschließlich über eine chemische Reaktion aufgebracht. Zur Durchführung einer Schweißung werden die unter Belassung einer Schweißfuge voneinander beabstandeten Schienenenden in eine, diese Schweißfuge symmetrisch überdeckende Gießform eingesetzt, wobei oberhalb der Gießform in einer besonderen Haltevorrichtung ein Reaktionstiegel fixiert wird, der bodenseitig zunächst durch einen Schmelzeinsatz verschlossen ist und in den zu Beginn der Schweißung eine aluminothermische Schweißportion eingefüllt wird. Diese besteht aus einem feinkörnigen Gemenge, dessen wesentliche Komponenten Aluminium und Eisenoxid sind, denen gegebenenfalls Legierungselemente zugemischt werden, um bestimmte metallurgische Eigenschaften des Schweißgutgefüges bereitzustellen, die an die Eigenschaften der zu verbindenden Schienen angepasst sind. Die Zündung des aluminothermischen Gemisches kann beispielsweise über ein Zündstäbchen oder eine sonstige Zündquelle erfolgen, woraufhin es infolge der hierdurch ausgelösten Reaktion zu einer Reduktion des Eisenoxides und zur Oxidation des Aluminiums, insbesondere zur Ausbildung einer Stahlschmelze kommt, auf der die im Wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehende Schlacke aufschwimmt.

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Nach erfolgter Trennung von Schmelze und Schlacke erfolgt ein Durchschmelzen des die bodenseitige Öffnung des Tiegels verschließenden Schmelzeinsatzes, woraufhin die Stahlschmelze in die Gießform eingeführt wird.

Der durch die Schmelze zwischen den Schienenenden innerhalb der Gießform gebildete Zwischengußbereich erstarrt schließlich und bildet das Schweißgutgefüge.

Bekanntermaßen wird die Qualität der auf diese Weise hergestellten Schweißverbindung von zahlreichen Faktoren beeinflusst, wobei lediglich beispielhaft die Dauer und Intensität der Vorwärmung der Schienenenden, in der Schmelze enthaltene Legierungselemente, die Art des Gießverfahrens und die Art der Strömungsführung der Schmelze innerhalb der Gießform genannt seien. Ein bedeutender Einfluss ergibt sich auch aus der Geschwindigkeit des Gießvorgangs im Verhältnis zu der unmittelbar mit Beginn des Eingießens einsetzenden ungleichförmigen Abkühlung des Zwischengussbereiches und der hiermit einhergehenden ungleichförmigen Gefügeausbildung. So sollten beispielsweise solche Abkühl- und Erstarrungsverhältnisse unterbunden werden, bei denen schmelzflüssige Bereiche von bereits erstarrtem Gefüge umgeben sind, da dies zur Ausbildung von Lunkern, Poren und dergleichen führt. Darüber hinaus sollten turbulente Strömungsverhältnisse innerhalb des Gießraumes der Gießform ebenso wie die Ausbildung von Spritzern vermieden werden. Schließlich muss die Temperatur der in die Gießform einströmenden Schmelze in Abstimmung mit der Dauer des Eingießvorgangs sowie der Vorwärmung idealerweise dahingehend angelegt sein, dass eine ausreichende Wärme in die Gießform eingeführt wird, und zwar insbesondere an den Stellen, an denen infolge starker Abkühlung oder geringer Masseansammlung die Erstarrung relativ rascher einsetzt.

Zur Einbringung der Stahlschmelze in die Gießform sind im Wesentlichen zwei Gießverfahren bekannt geworden, und zwar solche, die nach Art eines steigenden Gusses solche die nach Art eines fallenden Gusses angelegt sind. We-

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sensmerkmal des fallenden Gusses ist, dass die Stahlschmelze oberseitig in den, die Schweißfuge beinhaltenden Gießraum fällt, im Bereich des Schienenfußes ein Schmelzbad ausbildet, um in der Folge etwa gleichzeitig in dem Gießraum und in den, an den Schienenfuß angesetzten Steigern anzusteigen. Ein solches Gießverfahren ist beispielsweise aus der DE 42 31 064 A1 bekannt.

Darüber hinaus sind Gießverfahren bekannt, die nach Art eines steigenden Gusses angelegt sind. Wesensmerkmal dieser Gießverfahren ist, dass die &iacgr;&ogr; Stahlschmelze über einen oder beide der sich seitlich zu dem Gießraum erstreckenden Steiger in den Gießraum eingeführt wird, so dass die im Bereich des Schienenfußes in den Gießraum eintretende Schmelze diesen von unten nach oben fortschreitend ausfüllt.

Beide dieser bekannten Gießverfahren haben ihre jeweils spezifischen Schwächen. So ist das Verfahren nach Art des fallenden Gusses nach Maßgabe der Strömungsführung innerhalb der Gießform durch zahlreiche Kanten bedingte weitestgehend turbulente Strömungsverhältnisse gekennzeichnet.

