DE112020004879T5

DE112020004879T5 - Eine Vorrichtung zur Herstellung von Bleigitterelektroden für Bleiakkumulatoren in einem kontinuierlichen Gießverfahren

Info

Publication number: DE112020004879T5
Application number: DE112020004879.9T
Authority: DE
Inventors: Martin Streu; Werner Nitsche
Original assignee: Eng Office Dr Nitsche Ltd; Engineering Office Dr Nitsche Ltd
Current assignee: Eng Office Dr Nitsche Ltd; Engineering Office Dr Nitsche Ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2022-07-21
Also published as: US20240051017A1; CN112643005A; IE20190168A1; WO2021069107A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gießen von Elektrodengittern für die Herstellung von Bleiakkumulatoren in einem kontinuierlichen Gießverfahren, wobei die Vorrichtung ein Gießrad und einen Gießschuh umfasst, der auf dem Außenumfang des Gießrads ruht, wobei flüssiges Blei, das den Gießschuh verlässt, in eine konkave Form der Gießradoberfläche fließt und als erstarrter Bleistreifen entfernbar ist. Der Gießschuh besteht aus zwei oder mehr Zonen, zumindest aus einer heißen Zone Z1 mit einer Temperatur über dem Schmelzpunkt von Blei und einer zweiten, thermisch getrennten Zone Z2 mit einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von Blei. Durch das Kühlen des Bleistreifens von zwei Seiten wird die Bildung von Stengelkristallen verhindert und die Gießgeschwindigkeit auf 40 Meter und mehr erhöht. Durch die Wärmeisolation des Blei transportierenden Rohrs wird einen Rückfluss von Blei in einen Bleikessel verhindert, was die PbO-Bildung deutlich verringert. Die PbOverstärkte Korrosion wird in den Gittern verringert.

Description

Gebiet der Erfindung:
Die folgende Erfindung wird bei der Herstellung von Elektrodengittern durch kontinuierliches Gießen für positive und negative Elektroden in Bleiakkumulatoren mittels eines Gießrads und eines Gießschuhs verwendet.
Hintergrund der Erfindung:
Beim kontinuierlichen Gießen von Bleielektroden mit Hilfe eines Gießrads, das eine geprägte Gitterstruktur aufweist, und eines Gießschuhs, mit dem das flüssige Blei in die Gitterstruktur transportiert wird, ist die Gießgeschwindigkeit im Vergleich zum Gitterstanzen und anderen derzeitig verwendeten Technologien weitgehend unabhängig von der Legierungszusammensetzung, sodass selbst Weichblei produktiv verarbeitet werden kann. Ferner kann im Vergleich zu den am weitesten verbreiteten Technologien zur Gitterherstellung im großen Maßstab, der Streckmetall- und Stanztechnologie, die beide gewalzte Bleistreifen verwenden, der Stromablenker des Gitters, die Lasche, dicker als das Gitter gemacht werden, und auch der Rahmen oder die Gitterstäbe können mit unterschiedlichen Dicken gestaltet werden, um die elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu optimieren. Korrosion, Gitterwachstum ist Teil davon, des Bleigitters ist eine der Hauptursachen für einen vorzeitigen Ausfall von Bleiakkumulatoren. Dies ermöglicht Ersparnisse bei der Menge an Blei, während gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in bestimmten Bereichen optimiert werden.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Bleielektroden nach dem Stand der Technik ist in der Patentschrift WO 2018/210367 A2 beschrieben.
Ein typischer Gießschuh nach dem Stand der Technik ist in 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Bislang werden sämtliche Gießschuhe aus einem Stück Metall hergestellt und im Gebrauch bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt von Blei gehalten. Der Gießschuh wird durch mehrere gängige elektrische Heizelemente 11 auf eine Temperatur deutlich über dem Schmelzpunkt von Blei, 327,5 ° C, erwärmt, die durch die Thermoelemente 15 geregelt wird, um eine Erstarrung von Blei in dem Bereich nahe dem Gießrad zu verhindern, wobei das Rad in 1 zwar nicht dargestellt ist, sich bei Gebrauch jedoch in Kontakt mit der linken Seite des Gießschuhs in 1 befindet. Das Gießrad wird typischerweise bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt gehalten, normalerweise zwischen 60 und 90 ° C. Aufgrund dieses Temperaturunterschieds tritt ein Wärmegefälle im Bereich zwischen dem Gießrad und dem Gießschuh auf. Darüber hinaus wird, um eine Erstarrung von Blei und eine Blockierung eines Bleiflussgießrohrs 12 und in einer Öffnung 14 zu verhindern, ermöglicht, dass überschüssiges erwärmtes Blei durch den Gießschuh zurück in einen Bleikessel fließt. Bei jedem Kontakt von Blei mit Sauerstoff beginnt eine Oxidation. Die resultierende PbO-Schlacke erhöht die Korrosion, wenn sie in das gegossene Gitter fließt. Andere derzeit verwendeten Technologien erzeugen größere Mengen Schlacke als das kontinuierliche Gießverfahren. Längsdrähte von Rippen 13 sind notwendig, um einen Bleifluss entgegen der Drehrichtung des Gießrads zu verhindern, wobei die Drehrichtung in 1 im Uhrzeigersinn verläuft.
Die Gestalt des bekannten Gießschuhs hat die folgenden großen Nachteile:

(1) Der Wärmefluss und die Erstarrung erzeugen ein Wärmegefälle von dem Gießrad in Richtung des Gießschuhs. Die Erstarrung erfolgt entlang des Gradienten und ruft Stengelkristalle hervor und erhöht die Länge und die Anzahl von Korngrenzen. Korrosion tritt an Korngrenzen auf. Je größer die Anzahl und Länge von Korngrenzen ist, desto höher sind das Korrosionspotential und das Gitterwachstum. Stengelkristalle begünstigen den Bruch der Gitterdrähte.
(2) Der Rückfluss von Blei in den Bleikessel erhöht die Menge an PbO-Schlacke. Wie zuvor erwähnt, erzeugt PbO-Schlacke im Bleigitter Korrosion.
(3) Die Maschinengeschwindigkeit ist begrenzt, da das Kühlen des transportierten Bleis erst nach dem Gießen auf dem Gießrad erfolgt, da der Gießschuh über den Schmelzpunkt erwärmt bleiben muss, um einen freien Fluss des Bleis auf das Gießrad zu ermöglichen. Die Erstarrung insbesondere von Gitterteilen, die mehr Blei enthalten, z. B. der Lasche und des Rahmens, begrenzt die Maschinengeschwindigkeit. Stand der Technik ist eine maximale Gießgeschwindigkeit von weniger als 30 Metern pro Minute.

