-
Mechanische und elektrische Verbindung zur stromleitenden Befestigung
von Kontaktstiften an vorgebrannten Kohleanoden für die Aluminium-Schmelzflußelektrolyse
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsvorrichtung zum Befestigen von Kontaktstiften
an Kohleanoden bei Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine lösbare Steckverbindung zwischen
Teilen nach Art der bekannten Kontaktstifte einerseits und der Kohleanode andererseits-
bei den herkömmlichen Elektrolysezellen zur Schmelzflußelektrolyse der Tonerde in,
Kryolithbädern zu schaffen, die einfach im Aufbau, zuverlässig im Kontakt und leicht
montierbar und lösbar sein soll.
-
Diese Aufgabe löst die erfindungsgemäße Verbindung dadurch, daß der
Kontaktstift und die zu dessen Aufnahme bestimmteBohrung beide einen Querschnitt
haben, der als Segment einer archimedischen Spirale ausgebildet ist. Dies wird nachstehend
ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt F i g. 1
einen horizontalen Querschnitt durch einen in der Anodenbohrung steckenden Kontaktstift,
F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch die Achse eines die Bohrung zur Aufnahme des
Kontaktstifts aufweisenden Blocks (bzw. Teils einer zusammengesetzten Blockanode),
F i g. 3 eine Draufsicht zu F i g. 2, mit eingeführtem Kontaktstift im Schnitt,
F i g. 4 und 5 den Querschnitt A -A zu F i g. 2, in zwei Ausführungsformen,
F i g. 6 in Vorderansicht eine zusammengesetzte Blockanode (vorgebrannte Kohlenanode),
wie sie üblicherweise bei Schmelzflußelektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium
Verwendung findbt, F i g. 7 einen vertikalen Schnitt längs VII-VII von Fig.6, F
i g. 8 eine Draufsicht der Anode nach F i g. 6 und 7, F i g. 9 und 10 eine abgeänderte
Ausführungsform in Vorderansicht und im Schnitt längs X-X in einer der F i g. 1
bzw. 2 analogen Darstellung, F i g. 11 und 12 eine weitere Variante in Vorderansicht
und im Schnitt XII-XII, analog F i g. 1 bzw. 2 darstellt.
-
Bei der elektrolytischen Reduktion des Aluminiums aus Aluminiumoxyd,
das in geschmolzenem Kryolith gelöst ist, sind die Stromschienen durch Kontaktstifte
mit den Kohleanoden verbunden. Der in der Anode steckende Stift ist in der Anode
in einer Bohrung derselben durch Gießen von geschmolzenem Eisen rund um den Stift
herum befestigt; die Stromschiene isst am Kontaktstift angeschraubt. Nacdem die
Anode im Betrieb abgebrannt ist, wird der Kontaktstift freigemacht und das Eisen
wird wiedergewannen und zu weiterem Gebrauch eingeschmolzen.
-
Dieses Verfahren führt, obgleich. es wirtschaftlich tragbar ist, oft
zu schlechtem elektrischem Kontakt zwischen Kontaktstift und Kohleanode, wodurch
übermäßige Widerstandsverluste än der Verbindungsstelle entstehen. Dies kommt daher,
daß um dien Kontaktstift herum das Gußeik-,,n beim Erstarren schrumpft und dann
einen umregelmäßigen Zwischenraum zwischen der Kohle und dem Metall der Verbindung
hinterläßt, mit entsprechend hohem und unregelmäßigem Spannungsabfall an der Kontaktstelle.
In manchen Anlagen sind daher die Kontaktstiftverbind'ungen mit Gußeisen durch eingeschraubte
Kontaktstifte ersetzt worden. Diese sind wirtschaftlich weniger vorteilhaft als
dir, Verbindungen mit Gußeisen, verringern jedoch wesentlich die Widerstandsverluste.
-
In letzter Zeit werden eingeschraubte Kontaktstifte für Anoden zur
Aluminiumherstellung praktisch nicht mehr verwendet, und die Industrie zog es wieder
vor, Verbindungen mit Gußeisen zu verwenden. Um einen besseren Kontakt zwischen
dem. Stift und der Kohle zu gewährleisten, wurde die Bohrung der Anode mit einem
Schraubengewinde mit 26,7 mm Steigung (drei Windungen auf eine Länge von 80 mm)
versehen, an Stelle der früher verwendeten glattwandigem Bohrungen.
Nachdem
der eiserne Kontaktstift gegossen und abgekühlt worden ist, wird er um einen gewissen
Winkel gedreht, bis die Vorderseite des Stiftes gegen den Boden der Anodenbohrung
anliegt. Auf diese Weise wird ein bedeutend verbesserter Durchschnittswert des Spannungsabfalls
zwischen dem Eisen des Kontaktstiftes und der Kohle der Anode erzielt.
-
Letztere Befestigungsmethode erfordert große Genauigkeit der Stiftabmessung
und der Dicke des Eisens zwischen dem Stahlstift und der Kohle und bedingt auch
Schwierigkeiten und Mehrkosten wegen der Notwendigkeit, in den Kohleanoden mit Gewinde
versehene Bohrungen herzustellen.
-
Die Erfindung überwindet die genannten Schranken und Schwierigkeiten,
schafft eine gute Verbindung zwischen Metall und Kohle, gewährt dabei einen gleichmäßiger
verteilten mechanischen Druck des Metalls auf die Kohle und veringert den Spannungsabfall
an der Kontaktstelle.
-
Wie bereits erwähnt, werden diese Verbesserungen erfindungsgemäß dadurch
erzielt, daß sowohl der Querschnitt der Anodenbohrung als auch der Querschnitt des
Kontaktstiftes (d. h. des stählernen Kontaktstiftes selbst oder des an denselben
angegossenen Kopfes aus Eisen) als Segment einer archimedischen Spirale ausgebildet
werden, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.
-
Wie bekannt ist die Gleichung einer archimedischen Spirale in Polarkoordinaten
wie folgt:
(Betriebshütte, 4. Auflage, Bd. 11, Berlin, 1954, S.594.) Die Gleichung stellt
den geometrischen Ort eines Punktes dar, der sich mit konstanter Geschwindigkeit
auf einer radialen Geraden bewegt, die mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Bei
einer archimedischen Spirale mit vielen Windungen ist die radiale Entfernung zwischen
jedem gegebenen Punkt einer Windung und der nächstfolgenden oder nächstvorhergehenden
Windung immer gleich a. Ein Punkt einer Windung sei mit der darauffolgenden Windung
durch eine radiale gerade Strecke verbunden, deren Länge gleich a ist. Betrachtet
man die sich so ergebende geometrische Figur, die zwischen dem radialen Segment
und den durch die äußeren Enden der Figur begrenzten Spiralteil eingeschlossen isst,
so zeigt die sich ergebende umschriebene Fläche die Umrisse eines Nokkens 1 (F i
g. 1) mit einem momentanen Rücklaufzahn bzw. einer radialen Nockenfläche z. Bei
der Darstellung der F i g. 1 ist a = 7,5 mm und (p zwischen 5.t 4-
0,6 und 7,-t -1- 0,6 Kreisgraden. Betrachtet man in derselben Spirale einen
anderen Teil, der in analoger Weise erhalten, aber von einem z. B. um einen oder
zwei Kreisgrade weiter vorgerückten Punkt der Spirale begonnen wird, so wird eine
ähnliche Figur erhalten, die jedoch eine größere Fläche einschließt. In F i g. 1
kann eine zweite Nockenfigur dadurch erhalten werden, daß der Wert qg zwischen
5 n +1,9 und 7 -r +1,9 Kreisgraden liegt. Wenn man die beiden so erhaltenen
Figuren übereinanderlegt, ergibt sich eine interessante Feststellung. Die beiden
Figuren können sich über einen großen Teil ihrer Flächen decken (in dem als Beispiel
genannten Fall decken sich die Windungen über eine Abwicklung, die 2 n -i- 1,3 Kreisgraden
entspricht); wenn jedoch die erste Figur über der zweiten gedreht wird, ist
eine deutliche Trennung der Abwicklung der beiden äußeren Windungen über die gesamte
Ausdehnung ihres Umfangs zu beobachten.
-
Nach vorliegender Erfindung wird nun das eben erläuterte Prinzip in
dem Sinne angewandt, daß ein Kontaktstift mit einem Querschnitt- hergestellt Wird,
der der kleineren der genannten Flächen 1 (F i g. 1) einer archimedischen Spirale
entspricht, und die Anodenbohrung einen Querschnitt erhält, der der größeren Fläche
3 (F i g. 1) derselben archimedischen Spirale entspricht, so daß durch einfaches
Drehen des Kontaktstiftes um seine Achse eine festsitzende Befestigung desselben
in der Bohrung über die gesamte Umfangsfläche erzielt und durch gegensinniges Drehen
wieder gelöst werden kann.
-
Auf diese Weise entsteht eine verläßliche schlüsselartige Verbindung
mit dem Vorteil, daß das Schließen und Lösen mit großer Geschwindigkeit vonstatten
geht und daß die sperrend aneinander angreifenden Flächen maximale Flächeninhalte
decken.
-
Um Gleichmäßigkeit des mechanischen Druckes zwischen Stahlstift bzw.
Gußeisenkopf desselben einerseits und Anodenkohle andererseits zu erzielen und die
Widerstandsverluste der Verbindung weiter herabzusetzen, ist es unter Umständen
vorzuziehen, der Bohrung eine leichte konische Gestalt zu geben, die sich von der
Basis nach oben zu verjüngt.
-
Die F i g. 2, 3, 4 und 5 zeigen ein Beispiel einer solchen Kohleanode.
Der Kohlekörper 4 der Anode ist oben mit einer Bohrung 5 versehen, die sich nach
oben verjüngt und deren Querschnitt eine in einem Abschnitt einer archimedischen
Spirale eingeschriebene geometrische Figur darstellt. Dieser Querschnitt kann einen
z. B. rechtwinkligen Absatz bilden, wie bei 6 in F i g. 4 gezeigt; oder der Absatz
kann z. B. stumpf abgeschrägt sein wie bei 7 in F i g. 5.
-
Um einen Kontaktstift an der Elektrode zu befestigen, wird das Ende
des Kontaktstiftes 8 (F i g.. 3) zuerst in die Bohrung 5 eingeführt, so daß er gemäß
F i g. 3 zentral angeordnet ist. Anschließend wird der Raum zwischen dem Stift 8
und der Hohlraumwand (Wand der Bohrung) mit Gußeisen angefüllt. Der Stift 8 muß
so in den Hohlraum der Bohrung gestellt werden, daß die Symmetrieachse 9 des Stiftes
einen gewissen Winkel a (F i g. 3) mit der Symmetrieachse 10 der Anode bildet.
Dieser Winkel a hängt von der Qualität des Gußeisens ab. Wenn der auf diese Weise
in die Bohrung gegossene Eisenkopf 11 des Kontaktstiftes 8 abgekühlt ist
(gegebenenfalls unter Verwendung eines Kühlmittels), wobei durch Schrumpfen des
Eisens ein Zwischenraum 12 (F i g. 1) zwischen Eisen und Kohle entsteht, wird der
Stahlstift 8 samt Eisenkopf Il gedreht, bis dieser Zwischenraum dank der beschriebenen
geometrischen Form des Eisenteils beseitigt ist und die gesamte Umfangsfläche des
Eisenteils (d. h. des angegossenen Kopfes 11 des Kontaktstiftes 8) dicht gegen die
Anodenkohle gedrückt wird. Der Drehungswinkel, der für dieses Festklemmen des Stiftes
bzw. des Kopfes desselben verwendet werden soll, soll gleich a sein, so daß die
Symmetrieachse des Kontaktstiftes mit der Symmetrieachse der Anode übereinstimmt.
Vorzugsweise wird z. B. ein Drehungswinkel von ungefähr 4° verwendet, wenn das verwendete
Gußeisen einen linearen Schrumpfungskoeffizienten von 0,010 während der Erstarrung
aufweist. Dieser Direhungswinkel wird etwas variieren, wenn Gußeisen verschiedener
Qualitäten zur Verwendung kommt. Die beschriebene Verbindungsart gewährleistet
auch
einen guten Kontakt zwischen der Grundfläche des Kontaktstiftes und dem Boden der
Bohrung, da die Bohrung der Anode ein Kegelstumpf mit der größeren Basis unten ist.
Folglich ergibt sich bei Drehung des Eisenkopfes des Kontaktstiftes eine senkrecht
abwärts gerichtete Komponente, wodurch die Grundfläche gegen den Boden der Bohrung
gepreßt und die Kontaktfläche vergrößert wird.
-
Die Abmessungen, insbesondere die Dicke der Gußeisenschicht zwischen
dem eigentlichen Kontaktstift und der Kohle sind nicht durch genaue Rechnungen vorgegeben;
je nachdem das Ausmaß, insbesondere die Dicke des Eisenteils größer oder kleiner
ist, wird der Drehungswinkel a größer oder kleiner. Im Vergleich zu geschraubten
Kontaktstift-Anode-Verbindungen entstehen weniger Schwierigkeiten bei der Bildung
einer Anode mit einer Bohrung mit S.piralquerschnitt und sich nach oben verjüngender
lichter Weite.
-
Wenn die Anode im Gebrauch im vorgesehenen Ausmaß abgebrannt ist,
wird das Gußeisen wieder gewonnen und kann eingeschmolzen werden, um neue Kontaktstiftköpfe
mit der eben beschriebenen Methode herzustellen. Die erfindungsgemäße Verbindung
beseitigt alle genannten Nachteile und Schwierigkeiten, die den bekannten Befestigungssystemen
anhaften.
-
Eine andere Ausführungsform der Erfindung, also einer spiralartigen
Verbindung zur mechanischen Halterung und zum elektrischen Anschluß einer Stromschiene
über einen Kontaktstift an eine Kohleanode, ergibt sich dadurch, daß der eingegossene
Gußeisenteil zwischen Kontaktstift und Kahlekörper der Anode entfällt (vgl. F i
g. 1). In diesem Fall hat das Ende des Kontaktstiftes selbst einen Kopf mit Querschnitt
gemäß einer archimedischen Spirale. Der Nockenzahn bzw. Absatz 2 des Stiftes 1 wird
lose vor den entsprechenden Zahn oder Absatz 13 der Kohleanode gesetzt, wodurch
der Stift (dank dem Spiel 12) mit Leichtigkeit in die Bohrung der Anode eingeschoben
werden kann. Danach wird durch eine geringfügige Drehung des Stiftes um seine Achse
relativ zum Kahleblock der Anode dieser Stift zwangläufig und gleichmäßig über die
ganze Wandfläche der Bohrung gegen diese Wandung gepreßt, wodurch ein Kontaktdruck
gewährleistet wird, der bei gegebenem Drehungswinkel mit der Größe der Spiralensteigung
(radiale Höhe des Absatzes 2 bzw. 13) ansteigt.
-
Die Anode einer Elektrolysezelle kann z. B. aus fertigen Kohleblöcken
bestehen, die jeweils mit einer Reihe paralleler Bohrungen versehen sind, deren
Querschnitte, wie oben beschrieben, archimedischen Spiralen entsprechen. Eine solche
aus Blöcken zusammengesetzte Anode ist in den F i g. 6 bis 8 bzw. 9 und 10 bzw.
