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Gewindeverbindung zwischen Stromzuleitungsstab und Graphitelektrodenplatte
Die Erfindung bezieht sich auf .eine verbesserte Verbindung zwischen Stromzuleitungsstab
und Graphitelektrodenplatte mittels einer neuen Gewindeart.
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In den meisten Zellentypen hat sich allmählich die mittels Stromzuleitungsstab
am Zellendeckel befestigte plattenförmige Graphitanode weitgehend durchgesetzt.
Die in steigendem Maße zur Chlorherstellung herangezogene horizontale Quecksilberzelle
basiert ausschließlich auf :dieser Anordnung.
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Infolge der ständigen Intensivierung des Elektrolyseprozesses - die
spezifische Belastung der Quecksilberzelle ist z. B. innerhalb der letzten IS Jahre
von 2500 A/m2 Anodenstromdichte auf 10 000 A/m2 gesteigert worden - haben sich zwangläufig
auch die an die Stromzuleitung gestellten Anforderungen beträchtlich erhöht.
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Die Stromzuleitung muß die hohen Ströme sicher, verlustlos und unter
möglichst geringem Spannungsabfall übertragen. Sie muß somit eine gute elektrische
Leitfähigkeit besitzen und den höchsten Strombelastungen, ja selbst Kurzschlußströmen
standhalten können, ohne dabei zu Schaden zu kommen. Das gleiche gilt für den Kontakt
zwischen Stromzuleitungsstab und Graphitelektrodenplatte. Sein Übergangswiderstand
sollte auch unter den schwierigsten Bedingungen, die in der Zelle vorherrschen,
extrem klein sein und absolut konstant bleiben. Der Kontakt muß selbstverständlich
die nötige mechanische Festigkeit zum Halten der Elektrode besitzen, darf jedoch,
insbesondere bei waagerecht angeordneten Graphitanodenplatten, nicht zu tief in
das Platteninnere hineinreichen, damit die Anode weit genug abgearbeitet werden
kann. Obendrein sollte die Verbindung unkompliziert sein. Der Stromzuleitungsstab
muß sich leicht und ohne zusätzlichen Aufwand mit der Graphitelektrodenplatte verbinden,
wie auch wieder von ihrem abgearbeiteten Rest trennen lassen und, was besonders
wichtig ist, wieder verwendbar sein.
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Als Stromzuleitung werden vorwiegend Graphitstäbe verwendet, die getrennt
von der Graphitelektrodenplatte hergestellt und mit dieser durch ein Gewinde verbunden
werden. Der Werkstoff Graphit weist neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit
eine ausreichende chemische Resistenz gegen den Zelleninhalt auf.
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Die bisher verwendeten Gewindeverbindungen mit ihren verschiedensten,
bekannten, .dem Apparate-und Maschinenbau entstammenden Gewindearten lassen jedoch
in kontakttechnischer Hinsicht noch stark zu wünschen übrig; standen doch bei der
Entwicklung und Konstruktion dieser Gewindetypen ganz andere Gesichtspunkte im Vordergrund.
Bei den bekannten Schraubverbindungen übersteigt der Kontaktwiderstand allein schon
deshalb das angestrebte Minimum, da ihre Außen- und Innengewinde beim Anziehen nie
in sämtlichen Punkten satt tragen und infolgedessen für die Stromleitung lediglich
Bruchteile der Gewindeoberfläche zur Verfügung stehen. Der Verlust an tragender
Kontaktfläche kann bei den üblichen Gewindearten wiederum kaum durch Anwendung besonders
hoher Vorspannungen ausgeglichen werden,, sind doch bekanntlich der Größe .des Anzugsmomentes
durch die Art des Gewindes und die mechanische Festigkeit des Graphits von vornherein
Grenzen gesetzt.
