DE1265355B

DE1265355B - Verfahren zum Herstellen einer Anschlusskappe aus Metall fuer Hartstoffelektroden, insbesondere von Aluminiumreduktionszellen

Info

Publication number: DE1265355B
Application number: DEB67766A
Authority: DE
Inventors: Leslie Titus
Original assignee: British Aluminum Co Ltd
Current assignee: British Aluminum Co Ltd
Priority date: 1962-06-22
Filing date: 1962-06-22
Publication date: 1968-04-04

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B22d

Deutsche Kl.: 31 b2-19/00

Nummer: 1265 355

Aktenzeichen: B 67766 VI a/31 b2

Anmeldetag: 22. Juni 1962

Auslegetag: 4. April 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Anschlußkappe aus Metall für Hartstoffelektroden, insbesondere von Aluminiumreduktionszellen.

Hartstoffelemente finden zunehmende Verwendung als Stromleiterelemente, z. B. als Kathoden in Aluminiumreduktionszellen. Hartstoffelemente oder -stangen, die als Stromleiterelemente in Aluminiumreduktionszellen verwendet werden, benötigen eine Anschlußkappe oder eine andere geeignete Verbindungseinrichtung, an die der elektrische Anschluß der Stromführungsschienen angelegt wird. Die Kappe muß so mit dem metallischen Hartstoff verbunden sein, daß der elektrische Widerstand gering, die mechanische Festigkeit aber groß ist.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung einer Anschlußkappe für einen Hartstoffkörper unter Verwendung eines elektrisch leitenden Metalls, beispielsweise Aluminium, vorgeschlagen worden, aber in der Praxis haben diese Verfahren hinsichtlich der Verbindung des elektrisch leitenden Metalls mit der Hartstoffstange nicht befriedigt, die Lebensdauer solcher Verbindungen war im Betrieb außerordentlich gering. Oft fand überhaupt keine Verbindung oder nur eine unvollständige Verbindung statt, oder die Verbindungen waren mechanisch schwach und zeigten eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Anschlußkappe aus einem elektrisch leitenden Metall, wie Aluminium, Kupfer oder Eisen, für Hartstoffelektroden, welche überlegene mechanische und elektrische Eigenschaften besitzt.

Erreicht wird das dadurch, daß das Metall bei seiner Benetzungstemperatur an den Hartstoffkörper angegossen wird.

Das Metall kann auch Zusätze anderer Elemente enthalten, die die Herstellung der Kappenverbindung und/oder die Verwendung des mit der Kappe versehenen Körpers in einer Aluminiumreduktionszelle nicht nachteilig beeinflussen.

Dabei wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn das Ende des Hartstoffkörpers, an den die Anschlußkappe angegossen wird, zusammen mit dem Metall der Anschlußkappe auf Benetzungstemperatur erhitzt wird. Vorzugsweise erfolgt die Erhitzung des Hartstoffkörpers und des die Anschlußkappe bildenden Metalls in einer inerten Gasatmosphäre.

Die bevorzugten Hartstoffe, welche zur Durchführung der Erfindung verwandt werden, sind die Karbide und Boride des Titans, Tantals, Niobs und Zirkons und Gemische aus diesen mit oder ohne Zusätze.

Verfahren zum Herstellen einer Anschlußkappe
aus Metall für Hartstoffelektroden, insbesondere von Aluminiumreduktionszellen

Anmelder:

The British Aluminium Company Limited,

London

Vertreter:

Dipl.-Chem. W. Rücker, Patentanwalt,

3000 Hannover, Am Klagesmarkt 10-11

Als Erfinder benannt:

Leslie Titus, Campbell, Calif. (V. St. A.)

Es wurde gefunden, daß beim Angießen des Metalls an den Hartstoffkörper bei hohen Temperaturen oberhalb einer kritischen Minimaltemperatur ohne ein Flußmittel die Konsistenz und die Qualität der Benetzung und der intermetallischen Bindung zwischen der Anschlußkappe und dem Hartstoffkörper beträchtlich erhöht ist und sich eine Kappenverbindung ergibt, die die gesamte Lebensdauer der Hartstoffelektrode durchsteht.

Die Temperatur des Anschlußkappenmetalls muß beim Gießen zwischen verhältnismäßig engen Grenzen gehalten werden und ist für eine erfolgreiche Operation im Sinn des erfindungsgemäßen Verfahrens kritisch. Die kritischen Temperaturgrenzen verändern sich entsprechend dem verwendeten Kappenmetall. Zum Beispiel erfolgt bei Temperaturen unter 1300⁰C keine vollständige Benetzung eines Hartstoffkörpers unter normalen Bedingungen, wenn Aluminiummetall verwendet wird, und unter 1200⁰C tritt praktisch gar keine Benetzung ein. Bei Temperaturen über 1500⁰C reagiert das Aluminium mit dem Graphit der Form. Im Bereich von 1250 bis 1500⁰C und insbesondere zwischen 1300 und 1500⁰C ist die Gewißheit für eine vollständige Benetzung sehr groß, obgleich, wie oben ausgeführt, einige Verbindungen auch bei tieferen Temperaturen oberhalb 1200⁰C erhalten werden können, wenn längere Haltezeiten verwendet werden. Um jedoch eine verhältnismäßig schnelle und vollständige Benetzung zu gewährleisten, sollten Temperaturen über 1300⁰C verwendet werden. Bei 125O⁰C erhält man eine ziemlich feste Verbindung, aber die Benetzung erfolgt nur stellenweise. Die obere Grenze wird durch

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das Formenmaterial bestimmt, und die höchste Temperatur sollte so liegen, daß keine merkliche Reaktion zwischen der Form und dem geschmolzenen Metall, welches zur Herstellung der Kappe verwendet wird, eintritt.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels erläutert, das auch dazu dient, den großen technischen Fortschritt der erhaltenen Produkte zu offenbaren.

Eine Stange aus Titandiborid (TiB₂) mit einem Durchmesser von etwa 7,5 cm wird in eine Form gebracht, auf die auch die Form für die Kappe aufgesetzt ist, und beide sind in einem Ofen untergebracht. Sodann werden Aluminiumstücke für die Anschlußkappe von etwa 2,5 cm Stärke von oben in die Form auf die Stange gegeben. Der Ofen wird mit einem Graphitdeckel verschlossen, ein Argongasstrom langsam hindurchgeleitet und auf Temperaturen zwischen 1400 und 1450° C geheizt. Der Anstieg der Temperatur soll in 70 bis 90 Minuten erfolgen. Nachdem 1450° C erreicht sind, wird abgeschaltet. Hat sich der Ofen auf etwa 800° C abgekühlt, wird die Form herausgenommen und in einen Kühlofen hineingesetzt.

Mikrographische Untersuchungen der Grenzflächen zeigten, daß die Anschlußkappen kein TiAl₃ intergranular etwa 1 mm von der Grenzfläche entfernt im Aluminium aufwiesen. Eine derartige TiAJ₃-Bildung würde das Aluminium brüchig machen und eine Zerstörung bei hohen Temperaturen und Druck hervorrufen. Wenn die Aufbringung der Kappe bei einer Temperatur zwischen 1300 und 1500° C gemäß der vorliegenden Erfindung stattfindet, bilden sich sekundäre Phasen aus der Aluminiumschmelze, und zwar deshalb, weil das Wachstum der Kristallite über eine größere Zeitspanne vor der Erstarrung stattfindet. Eine Ausscheidung von TiAl₃ an den Korngrenzen tritt kaum oder gar nicht bei hohen Kappentemperaturen in Erscheinung, und demgemäß wird die Tendenz zur

ίο Bildung großer Risse verringert und/oder vollständig beseitigt. Beim Gießen der Kappe bei hoher Temperatur sind intermetallische Verbindungen als gut geformte winklige Kristallite vorhanden, die in der Länge 20 Mikrometer übersteigen.

Das zur Herstellung der Anschlußkappe verwandte Aluminiummetall besaß einen Aluminiumanteil von 99 Gewichtsprozent und mehr. Es wurde auch Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,45 Gewichtsprozent und von 99,99 Gewichtsprozent verwendet.