Das Verfahren des steigenden Gusses ist demgegenüber zwar durch eine relativ gleichförmige, jedenfalls an Turbulenzen ärmere Strömungsführung innerhalb der Gießform gekennzeichnet - infolge der vergleichsweise langen Strömungswege, ausgehend vom Eintritt in einen Steiger bis zum Bereich des Schienenkopfes ergibt sich jedoch eine bedeutende Abkühlung. Aus diesem Grunde erfordert dieses Gießverfahren im Regelfall eine sorgfältige Vorwärmung, insbesondere des Schienensteges und des Schienenkopfes.

Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, bei welcher unter weitestgehender Vermeidung turbulenter Strömungsverhältnisse und der hiermit verbundenen Schadwirkungen eine vergleichmäßigte Erstarrung des Zwischengussgefüges zwischen den Schienenenden erreicht wird. Gelöst ist dieseAufgabe bei einer

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solchen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach, dass in Abweichung von dem eingangs dargelegten Stand der Technik die Gießform und/oder der Reaktionstiegel mit der Maßgabe angelegt ist/sind, dass ein Gießverfahren gegeben ist, welches gleichzeitig nach Art eines steigenden und eines fallenden Gusses abläuft. Die in dem Reaktionstiegel anstehende Stahlschmelze gelangt somit gleichzeitig über das obere und das untere Ende des Gießraumes in diesen. Es ist festgestellt worden, dass auf diese Weise die Nachteile des steigenden Gusses, nämlich der relativ kühlere Schienenkopfabschnitt und des fallenden Gusses, nämlich die Neigung zur Ausbildung turbulenter Strömungsverhältnisse deutlich vermindert werden können. Unmittelbar mit Beginn des Eingießvorganges kommt es im Bereich des Schienenfußes zu einer Durchmischung der beiden, jeweils nach Art eines steigenden und eines fallenden Gusses eingebrachten Anteile der Stahlschmelze. Dies und das während des weiteren Eingießvorganges fortbestehende Nachführen von Schmelze und Wärme einerseits in einem zentralen oberen Bereich des Gießraumes und andererseits in einem peripheren unteren Bereich des Gießraumes bringt einen intensiven Wärmeaustausch sowie eine Vergleichmäßigung der Abkühl- und Erstarrungsbedingungen mit sich, welches sich insbesondere an den kritischen Stellen des Schienenfußes sowie des Übergangs zwischen Schienenfuß und Steg sowie zwischen Steg und Schienenkopf bemerkbar macht. Insgesamt ergibt sich ein qualitativ besseres Schweißergebnis frei von Guß- bzw. Gefügefehlern.

Regelmäßig wird der Gießvorgang soweit dieser den steigenden Guss betrifft, symmetrisch bezüglich einer Längsmittelebene der Schienenenden, somit über wenigstens zwei Steiger beiderseits der Schienen vorgenommen werden. Ein unsymmetrisches Eingießen unter Verwendung lediglich eines Steigers ist jedoch ebenfalls möglich.

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Gemäß den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5 wird ein an sich bekannter Reaktionstiegel benutzt, der bodenseitig eine Ausflussöffnung aufweist, in die ein Tiegelstöpsel oder ein vergleichbarer, zum wenigstens teilweisen Durchschmelzen bestimmter Verschlusskörper eingesetzt ist, durch welchen der Reaktionstiegel zunächst verschlossen ist. Die Gießform ist in an sich bekannter Weise mit einem Riegel versehen, einem Bauteil, dessen Zweck darin besteht, kinetische Energie der oberseitig im freien Fall in die Gießform eindringenden Stahlschmelze zu absorbieren und diese - in einer Ebene senkrecht zur Schienenlängsrichtung - seitlich bezüglich einer Längsmittelebene der Schienenenden in der Form zweier Teilströme zu verteilen. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gießform ist in einem Strömungsteiler zu sehen, dessen Zweck darin besteht, jeden der beiden Teilströme nochmals aufzuteilen, und zwar in einer ersten, oberseitig unmittelbar in den Gießraum eingebrachten Anteil und einen zweiten, zunächst in den Steiger und über diesen im Bereich des Schienenfußes unterseitig in den Gießraum eingebrachten Anteil. Die konstruktive Realisierung eines solchen Strömungsteilers kann grundsätzlich beliebig vorgenommen sein. Wesentlich ist lediglich, dass eine vorzugsweise quantitativ vorgebbare Aufteilung eines jeden Teilstromes in die genannten beiden Anteile gegeben ist.

Regelmäßig wird der Riegel relativ zu der auf diese auftreffenden Stahlschmelze derart platziert, dass die Stahlschmelze mittig auf diesen trifft. Ein außermittiges Auftreffen ist jedoch gleichermaßen möglich. Besonders vorteilhaft kann die Oberseite des Riegels mit Hinblick auf die Ausübung einer Führungswirkung auf die Stahlschmelze ausgestaltet sind, beispielsweise dadurch, dass ausgehend von dem Auftreffbereich der Stahlschmelze die Oberflächen des Riegels in Richtung des gewünschten Abströmens einen geneigten Verlauf aufweisen.

