Verfahren zur Herstellung von Verbindungen zwischen Kohle- oder Graphitkörpern untereinander oder mit Metallteilen mit Hilfe einer Verbindungsmasse Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung von Verbindungen zwischen Kohle- oder Gra- phitkörpern untereinander oder mit Metallteilen mit Hilfe einer Verbindungsmasse. Der Zweck der Erfin dung ist, durch die Verbindungsmasse den elektri schen Kontakt der miteinander verbundenen Teile ge genüber dem mit den bisherigen Kittmassen gebildeten Verbindungsstellen zu verbessern und eine grössere mechanische Festigkeit der bisherigen Verbindungs stelle zu erzeugen.
Es ist bekannt, dass der kontinuierliche Betrieb von elektrischen Öfen die Verlängerung der dem Ver brauch ausgesetzten Elektroden durch Verbindung mit neuen erfordert.
Für die Vereinigung der Elektroden werden Nip pel verwendet, die in die Enden der miteinander zu verbindenden Elektroden eingeschraubt werden, oder die Elektroden werden unmittelbar mit ihrem Aussen- bzw. Innengewinde zusammengeschraubt.
Diese Ver bindungsstellen stellen jedoch immer den schwäch sten Punkt hinsichtlich des gesamten Elektrodenstran- ges in mechanischer und elektrischer Hinsicht dar, weil durch den elektrischen Übergangswiderstand hier starke örtliche Überhitzungen auftreten, so dass durch abnormale Ausdehnungen ein Bruch der Elektrode mit seinen störenden Folgen entstehen kann.
überdies kann es leicht passieren, dass diese Verbindungsstellen durch Vibrationen, die vom Ofen herrühren, leicht zu einer Auflockerung der Gewindeverbindungen führen, so dass sich die beiden Stirnflächen der Elektroden lockern und Anlass zu der darauf folgenden über lastung der Anstückelungen geben, welche die schäd lichen oben bereits angeführten Folgen vermehrt.
Es ist allgemein üblich, zur Verbesserung solcher Verbindungsstellen von Elektroden oder anderen Kohlekörpern Kitte oder Füllmassen zu verwenden, die organische, verkokbare Bindemittel enthalten, wie z. B. Teer, Pech, Kunstharz oder dergleichen. Solche Bindemittel sind mit Füllpulver hoher elek trischer Leitfähigkeit vermischt, wie z. B. Kohle-, Graphit- oder Metallpulver, und geben der Kitt- oder Füllmasse die notwendige Plastizität.
Auf, die zu ver einigenden Verbindungsflächen wird die Kitt- oder Füllmasse vor dem Zusammenschrauben und An ziehen aufgestrichen, damit nach der Verkokung der Bindemittel die Zwischenräume zwischen den zu ver einigenden Flächen soweit wie möglich ausgefüllt sind, um den elektrischen Widerstand der Verbin dungsstellen herabzusetzen und eine mechanisch feste Verbindungsstelle zu erhalten, die sich nicht lockern soll.
Diese bekannte Massnahme ist jedoch nur teil weise wirksam, da die bisherigen Kittmassen zum Teil von der porösen Struktur der zu vereinigenden Körper aus Kohle oder Graphit absorbiert werden und durch das Austreten der flüchtigen Bestandteile während der Verkokung die Kittmasse eine starke Schwindung erfährt, so dass sich Risse an der Verbin dungsstelle bilden, welche sowohl die mechanische Festigkeit wie die elektrische Leitfähigkeit der Ver bindung gefährden.
Diese Betrachtungen bei Elektrodenverbindungen gelten jedoch auch für andere Verbindungen von Kohlematerial, bei welchen, wie üblich, Kitt- oder Füllmassen zum Ausfüllen der Zwischenräume zwi schen Verbindungsstellen verwendet werden, z. B. bei Kohleblöcken, die zur Auskleidung von elektrischen Ofen Verwendung finden oder bei der Befestigung metallischer Stromzuführungsschienen, die in vorge formte Ausnehmungen von Kohleblöcken eingesetzt werden. Es ist einleuchtend, dass, je dicker die Kitt schicht ist, um so grösser die Gefahr von Rissbildungen und Kontaktverschlechterungen ist, die bei hohen Temperaturen eintreten.
Wenn man die bisherigen Kitt- oder Füllmassen anwendet, so hat man während der Verkokung immer mit einer Schwindung zu rech nen und aus diesem Grunde hat man an den Punkten, wo der beste Kontakt bei hohen Temperaturen gefor dert wird, einen verschlechterten Kontakt durch Trennfugen und Risse, welche die Schwindung der Kittmasse mit sich bringt.
Um die schädliche Wirkung dieser Schwindung zu vermindern, ist es bekannt, Kitte von geringerem Pro zentsatz an Bindemittel zu verwenden und die Kitt masse unter Druck in die Hohlräume einzubringen, um die Zwischenräume auszufüllen. Es lässt sich je doch auf diese Art nicht vermeiden, dass ein Teil des Bindemittels von der porösen Struktur der zu vereini genden Körper aufgesaugt wird und der Kontakt sich lockert, ganz abgesehen davon, dass diese Kitte schwierig anzuwenden sind.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstel lung von Verbindungen zwischen Kohle- oder Gra- phitkörpern untereinander oder mit Metallteilen ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsmasse verwendet wird, die Graphitderivate enthält, wie z. B. Graphitsäure oder Graphitoxyde oder Halogenderi vate des Graphits oder Additionsprodukte der Gra- phitsäure mit Metallen (Metallsalzen) oder sogenannte Graphitester, und die beim Erhitzen der Verbindungs stelle sich aufbläht, so dass der Kontaktdruck der ver bundenen Teile untereinander erhöht wird.
Bestimmte Graphitverbindungen, deren Struktur heute noch nicht vollständig bekannt ist, wie z. B. die sogenannte Gra- phitsäure oder Graphitoxyd, blähen sich beim Erwär men auf. Sie bilden sich, wenn man Graphit der Ein wirkung von konzentrierter Schwefelsäure in Gegen wart von oxydierenden Reagenzien, wie z. B. Sal petersäure oder Kalium-Chlorat, aussetzt. Wenn man z.
B. folgende Mischung 4 Tage bei Raumtemperatur stehenlässt: nämlich ein Teil Naturgraphit in Lamellen von geeigneter Korngrösse mit zwei Teilen konzen trierter Schwefelsäure und ein Teil Salpetersäure von 6 0/m, entsteht Graphitsäure. Erhitzt man die erhaltene Graphitsäure auf Temperaturen über 200 , so tritt eine starke bleibende Volumenvermehrung in bezug auf das Volumen bei Raumtemperatur ein. Graphit säure ist ein trockenes Pulver. Der Mechanismus des Aufblähens wird durch eine Ausdehnung der inter- lamellaren Räume erklärt, die durch Wasserstoff und Sauerstoff hervorgerufen wird.
Alle Graphitverbindungen, welche sich beim Er wärmen aufblähen, sind für den vorliegenden Zweck geeignet. Sie können allein oder vermischt mit ande- g ren Füllstoffen verwendet werden, die gute elektrische Leiter darstellen, wie Kohlepulver, Graphitpulver und Metallpulver. Organische Bindemittel, wie Pech, Teer, Kunstharze, oder auch anorganische Klebemittel, wie Alkalisilikate, stören das Blähverhalten der Graphit 5 derivate nicht.
Mit den organische, verkokbaren Sub stanzen, die in den nachstehend beschriebenen Mi schungen verwendet sind, wird erreicht, dass bei Ver- kokungstemperaturen bis zu 400 und 600 diese Sub stanzen verkoken und dabei die aufgeblähte Struktur verstärken. Die Bedeutung von Kitt- oder Füllmassen, welche sich durch Wärmewirkung gemäss der Erfindung auf blähen und z. B. durch Graphitsäure und organische Bindesubstanzen gebildet sind, wird besonders klar und deutlich, wenn man deren Verhalten mit denen üblicher Kitte vergleicht.
