DE1107578B

DE1107578B - Verfahren zur Herstellung von Verbindungen zwischen Kohle- oder Graphitformkoerpern untereinander oder mit Metallteilen

Info

Publication number: DE1107578B
Application number: DEE16754A
Authority: DE
Inventors: Dr Angiolo Gemmi
Original assignee: Elettrocarbonium SpA
Current assignee: Elettrocarbonium SpA
Priority date: 1958-07-18
Filing date: 1958-11-21
Publication date: 1961-05-25
Also published as: US3055789A; FR1230258A; SE177493C1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Kohle- oder Graphitkörpern untereinander oder mit Metallteilen und bezweckt, den Kontakt an der Verbindungsstelle mechanisch und elektrisch gegenüber den bisherigen Verbindungsstellen zu verbessern.

Es ist bekannt, daß der kontinuierliche Betrieb von elektrischen Öfen die Verlängerung von den dem Verbrauch ausgesetzten Elektroden durch neue erfordert.

Für die Vereinigung der Elektroden werden zylindrische oder konische Verbindungen vorgesehen, die aus einem in die Elektrodenenden einzuschraubenden Nippel bestehen, oder die Elektroden werden unmittelbar mit ihrem Ansatz- und Schachtelgewinde zusammengeschraubt. Diese Verbindungsstellen stellen jedoch immer den schwächsten Punkt hinsichtlich des gesamten Elektrodenstranges in mechanischer und elektrischer Hinsicht dar, weil durch den elektrischen Übergangswiderstand hier starke örtliche Überhitzungen auftreten, so daß durch anomale 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 darauffolgenden Überlastung der Anstückelungen geben, welche die schädlichen oben bereits angeführten Folgen vermehrt.

Es ist allgemein üblich, zur Verbesserung solcher Verbindungsstellen von Elektroden oder anderen Kohlekörpern Kitte zu verwenden, die organische verkokbare Bindemittel enthalten, wie z. B. Teer, Pech, Kunstharz od. dgl. Solche Bindemittel sind mit Füllpulver hoher elektrischer Leitfähigkeit vermischt, wie z. B. Kohle-, Graphit- oder Metallpulver, und geben der Kittmasse die notwendige Plastizität. Auf die zu vereinigenden Verbindungsflächen wird der Kitt vor dem Zusammenschrauben und Anziehen aufgestrichen, damit nach der Verkokung der Bindemittel die Zwischenräume zwischen den zu vereinigenden Flächen so weit wie möglich ausgefüllt sind, um den elektrischen Widerstand der Verbindungsstellen herabzusetzen und eine mechanisch feste Verbindungsstelle zu erhalten, die sich nicht lockern soll.

Diese bekannte Maßnahme ist jedoch nur teilweise 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 Verfahren zur Herstellung von Verbindungen zwischen Kohle- oder Graphitformkörpern untereinander oder mit Metallteilen

Anmelder:

Elettrocarbonium S. p. A. Mailand,
Stabilimento di Narni, Narni (Italien)

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Horn, Patentanwalt,
München 25, Schuckertstr. 13

Beanspruchte Priorität:
Italien vom 18. Juli 1958

Dr. Angiolo Gemmi, Terni (Italien),
ist als Erfinder genannt worden

während der Verkokung die Kittmasse eine starke Schwindung erfährt, so daß sich Risse an der Verbindungsstelle bilden, welche sowohl die mechanische Festigkeit wie die elektrische Leitfähigkeit der Verbindung gefährden.

Diese Betrachtungen bei Elektrodenverbindungen gelten jedoch auch für andere Verbindungen von Kohlematerial, bei welchen, wie üblich, Kittmassen zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen Verbindungsstellen verwendet werden, z. B. bei Kohleblöcken, die zur Auskleidung von elektrischen Öfen Verwendung finden oder bei der Befestigung metallischer Stromzuführungsschienen, die in vorgeformte Ausnehmungen von Kohleblöcken eingesetzt werden.