Die Anwendung des Erfindungsgegenstands ist nicht an die Existenz des genannten Riegels gebunden. Diese Funktion kann konstruktiv auch anders realisiert sein. Wesentlich ist lediglich, dass die Gießform zur Erzeugung der ge-

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nannten beiden Anteile nach Art eines fallenden und eines steigenden Gusses eingerichtet ist.

Die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 sind auf eine mögliche konstruktive Konkretisierung des Strömungsteilers gerichtet.

Die Merkmale der Ansprüche 7 und 8 sind auf die das Mengenverhältnis der beiden Anteile der Stahlschmelze bestimmenden konstruktiven Parameter eines Strömungsteilers entsprechend den Ansprüchen 6 und 7 gerichtet. Hierbei &iacgr;&ogr; wird davon ausgegangen, dass der ausgehend von dem Riegel unter Schwerkrafteinfluss geführte Teilstrom der Stahlschmelze im Wesentlichen nach Maßgabe eines wirksamen Flächenverhältnisses zweier Querschnitte aufgeteilt wird, nämlich der Eingangsquerschnitte der zu dem Steiger einerseits und oberseitig in den Gießraum andererseits bestimmten Verbindungsleitungen.

Die Merkmale der Ansprüche 10 bis 12 sind auf eine alternative Ausführungsform einer Gießform gerichtet. Wesentlich ist hiernach, dass der Riegel selbst teilweise insoweit die Funktion eines Strömungsteilers übernimmt, als dieser hiernach regelmäßig dahingehend eingerichtet ist, dass die Stahlschmelze in vier Teilströme unterteilt wird, von denen jeweils zwei in Schienenlängsrichtung voneinander fortgeführt und zwei quer zur Schienenlängsrichtung, wiederum voneinander fortgeführt sind. Die in Schienenlängsrichtung geführten Teilströme sind zum Einbringen in den oberen Teil des Gießraumes bestimmt wohingegen die beiden anderen Teilströme zum Einbringen in die oberen Enden zweier, seitlich bezüglich des Gießraumes platzierter Steiger bestimmt sind.

Ein bezüglich einer Längsmittelebene der Schienenenden und einer Quermittelebene des Gießraumes symmetrischer Gießvorgang wird allgemein bevorzugt - eine unsymmetrische Lösung bei der beispielsweise lediglich ein Steiger im Rahmen des steigenden Gusses benutzt wird, ist jedoch gleichermaßen möglich.

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Über eine Ausnehmung in der Oberseite des Riegels gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13, die als primäre Aufnahme für die aus dem Reaktionstiegel im freien Fall austretende Stahlschmelze fungiert, kann ebenfalls zur Ausbildung beruhigter Strömungsverhältnisse innerhalb der Gießform beigetragen werden. Die Schmelze füllt hierbei zunächst diese Ausnehmung aus, deren Überlauf in der Folge nach Art eines steigenden und eines fallenden Gusses aufgeteilt wird.

&iacgr;&ogr; Die Merkmale der Ansprüche 14 und 15 sind auf grundsätzliche Alternativen zur Ausbildung des Riegels gerichtet. Dieser ist regelmäßig als ein von der Gießform getrenntes und lediglich lose in diese eingesetztes Bauteil konzipiert. Ein Entfernen des Riegels ist von Vorteil bei der Vorwärmung der Gießform. Der Riegel kann jedoch gleichermaßen auch einen integralen Bestandteil der Gießform bilden, da die Durchführung einer Vorwärmung gleichermaßen auch über den/die Steiger möglich ist. Beispielsweise kann der Riegel mittig geteilt ausgebildet sein, so dass mit jeder der beiden Gießformhälften eine Riegelhälfte in fester Verbindung steht.

Die Merkmale der Ansprüche 16 und 17 betreffen eine alternative Ausführungsform des Erfindungsgegenstands, die sich von der vorstehend beschriebenen dahingehend unterscheidet, dass nunmehr eine herkömmliche Gießform verwendet wird und der Reaktionstiegel eine Anpassung an den Erfindungsgegenstand erfahren hat. Der Zweck dieser Anpassung besteht jedoch darin, die als Folge der aluminothermischen Reaktion gebildeten Stahlschmelze gleichzeitig in der/die Steiger einerseits und in dem oberen Bereich des Gießraumes einzuführen, so dass wiederum ein Gießverfahren gegeben ist, welches gleichzeitig nach Art eines steigenden und eines fallenden Gusses abläuft. Wesentlich ist für diese Ausführungsform, dass alle Ausflussöffnungen des Reaktionstie-

30 gels gleichzeitig öffnen.