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Bei den bestrebungen, diesen Kontakt zu verbessern, wurde eine Gewindeverbindung
entwickelt, die den Eigenschaften des Werkstoffes Elektrographit Rechnung trägt
und die gleichzeitig allen Anforderungen dieses seines Anwendungsgebietes gerecht
wird.
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Die erfindungsgemäße Gewindeverbindung zwischen Stromzuleitungsstab
und Graphitelektrodenplatte ist in beispielsweiser Ausführung in A b b.1 der Zeichnung
dargestellt. Die Abbildung läßt erkennen, daß das vorgeschlagene Gewinde aus einem
Spitzgewinde heraus entwickelt wurde und neben einem leicht konischen Verlauf einen
außergewöhnlich großen Flankenwinkel sowie eine sich hieraus ergebende, sehr geringe
Dreieckshöhe des scharf ausgeschnittenen Profils aufweist.
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Unter den verschiedenen möglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Schraubverbindung sind vor allem die Abwandlungen zu bevorzugen, deren charakteristische
Gewindemerkmale innerhalb der nachfolgend angegebenen Grenzen liegen: Größe des
Flankenwinkels ...... von 120 bis 160° Konischer Gewindeverlauf-Größe des
halben Kegelwinkels von 1,5 bis 7,5°
Das Gewindeprofil sollte stets
scharf ausgeschnitten sein. Auf das übliche Spitzen- und Gewindespiel wird bei der
erfindungsgemäßen Schraubverbindung bewußt verzichtet.
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A b b. 2 zeigt einen Teil der erfindungsgemäßen Verbindung im vergrößerten
Maßstab. Das hier dargestellte symmetrische Gewindeprofil weist folgende Nennmaße
auf: Flankenwinkel ................. a = 150°
Steigung ......................
h = 1/e Zoll Höhe des scharf ausgeschnittenen Profils.... ................. t =
0,6 mm konischer Gewindeverlauf -Größedes halben Kegelwinkels ß = 3° Letztere Ausführungsform
hat sich als Kontakt bei hochstrombelasteten Anodenkompletten innerhalb der Quecksilberzelle
bereits ausgezeichnet bewährt.
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Die nachfolgenden Ergebnisse der Spannungsabfall- und Festigkeitsmessungen
beweisen eindeutig die überlegenheit der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung gegenüber
den bekannten Ausführungen.
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Die verwendeten Graphit-Stromzuleitungsstäbe besaßen einen Durchmesser
von 85 mm. Der Gewindedurchmesser, gemessen unmittelbar unter dem flachen Bund,
betrug immer 3 Zoll, die Zapfenlänge stets 30 mm. Die Stäbe wurden in die Platten
eingeschraubt und mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels mit steigenden Kräften bis
zur Bruchauslösung oder, wenn kein Bruch auftrat, bis maximal 40 mkg angezogen.
Nach jedem Anziehen wurden die Schraubverbindungen mit 300 A Gleichstrom beaufschlagt.
Die dabei an den Gewindeverbindungen auftretenden Spannungsabfälle wurden mit Hilfe
einer Meßsonde in vier Richtungen gemessen und gemittelt.
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Gewindeverbindung gemäß der Erfindung:
| Drehmoment Spannungsabfall |
| 5 mkg ................ 26 mV |
| 10 mkg ................ 20 mV |
| 15 mkg ................ 18 mV |
| 20 mkg ................ 16,5 mV |
| 25 mkg ................ 15 mV |
| 30 mkg ................ 14 mV |
| 35 mkg ................ 13,5 mV |
| 40 mkg ................ 13 mV |
Es waren hier keinerlei Brüche oder Gewindebeschädigungen zu verzeichnen. Obige
Spannungsabfallwerte beziehen sich allein auf die Gewindeverbindung; der Stabbund
kam bei einem Drehmoment von 40 mkg noch nicht zum Tragen.
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Whitworth-Gewindeverbindung 3" -1/¢:
| Drehmoment Spannungsabfall |
| 5 mkg .:.............. 39 mV |
| 10 mkg ................ 30 mV |
| 12,5 mkg ............... 28 mV |
| 15 mkg ................ 26 mV |
| 17,5 mkg ............... 24,5 mV |
| 20 mkg ................ Bruch |
Die Bruchdrehmomente lagen bei dieser Gewindeart zwischen 17,5 und 20 mkg. Der Stabbund
kam hier bereits bei einem Drehmoment von 10 mkg voll zum Tragen.
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Whitworth-Gewindeverbindung 3
' - 1/s:
| Drehmoment SpannungsabfatI |
| 5 mkg ................ 37 mV |
| 10 mkg ................ 29 mV |
| 12,5 mkg ............... 27,5 mV |
| 15 mkg ................ 25,5 mV |
| 17,5 mkg ............... Bruch |
Die Brüche traten hier bereits bei einem Drehmoment von 17,5 mkg -auf. Der Stabbund
kam zwischen 10 und 12,5 mkg zum Tragen.
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Vergleiche mit anderen bekannten Gewindearten, z. B. dem metrischen
Gewinde, dem Trapez- und Sägengewinde, lieferten ein gleiches Bild: Die Gewindeverbindungen
gemäß der Erfindung zeichneten sich stets durch höhere Bruchdrehmomente und wesentlich
geringere Spannungsabfälle aus.
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Das weit bessere Leitvermögen der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung
ist wie folgt zu erklären: Es wird hier zum ersten Male ein satter, inniger, spielfreier
Kontakt der gesamten Oberfläche des Innen- und Außengewindes erzielt. Im Bereich
größerer Drehmomente kommt es schließlich zu einem regelrechten »Ineinanderfließencc
der kontaktierten Graphitoberflächen, ohne daß dabei die Verbindung Schaden erleidet.
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Hieraus ergibt sich noch der wesentliche Vorteil; daß während der
Elektrolyse kein Elektrolyt durch die porösen Graphitanodenplatten an die Verbindungsstelle
gelangen kann. Damit ist im Falle der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung zum ersten
Male die wichtigste Bedingung . für die Konstanthaltung des übergangswiderstandes
erfüllt.
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Die gefürchteten Anfressungen der Graphit-Stromzuleitungsstäbe -in
Plattennähe, die durch die oft mangelhafte Kontaktierung der bekannten Konus-und
Schraubverbindungen verursacht werden, gehören dank der neuen Verbindung endgültig
der Vergangenheit an.
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Das weit bessere Leitvermögen und die hohe Festigkeit der erfindungsgemäßen
Gewindeverbindung ermöglichen schließlich eine beträchtliche Verringerung der bisherigen
Höhe der Kontaktzone. Waagerecht angeordnete Graphitanodenplatten mit weniger tiefen
Gewindeschachteln bieten folgende sehr wesentliche Vorteile: Sie lassen sich bis
zu einem geringeren Rest aufbrauchen - damit sinkt die Graphitverbrauchsziffer -,
sie können außerdem tiefer geschlitzt werden, wodurch der Spannungsverlauf der Elektrolysezelle
günstig beeinflußt wird.
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Selbst sehr stark angezogene, erfindungsgemäße Gewindeverbindungen
lassen sich jederzeit ohne Schwierigkeiten, und ohne Schaden zu nehmen, lösen. Dank
der neuen, völlig unempfindlichen Verbindungsart konnte die Lebensdauer der Graphit-Stromzuleitungsstäbe
im Vergleich zu früher beträchtlich erhöht werden.
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Das erfindungsgemäße Gewinde kann mit Hilfe der üblichen Bearbeitungsverfahren
leicht hergestellt werden.
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Zu den weiteren Anwendungsgebieten für die neue Gewindeart zählen
alle die Verbindungen zwischen Graphitteilen oder metallischen Leitern und Graphitkörpern,
die ein gutes elektrisches Leitvermögen sowie
eine sehr hohe mechanische
Festigkeit aufweisen müssen.