Kurzdarstellung der Erfindung:
Die Nachteile des Standes der Technik werden mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 behoben.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Es werden wesentliche Vorteile beim kontinuierlichen Gießverfahren erzielt, da Stengelkristalle und PbO-Schlacke verringert oder beseitigt werden können und die Gießgeschwindigkeit mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf über 40 Meter pro Minute erhöht werden kann. Um die Erzeugung von Stengelkristallen zu verhindern, erfolgt die Erstarrung ohne ein einseitiges Gefälle vom Gießrad zum Gießschuh. Diese Vorteile wurden durch die verschiedenartige Gestaltung des erfindungsgemäßen Gießschuhs erzielt.
Der erfindungsgemäße Gießschuh ist in Bezug auf die Temperatur ein Zweizonen- oder Mehrzonengießschuh mit zumindest einer ersten Zone, die über den Schmelzpunkt von Blei erwärmt ist, und zumindest einer temperaturgeregelten zweiten Zone mit einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt. Wesentlich für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Gießschuhs ist, dass die erste und die zweite Zone durch eine Isolatorplatte von geringer Wärmeleitfähigkeit thermisch isoliert sind. Nur der Bleizufuhrkontaktbereich des Gießschuhs in Richtung des Gießrads ist nicht isoliert, wodurch der Wärmefluss aufgrund des stark verringerten Wärmeübertragungsbereichs zwischen Gießrad und Gießschuh verringert wird. Andererseits gibt es ein hohes Temperaturgefälle und eine hohe mechanische Beanspruchung zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone. Um die mechanische Beanspruchung zu minimieren, werden Invar-Legierungen sowie Legierungen mit einer geeigneten geringen Verlängerung für den Gießschuh verwendet und wird eine geeignete Temperatur des Gießrads eingestellt. In dieser Hinsicht muss die Kühlflüssigkeit geeignet sein. Dadurch wird eine Ausdehnungs-Zusammenziehungs-Verformung des Zweizonen- oder Mehrzonengießschuhs verhindert. Ferner ermöglicht diese Konstruktion einen größeren Temperaturmodifikationsbereich, ohne eine Schädigung der Rippen in dem Gießschuh hervorzurufen, die den Bleifluss durch die Prägung in dem Gießrad entgegen der Drehrichtung des Gießrads verhindern.
Eine weitere Lösung zur Begrenzung der thermischen Beanspruchung zwischen der Gießzone und dem Kühlbereich des Gießschuhs wird durch mehrere Zonen mit abnehmenden Temperaturen in Bezug auf die erste Zone bereitgestellt. Praktisch wird durch die Verwendung von zwei oder gar drei Zonen mit Wärmeisolation zwischen jeder Zone, um die Temperatur in Richtung der Gießradtemperatur zu verringern, verhindert, dass thermische Beanspruchung Probleme verursacht. In diesem Fall ist keine Invar-Legierung erforderlich.
Ein großer kommerzieller Vorteil des erfindungsgemäßen neuen Gießschuhs besteht darin, dass er den Betrieb der Gießmaschine bei mehr als 40 Metern pro Minute ermöglicht, was die Produktivität um mehr als 33 % steigern wird. Die Verringerung der Schlacke in dem Gitter wird mehr als 80 % betragen. Durch eine Verringerung der Menge an Schlacke, die sich in den Öffnungen ansammelt, werden die Betriebskosten der Gittergießmaschine gesenkt, da der Gießschuh nicht so oft zum Reinigen ersetzt werden muss, wodurch sowohl die Maschinenstillstandszeiten als auch die Arbeitskosten verringert werden. Schlacke in den positiven Gittern verursacht Gitterkorrosion, die zu einem vorzeitigen Ausfall des Akkumulators sowie Gitterwachstum in heißem Klima führt. Um der Korrosion für Gitter aus herkömmlichen Gießmaschinen entgegenzuwirken, werden die Gitter dicker als nötig hergestellt, was die Kosten für den Akkumulator erhöht. Durch die Verwendung von Gittern mit weniger Schlacke können dünnere Gitter die Kundenbedürfnisse zu verringerten Herstellungskosten erfüllen.
Ein anderer wichtiger Teil der Erfindung ist die Verringerung des Bernoulli-Effekts beim Fluss von Blei in die Gitterprägung. In der derzeitigen Technologie wird Stickstoff in die Rippen des Gießschuhs injiziert, um Luft in den Rippen abzuziehen, um eine Bleioxidation zu verhindern. Der Bleifluss durch das Rohr erzeugt jedoch einen Unterdruck und zieht Sauerstoff in Kontakt mit dem geschmolzenen Blei. Der Gaszug in einen Bereich von Nieder- oder Unterdruck ist als Bernoulli-Effekt bekannt. Aufgrund des Bernoulli-Effekts sammelt sich die zusätzliche Schlacke, die bei der Rezirkulation von Blei zurück in den Bleikessel entsteht, in dem Bleikessel. Kontinuierliche Gießmaschinen mit einem Zweizonen- oder Mehrzonengießschuh und ohne Rezirkulation von Blei zurück in den Bleikessel verringern Schlacke aufgrund von Sauerstoffeindringung. Um Schlacke aufgrund des Sauerstoffs, der durch den Bernoulli-Effekt in den Rippenbereich gezogen wird, weiter zu verringern, wird ein Vakuum angelegt, um die Luft wegzuziehen, bevor geschmolzenes Blei in Kontakt mit der Luft kommt.
Der Kontaktbereich zwischen Gießrad und Gießschuh sollte aufgrund des stark verringerten Wärmeübertragungsbereichs zwischen Rad und Schuh so klein wie möglich sein, um einen Wärmefluss zwischen Gießschuh und Gießrad zu verhindern, um zu verhindern, dass ein Bleifluss durch den Gießschuh in der derzeitigen Gießmaschinengestaltung notwendig ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders gut zur Herstellung von Bleielektrodengittern mit geringem Legierungsgehalt sowie für reines Blei oder für reine Blei-Zinn-Legierungen geeignet. Diese Legierungen sind besonders für fortschrittliche Bleiakkumulatoren wie AGM-Akkumulatoren (AGM - Absorbent Glass Mat) sowie Anwendungen mit höherer Spannung in Automobil-, Antriebskraft- oder Energiespeicheranwendungen geeignet. Calcium- oder Strontiumlegierungen werden als Legierungskomponenten zur Festigung des Gitters verwendet. Beide Legierungen haben eine erhöhte Korrosion zur Folge. Antimon, das in der Vergangenheit verwendet wurde, führt zu einem hohen Wasserverbrauch und erzeugt zusätzliche Eigentumskosten für die Instandhaltung. Reine Blei-Zinn-Legierungen haben sich als besonders korrosionsbeständig erwiesen und weisen einen extrem niedrigen Wasserverbrauch auf. Ferner verhindert die Weichbleigittertechnologie Kraftwirkungen und Beschädigung der Separatoren, insbesondere von Glasvliesseparatoren, wie die in AGM-Akkumulatoren verwendeten.
Figurenliste
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform davon, die lediglich als Beispiel bereitgestellt wird, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:

1 die derzeitige Gestaltung eines Einzonengießschuhs mit Heizelementen, Gießrohr, Rippen, Öffnung und Thermoelementen darstellt und
2 die Gestaltung eines erfindungsgemäßen Zweizonengießschuhs mit Heizelementen, Kühlflüssigkeitsbohrlöchern, Wärmeisolationsplatte, Keramikrohr mit Öffnung, Rippen und Thermoelementen darstellt.

Der Einzonengießschuh nach dem Stand der Technik gemäß 1 ist mit Heizelementen 11, einem Gießrohr 12, Rippen 13, einer Öffnung 14 und Thermoelementen 15 in bekannter Weise, wie vorstehend erläutert, versehen.
Der in 2 dargestellte erfindungsgemäße Gießschuh ist in Bezug auf die Temperatur ein Zweizonengießschuh mit zumindest einer ersten Zone Z1, die über den Schmelzpunkt von Blei erwärmt ist, und zumindest einer temperaturgeregelten zweiten Zone Z2 mit einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt. Wesentlich für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Gießschuhs ist, dass die erste und die zweite Zone Z1, Z2 durch eine Isolatorplatte 3 von geringer Wärmeleitfähigkeit thermisch isoliert sind. Nur der Bleizufuhrkontaktbereich des Gießschuhs in Richtung des Gießrads ist nicht isoliert, wodurch der Wärmefluss aufgrund des stark verringerten Wärmeübertragungsbereichs zwischen Gießrad und Gießschuh verringert wird. Vorzugsweise wird die erste Zone Z1 durch elektrische Heizelemente 1 erwärmt. Eine Erwärmung durch erhitztes Öl oder induktive Erwärmung ist ebenfalls möglich. Die Temperatur der zweiten Zone Z2 muss unter dem Schmelzpunkt von Blei gehalten werden. Wasser oder andere Flüssigkeiten, die in den Kühlflüssigkeitsbohrlöchern 2 zirkulieren, können verwendet werden, um die Temperatur bei dem gewünschten Wert zu halten. Die zweite Zone Z2 wird vorzugsweise bei der gleichen Temperatur gehalten wie das Gießrad, in der Zeichnung nicht dargestellt, und ist in der Praxis an der linken Seite des Gießschuhs angeordnet, um eine symmetrische Kühlung des Bleis von beiden Seiten zu erzielen. Um die eingestellten Temperaturen zu kontrollieren, werden Sensoren zur Messung der Temperatur verwendet, vorzugsweise Thermoelemente 6.
Längsdrähte von Rippen 5 an der Oberfläche der ersten Zone Z1 des Gießschuhs, die dem Gießrad zugewandt sind, verhindern, dass Blei entgegen der Drehrichtung des Gießrads fließt, was in 2 eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn ist.
Ein anderer wichtiger Teil der Erfindung ist die Verwendung eines Keramikrohrs 4 mit einer Öffnung, um geschmolzenes Blei zu der Öffnung des Gießschuhs zu transportieren. Das Keramikrohr 4 hat den Vorteil, dass es intermetallische Verbindungen oder Schlacke, die sich ansammeln und die Füllung blockieren können, stark verringert oder beseitigt. Die Ansammlung von Schlacke und intermetallischen Verbindungen ist ein riesiges Problem bei existierenden Gießschuhen mit der derzeitigen Technologie, in der Metallrohre mit vorderen Löchern in Richtung der Öffnung verwendet werden. In der derzeitigen Technologie fließt der Großteil des Bleis durch das Rohr und geht zurück in den Bleikessel und nur ein Teil durchdringt die Öffnung und geht in das Gießrad, um als Bleigitter zu erstarren. Durch die Rezirkulation des Bleis