Das Anschlußkappenmetall zeigte eine gute Benetzung des Hartstoffkörpers.

Bei der Maximaltemperatur von 1200° C findet an den Seiten des Hartstoffkörpers nur eine schlechte Benetzung und nahezu gar keine Benetzung am oberen Ende statt.

Weitere verwendbare Kappenmaterialien und Verarbeitungstemperaturen sind in der nachfolgenden Tabelle enthalten.

Material	Temperaturen (⁰C)	Bemerkungen
Kupfer i Eisen, Stahl und Stahllegierungen	1600 1660 1850 1575 ± 25 1890	keine Benetzung etwa 20°/₀ Benetzung vollständige Benetzung vollständige Benetzung, sehr innige Verbindung mit Hartstoffstange starke Reaktion mit Kohlenstofform und Stangen material

Bei allen nach dem Verfahren hergestellten Anschlußkappen auf den Hartstoffstangen zeigten die Verbindungen ausgezeichnete mechanische Festigkeit und überlegene elektrische Leitfähigkeit.

Unter den Bedingungen der Aluminiumreduktionszelle erwiesen sich die nach der Erfindung hergestellten Kappen als hervorragend. An keiner Kappe zeigten sich irgendwelche Fehler, die auf Beeinträchtigungen der Qualität an der Metall-Hartstoff-Verbindung zurückzuführen gewesen wären. Die einzigen Fehler, die auftraten, bezogen sich auf Aluminiumkappen, wenn diese abnormen Umwelteinflüssen, z. B. sehr hohen Badtemperaturen und großen Strömen, ausgesetzt waren.

Die Verbindung zwischen Anschlußkappe und der Hartstoffstange ist so gut, daß die Verbindung nun genauso lange hält wie die Stange selbst.

Die Anschlußkappe kann außer wie oben beschrieben auch dadurch hergestellt werden, daß das Anschlußkappenmetall zunächst geschmolzen und dann auf den erhitzten Hartstoffkörper gegossen wird.

In der Praxis müssen die Anschlußkappen an Stäben befestigt werden, um sie mit den Stromschienen zu verbinden, die den Strom für die Reduktionszelle zuführen. Ein Weg, der sich als ganz wirksam und billig herausgestellt hat, besteht im Angießen an die Stäbe, wenn die Kappen abkühlen. Das kann routinemäßig gleichzeitig mit dem Angießen der Kappe an den Hartstoffkörper geschehen, ehe sich das Kappenmaterial verfestigt.

Elektrische Messungen des Spannungsabfalls mit einem Strom von 700A an der Verbindungsstelle zwischen Anschlußkappe und Hartstoffkörper haben gezeigt, daß kein merklicher Widerstand vorhanden ist. Das zeigt auch, daß eine vollständige oder eine im wesentlichen vollständige Benetzung zwischen dem Hartstoffkörper und der Anschlußkappe stattfindet.

Claims

Patentansprüche:

Verfahren zum Herstellen einer Anschlußkappe aus Metall für Hartstoffelektroden, insbesondere von Aluminiumreduktionszellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall bei seiner Benetzungstemperatur an den Hartstoffkörper angegossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Hartstoffkörpers, an

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den die Anschlußkappe angegossen wird, zusam- Temperatur in der Größenordnung von 800⁰C

men mit dem Metall der Anschlußkappe auf Be- abkühlen gelassen wird, worauf Überführung in

netzungstemperatur erhitzt wird. einen Kühlofen erfolgt, in dem die Abkühlung so
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch geleitet wird, daß die Abkühlung des Endes der gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Hartstoff- 5 angegossenen Anschlußkappe relativ zu dem Teil, körpers und des die Anschlußkappe bildenden der dem Ende des Hartstoffkörpers benachbart Metalls in einer inerten Gasatmosphäre durch- liegt, verzögert wird.

geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch In Betracht gezogene Druckschriften:
gekennzeichnet, daß nach Angießen der metalli- io Deutsche Patentschriften Nr. 705 738, 910 240;
sehen Anschlußkappe der Hartstoffkörper auf eine »Konstruktion«, 7 (1955), H. 11, S. 419.

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