DE19849454A1 - Verfahren zur aluminothermischen Verbindungsschweißung zweier auf Lücke verlegter Schienen und Gießform zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur aluminothermischen Verbindungsschweißung zweier auf Lücke verlegter Schienen, bei dem der aluminothermisch in einem Tiegel erzeugte Stahl in eine die Schienenenden umgebende mindestens zweiteilige Gießform eingegossen wird und der Zwischenraum zwischen den Schienenenden unter Auffüllung eines über dem Schienenkopf vorgesehenen Freiraums und in den Formteilen vorgesehenen Steigern aufgefüllt wird; ist zur besseren Ausnutzung der Schmelzenergie und zur Verbesserung des Erschmelzens der Schienenenden vorgesehen, DOLLAR A daß bei Einsatz einer zweiteiligen Gießform der Stahl über einen einzigen in dem einen Formteil vorgesehenen und mit dem Kopfraum der Gießform und dem Fußraum der Gießform verbundenen Flußsteiger eingegossen wird und in dem anderen Formteil Stahl über einen zumindest mit dem Fußraum verbundenen und mindestens einen mit dem Kopfraum der Gießform verbundenen Steiger abströmt.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur aluminothermischen Verbindungsschweißung zweier auf Lücke verlegter Schienen, bei dem der aluminothermisch in einem Tiegel erzeugte Stahl in eine die Schienenenden umgebende mindestens zweiteilige Gießform eingegossen wird und der Zwischenraum zwischen den Schienenenden unter Auffüllung eines über dem Schienenkopf vorgesehenen Freiraums und in den Formteilen vorgesehenen Steigern aufgefüllt wird.

Aus der DE 196 37 283 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem unter Einsatz einer dreiteiligen Form gemäß Fig. 3 der erschmolzene Stahl aus einem mit Abstand oberhalb der Gießform gehalteten Tiegel auf ein im oberen Bereich der Gießform den Schienenkopf überdeckend angebrachtes Formstück in Form eines Riegels aufprallt und dann seitlich in jeweils in den beiden Formhälften angeordneten Flußsteigern einströmt und an den unteren Enden der Steiger in den Fußraum der Gießform eintritt, bis der Raum zwischen Fahrfläche des Schienenkopfs und der Unterseite des Riegels und die Steiger mit entsprechendem Niveau mit Stahl aufgefüllt sind. Auch die Schlacke strömt aus dem Tiegel ab und füllt das Restvolumen der Form, sowie seitlich an der Form angebrachte Schlackeschalen.

Bei dieser Verfahrensführung verliert der Schmelzstrahl an der als Prallfläche wirkenden Oberseite des Riegels Bewegungs- und Wärmeenergie. Weiterhin ist bei der aufsteigenden Strömungsrichtung an den Schienenenden kein sicheres Erschmelzen der Schienenendenflächen erreichbar.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, bei dem die Schmelzenergie besser ausgenutzt wird und das Aufschmelzen der Schienenenden verbessert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei Einsatz einer zweiteiligen Gießform der Stahl über einen einzigen in dem einen Formteil vorgesehenen und mit dem Kopfraum der Gießform und dem Fußraum der Gießform verbundenen Flußsteiger eingegossen wird und in dem anderen Formteil Stahl über einen zumindest mit dem Fußraum verbundenen und mindestens einen mit dem Kopfraum der Gießform verbundenen Steiger abströmt.

Da der Schmelzstrahl ohne vorheriges Aufprallen auf einen Riegel direkt in den Flußsteiger eingeführt wird und von dort in den Formhohlraum umgelenkt wird, kann die notwendige Vorwärmenergie durch Beaufschlagung der Form mit einem Brenner und/oder das Gewicht der zu erschmelzenden Portion reduziert werden. Durch die erfindungsgemäße Führung der Schmelzströme in der Gießform fließt der Stahl zumindest im Fußbereich und im Kopfbereich horizontal bzw. leicht ansteigend von der Eingußseite her am Schienenstoß vorbei. Auf diese Weise können die Flächen in der Mitte des Fußes und des Kopfes, die zu Kaltschweißen neigen, verstärkt von heißem Schmelzstahl mit Wärme beaufschlagt werden. Die Fließgeschwindigkeiten bzw. Fließmengen der erfindungsgemäßen Querströmungen der Schmelze können durch die Größen der zugeordneten Einlauf- und Auslaufquerschnitte eingestellt werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß Stahl über zwei Steiger aus dem Kopfraum abströmt.