Wenn die Füllmasse sich beim Ausdehnen nicht vollständig auswirken kann, erzeugt diese einen Druck gegen die Wände der zu verbindenden Flächen, und ihr elastisches Verhalten ist mit einer Feder unter Spannung vergleichbar. Auf diese Weise wird der Kontakt verbessert und bleibt unverändert auch bei hohen Temperaturen. Dieses Verhalten ist sehr wichtig, wenn durch höhere Tempe raturen thermische Ausdehnungen auftreten, welche eine Entfernung der beiden Kontaktflächen hervor rufen.
Wenn zwischen den Kontaktflächen jedoch die Füllmasse gemäss der Erfindung zur Anwendung kommt, bleibt der Kontakt elastisch und gewährlei stet eine gute Verbindung sowohl in elektrischer wie in thermischer und mechanischer Hinsicht.
Nachfolgend sind einige Beispiele von Kitt- und Füllmassen gemäss der vorliegenden Erfindung be schrieben, sowohl hinsichtlich ihrer Zusammenset zung als auch hinsichtlich ihrer Verwendung.
Fig. 1 zeigt die Verbindung von Kohleelektroden mit konischem Gewinde für elektrische Öfen, die ohne Unterbrechung arbeiten sollen.
Fig. 2 zeigt die Verbindung von zwei Graphitelek- troden durch einen zylindrischen Graphitnippel. Fig. 3 zeigt die Anwendung der Kittmasse bei einer Kathodenblockumkleidung für Bäder in der Alu miniumschmeizelektrolyse.
Fig. 4 zeigt eine einfache Verbindung zwischen zwei horizontal angeordneten Arbeitselektroden.
Fig. 5 zeigt perspektivisch die Vereinigung zweier Kohleflächen mit roh verarbeiteten Verzahnungsfor men.
<I>Beispiel 1</I> In Fig. 1 sind die Kohleelektroden 1 und 1' für elektrische Öfen, wie z. B. bei der Herstellung von Kalziumcarbid, Ferrolegierungen, metallischem Sili cium usw., durch ein konisches Gewinde miteinander verbunden. Die Kittmasse, die beim Anstückeln einer neuen Elektrode an die sich verbrauchende Elektrode verwendet wird, ist in halbflüssigem Zustand und wird sorgfältig auf die Flächen aufgestrichen, die den Kon takt herstellen sollen.
Diese Kittmasse besteht z. B. zu gleichen Teilen aus einem Naturgraphit, der in der beschriebenen Weise in Graphitsäure umgewandelt wurde, und einem flüssigen, mit Alkohol verdünnten Phenolharz als Bindemittel. Wenn die beiden Elektroden mit Hilfe dieses Kittes richtig zusammengeschraubt werden, dann ergibt sich später beim Erhitzen der Verbin dungsstellen der gewünschte Effekt des Kittes, weil durch den Übergangswiderstand beim Stromdurch gang ausreichende Temperaturen erzeugt werden, um die raumfüllende Verkokung des Kittes zu ermög lichen. Daher ergibt sich sowohl in elektrischer wie auch in mechanischer Hinsicht eine gute Verbindung, die sich in ihren Eigenschaften nicht wesentlich von denen der zu vereinigenden Elektroden selbst unter scheidet.
<I>Beispiel 2</I> In der Fig. 2 sind zwischen der Basis der Aus- nehmungen 4 in den Elektroden 1 und 1' und der Stirnflächen 6 des Nippels 5 mit seinem Gewinde 7 vorgeformte Scheiben 2 und 8 eingesetzt, die z. B. aus einer Mischung von gleichen Teilen zu Graphit säure oxydiertem Graphit und Pech erhalten werden und vorgepresst sind. Diese Scheiben vermeiden nach dem Aufblähen beim Brennen der Elektroden im Ofen das Auflockern der Verschraubung der Elek troden und verbessern die elektrische Leitfähigkeit der Verbindung.
<I>Beispiel 3</I> Eine Kittmasse, die zu einem Drittel aus vorbe handeltem Graphit (Graphitsäure) und zu einem wei teren Drittel aus entgasten Anthrazitkörnern und einem Drittel Pech besteht, wird benutzt, um die Fugen bzw. Zwischräume zwischen Kohleblöcken, die das Aus kleidungsfutter von elektrischen Öfen, Kupolöfen und Hochöfen darstellen, auszufüllen, und die Blöcke mit einander zu verbinden, damit beim Eintritt hoher Temperaturen, wie sie beim Arbeiten der Öfen oft auftreten, keine Risse und Sprünge, die flüssiges Me tall oder flüssige Schlacken durchlassen würden, auf treten.
Überdies wirken diese Füllmassen durch ihre ela stischen Eigenschaften in der Richtung, dass sie im stande sind, Dehnungsspannungen, die sich aus ther mischen Gründen ergeben haben, zu kompensieren. Die Anwendung der Kittmassen kann dabei solcherart erfolgen, dass man die Masse 9 (Fig. 3) warm auf die zu vereinigenden Flächen aufstreicht, oder auch, in dem man diese Masse in körnigem Zustand in die Zwischenräume zwischen den zu vereinigenden Blök- ken einfüllt, oder schliesslich so, dass man vorgeformte dünne Platten (Folien) der Kittmasse beim Verlegen der Blöcke zwischen denselben vorsieht.
<I>Beispiel 4</I> Die Fig. 3 zeigt die Anwendung der Kittmasse bei der Herstellung einer Kathodenblockauskleidung für Bäder in der Aluminiumschmelzelektrolyse. Eine Kitt masse, wie bereits unter Beispiel 3 beschrieben, ver bessert in erheblichem Masse die Verbindung 9 der Kathodenblöcke 10 untereinander, wobei der so ge fürchtete Eintritt von flüssigem Metall in die Fugen zwischen den Blöcken sicher verhindert wird.
In der Fig. 3 wird die Anwendung einer Kittmasse 12 gezeigt, die einen sicheren Kontakt der Strom zuführungsschienen 11 mit den Kohleblöcken 10 be wirkt. In diesem Fall besteht die Kittmasse zu einem Drittel aus Elektrographit in Körnern, einem Drittel behandeltem Naturgraphit (Graphitsäure) und einem Drittel Pech.
Die Kittmasse, die beim Einlegen der Stromschienen in die Kohleblöcke 10 in der üblichen Weise angewendet wird, bewirkt bei den später auf- tretenden hohen Temperaturen nicht nur einen nied rigen Spannungsabfall zwischen Stromschiene 11 und Kohleblock 10, sondern sorgt vor allem für sehr gleichmässige Kontaktbedingungen innerhalb aller zur Anwendung kommenden Stromschienen mit den Kohleblöcken, wodurch sich eine sehr gleichmässige Stromverteilung auf dem ganzen stromführenden Bo den des Elektrolysebades ergibt.
In vielen Fällen genügt eine dünne Kittschicht zwischen den zu verbindenden Teilen, wie Fig. 4 ver anschaulicht. Hier sind zwei horizontal angeordnete Kohlekörper 10 dargestellt, die durch die Kittschicht 13 miteinander verbunden sind. <I>Beispiel 5</I> Man kann auch die zu vereinigenden Kohlekör- per mit roh vorgearbeiteten Flächen, in die Verzah nungen eingearbeitet sind, wie in Fig. 5 dargestellt ist, verbinden. Die ungleichmässigen Zwischenräume der Kohleblöcke 10 gleichen sich durch das Aufblähen der Kittmasse 9 aus. Der gute elektrische Kontakt zwischen den beiden Körpern bleibt daher erhalten.
Die kostspielige und genaue Bearbeitung der mitein ander in Berührung stehenden Flächen ist daher ent behrlich.
Bisher musste man durch grüne Elektroden masse, die in grosser Stärke auf die Fläche aufgetragen wurde, die Unebenheiten der sich berührenden Flä chen ausgleichen. Durch das plastische Verhalten der Kittmasse nach der Erfindung ist ein solcher Aus gleich nicht erforderlich.