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Die Erfindung wird im Folgenden auf die in den Zeichnungen schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verschweißen zweier Schienenenden in teilweisem Vertikalschnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung eines Bereichs Il der Fig. 1 im Vertikalschnitt;

&iacgr;&ogr; Fig. 3 eine Ansicht entsprechend einer Schnittebene HI-III der Fig. 2;

Fig. 4 eine Teildarstellung einer Ansicht gemäß einer Schnittebene IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 eine alternative Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Teilansicht nach Maßgabe einer vertikalen Schnittebene ähnlich derjenigen der Fig. 1.

Mit 1 ist in Fig. 1 ein Reaktionstiegel bezeichnet, der oberhalb zweier, durch Zwischengussverschweißung miteinander zu verbindender Schienenenden 2 in einer zeichnerisch nicht wiedergegebenen Haltevorrichtung aufgenommen ist. Die zu verbindenden Schienenenden 2 sind unter Belassung einer Schweißfuge 3 stirnseitig voneinander beabstandet, wobei die Schweißfuge sich innerhalb einer, aus zwei Formhälften zusammengesetzten Gießform 4 befindet. Die beiden, zueinander spiegelbildlich ausgestalteten Formhälften der Gießform sind seitlich an die zu verbindenden Schienenenden angesetzt und erstrecken sich symmetrisch beiderseits der Schweißfuge 3. Sie sind in zeichnerisch nicht wiedergegebener Weise aneinander befestigt. Die ebenfalls in an sich bekannter Weise aus einer Feuerfestwerkstoff ausgebildete Gießform 4 umschließt einen Gießraum, der senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1. durch die Stirnseiten der zu verbindenden Schienenenden 2 und unterseitig sowie seitlich

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durch die der Schweißfuge 3 zugekehrten Wandungen der Gießform 4 begrenzt wird.

Der Reaktionstiegel 1 ist mit der Maßgabe oberhalb der Gießform 4 gehalten, dass dessen Ausflussöffnung 5 sich in einem mittigen Bereich oberhalb der Schweißfuge 3 befindet. Eine Abdeckhaube 6, deren Zweck im Folgenden noch zu erläutern sein wird, ist auf die obere Berandung 7 des Reaktionstiegels 1 aufgesetzt und bildet den oberseitigen Abschluss der Vorrichtung. Mit 8 sind im Bereich der oberen Berandung 7 angesetzte, einander diametral gegenüberliegende, zum Transport des Reaktionstiegels 1 bestimmte Handgriffe bezeichnet.

Wie der zeichnerischen Darstellung gemäß Fig. 1 entnehmbar ist, ist das Profil der zu verbindenden Schienenenden durch einen Schienenkopf 9, einen Steg 10 und einen Schienenfuß 11 gekennzeichnet, wobei sich im Bereich des Schienenfußes 11, und zwar auf dessen oberseitigen seitlichen Extremitäten 12 die Einmündungsöffnungen zweier Steiger 13 befinden, deren Längsachsen sich innerhalb einer Ebene erstrecken, die senkrecht zu einer Längsmittelebene der zu verbindenden Schienenenden 2 verläuft, und zwar derart, dass die beiden Steiger 13 bezüglich der genannten Längsmittelebene eine angenähert V-förmige Konfiguration bilden. Das oberseitige Ende 14 der Gießform 4 und insbesondere die oberseitigen Einmündungsöffnungen der Steiger 13 sind offen ausgestaltet.

Mit 15 Schlackenschalen bezeichnet, die in der Nähe des genannten oberen Endes 14 an der Gießform 4 angebracht sind und deren Bestimmungszweck im Folgenden ebenfalls noch erläutert werden wird.

Zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei Schienenenden 2 durch Zwischenguss wird zunächst die Gießform 4 in symmetrischer Anordnung bezüglich der Schweißfuge 3 platziert und der Gießraum, insbesondere vorhandene Spalte zwischen den Formhälften einerseits und den Schienenen-

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den andererseits beispielsweise durch Gießereisand abgedichtet. Anschließend wird unter Verwendung der eingangs genannten Haltevorrichtung der Reaktionstiegel 1 oberhalb der Schweißfuge 3 platziert, wobei sich innerhalb desselben ein feinkörniges aluminothermisches Gemisch befindet, dessen wesentliehe Komponenten Aluminium einerseits und Eisenoxid andererseits sind.

In dieser Phase ist die Ausflussöffnung 5 des Reaktionstiegels 1 durch einen zeichnerisch nicht dargestellten Tiegelstöpsel oder einem mit diesem funktioneil vergleichbaren Schmelzeinsatz verschlossen. Wesentlich für den Schmelzeinsatz bzw. den Tiegelstöpsel ist, dass es sich bei diesem um Verschlusskörper handelt, die unter Wärmeeinwirkung nach Ablauf einer definierten Zeitspanne die Ausflussöffnung 5 frei geben.