wird nicht nur Energie verschwendet, sondern der Fluss des Bleis birgt darüber hinaus mehr Möglichkeiten zur Anhäufung von Schlacke. Mit dem Keramikrohr 4 in dem erfindungsgemäßen Gießschuh können die Ansammlung von Schlacke aus dem Metallrohr sowie die Anhäufung von Schlacke aus dem Rückfluss von Blei stark verringert oder beseitigt werden. Es ist von Vorteil, von der gegenüberliegenden Seite der Bleieinlassseite des Gießschuhs ein zusätzliches elektrisches Heizelement in das Keramikrohr 4 zu bringen. Mit dem zusätzlichen Heizelement wird das Blei auf eine Temperatur erwärmt, die von den heißen Bereichen in Zone Z1 des Gießschuhs verschieden sein kann. Zone Z1 wird über dem Schmelzpunkt von Blei gehalten, doch das Keramikrohr 4 mit einem zusätzlichen Heizelement im Inneren kann bei einer geringeren Temperatur gehalten werden als bei der in 1 dargestellten derzeitigen Gestaltung des Gießschuhs.
Der neue erfindungsgemäße Gießschuh kann sowohl für im Uhrzeigersinn als auch für gegen den Uhrzeigersinn laufende Gießräder verwendet werden. 2 zeigt die Gestaltung für einen Betrieb des Gießrads gegen den Uhrzeigersinn. In diesem Fall befindet sich die erste, erwärmte Zone Z1 an der unteren Seite. Bei einem Betrieb des Gießrads im Uhrzeigersinn würde sich die erste, erwärmte Zone Z1 an der oberen Seite des Gießschuhs befinden.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Heizelemente
2: Kühlflüssigkeitsbohrlöcher
3: Wärmeisolationsplatte
4: Keramikrohr
5: Rippen
6: Thermoelemente
11: Heizelemente
12: Gießrohr
13: Rippen
14: Öffnung
15: Thermoelemente
Z1: erste Zone des Gießschuhs
Z2: zweite Zone des Gießschuhs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2018/210367 A2 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Bleigitterelektroden für Bleiakkumulatoren in einem kontinuierlichen Gießverfahren, umfassend ein Gießrad mit geprägter Bleigitterstruktur und einen Gießschuh, der auf dem Außenumfang des Gießrads ruht und das Blei in Richtung des Gießrads transportiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießschuh eine Zweizonen- oder Mehrzonengestalt aufweist, dass eine erste Zone (Z1) zum Füllen der geprägten Gitterstruktur des Gießrads über den Schmelzpunkt von Blei erwärmt ist und dass eine oder mehrere thermisch getrennte zweite Zonen (Z2) unter dem Schmelzpunkt von Blei gehalten werden, um eine Erstarrung des vorherigen geschmolzenen Bleis von der Schuhseite zu unterstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Zone (Z1) des Gießschuhs, die über den Schmelzpunkt von Blei erwärmt ist, in dem Bereich, in dem das Blei durchfließt, ein Keramikrohr (4) mit einer Öffnung eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Zone (Z1) des Gießschuhs, die über den Schmelzpunkt von Blei erwärmt ist, ein separates elektrisches Heizelement (1) in den Bereich des Blei transportierenden Rohrs (4) eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es keinen Bleifluss zurück durch die erste Zone (Z1), die über den Schmelzpunkt von Blei erwärmt ist, und anschließend zurück in einen Bleikessel gibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießschuhmaterial eine Invar-Legierung ist.