11 und 12 gezeigt. In den dargestellten Fällen besteht die Anode aus drei horizontalen
Schichten von je vier Blöcken, die mit 1, 1I, III und IV bezeichnet sind (F i g.
8). Jeder Block hat zwei parallele Bohrungen (bei den Ausführungsformen F i g. 6
bis 8 und 9 und 10) mit spiraligem Querschnitt (vgl. F i g. 1 sowie 4 und 5). Diese
Bohrungen laufen durch den Block senkrecht in bezug auf die Arbeitsstellung der
Anode gemäß F i g. 6 bis 7 und 9 bis 10. Die Blöcke werden miteinander zu Paketen
verbunden und das gesamte Blockpaket wird durch Klemmschuhe 14 gehalten, die über
ein Gestänge 15 am Querbalken 16 hängen. Den Kohleblöcken I, 11, III und IV wird
elektrischer Strom über die Kontaktstifte 17 zugeführt, deren Querschnitt im Umfang
ein Stück einer archimedischen Spirale bildet und dem Spiralquerschnitt der betreffenden
Bohrungen in der erläuterten Weise entspricht. Die Anschlußklemmen 18 werden am
Oberteil der Kontaktstifte 17 durch Schraubenbolzen 19 befestigt. Der elektrische
Strom geht von der Stromschiene 20 durch die biegsamen Kabelglieder 21, die Anschlußklemmen
18 und die Kontaktstifte 17 zum Anodenpaket. Die im Querschnitt spiraligen Kontaktstifte
17 gewährleisten eine gute mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Blöcken
des Anodenpakets sowie eine gute elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften
und den Blöcken bzw. dem Anodenpaket. Diese gute mechanische und elektrische Verbindung
beruht also darauf, daß die Kontaktstifte, wenn sie einmal in Kontakt mit den Anodenbohrungen
gebracht worden sind, mit den Wänden dieser Bohrungen praktisch über ihren ganzen
Umfang und in ihrer ganzen axialen Ausdehnung in Berührung stehen und auf diese
Weise die, mechanischen Kräfte sowie den elektrischen Stromübergang über eine größtmögliche
Fläche verteilen. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Blöcken läßt
sich dadurch verbessern, daß zwischen die Kontaktstifte und die Wandungen der Bohrungen
eine elektrisch leitende Paste eingebracht wird, die ausschließlich als Leitungsvermittler
dient. Wenn die unterste Schicht der Kohleblöcke abgebrannt ist, wird der Stapel
durch eine von oben aufgebrachte neue Schicht von Blöcken ergänzt. Zu diesem Zweck
werden die Klemmen 18 durch Ausschrauben der Bolzen 19 gelöst, und die Kontaktstifte
17 werden aus den Blöcken des Stapels herausgezogen. Nach Aufsetzen der neuen Schicht
von Blöcken auf den Stapel werden die Kontaktstifte wieder eingeführt und gedreht,
und die Klemmen 18 werden anschließend mit den oberen Enden der Kontaktstifte 17
verbunden (F i g. 6 und 7).
-
Eine abgeänderte Ausführungsform zeigen die F i g. 9 und 10, wo der
stromleätende Kontaktstift auch einen Teil der mechanischen Aufhängung des Anodenpakets
bildet. Die auch in den F i g. 9 und 10 mit 17 bezeichneten Kontaktstifte erstrecken
sich nach oben über die stützende Stromschiene 20 hinaus und sind mit dieser durch
Klemmen 22 befestigt.
-
In der weiteren in F i g. 11 und 12 gezeigten Ausführungsform werden
die Kontaktstifte 17 in die Anodenblöcke seitlich eingeführt und zwar in einem Winkel
zur Senkrechten. In sonstiger Hinsicht entspricht diese Ausführungsform der oben
mit Bezug auf F i g. 6 und 7 beschriebenen.
-
Der Erfindungsgegenstand kann sinngemäß auch andere analoge Anwendungen
finden, z. B. nicht nur auf Anoden, sondern auch auf Elektroden überhaupt.