Es ist einleuchtend, daß, je dicker die Kittschicht ist, um so größer die Gefahr von Rißbildungen und Kontaktverschlechterungen ist, die bei hohen Temperaturen eintreten. Wenn man die bisherigen Kittmassen anwendet, so hat man während der Verkokung immer mit einer Schwindung zu rechnen, und aus diesem Grunde hat man an den Punkten, wo der beste Kontakt bei hohen Temperaturen gefordert 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

109 608/371

3 4

Prozentsatz an Bindemittel zu verwenden und die Temperaturen thermische Ausdehnungen auftreten,

Kittmasse unter Druck in die Hohlräume einzu- welche eine Entfernung der beiden Kontaktflächen

bringen, um die Zwischenräume auszufüllen. Es läßt hervorrufen.

sich jedoch auf diese Art nicht vermeiden, daß ein Wenn zwischen den Kontaktflächen jedoch die

Teil des Bindemittels von der porösen Struktur der 5 Kittmasse gemäß der Erfindung zur Anwendung

zu vereinigenden Körper aufgesaugt wird und der kommt, bleibt der Kontakt elastisch und gewähr-

Kontakt sich lockert, ganz abgesehen davon, daß leistet einen guten Kontakt in der Verbindung so-

diese Kitte schwierig anzuwenden sind. wohl in elektrischer wie in thermischer und mecha-

Die Erfindung bezieht sich auf Kittmassen auf nischer Hinsicht.

Basis einer leitfähigen Masse, welche keine Schwin- to Nachfolgend sind einige Beispiele von Kittmassen

dungserscheinungen beim Brennen zeigt und alle gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, so-

Zwischenfugen und Zwischenräume ausfüllt, wenn wohl hinsichtlich ihrer Zusammensetzung als auch

man Elektroden oder Kohleblöcke untereinander ver- hinsichtlich ihrer Verwendung. Diese Beispiele sind

einigt oder mit metallischen Kontaktteilen versieht. natürlich nur richtungsweisend und beschränken die

Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, 15 Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele,

daß den Verbindungsmassen Graphitderivate, wie Fig. 1 zeigt die Verbindung von Kohleelektroden

Graphitsäure oder Graphitoxyde, oder Halogenderi- mit konischem Gewinde für elektrische Öfen, die

vate des Graphits oder Additionsprodukte der Gra- ohne Unterbrechung arbeiten sollen;

phitsäure mit Metallen (Metallsalze) oder sogenann- Fig. 2 zeigt die Verbindung von zwei Graphitelek-

ten Graphitester zugesetzt werden und die Verbin- 20 troden durch einen zylindrischen Graphitnippel;

dungsstellen bis zum Aufblähen der Graphitderivate Fig. 3 zeigt die Anwendung der Kittmasse bei einer

erhitzt werden. Bestimmte Graphitverbindungen, Kathodenblockumkleidung für Bäder in der AIu-

deren Struktur heute noch nicht vollständig bekannt miniumschmelzelektrolyse;

ist, wie z. B. die sogenannte Graphitsäure oder Fig. 4 zeigt eine einfache Verbindung zwischen

Graphitoxyd, blähen sich beim Erwärmen auf. Sie 25 zwei horizontal angeordneten Arbeitselektroden;

bilden sich, wenn man Graphit der Einwirkung von Fig. 5 zeigt perspektivisch die Vereinigung zweier

konzentrierter Schwefelsäure in Gegenwart von oxy- Kohleflächen mit roh vorgearbeiteten Verzahnungs-

dierenden Reagenzien, wie z. B. Salpetersäure oder formen.