Bei der Verfahrensführung gemäß der DE 196 37 283 ist eine Kopflegierung vorgesehen, indem die härtebildendenden Legierungsszuätze über den Riegel in der Gießform zulegiert werden. Aus der Beschreibung ist ersichtlich, daß dort zumindest auch eine an sich unerwünschte Auflegierung des Stegs erfolgt. Wenn bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrensführung die Schweißung im Kopfteil auflegiert werden soll, wird durch die Querströmung im Kopfteil ein Auflegieren des Stegs weitgehendst vermieden, da überschüssiges legiertes Material in den oder die Kopfsteiger ausgetragen wird. Die härtebildenden Legierungszusätze können im Zulauf zum Kopf, im Kopfraum selbst und/oder im Freiraum über dem Kopf angeordnet werden.

Unter Umständen ist es zweckmäßig Zähigkeit spendende Impfmittel der Schweißung im Fußteil und ggfs. Stegteil zuzuführen, wobei die Impfmittel im Zulauf und/oder im Fußraum und/oder Stegraum der Form angeordnet werden.

Schließlich ist es zweckmäßig, wenn der Stahl in geschlossenen Strom aus einem formschlüssig auf die Gießform aufgesetzten Tiegel in den Fußsteiger einströmt, da durch eine Verlängerung der geschlossenen Gießsäule in den Tiegel hinein höheren Fließgeschwindigkeiten und ein zusätzlicher Energiegewinn zu erwarten sind.

Die Erfindung richtet sich auch auf eine Gießform zur Durchführung des Verfahrens.

Diese ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zweiteiligen Gießform ein einziger in dem einen Formteil ausgebildeter Fußsteiger über einen Kanal mit dem Kopfraum der Gießform und über einen Kanal zumindest mit dem Fußraum verbunden ist und in dem anderen Formteil zumindest der Fußraum mit einem Steiger und der Kopfraum mit mindestens einem weiteren Steiger verbunden sind.

Der Anspruch 7 richtet sich auf eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießform.

Bei dem Verbindungsschweißen von Schienen spielen insbesondere die unterschiedlichen Querschnitte von Schienenkopf und Schienenfuß eine erhebliche Rolle, da der den Gießhohlraum im Bereich des Schienenfußes auffüllende Stahl schneller abkühlt als der Stahl im Bereich des Schienenkopfs. Es kann also zu unterschiedlicher Gefügebildung in den beiden Bereichen der Verbindungsschweißung kommen; die Gefahr einer Lunkerbildung ist möglich.

Die Ansprüche 8-10 richten sich auf bevorzugte Gießformen, bei denen diese Probleme im wesentlichen nicht auftreten.

Weiterhin ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgsehen, daß den Speiserkammern ein als Messeranschnitt ausgebildeter Speiserkanal zugeordnet ist, der im wesentlichen den gesamten Fuß und den Übergangsradius von Fuß zu Steg abdeckt. Hierdurch wird vermieden, daß es insbesondere bei größeren Schweißlücken mittig auf dem sich bildenden Schweißwulst am Fuß zu Warmrissen infolge von Lunkerbildung kommen kann. Die Neigung zu einer solchen Rißbildung tritt im Radius des Übergangs vom Fuß zum Steg durch den sogenannten Sandkanten-Effekt in höherem Maße auf. Diese Gestaltung des Speisers und/oder Steigers mit Speiserkammer und Messeranschnitt-Speiserhals kann nicht nur bei der Gießform nach Anspruch 1 mit Vorteil eingesetzt werden sondern auch z. B. bei den Speisern gemäß der DE 196 37 283 C2 und anderen Speisern bzw. Steigern.

Der Anspruch 12 richtet sich auf ein Gießsystem, bei dem der Tiegel schlüssig auf die Gießform aufgesetzt ist derart, daß die Eingießsäule verlängert wird. Neben einer Erhöhung der Gießgeschwindigkeit ist ein Einfließen des Stahls unter Luftabschluß möglich, wodurch eine hohe Reinheit des Stahls und geringere Energieverluste zu erwarten sind. Auch dieses Gießsystem könnte mit Vorteil bei Gießformen anderer Bauart eingesetzt werden.

Der Anspruch 13 richtet sich auf ein Verfahren, bei dem eine schnelle Abkühlung des in den Freiraum oberhalb des Schienenkopfs eintretenden Stahls erreicht wird. Der Anspruch 14 richtet sich auf eine entsprechend gestaltete Gießform. Die Erfindung soll nun an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt quer zur Schienenrichtung durch eine über den Schienen zusammengesetzte Gießform mit einem auf Abstand von der Gießform angeordneten Langzeittiegel und eingehängtem Legierungsträger,

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend Fig. 2 zur Darstellung der Schnittebenen der nachfolgenden Fig. 3-6,

Fig. 3-6 Horizontalschnitte entsprechend den Linien III-III/VI-VI in Fig. 2,

Fig. 7 eine Aufsicht auf die Gießform gemäß Fig. 1 und

Fig. 8 einen Schnitt vgl. Fig. 1 mit einem auf die Form aufgesetzten Einmaltiegel.

Gemäß der Fig. 1 besteht die Gießform 1 aus einem ersten Gießformteil 2 und einem zweiten Gießformteil 3, die die zu verschweißenden Schienenenden umgeben. Die beiden Gießformteile 2 und 3 bestimmen einen dem Schienenkopf zugeordneten Kopfraum K, einen dem Schienensteg zuzuordnenden Stegraum S und einen dem Schienenfuß zuzuordnenden Fußraum F und einen nach oben an den Kopfraum K anschließenden und nach oben offenen Freiraum FF.

In dem ersten Gießformteil 2 ist ein Flußsteiger 4 mit einem Einlauftrichter 5 vorgesehen. Der Flußsteiger 4 steht über einen Kanal 6 mit dem Kopfraum K in Verbindung, bevorzugt mit dessen unteren Bereich. Das untere Ende des Flußsteigers 4 ist als Speiserkammer 7 ausgebildet, die über einen als Messeranschnitt ausgebildeten Speiserhals 8 mit dem Fußraum F in Verbindung steht. (vgl. insbesondere Fig. 1 und Fig. 6).

In dem zweiten Gießformteil 3 ist ein mit dem Fußraum verbundener Steiger 9 vorgesehen, dessen unteres Ende als Speiserkammer 10 ausgebildet ist. Die Speiserkammer 10 ist ebenfalls über einen als Messeranschnitt ausgebildeten Speiserhals 11 mit dem Fußraum F verbunden. Das Volumen der Speiserkammer 8 ist vorzugsweise kleiner als das Volumen der Speiserkammer 11, da die Speiserkammer 10 mit weniger heißer Schmelze aufgefüllt wird.

Auf verschiedenen Seiten des Steigers 9 sind gegenüberliegend zwei weitere Steiger 12 und 13 angeordnet, die mit dem Kopfraum K verbunden sind, wiederum bevorzugt mit dessen unteren Bereich. Wie aus den Fig. 3-4. ersichtlich ist, ist der Querschnitt der Steiger 12 und 13 jeweils vorzugsweise größer als der Querschnitt des Kopfsteigers 9.

Die Gießformteile 2 und 3 sind auf ihrer Oberseite mit Rändern 14 bzw. 15 versehen, die die Schlacke in der Fig. 1 nach rechts und links in Schlackeschalen 16 und 17 ableiten.

In dem Gießformteil 3 ist vorzugsweise eine geneigte Führungs- und Haltekerbe 18 vorgesehen, in die ein an seinem vorderen Abschnitt 19a mit Legierungszusätzen gefülltes Rohr 19 eingelegt ist. Der vordere Abschnitt 19a des Rohrs erstreckt sich quer über den Schienenkopf in dem Freiraum FF. Der mittlere Abschnitt 19b des Rohrs ist flachgepreßt und in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Weise abgewinkelt. Der hintere Rohrabschnitt 19c ist nicht flachgepreßt und dient als Handhabungshandgriff. Der Freiraum FF weist an seinem oberen Ende eine Querschnittsverringerung auf, wie sie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist. Das Behältnis zur Aufnahme der Legierungsträger kann auch eine andere Form als ein Rohr aufweisen; Büchsen oder Dosen sind auch geeignet.

Oberhalb und mit Abstand von der Gießform 1 ist ein konusartiger Langzeittiegel 20 gehalten, aus dem nach Zündung der aluminothermischen Masse der erschmolzene Stahl und Schmelzen des in einem Stöpselträger gehaltenen Stöpsels 21 Boden des Tiegels in freiem Strahl in den Trichter 5 einströmt. Der Stahlfluß aus der Speiserkammer 7 über den Fußraum F zur Speiserkammer 10 baut Strömung mit wesentlicher horizontaler Komponente und/oder leicht steigender Komponente auf und es strömt Stahl in den Stegraum F ein. Aus der Speiserkammer 10 steigt Schmelze in dem Steiger 9 auf.

Der Stahlfluß aus dem Verbindungskanal 6 über den Kopfraum K zu den Eintrittsöffnungen in den zum Kopfraum hin abgewinkelten Enden der Steiger 12 und 13 hin baut eine Querströmung mit im wesentlicher horizontaler Komponente auf. Der Freiraum FF wird aufgefüllt und schmilzt den Rohrabschnitt 19a auf. Die Querströmung behindert die Eindiffusion von Legierungsgut in den Schienensteg. Die Steiger 12 und 13 werden aufgefüllt. Die aus dem Tiegel nachströmende Schlacke fließt in die Schlackenschalen 16 und 17 ab.

Die Strömungsgeschwindigkeiten bzw. die Mengen der Querströmungen werden durch das Verhältnis der Querschnitte des Flußsteigers 4, des Verbindunskanals 6, der Kopfsteiger 12 und 13 einerseits und des Flußsteigers 4, der Speiserhälse 8 und 10 und des Steigers 9 andererseits bestimmt.

Bei der in der Fig. 8 gezeigten Ausführungsform weist die rechte Gießformteil 2' eine abweichende Gestaltung auf. Das Feuerfestmaterial ist über die Randhöhe hinaus gezogen und am oberen Ende des Flußspeisers 4' ist eine ringförmige oder eckige Ausnehmung 22 ausgebildet, in die ein Fortsatz 23 eines auf die Gießform 1' aufgesetzten zylinderartigen Einmaltiegels 20' eingreift. In dem rohrartigen Fortsatz ist der Gießstöpsel 21' angeordnet. Bei diesem Gießsystem verlängert sich die Gießsäule in den Tiegel hinein und der Stahl kann unter Luftabschluß in den Flußsteiger 4' einströmen. Bei dieser Anordnung kann bei geeigneter Geometrie von Gießform und Tiegel erreicht werden, daß die Schlacke im Tiegel verbleibt, da die sich in den Steigern 9, 12 und 13 bildenden Säulen hydrostatisch die leichtere Schlackesäule in dem Tiegel abstützen können. Derselbe formschlüssige Eingriff kann auch bei einem Langzeittiegel vorgesehen sein. Zur schlüssigen dichten Verbindung zwischen Langzeittiegel oder Einmaltiegel kann auch eine geeignetes Adapterstück Verwendung finden.

Beim Schweißen von gehärtetem Stahl entsteht in der wärmebeinflußten Zone (WEZ) durch den mit dem Wärmeeintrag verbundenen Anlaßeffekt ein Härteeinbruch. Wenn daher kopfgehärtete Schienen durch eine aluminothermische Schweißverbindung miteinander verschweißt werden sollen, ist es erstrebenswert, die wärmebeinflußte Zone und damit das unvermeidbare Härtetal so klein wie möglich zu halten.

Beim aluminothermischen Verbindungsschweißen breitet sich nach dem Füllen des Hohlraums zwischen den beiden zu verbindenden Schienenenden durch den schmelzflüssigen Stahl die eingebrachte Wärme durch Wärmeleitung in Schienenlängsrichtung aus. Da die den Schienenstoß umgebende Feuerfestform erst nach Abscheren des überstehenden Schweißwulstes entfernt werden kann, kann sich in der Zwischenzeit in den beiden einander gegenüberstehenden Schienenenden eine nicht zufriedenstellenden wärmebeeinflußte Zone und damit ein großes Härtetal ausbilden. Ein Abscheren des Schweißwulstes ist aber erst möglich, wenn die schmelzflüssige Phase im Freiraum oberhalb des Schienenkopfs erstarrt ist. Um der schmelzflüssigen Phase in Freiraum FF Wärme zu entziehen, wird vor dem Befüllen des Freiraums FF oder bereits vor dem Vorwärmen der Schienen in diesen oberhalb des Kopfs mindestens ein Kühleisen 24 eingelegt, wie dies in der Figur punktiert dargestellt ist. Das Kühleisen 24 entzieht dem einlaufenden Stahl Wärme, wobei es vorzugsweise selbst erschmilzt. Durch das Kühleisen 24 wird die Dauer der schmelzflüssigen Phase wesentlich verkürzt und es kann somit erheblich früher der überflüssige Schweißwulst entfernt und danach die Feuerfestform von der Schweißnaht abgezogen werden. Die Folge hiervon ist eine wesentlich verkleinerte wärmebeinflußte Zone und damit ein wesentlich verkürztes Härtetal.

Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform besteht das Kühleisen 24 aus dem eigentlichen Kühlkörper 24a, einem Handhabungsgriff 24b und einem Auflager 24c. Der Kühlkörper 24a kann z. B. zylindrisch oder quaderförmig sein. Ein solches Kühleisen kann auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8. eingesetzt werden. Dann wäre für das Auflager 24c in dem Gießformteil 2' eine entsprechende Ausnehmung vorzusehen.

Wenn Legierungszusätze wie z. B. mit dem Rohr 19 eingebracht werden, muß der Kühlköper 24 selbstverständlich oberhalb des Rohrs 19 in dem Freiraum FF angeordnet werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur aluminothermischen Verbindungsschweißung zweier auf Lücke verlegter Schienen, bei dem der aluminothermisch in einem Tiegel erzeugte Stahl in eine die Schienenenden umgebende mindestens zweiteilge Gießform eingegossen wird und der Zwischenraum zwischen den Schienenenden unter Auffüllung eines über dem Schienenkopf vorgesehenen Freiraums und in den Formteilen vorgesehenen Steigern aufgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz einer zweiteiligen Gießform der Stahl über einen einzigen in dem einen Formteil vorgesehenen und mit dem Kopfraum der Gießform und dem Fußraum der Gießform verbundenen Flußsteiger eingegossen wird und in dem anderen Formteil Stahl über einen zumindest mit dem Fußraum verbundenen und mindestens einen mit dem Kopfraum der Gießform verbundenen Steiger abströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stahl über zwei Steiger aus dem Kopfraum abströmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung im Kopfteil durch härtebildende Legierungszusätze legiert wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißung im Fußteil und ggfs. im Stegteil zähigkeitsbildende Impfzusätze zugeführt werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl in geschlossenem Strom aus einem formschlüssig auf die Gießform aufgesetzten Tiegel in den Flußsteiger einströmt.

6. Gießform zur aluminothermischen Verbindungsschweißung zweier auf Lücke verlegter Schienen zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zweiteiligen Gießform (1; 2, 3) ein einziger in dem einen Formteil (2) ausgebildeter Flußsteiger (4) über einen Kanal (6) mit dem Kopfraum (K) der Gießform und über einen Kanal (8) zumindest mit dem Fußraum (F) verbunden ist und in dem anderen Formteil (3) der Fußraum (F) mit einem Steiger (9) und der Kopfraum (K) mit mindestens einem weiteren Steiger (12; 13) verbunden sind.

7. Gießform nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem anderen Formteil (3) zwei Kopfraumsteiger (12; 13) jeweils auf verschiedenen Seiten des Fußraumsteigers (9) vorgesehen sind.

8. Gießform nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Formteil (2) am unteren Ende des Flußsteigers (4) eine Speiserkammer (7) vorgesehen ist.

9. Gießform nach mindestens einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Formteil (3) am unteren Ende des Fußsteigers (9) eine Speiserkammer (10) vorgesehen ist.

11. Gießform nach mindestens einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß den Speiserkammern (7, 10) ein als Messerschnitt ausgebildeten Speiserkanal (8; 11) zugeordnet ist, der im wesentlichen den gesamten Fuß und den Übergangsradius von Fuß zu Steg abdeckt.

10. Gießform nach mindestens einem Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Speiserkammer (7) des Flußsteigers (4) in dem einen Formteil (2) kleiner ist als das Volumen der Speiserkammer (10) in dem anderen Formteil.

12. Verschweißungssystem bestehend aus der Gießform nach mindestens einem der Ansprüche 6-11 und einem Tiegel, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (20; 20') formschlüssig auf die Gießform aufsetzbar ist derart, daß die Eingießsäule verlängert wird.

13. Verfahren zur aluminothermischen Verbindungsschweißung zweier auf Lücke verlegter Schienen, bei dem der aluminothermisch in einem Tiegel erzeugte Stahl in eine die Schienenenden umgebende mindestens zweiteilge Gießform eingegossen wird und der Zwischenraum zwischen den Schienenenden unter Auffüllung eines über dem Schienenkopf vorgesehenen Freiraums und in den Formteilen vorgesehenen Steigern aufgefüllt wird, insbesondere Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß dem in den Freiraum oberhalb des Schienenkopfs aufsteigenden Stahl über mindestens einen in den Freiraum eingebrachten metallischen Kühlkörper, insbesondere Eisen- bzw. Stahlkörper Wärme, vorzugsweise unter Erschmelzen des Metallkörpers, entzogen wird.

14. Gießform nach mindestens einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Freiraum (FF) oberhalb des Schienenkopfs mindestens ein metallischer Kühlkörper (24), vorzugsweise ein Kühleisen angeordnet ist.