Das aluminothermisch^ Gemisch innerhalb des Reaktionstiegels 1 wird in der Folge beispielsweise mittels eines Zündstäbchens oder einer sonstigen Zündeinrichtung gezündet und auf diesem Wege die aluminothermische Reaktion eingeleitet. Unmittelbar im Anschluss hieran wird die Abdeckhaube 6 auf den Reaktionstiegel 1 aufgesetzt.

Die in der Folge ablaufende aluminothermische Reaktion führt zu einer Reduktion des Eisenoxids und schließlich zur Ausbildung einer, auf schmelzflüssigem Stahl 16 aufschwimmenden Schlacke 17. Der Zweck der Abdeckhaube 6 besteht in dieser Reaktionsphase hauptsächlich darin, insbesondere im Fall einer unruhigen Reaktion einen unkontrollierten Auswurf an schmelzflüssigem Stahl zu unterbinden. Es handelt sich insoweit lediglich um eine Schutzvorrichtung, die dem Schutz der unmittelbaren Umgebung der Schweißstelle dient.

Sobald die aluminothermische Reaktion zu einem Abschluss gekommen ist, d.h. sobald sich aufgrund eines Dichteunterschiedes eine Trennung von Schmelze und Schlacke ergeben hat, erfolgt die Freigabe der Ausflussöffnung 5 und es ist das hier befindliche Verschlussorgan dahingehend ausgebildet, dass die Zeitspanne, die bis zum öffnen infolge eines Durchschmelzens ver-

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geht, ausreichend ist, um den Ablauf der aluminothermischen Reaktion einschließlich der Trennung von Stahl und Schlacke innerhalb des Reaktionstiegels 1 zu ermöglichen.

Ist der Zeitpunkt des Durchschmelzens des Verschlusskörpers gegeben, tritt schmelzflüssiger Stahl aus der Ausflussöffnung 5 aus und über das oberseitige offene Ende 14 in die Gießform 4 ein.

Es wird im Folgenden ergänzend auf die zeichnerischen Darstellungen der Fig. &iacgr;&ogr; 2 bis 4 Bezug genommen.

Mit 18 ist ein Riegel bezeichnet, hier ein etwa quaderförmiges Bauteil, welches werkstoffgleich mit der Gießform 4 ausgestaltet ist und innerhalb des eingangs genannten Gießraumes sich mit Abstand oberhalb des Schienenkopfes 9 in der Nähe des oberen Endes 14 befindet. Der Riegel 18 erstreckt sich quer zur Schienenlängsrichtung und symmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Längsmittelebene beider Schienenenden 2. Der Riegel 18 ist im Übrigen im Verhältnis zu dem Durchgangsquerschnitt des Gießraumes der Gießform 4 in deren zentralem Bereich derart bemessen, dass der - wie in Fig. 1 schematisch angedeutet - mittig auf die Oberseite des Riegels 18 auftreffende schmelzflüssige Stahl symmetrisch in beiden seitlichen Richtungen abströmen kann, so dass ein solches Abströmen im Wesentlichen lediglich über die Schmalseiten 19, nicht hingegen über die Längsseiten 20 des Riegels 18 erfolgt. Die Abstützung des Riegels 18 in der gezeigten Position erfolgt durch dessen Auflage auf vier, zum Untergreifen der unterseitigen Ecken des Riegels 18 bestimmten Konsolen 21, die an den zugekehrten Wandungen der Gießform 4 angeformt sind.

Mit 22 ist die, der vertikalen Stirnseite 23 des Riegels 18 in der Zeichenebene der Fig. 3 gegenüberliegende Wandung des Gießraumes bezeichnet, die einen zur Unterseite der Gießform 4 sowie zu deren Längsmittelebene hin geneigten Verlauf aufweist. An die genannte Wandung 22 schließen sich - symmetrisch

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bezüglich einer vertikalen Längsmittelebene des Riegels 18 gesehen - konvex gekrümmte Einlaufwandungen 24 an, die sich vertikal erstrecken und im Übrigen im Wesentlichen an die seitlichen vertikalen Kanten 18' des Riegels 18 anschließen. Die Einlaufwandungen 24, die Stirnseite 23 sowie die Wandung 22 begrenzen einen im Wesentlichen vertikalen Durchgang 25, der in den Gießraum führt. Wesentlich für diesen Durchgang 25 ist die zur Längsmittelebene der Schienen hin geneigte Anordnung der Wandung 22, auf deren Bedeutung im Folgenden noch eingegangen werden wird.

&iacgr;&ogr; Mit 26 ist eine langgestreckte, im Querschnitt etwa rechteckige Ausnehmung in der Wandung 22 bezeichnet, über welche eine Verbindung zwischen dem Durchgang 25 einerseits und dem Steiger 13 andererseits gegeben ist. Die Breite 27 dieser Ausnehmung ist in der Zeichnung beispielhaft geringer als der Durchmesser des Steigers 13 und insbesondere geringer als die Breite des Riegels 18 in der Zeichenebene der Fig. 3 gesehen bemessen. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen.