Kaliumchlorat, aussetzt. Wenn man z.B. folgende Beispiel 1

Mischung 4 Tage bei Raumtemperatur wirken läßt, 30

nämlich 1 Teil Naturgraphit in Lamellen von geeig- In Fig. 1 sind die Kohleelektroden 1 und Γ für elek-

neter Korngröße mit 2 Teilen konzentrierter trische Öfen, wie z. B. bei der Herstellung von

Schwefelsäure und 1 Teil Salpetersäure von 60%, Kalziumcarbid, Ferrolegierungen, metallischem SiIi-

entsteht Graphitsäure. Erhitzt man die erhaltene cium usw., durch ein konisches Gewinde miteinander

Graphitsäure auf Temperaturen über 200° C, so tritt 35 verbunden. Die Kittmasse, die beim Anstückeln einer

eine starke bleibende Volumenvermehrung in bezug neuen Elektrode an die sich verbrauchende Elektrode

auf das Volumen bei Raumtemperatur ein. Graphit- verwendet wird, ist im halbflüssigen Zustand und

säure ist ein trockenes Pulver. Der Mechanismus des wird sorgfältig auf die Flächen aufgestrichen, die den

Aufblähens wird durch eine Ausdehnung der inter- Kontakt herstellen sollen.

lamellaren Räume erklärt, die durch Wasserstoff und 40 Diese Kittmasse besteht z. B. zu gleichen Teilen

Sauerstoff hervorgerufen wird. aus einem Naturgraphit, der in der beschriebenen

Alle Graphitverbindungen, welche sich beim Er- Weise in Graphitsäure umgewandelt wurde, und wärmen aufblähen, sind für den vorliegenden Zweck einem flüssigen, mit Alkohol verdünntem Phenolharz geeignet. Sie können allein oder vermischt mit als Bindemittel. Wenn die beiden Elektroden mit anderen Füllstoffen verwendet werden, die gute elek- 45 Hilfe dieses Kittes richtig zusammengeschraubt trische Leiter darstellen, wie Kohlepulver, Graphit- werden, dann ergibt sich später beim Erhitzen der pulver, Metallpulver. Organische Bindemittel, wie Verbindungsstellen der gewünschte Effekt des Kittes, Pech, Teer, Kunstharze, oder auch anorganische weil durch den Übergangswiderstand beim Strom-Klebemittel, wie Alkalisilikate, stören das Blähver- durchgang ausreichende Temperaturen erzeugt halten der Graphitderivate nicht. Mit den organi- 50 werden, um die raumfüllende Verkokung des Kittes sehen, verkokbaren Substanzen, die in den nach- zu ermöglichen. Daher ergibt sich sowohl in elektristehend beschriebenen Mischungen verwendet sind, scher wie auch in mechanischer Hinsicht eine gute wird erreicht, daß bei Verkokungstemperaturen bis Verbindung, die sich in ihren Eigenschaften nicht zu 400 und 600° C diese Substanzen verkoken und wesentlich von denen der zu vereinigenden Elekdabei die aufgeblähte Struktur verstärken. 55 troden selbst unterscheidet.

Die Bedeutung von Kittmassen, welche sich durch . .
Wärmewirkung gemäß der Erfindung aufblähen und Beispiel Z
z. B. durch Graphitsäure und organische Bindesub- In der Fig. 2 sind zwischen der Basis der Nippelstanzen gebildet sind, wird besonders klar und deut- schachteln 4 der Elektroden 1 und 1' und der Stirnlich, wenn man deren Verhalten mit denen üblicher 60 flächen 6 des Nippels 5 mit seinem Gewinde 7 vor-Kitte vergleicht. Wenn die Kittmasse sich beim Aus- geformte Scheiben 2 und 8 eingesetzt, die z. B. aus dehnen nicht vollständig auswirken kann, erzeugt einer Mischung von gleichen Teilen zu Graphitsäure diese einen Druck gegen die Wände der zu verbin- oxydiertem Graphit und Pech erhalten werden und denden Flächen, und ihr elastisches Verhalten ist vorgepreßt sind. Diese Scheiben vermeiden nach dem mit einer Feder unter Spannung vergleichbar. Auf 65 Aufblähen beim Brennen der Elektroden im Ofen diese Weise wird der Kontakt verbessert und bleibt das Auflockern der Verschraubung der Elektroden unverändert auch bei hohen Temperaturen. Dieses und verbessern die elektrische Leitfähigkeit der Ver-Verhalten ist sehr wichtig, wenn durch höhere bindung.