Gemäß Fig. 4 erstreckt sich die Ausnehmung 26 bis zu einer oberen freien Berandung 28 in der Nähe des oberen Endes der Gießform 4. Auch dies ist lediglich beispielhaft zu verstehen.

Die Ebene 29 der Unterseite 30 der Ausnehmung 26 befindet sich unterhalb der Ebene 31 der Oberseite 32 des Riegels 18. Wesentlich ist nunmehr, dass der Höhenunterschied der Ebenen 29, 31 in Verbindung mit der Querschnittsbemessung der Ausnehmung 26 sowie dem Querschnitt des Durchgangs 25 dahingehend bemessen sind, dass der mittig gemäß Fig. 1 auf den Riegel 18 auftreffende schmelzflüssige Stahl, der hälftig - bezüglich der Schienenlängsrichtung gesehen - rechts- und linksseitig abgelenkt wird, nach Maßgabe eines definierten Teilerverhältnisses einerseits über den Durchgang 25 in den Gießraum nach Art eines fallenden Gusses und andererseits über die Ausnehmung 26 und den Steiger 13 im Bereich des Schienenfußes nach Art eines steigenden Gusses in den Gießraum gelangt. Zur konstruktiven Bemessung dieses

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Teilerverhältnisses stehen als Parameter die Geometrie des Durchgangs 25, die Bemessung und Anordnung der Ausnehmung 26, insbesondere relativ zu der Breite des Riegels 18, die Querschnittsflächen des Durchgangs 25 und der Ausnehmung 26 sowie die räumliche Anordnung des Durchgangs 25 sowie der Ausnehmung 26 relativ zu dem Riegel 18 zur Verfügung.

Wesentlich ist nunmehr, dass aufgrund der Kombination des fallenden und des steigenden Gusses sich primär im Schienenfußbereich ein solches Schmelzbad ausbildet, dem einerseits in einem zentralen Bereich, nämlich über die

&iacgr;&ogr; Schweißfuge und andererseits über den Bereich der äußeren Extremitäten, nämlich über die Steiger Schmelze und Wärme zugeführt wird, so dass an kritischen Stellen, an denen mit einem verstärkten Wärmeabfluss und einer frühzeitigen Erstarrung zu rechnen ist, stets ausreichend Wärme zur Verfügung steht und insgesamt dazu beigetragen wird, dass die Ausbildung solcher Zonen unterdrückt wird, in denen schmelzflüssige Anteile von bereits erstarrtem Gefüge umgeben sind. Darüber hinaus bildet sich im Bereich des Schienenfußes frühzeitig ein Schmelzbad aus, innerhalb welchem es zu einer Durchmischung der jeweils über die Steiger einerseits und über die Schweißfuge andererseits in den Gießraum eingeführten Schmelzanteile kommt, wobei jedoch ein Auftreten von Turbulenzen gedämpft wird und die Ausbildung von Metallspritzern vermieden werden.

Wesentlich zur Unterdrückung von Turbulenzen trägt auch die gleichförmige Strömung der Schmelze entlang der Innenseite der Wandungen 22 bei, durch welche ein freier Fall der Schmelze vermieden und eine weitestgehend geordnete Führung der Schmelze bis in den Bereich des anfänglich bodenseitigen Schmelzbades erreicht wird.

Im Rahmen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde ein herkömmlicher Reaktionstiegel benutzt, wobei die Gießform mit Hinblick auf die Bereitstellung eines solchen Gießverfahrens modifiziert worden ist, welches gleichzeitig nach Art eines fallenden

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und eines steigenden Gusses angelegt ist. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, eine herkömmliche Gießform zu benutzen und den Ausfluss des Reaktionstiegels, insbesondere dessen Bodenbereich dahingehend auszugestalten, dass in Verbindung mit bestimmten Abmessungen der Gießform nach erfolgtem Abstich des Reaktionstiegels ein Gießverfahren abläuft, welches durch die Gleichzeitigkeit von fallendem und steigendem Guss charakterisiert ist. Hierzu wird im Folgenden auf die Zeichnungsfigur 5 Bezug genommen.

Fig. 5 zeigt eine Gießform 33, die sich von derjenigen entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass eine Ausnehmung 26 fehlt und demzufolge die Wandungen 22 des Gießraumes bis in den Bereich der oberen Berandung 28 geschlossen ausgebildet sind. Die Steiger 13 sind in gleicher Weise ausgestaltet und angeordnet wie diejenigen des vorangegangenen Ausführungsbeispiels. Es handelt sich insoweit um eine herkömmliche Gießform, die in Abhängigkeit von der Art der Einbringung der Schmelze für einen fallenden oder einen steigenden Guss eingerichtet ist, wobei schmelzflüssiger Stahl in der Mitte 34 des Riegels 18 auftrifft und symmetrisch nach beiden Seiten abströmt.

Mit 35 ist ein Reaktionstiegel bezeichnet, der in gleicher Weise wie der Reaktionstiegel 1 zur Durchführung der aluminothermischen Reaktion bestimmt ist, der jedoch bodenseitig eine besondere Anpassung an die Gießform 33 erfahren hat. Diese Anpassung dient der Bereitstellung eines solchen Gießverfahrens, welches gleichzeitig nach Art eines steigenden und eines fallenden Gusses wie bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel angelegt ist.

Zu diesem Zweck weist der Boden 36 des Reaktionstiegels 35 eine zentrale Ausflussöffnung 37 und zwei randseitige Ausflussöffnungen 37' auf. Der zentralen Ausflussöffnung 37 ist eine Bohrung zugeordnet, deren Achse sich senkrecht zur Ebene des Bodens 36 und insbesondere mittig zu dem Riegel 18 erstreckt, so dass ein über die Ausflussöffnung 37 austretender schmelzflüssiger Stahl in der Mitte 34 des Riegels 18 auftreffen würde. Den randseitigen Aus-

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flussöffnungen 37' sind Bohrungen zugeordnet, deren Achsen sich einwärts erstrecken und insbesondere mit der Maßgabe angeordnet sind, dass der aus diesen Ausflussöffnungen 37' austretende schmelzflüssige Stahl in Richtung auf die oberseitigen Mündungsöffnungen 38 der Steiger 13 hin geführt wird.

In die Ausflussöffnungen 37, 37' sind wiederum Tiegelstöpsel, Schmelzeinsätze oder vergleichbar wirkende Verschlusskörper eingesetzt, die untereinander dahingehend angelegt sind, dass die Öffnungszeiten bei allen Verschlussöffnungen 37, 37' gleich ausfallen. Dies bedeutet, dass nach Durchführung der aluminothermischen Reaktion und erfolgter Trennung von Stahlschmelze und Schlacke der Abstich bei allen Ausflussöffnungen 37, 37' gleichzeitig erfolgt, so dass die Gießform 33 gleichzeitig über den Riegel 18 nach Art eines fallenden Gusses und über die Steiger 13 nach Art eines steigenden Gusses beschickt wird, wobei sich wiederum die eingangs dargelegte positive Wirkung für den Erstarrungsprozess, nämlich die Einstellung weitestgehend beruhigter Strömungsverhältnisse ergibt.

Die in Fig. 5 gezeigte Anlage der randseitigen Ausflussöffnungen, insbesondere der diesen zugeordneten Bohrungen im Boden 36 dient lediglich dem Zweck einer Verbesserung der Führung der austretenden Stahlschmelze in Richtung auf die Mündungsöffnungen 38 der Steiger. Die den randseitigen Ausflussöffnungen 37' zugeordneten Bohrungen können sich insbesondere jedoch auch gleichachsig zu den Steigern 13 erstrecken und es ist dies lediglich eine Frage der flächenhaften Platzierung der Ausflussöffnungen 37, 37' relativ zu den Mündungsöffnungen 32 der Steiger.

Soweit eine räumlich getrennte Überleitung von Teilströmen an Stahlschmelze einerseits in einen zentralen Bereich der Gießform 33 über den Riegel 18 und andererseits in einem peripheren Bereich, nämlich die Steiger sichergestellt ist, sind zahlreiche Abwandlungen des in Fig. 5 gezeigten Funktionsprinzips vorstellbar, die jedoch sämtlich daraufhin angelegt sind, die Durchführung eines Gießverfahrens gleichzeitig nach Art eines steigenden und eines fallenden

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Gusses dadurch herbeizuführen, dass Teilströme für diese beiden Gießverfahrensvarianten gebildet werden, die gleichzeitig in die Gießform eingeführt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur aluminothermischen Verschweißung zweier Schienenenden (2) durch Zwischenguss, mit einem die Schienenenden (2) im Bereich einer Schweißfuge (3) umgebenden, oberseitig offenen Gießform (4) und einem, zur Aufnahme eines feinkörnigen Reaktionsgemisches und zur Durchführung der aluminothermischen Reaktion bestimmten, oberhalb der Gießform (4) gehaltenen Reaktionstiegel (1), wobei die Gießform (4) einen zentralen, durch die um die Schweißfuge (3) voneinander beabstandeten Schienenenden (2) und im übrigen durch die zugekehrten Wandungen der Gießform (4) begrenzten Gießraum und seitlich des Gießraumes wenigstens einen Steiger (13) aufweist, der nur im Bereich des Schienenfußes (11) mit dem Gießraum in durchlässiger Verbindung steht und wobei der Reaktionstiegel (1) bodenseitig mit einer den Ausfluss einer Stahlschmelze aus dem Reaktionstiegel (1) heraus und in die Gießform (4) hinein bewirkenden Ausflusseinrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflusseinrichtung und/oder die Gießform (4) dahingehend ausgestaltet ist/sind, dass der nach Abschluss der aluminothermischen Reaktion und erfolgter Trennung von Stahl und Schlacke aus dem Reaktionstiegel (1) austretende Stahl gleichzeitig nach Art eines fallenden Gusses unmittelbar in den Gießraum und nach Art eines steigenden Gusses in den wenigstens einen Steiger (13) eintritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflusseinrichtung des Reaktionstiegels (1) in an sich bekannter Weise durch eine Ausflussöffnung (5) gebildet ist, die vor der Durchführung der aluminothermischen Reaktion durch einen wenigstens teilweise durchschmelzbaren Verschlusskörper verschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Gießraumes der Gießform (4) befindlichen Riegel (18), durch welchen die Stahlschmelze nach Maßgabe von wenigstens zwei Teilströmen horizontal umgelenkt wird, und einen Strömungsteiler, durch welchen jeder der beiden Teilströme in einen ersten, oberhalb eines Schienenkopfes (9) der Schienenenden (2) in den Gießraum und einen zweiten, über den oberen Bereich des Steigers (13) eingeführten und im Bereich des Schienenfußes (11) in den Gießraum eingebrachten Anteil unterteilt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Riegel (18) mit der Maßgabe angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Stahlschmelze mittig auf diesen auftrifft und gleichförmig beidseitig nämlich senkrecht zur Schienenlängsrichtung umgelenkt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Riegel (18) oberseitig, d. h. in dem zur Führung der Stahlschmelze bestimmten Bereich zwei, jeweils in Richtung auf die vertikalen Stirnseiten (23) des Riegels hin geneigte Flächenabschnitte aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der, in Strömungsrichtung der Stahlschmelze dem Riegel (18) zugekehrten Wandung (22) des Gießraumes eine Ausnehmung (26) eingeformt ist, die mit einem Steiger (13) in durchgängiger Verbindung steht und dass zwischen der, der Wandung (22) des Gießraumes zugekehrten Stirnseite (23) des Riegels (18) und der Wandung (22) ein, ein vertikales Durchströmen von Stahlschmelze in den Gießraum hinein ermöglichender Durchgang (25) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Riegel (18) zugekehrte Seite der Wandung (22) des Gießraumes einen zu dessen Unterseite und in Richtung auf eine vertikale Längsmittelebene der Schienenenden (2) hin geneigten Verlauf zumindest bis in den Bereich der Unterseite des Schienenkopfes (9) der Schienenenden (2) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenverhältnis der beiden Anteile eines jeden der genannten Teilströme der Stahlschmelze konstruktiv durch Bemessung der Höhenposition der Unterseite (30) der Ausnehmung (26) relativ zu der Höhenposition der Oberseite (32) des Riegels (18) in Verbindung mit den Querschnittsformen des Durchgangs (25) sowie der Ausnehmung (26) festgelegt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenverhältnis der beiden Anteile eines jeden der genannten Teilströme der Stahlschmelze konstruktiv durch Bemessung der Querschnitte des Durchgangs (25) sowie der Ausnehmung (26) festgelegt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Gießraumes der Gießform befindlichen Riegel, durch welchen die Stahlschmelze nach Maßgabe von zwei ersten Teilströmen, die horizontal in Schienenlängsrichtung umgelenkt und anschließend oberhalb des Schienenkopfes (9) der Schienenenden (2) in den Gießraum eingeführt werden und zwei zweiten Teilströmen, die über den oberen Bereich der Steiger (13) eingeführt und im Bereich des Schienenfußes (11) in den Gießraum eingebracht werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Riegel (18) mit der Maßgabe angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Stahlschmelze mittig auf dieser auftrifft und gleichförmig in der Form jeweils zweier Teilströme in Schienenlängsrichtung und zweier Teilströme quer zur Schienenlängsrichtung umgelenkt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Riegel oberseitig, d. h. in dem zur Führung der Stahlschmelze bestimmten Bereich eine pyramiden- bzw. pyramidenstumpfartige, jeweils in Richtung auf die vertikalen Stirnseiten (23) des Riegels (18) sowie auf die Längsseiten des Riegels (18) hin geneigte Flächenabschnitte aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche des Riegels (18) und zwar in dem, zum Auftreffen der Stahlschmelze bestimmten Bereich eine Ausnehmung angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Riegel (18) als ein von der Gießform (4) getrenntes, lose in diese einsetzbares Bauteil konzipiert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Riegel einstückig mit der Gießform ausgestaltet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflusseinrichtung des Reaktionstiegels (35) aus einer der unmittelbaren Einführung von Stahlschmelze über das obere Ende des Gießraumes bestimmten Ausflussöffnung (37) und wenigstens einer, der Einführung von Stahlschmelze über das obere Ende des wenigstens einen Steiger (13) bestimmten Ausflussöffnung (37') besteht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflussöffnungen (37, 37') mit Verschlusskörpern ausgerüstet sind, die mit der Maßgabe ausgestaltet sind, daß die zum Durchschmelzen nach Beginn der aluminothermischen Reaktion benötigte Zeitspanne bei allen Ausflussöffnungen (37, 37') gleich ist.