Beispiel 3

Eine Kittmasse, die zu einem Drittel aus vorbehandeltem Graphit (Graphitsäure) besteht und zu einem weiteren Drittel aus entgasten Anthrazitkörnern und einem Drittel Pech, wird benutzt, um die Fugen bzw. Zwischenräume von Kohleblöcken, die das Auskleidungsfutter von elektrischen Öfen, Kupolofen und Hochöfen darstellen, miteinander zu verbinden, damit beim Eintritt hoher Temperaturen, wie sie beim Arbeiten der Öfen oft auftreten, keine Risse und Sprünge, die flüssiges Metall oder flüssige Schlacken durchlassen würden, auftreten.

Überdies wirken diese Kittmassen durch ihre elastischen Eigenschaften in der Richtung, daß sie imstande sind, Dehnungsspannungen, die sich aus thermischen Gründen ergeben haben, zu kompensieren. Die Anwendung der Kittmassen kann dabei solcherart erfolgen, daß man die Masse 9 warm auf die zu vereinigenden Flächen aufstreicht, oder auch, indem man diese Masse in körnigem Zustand in die Zwischenräume der zu vereinigenden Blöcke einfüllt, oder schließlich so, daß man vorgeformte dünne Platten (Folien) der Kittmasse beim Verlegen der Blöcke zwischen denselben vorsieht.

Beispiel 4

Die Fig. 3 zeigt die Anwendung der Kittmasse bei der Herstellung einer Kathodenblockauskleidung für Bäder in der Aluminiumschmelzelektrolyse. Eine Kittmasse, wie bereits unter Beispiel 3 beschrieben, verbessert in erheblichem Maße die Verbindung 9 der Kathodenblöcke 10 untereinander, wobei der so gefürchtete 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 Stromzuführungsschienen 11 mit den Kohleblöcken 10 bewirkt. 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 auftretenden hohen Temperaturen nicht nur einen niedrigen 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 Boden des Elektrolysebades ergibt.

In vielen Fällen genügt eine dünne Kittschicht

zwischen den zu verbindenden Teilen, wie Fig. 4 veranschaulicht. Hier sind zwei horizontal angeordnete Kohlekörper 10 dargestellt, die durch die Kittschicht 13 miteinander verbunden sind.

Beispiel 5

ίο Man kann auch die zu vereinigenden Kohlekörper mit roh vorgearbeiteten Flächen, in die Verzahnungen eingearbeitet sind, wie in Fig. 5 dargestellt ist. 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 miteinander in Berührung stehenden Flächen ist daher entbehrlich.

Bisher mußte man durch »grüne« Elektrodenmasse, die in großer Stärke auf die Fläche aufgetragen wurde, die Unebenheiten der sich berührenden Flächen ausgleichen. Durch das plastische Verhalten der Kittmasse nach der Erfindung ist ein solcher Ausgleich nicht erforderlich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Verbindüngen zwischen Kohle- oder Graphitkörpern untereinander oder mit Metallteilen, insbesondere unter Verwendung von Pech oder Kunstharz enthaltenden Verbindungsmassen, dadurch gekenn zeichnet, daß den Verbindungsmassen Graphitderivate, wie Graphitsäure oder Graphitoxyde, oder Halogenderivate des Graphits oder Additionsprodukte der Graphitsäure mit Metallen (Metallsalze) oder sogenannten Graphitester zugesetzt werden und die Verbindungsstellen bis zum Aufblähen der Graphitderivate erhitzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmasse als Scheibe, Folie, Stab od. dgl. vorgeformt und zwischen die zu verbindenden Körper eingelegt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 887 625, 863 999.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen