DE1640272B2 - Elektrische Verbindung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten - Google Patents

Description

mm

bei 20 bis 100⁰C und der Kohlekörper einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Querrichtung von etwa

36 · 10

Ι-Ϊ

mm
mm

⁰C

bei 20 bis 100⁰C besitzt

11. Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung und die Stahlstange zylindrisch ausgebildet sind und daß das Spiel bei Raumtemperatur zwischen etwa 0,5°/₀ und etwa 1,2 °/₀ des Nenndurchmessers der Stahlstange liegt.

12. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element aus einem Graphitkörper mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Querrichtung von etwa

₂₅

2E?_
mm

bei 20 bis IUO⁰C und das zweite Element aus einer Stahlstange mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa

125 · 10-

mm

mm

bei 20 bis 100⁼C besteht.

13. Verbindung nach An.pnjch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung und die Stahlstange zylindrisch sind und daß das Spiel bei Raumtemperatur zwischen etwa 0,6 °/o ^und etwa 1.3°/_odes Nenndurchmessers der Stahlstange liegt.

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
deren Betriebstemperatur einen anderen Wert besitzt als diejenige Temperatur, bei welcher die Elemente zusammengesetzt werden, so daß zwischen den Elementen eine unterschiedliche Ausdehnung auftritt. Bei dieser elektrischen Verbindung weist das eine leitfähige Element eine Ausnehmung auf, in die ein Teil des zweiten Elements bei Zusammensetz-Temperatur mit einem vorbestimmten Spiel der Länge nach eingesetzt ist.

Bei elektrischen Verbindungen zwischen metallischen Sammelschienen und der Kathode etwa einer Aluminiumzelle, die als konkretes Anwendungsfeld der Erfindung im Vordergrund stand, wurde bisher nach verschiedenen Verfahren vorgegangen, von denen sich jedoch keines als sehr zufriedenstellend erwiesen hat. Dies war einerseits darauf zurückzuführen, daß diese Verbindungen in ihrer konstruktiven Ausgestaltung relativ kompliziert waren und beim Zusammenbau ein beträchtliches Ausmaß an maschineller Bearbeitung sowie zahlreiche Arbeitsgänge erforderten. Andererseits beruhen diese Schwierigkeiten aber auch auf zu

hohen Spannungsabfällen über der Verbindung im weise Verwendung von vergleichsweise billigem niedrig-

Betrieb der Aluminiumzelle sowie auf anderen, hier gekohlten Stahl für die Sammelschienen und gewähr-

nicht näher zu untersuchenden Gründen. leistet außerdem einen guten elektrischen Kontakt

Der Erfindung liegt damit allgemein die Aufgabe zwischen den vorzugsweise verwendeten Stahl-Sammel-

zugrunde, eine elektrische Verbindung zwischen zwei 5 schienen und der Kathode und somit einen niedrigen

elektrischen leitenden Elementen oder Teilen mit Spannungsabfall über die Verbindung und folglich

unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu auch einen niedrigen Gesamt-Spannungsabfall aller

schaffen, die sich bei einfacher konstruktiver Gestal- Verbindungen bzw. der ganzen Zelle bei deren Betrieb,

tung leicht herstellen läßt und bei der im Betrieb Die Erfindung läßt sich auf verschiedene Weise ver-

keine Widerstandserhöhung bzw. Erhöhung des Span- xo wirklichen. Beispielsweise kann ein Teil aus einem

nungsabfalls über die Verbindung auf Grund von Ver- elektrisch leitfähigen Element, wie niedriggekohltem

formung oder Rißbildung durch unterschiedliche Stahl, etwa des Typs SAE-AISI Trade Designation

Wärmeausdehnung auftritt. 1020, in Form eines Bolzens bzw. einer Stange be- Die Erfindung ist bei einer elektrischen Verbindung stehen, welcher bzw. welch? in eine im Ende des

der eingangs genannten Gattung dadurch gekenn- 15 anderen leitfähigen Elements, beispielsweise eines

zeichnet, daß die im einen Element ausgebildete Aus- Kathodenblocks, vorgesehene Ausnehmung oder Boh-

nehmung und der eingesetzte Teil des zweiten leit· rung eingepaßt ist, die um ein bestimmtes Maß größer

fähigen Elements glatte Oberflächen besitzen und daß ausgebildet ist als der in sie einzuführende Leiter bzw.

das vorbestimmte Spiel bei Änderung der Temperatur Stahlbolzen. Typische! ..eise und vorzugsweise be-

der Verbindung auf Betriebstemp.ratur eine unter- 20 sitzen diese Ausnehmung ozw. Bohrung sowie der

schiedliche Quei ausdehnung zwischen den beiden einzuführende Stahlbolzen beide zylindrischen Quer-

Elementen zuläßt, daß das vorbestimmte Spiel derart schnitt. Der das vorbestimmte Spiel bestimmende

gewählt ist, daß die beiden Elemente bei Änderung Größen- bzw. Durchmebscrun'erschied ermöglicht

der Temperatur der Verbindung von ihkwT Zusammen- einen sehr einfachen Zusammenbau der Verbindung

setz- auf ihrer Betriebstemperatur in festen Kontakt as mit der Kathode und läßt außerdem eine unterschied-

miteinander gebracht werden, und daß bei Betriebs- liehe Ausdehnung zwischen den beiden zusammen-

temperatur kein rennenswerter Anstieg des elektrischen gesetzten elektrisch leitfälvgen Elementen zu, wenn der

Widerstands der Verbindung auftritt Tiegel von Raumtemperatur auf seine Betriebstempe-

Die erfindungsgemäße elektrische Verbindung be- ratur, die typischerweise im Bereich von etwa 950 C

steht also im wesentlichen darin, daß im einen leit- 30 liegt, erwärmt .'ird. Das vorbestimmte Spiel ist so

fähigen Element eine Bohrung vorgesehen ist, in die bemessen, daß es einerseits so klein ist, daß die beiden

ein Teil des anderen leitfähigen Elements bei Zusam- leitfähigen Elemente bei Annäherung der Verbindung

mcnsetz-Temperatur mit einem vorbestimmten Spiel an die Betriebstemperatur der Aluminiumzelle in

eingepaßt ist, welches eine unterschiedliche Ausdehnung innige Berührung miteinander gebracht werden, aber

zwischen dem eingesetzten elektrisch leitfähigen EIe- 35 andererseits nicht so klein ist, daß die durch die

ment und dem anderen leitfähigen Element zuläßt, unterschiedliche Wärmeausdehnung, d. h. die größere

wenn sich die Temperatur der Verbindung auf die Ausdehnung des eingesetzten Stahlelements gegenüber

Betriebstemperatur ändert. Dieses »vorbestimmte« der des aufnehmenden leitfähigen Kathodenelements,

Spiel ist einerseits so klein, daß die beiden elektrisch im Kohlekörper hervorgerufene Spannung ein Reißen

leitfähigen Elemente bei Änderung der Temperatur 40 des Kohlekörpers oder anderweitig einen beträcht-

der Verbindung von ihrer Zusammensetz-Temperatur liehen Anstieg des elektrischen Widerstands der Ver-

auf ihre Betriebstemperatur m innigen Kontakt mit- bindung hervorruft, da ein solches »Reißen«, wenn es

einander gebracht werden, aber andererseits nicht so in entsprechend großem Ausmaß auftritt, den innigen

klein, daß die in einem der leitfähigen Elemente durch Kontakt zwischen den beiden Verbindungselementen

die unterschiedliche Ausdehnung hervorgerufenen 45 zerstören und hierdurch zu einer beträchtlichen Erhö-

Spannungen Erscheinungen auftreten lassen, welche hung des elektrischen Widerstands der Verbindung

zu einem beträciitlichen Anstieg des elektrischen führen !tonnte.

Widerstands der Verbindung führen. Eine genauere Bei der »Gebrauchs-« bzw. Betriebstemperatur ist

Erläuterung dieses besonderen Merkmals der elektri- der elektrische Kontakt der Verbindung zwischen den

sch.»n Verbindung erfolgi an einer späteren Stelle. 50 beiden elektrisch leitfähigen Elementen, d. h. zwischen

Die Erfindung eignet sich insbesondeie in Anwi 1- dem Stahlbolzen und dem Kathodenblock, sehr gut, dung auf die elektrische Verbindung zwischen einer weshalb an jedem einzelnen \erbindungenpunkt nur Metall-, beispielsweise einer Stahlstange und einem ein minimaler Spannungsabfall bzw. -verlust und Kohlekörpe^r. Solche elektrischen Verbindungen sind infolgedessen auch nur ein minimaler Gesamt-Spanhäufig im Betrieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt, 55 nungs.bfall aller dieser Verbindungen einer Zelle beispielsweise bei der erwähnten elektrischen Verbin- auftritt.

dung mit der Kathode einer Aluminiumzelle oder Die folgenden Versuchsberichte unterstreichen die

eines Aluminium-Reduktionstiegels. Die Erfindung praktische Anwendbarkeit und die Wirksamkeit der

bezieht sich keinesfalls auf dieses eine Anwendungs- erfindungsgemäßen Verbindungen. Bei diesen Ver-

feld, sondern auf eine Vielzahl solcher unterschiedlichen 60 suchen wurden mehrere Stahl-Graphit-Sammelschie-

Erwärmungsgraden ausgesetzten Verbindungen, wie sie nenverbindungen unter Verwendung von geraden

etwa zwischen metallischen Sammelschienen und der zylindrischen Stahlbolzen und geraden zylindrischen.

Kathode einer Aluminiumzelle eingesetzt werden. in das Graphit eingearbeiteten Ausnehmungen bzw,

Die erfindungsgemäße elektrische Verbindung er- Bohrungen hergestellt. Die Bauteile wurden hierbei se

möglicht aber ^:;\sbesondere auch einen schnellen und 65 ausgebildet, daß sich bei Raumtemperatur ein Zwi-

kostensparenden Einbau der Auskleidung eines Alu- schenraum bzw. Spiel zwischen dem Stahl und derr

miniumzellentiegels, vermindert die kostspieligen ma- Graphit ergab. Dieses Spiel wurde so gewählt, daC

schinellen Bearbeitungsgänge, ermöglicht die Vorzugs- bei der Betriebstemperatur eines Aluminiumtiegel:

von etwa 900 bis 950⁰C ein inniger Kontakt solcher zurufen; ein solches Reißen könnte zu einem beträcht-Größe hervorgerufen wurde, daß ein guter elektrischer liehen Anstieg des elektrischen Widerstands der VerKontakt zwischen dem Stahl und dem Graphit ge- bindung infolge einer Minderung der Kontaktkraft währleistet und gleichzeitig ein Reißen des Graphit- zwischen den Verbindungselementen führen. Die gekörpers verhindert wurde. Diese Vergehe zeigten, 5 nannten Widerstände und mithin die angegebenen daß elektrische Verbindungen dieser Art sehr zu- Spiele werden für den praktischen Betrieb einer friedenstellend in Anwendung auf Aluminiumzellen Aluminiumzellenanlage als günstig und sehr vorteilzu arbeiten vermögen. Wie erwähnt, können elektri- haft betrachtet. Außerhalb des genannten Bereichs sehe Verbindungen der vorstehend beschriebenen Art von 0,53 bis 0,68 mm liegende Spiele bei einem Stahljedoch auch in beliebigen anderen Anwendungsfällen io bolzen von 63,5 mm Durchmesser wurden ebenfalls und bei anderen Temperaturen als den bei Aluminium- untersucht, bevor dieser betrieblich günstige und sehr zellen auftretenden und unter Verwendung anderer zufriedenstellende Bereich festgelegt worden war, elektrisch leitfähiger Elemente als solcher aus Stahl wobei es sich zeigte, daß Spiele zwischen etwa 0,38 mm und Graphit angewandt werden. und etwa 0,84 mm allgemein anwendbar sind. Es ist

Bei diesen Versuchen wurde unter Verwendung von 15 jedoch zu beachten, daß die Größe des anzuwendenden niedriggekohlten Stahlbolzen bzw. -stangen von 63,5 Spiels eine Funktion der physikalischen Eigenschaften und 114 mm Nenndurchmesser ein bestimmter Bereich des Graphitkörpers, beispielsweise seines thermischen von Spielgrößen bei Raumtemperatur untersucht, wo- Ausdehnungskoeffizienten, seiner Dichte, Festigkeit, bei auch bevorzugte Mindest- und Höchst-Spiele für seiner Abmessungen usw. ist. Bei Spielen von weniger als jeden dieser Bolzen bestimmt wurden. Diese Versuche ao 0,38 mm tritt für gewöhnlich ein Reißen des Graphitwurden durchgeführt, um erstens die elektrischen körpers auf, während Spiele von mehr als 0,84 mm Eigenschaften und zweitens die mechanische Vertrag- typischerweise in der Praxis unannehmbar hohe Wilichkeit der Verbindung festzustellen. Aus diesem derstände ergeben, was nicht auf ein Reißen des Grund wurden die zusammengesetzten Bauteile in Graphitkörpers, sondern auf den unzureichend festen einem Schmelzofen geprüft, wobei Gleichstromzu- 25 Kontakt zurückzuführen ist, der zwischen dem Stahlleitungen am Ende der Stahlstange und am hinteren bolzen und dem Graphitkörper erzeugt wird. Die vor-Ende des Graphitblocks angeschlossen wurden. genannten Spiele von etwa 0,38 bis 0,84 mm entspre-Weiterhin wurden in regelmäßigen Abständen über chen etwa 0,6 bis 1,3 °/_c des Nenndurchmessers der die Länge der Anordnung verteilt spannungsführende Stahlstange, wobei dieses mathematische Verhältnis Leitungen und Thermoelemente angeordnet, wobei 30 der Spiele beispielhaft für diejenigen Spiele ist, die der Widerstand nach dem Voltmeter-Amperemeter- erfindungsgemäß bei der Herstellung von elektrischen Verfahren bestimmt wurde. Diese Messungen wurden Verbindungen unter Verwendung von zylindrischen vorgenommen, während die Anordnung von Raum- Stahlbolzen bei Graphitkörpern angewandt werden temperatur auf 1000 ° C erwärmt wurde. Die Spannungs- können. Der Ausdruck »Nenndurchmesser« bezeichnet ablesungen wurden zwecks Ausgleichs von etwaigen 35 den Durchmesser bzw. die Stärke, unter welchem bzw. thermischen elektromotorischen Kräften mit in beiden welcher die Stahlstange in den Handbüchern oder ^■chtungen fließendem Strom vorgenommen. Katalogen für Halbfabrikate, wie kaltgewalzte Stahl-

Die Zeichnungen dienen zur Veranschaulichung der stangen oder spitzenlos geschliffene Stahlstangen, aufErfindung. F i g. 1 veranschaulicht schematisch die geführt ist.

vorstehend beschriebene Prüf- und Meßanordnung, 40 Die physikalischen Abmessungen der Bauteile sowie wie sie für die Durchführung der meisten Versuche die Anordnung der spannungführenden Leitungen bei der Erfindung verwendet wurde. Außerdem zeigt zum Prüfen von Stahlbolzen von etwa 114 mm Durchdiese Figur die physikalischen Abmessungen sowie die messer, die etwa 457 mm weit in den Graphitkörper Lage der spannungsführenden Leitungen 1, 2, 3, 4 und hineinragen, sind in F i g. 3 dargestellt. Hierbei wurde 5 für die Prüfung der 63,5 mm Durchmesser besitzen- 45 dasselbe Prüfverfahren angewandt wie für den dünden Stange bzw. Bolzen aus niedriggekohltem Stahl. neren Stahlbolzen, nur mit dem Unterschied, daß bei Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung ragt die der Widerstandsmessung der Prüfpunkt 3 an Stelle Stahlstange etwa 305 mm weit in den 150 · 150 mm des Prüfpunkts 2 benutzt wurde. Die Prüfdaten von großen Querschnitt des Graphitkörpers hinein. Selbst- Anordnungen mit einem Spiel im Bereich von etwa verständlich erstreckt sieb nur ein Teil der Länge der 5° 0,94 bis 1,12 mm, die sich bei der angegebenen Stahl-Stahlstange in den Graphitkörper hinein, da ihr eines bolzengröße für die Verwendung in Aluminiumzellen Ende für den Anschluß an die Stromquelle frei sein als brauchbar und sehr zufriedenstellend erwiesen muß, wie dies auch beim Aluminiumzellen-Sammel- haben, sind in F i g. 4 angegeben. Die genannten Schienenanschluß der Fall ist. Spiele ergeben bei den 114 mm starken Stahlstangen

In Fig. 2 ist der Widerstand zwischen den span- 55 bei einer Temperatur von 900⁰C einen Widerstands-

nungführenden Leitungen 1 und 2 gemäß F i g. 1 bereich von 2 · 10~⁸ bis 6 · 10~⁵ Ω. Weitere Versuche

über eine Strecke von 150 mm, aufgeteilt von einer zeigten, daß Spiele von weniger als etwa 0,69 mm zu

75 mm außerhalb des Graphitkörpers auf der Stahl- einem Reißen des Graphitkörpers führen können,

stange liegenden Stelle bis zu einer 75 mm längs des während Spiele von mehr als etwa 1,5 mm zu einem

Graphitkörpers einwärts gelegenen Stelle, als Funktion 60 unerwünscht hohen Gesamt-Widerstand und Span-

der Temperatur für Anordnungen ausgewertet, deren nungsabfall infoige des fehlenden inniger· Kontakts

Spiel bei Raumtemperatur zwischen etwa 0,53 mm führen, welcher zwischen dem Stahlbolzen und dera

und 0,68 mm liegt. Dieser Spielbereich erwies sich Graphitkörper erzeugt wird. Die genannten Spiele

als für die angegebene Stahlstiftgröße sehr zufrieden- entsprechen etwa 0,6 bis 1,3% des Nenndurchmessers

stellend, ermöglichte die Einhaltung von Herstellungs- 65 der Stahlstange.

toleranzen und ergab einen Widerstand im Bereich Ersichtlicherweise veranschaulichen die F i g. 2 und

von etwa 5 · 10"⁶ bis etwa 14 · 10~⁶ Ω bei 900⁰C, ohne 4 auch die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von

die Gefahr eines Reißens des Graphiikörpers hervor- der Temperatur der Verbindung, wobei die Kurven

unabhängig vom Durchmesser des Stahlbolzens jeweils Graphitblock gemäß Fig. 5 simuliert daher die

die gleiche allgemeine Form besitzen. Die erfindungs- Anode einer Aluminiumzelle. Hierauf benötigt der

gemäßen '/erbindungen zwischen dem Stahl und dem Schmelztiegel normalerweise 72 bis 96 Stunden bis

Kohle- bzw. Graphitkörper werden als besonders vor- zum Erreichen einer Temperatur von 600 bis 700⁰C.

teilhaft bei erhöhten Temperaturen zwischen etwa 400 5 Anschließend wird der Koks entfernt, werden heißes

und 1050° C angesehen. Metall und Elektrolyt zugegeben und wird der

Die gemessenen Widerstände der Versuchsverbirt- Schmelztiegel in die Produktionsreihe eingeführt, düngen bei Raumtemperatur lagen zwischen 600 und Ähnliche Bedingungen werden als bei der vorstehend 1000 · ΙΟ"⁸ Ω für den Stahlbolzen von 63,5 mm Durch- beschriebenen Anfahr-Versuchsanordnung gemäß messer und zwischen 300 und 450 · ΙΟ"⁶ Ω für den io F i g. 5 gegeben angenommen.
114 mm starken Stahlbolzen. Diese verhältnismäßig Die erfindungsgemäßen Verbindungen lassen sich hohen Widerstandswerte deuten an, daß möglicher- auch auf \erschiedene andere Art und Weise anfertiweise ernstliche Schwierigkeiten bei der Einführung gen. Bei einer Ausführungsform wurde als Graphitausreichender Leistung in eine Aluminiumzelle, um körper ein rechteckiger Graphitblock von 146 mm sie auf Betriebstemperatur zu bringen, auftreten könn- 15 Höhe, 590 mm Breite und 2290 mm Länge verwendet, ten. Zur Untersuchung der möglicherweise bei der der mit sechs geradlinigen zylindrischen Bohrungen Inbetriebnahme einer Aluminiumzelle auftretenden bzw. Ausnehmungen versehen war, welche sich jeweils Probleme wurde gemäß F i g. 5 eine nachgeahmte 584 mm tief in den Block erstreckten, wobei an jedem Aluminiumzellenanordnung unter Verwendung eines Ende des Blocks drei Bohrungen angeordnet waren. Stahlbolzens von 114 mm Durchmesser mit einem 20 Diese Bohrungen waren für die Einführung von sechs Spiel von 1,02 mm hergestellt, bei welcher die Vcr- 63,5 mm starken zylindrischen Stahlstangen mit einem bindung durch ihren Eigenwiderstand erwärmt wurde. Spiel von 0,74 mm ± 0,05 mm ausgebildet. Die Boh-Ein Wechselstrom-Transformator, welcher der An- rungen waren auf ähnliche Weise wie in F i g. 1 Ordnung einen Strom von 3000 A zu liefern vermochte, dargestellt, ungefähr in der Mitte zwischen Ober- und wurde als Stromversorgung benutzt. Eine an die 25 Unterseite in den Graphitblock eingebohrt. Die drei Speiseleitungen angelegte Spannung von 3 V Wechsel- 63,5-mm-Bohrungen in jedem Ende des Blocks waren strom erhöhte die Temperatur in 15 Minuten auf außerdem mit einem Mittenabstand von 197 mm ein-200³C, während die Stromstärke auf 3000 A anstieg. gebohrt, wobei der Mittenabstand der ersten Bohrung Die Stromstärke wurde auf 3000 A gehalten, und die von der Seitenfläche des Blocks etwa 98,5 mm betrug. Spannungsabfälle und Temperaturen wurden peri- 30 Die sechs Anschlüsse wurden auf die vorher beschrieodisch aufgezeichnet. Am Ende des Prüflaufs wurde bene Weise auf eine Temperatur von 950⁰C, J. h. eine C leichstrom-Widerstandsmessung durchgeführt. die ungefähre Betriebstemperatur eines Aluminium-Die bei diesem Versuch erhaltenen "Daten sind in Schmelztiegels, erwärmt. Der in den Graphitblock Fig. 6 aufgeführt. Eine Temperatur von 650⁰C eingespeiste Gesimtstrom betrug über die sechs wurde in 7 Stunden erreicht, wobei der Widerstand in 35 63,5-mrn-Stahlstangen etwa 7200 Abzw.etwi 1,1 A/cm² dieser Zeitspanne einen Wert erreicht hatte, welcher der Stahlstangen-Kontaktfläche. Die Verbindungen mit dem im Verlauf der vorhergehenden Versuche ließen sich sehr einfach herstellen, besaßen niedrigen ermittelten vergleichbar war und über welchen hinaus Spannungsabfall und waren bei der Betriebstemperatur keine Betriebsschwierigkeiten zu erwarten waren. Eine mechanisch fest, wobei jedoch kein Reißen des Graphit-Untersuchung des Stahlstifts nach den Erhitzungs- 40 blocks auftrat. Die Anordnung war so getroffen, daß versuchen ergab keine Anzeichen für Lichtbogen- sie ziemlich genau einer industriellen Aluminiumbildung oder Anschmelzen. Wie in F i g. 6 ange- Schmelztiegelanlage nachgeahmt war, nur mit dem deutet, wurde nach Erreichen einer Temperatur von Unterschied, daß ein industrieller Schmelztiegel acht 65O⁰C die Wechselstromzufuhr unterbrochen und derartige, nebeneinander angeordnete Graphitblöcke sofort eine Gleichstrom-Widerstandsbestimmung vor- 45 mit vierundzwanzig auf ähnliche Weise angeordneten genommen. Bei dieser Temperatur betrug der ange- Sammetschienen an jedem Ende des Schmelztiegels als zeigte Wechselstrom-Widerstand etwa 12 · 10~^βΩ. Kathode verv anden würde.

während der Gleichstrom-Wider-tand etwa 1,5 · 10~⁶ Ω Ebenso wurden Anordnungen hergestellt, bei wel-

betrug. Der Unterschied zwisc. ; diesen beiden chen im Gegensatz zu der einzigen 457 mm liefen

Messungen beruht auf einem ind? ktiven Abfall im 50 Bohrung im 762 mm langen Graphitblock gemäß

Wechselstromkreis; für die Anwendung auf Alumi- Fig. 4 zylindrische Stangen bzw. Bolzen von 114mm

niumzellen ist jedoch der Gleichstromwert maßgebend, Durchmesser in 305 mm tiefe Bohrungen in der

da solche Zellen typischerweise mit Gleichstrom be- beiden Enden eines Graphitblocks von etwa 244 crt

trieben werden. Dieser Versuch zeigt, daß nur geringe Länge eingesetzt wurden. Das bei diesen Verbindunger

oder gar keine Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme 5c angewandte Spiel betrug etwa 1,02 mm. Die Block«

einer Aluminiumzelle unter Verwendung der geraden besaßen eine Breite von 457 mm und eine Dicke vor

Sammelschienen nach einem normalen Inbetrieb- 228 mm, und in jedes Ende war eine Stahlstange ein

nähme- bzw. Anfahr-Verfahren auftreten dürften. gesetzt. Die Bohrungen in den Enden des Block;

Es wird angenommen, daß das vorstehend beschrie- waren auf Zentrum gebohrt, d. h. ihr Mittelpunkt laj

bene Anfahren der beschriebenen Prüfanordnung ge- 60 228 mm von der Seitenfläche und 114 mm von de

maß F i g. 5 dem Anfahren eines Aluminium-Schmelz- Oberseite entfernt. Diese Verbindungen ähnelten eben

tiegels weitgehend ähnelt bzw. diesem praktisch gleich falls einer industriellen Aluminium-Schmelzttegelkon

ist. Ein typisches Anfahr-Verfahren für eine Alumini- strüktion; diese Versuche zeigten ebenfalls die Brauch

umzelle besteht beispielsweise darin, daß eine Koks- barkeit und die Vorteile der elektrischen Verbindun

schicht auf die Oberseite der Kathode aufgebracht 65 gen auf.

wird, die Anode abwärts in Kontakt gebracht und Wie erwähnt, kann die Kontaktlänge zwischen dei

zur Koksschicht »kurzgeschlossen« wird und anschlie- Stahlstangen und den Bohrungen je flach der erforder

ßend Strom durch die Zelle geleitet wird. Der obere liehen Strömmenge und den speziellen Arbeitsbedin

ίο

gungen variiert werden, liegt jedoch im allgemeinen daß bei der Temperftur, bei welcher die Verbindung

zwischen etwa 150 mm und etwa 914 mm für Stahl- verwendet werden soll, ein inniger Kontakt bzw. eine

stangen zwischen etwa 50 mm und 150 mm Durch- äußerst ieste Verbindung zwischen den beiden leit-

messer, um einen ausreichenden mechanischen Kon- fähigen Elementen hergestellt ist. Typischerweise be-

takt zu gewährleisten. 5 deutet dies, daß das einzuführende leitfähige Element

Die Bohrung, in welche die Stahlstange eingeführt und die Ausnehmung praktisch gleiche Querschnitts-

wird, kann gewünschtenfalls auch nahe der Eintritts- form besitzen, so daß der Abstand bzw. das Spiel an

fläche in den Graphitkörper erweitert sein, um die allen Seiten um die Stahlstange herum gleichmäßig

Herstellung der Verbindung weiter zu vereinfachen. groß ist. Der vorerwähnte Zustand ist jedoch nicht

Hierdurch wird bewirkt, daß der Strom weiter in die io ausschlaggebend, vielmehr kann ein inniger Kontakt

Kathode hineingeleitet und somit der Strom nahe der auch dann bestehen, wenn das eingeführte leitfähige

Außenkante der Kathode herabgesetzt oder ausge- Element die Wände der Ausnehmung nur an zwei

schaltet wird. Dieses Mt.kmal ist vom Standpunkt Seiten berührt, und selbst dann, wenn die Querschnitts-

des Zellenbetriebs wünschenswert. fläche des eingeführten leitfähigen Elements wesentlich

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen 15 kleiner ist als diejenige der Ausnehmung. Die Anordbesaßen sowohl die Bohrungen als auch die Stahl- nung gemäß Fig. 7b, bei welcher die Querschnittsstangen bzw. -bolzen zylindrischen Querschnitt, wobei flächen der Stahlstange und der Ausnehmung praktisch jede Bohrung eine zylindrische Fassung bildet, die sich gleich groß sind, wird jedoch wegen der vergrößerten von einer einzigen Fläche des aufnehmenden leit- Kontaktfläche im allgemeinen einer solchen Anordfähigen Elements bzw. des Graphitkörpers aus in 20 nung vorgezogen. Bei den zylindrischen Stahlstangen dieses bzw. diesen hineinerstreckt. Der in dieser Be- der Anordnung gemäß Fi g. 7a sowie bei den beiden Schreibung verwendete Ausdruck »Graphit« bezeichnet anderen Anordnungen, bei welchen die im einen leiteinen auf eine Temperatur von 2600" C oder mehr fähigen Element ausgebildete Ausnehmung zumindest erhitzten Kohlekörper, während sich der Ausdruck über zwei Seiten des leitfähigen Elements in dieses »Kohleköiper« aligemein auf vorgesinterte, gesinterte, 25 eintritt, ist es daher wünschenswert, daß die Ausnehhalbgraphitische und graphitische Körper bezieht, wie mung so ausgebildet oder angeordnet ist, daß der in diese Ausdrücke allgemein auf diesem Fachgebiet die Ausnehmung eingeführte Teil der Stahlstange verstanden werden, sofern der Körper nicht spezifisch zumindest zu 50% vom aufnehmenden leitfähigen als graphitisch und/oder als aus einem anderen spe- Element bzw. Graphiikürpcr umschlossen ist. Mit ziellen Kohlenstoff bestehend bezeichnet wird. Die 30 anderen Worten muß die Ausnehmung gemäß F i g. 7a Bohrung bzw. Ausnehmung braucht nicht zylindrisch bei der dargestellten Konstruktion zumindest die ausgebildet zu sein und kann statt eines kreisförmigen Hälfte des Umfangs der Stahlstange umschließen, um Querschnitts auch andere Querschnittsformen be- hierdurch zu gewährleisten, daß bei der Differentialsitzen, beispielsweise quadratischen, rechteckigen oder Ausdehnung der Stahlstange in der Ausnehmung die trapezförmigen Querschnitt, wobei das einzuführende 35 Stahlstange auf eine ausreichend große Graphitfläche leitfähige Element bzw. die Stahlstange dan.i ent- einwirkt bzw. gegen diese »andrückt«,
sprechende Querschnittsform, aber geringfügig kleinere Die erfindungsgemäß verwende en Stahlstangen bzw. Querschnittsmaße besitzt, so daß der vorbestimmte -bolzen besitzen typischerweise einen thermischen AusZwischenraum bzw. das Spiel zwischen der Bohrung dehnungskeeffizienten von etwa
und der Stahlstange festgelegt wird. An Stelle einer 40

Bohrung bzw. Ausnehmung in Form einer geschlo*.- 125 . jq_? ^mm , ]__

senen Fassung, die sich von einer einzigen Fläche des mm χ
aufnehmenden leitfähigen Elements bzw. Graphil-

körpers aus in dieses bzw. diesen hineinerstreckt, kann während der verwendete Graphitkörper quer zur die Bohrung bzw. Ausnehmung auch so ausgebildet 45 Strangpreßrichtung, falis es sich um einen strangsein, daß sie sich vollständig durch das aufnehmende gepreßten Körper handelt, oder senkrecht zur Gießleitfähige Element bzw. den Graphitkörper hindurch- richtung bei einem gegossenen Körper einen thermierstreckt. sehen Ausdehnungskoeffizienten von etwa

In manchen Fällen kann es außerdem wünschenswert sein, die Bohrung bzw. Ausnehmung auf die in 50 25. 1η-^{7 mm} . _J_ den Fig. 7a bis 7d dargestellte Weise auszubilden, mm °q wobei sich in jedem Fall die Ausnehmung vom einen

Ende des aufnehmenden leitfähigen Elements bzw. besitzt. Erfindungsgemäß verwendete vorgesintertf Grapliitkörpers zum anderen erstreckt und außerdem oder gesinterte oder amorphe Kohlekörper besitzei

an einer zweiten Seite, typischerweise der Unterseite, 55 typischerweise in Querrichtung einen thermischei

des Graphitkörpers offen ist. Diese, eine zweite Fläche Ausdehnungskoeffizienten von etwa unterbrechende Ausnehmung kann sich vollständig

vom einen Ende des Graphitkörpers zum anderen 3g _ jq_₇ mm ^l

erstrecken oder kurz vor dem anderen Ende auslasen. mm °q

Die einen Spalt bildende Ausnehmurg kann, wie eben 60

erwähnt, gemäß F i g. 7a die Form einer zylindrischen Diese Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizien Bohrung, einen nicht kreisförmigen Querschnitt, wie ten sind die über einen Temperaturbereich von 20 bi den quadratischen gemäß Fig. 7 b oder den recht- 100° C hinweg gemessenen Mittelwerte. Der thermisch eckiger gemäß F i g. 7c oder auch gemäß F i g. 7d Ausdehnungskoeffizient »in Que-richtung« bedeute einen trapezförmigen Quersclinitt besitzen. In jedem 65 auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten de

Fall ist es erforderlich, daß die Querschnittsformen Graphit- oder Köhlekörpers in jeder beliebigen Riet

der Ausnehmung und des einzuführenden elektrisch tung senkrecht *.ur Metallstange im Gegensatz zi leitfähigen Elements derart zusammengepaßt sind, Längsrichtung der Metallstange, wobei diese beide

Richtungen in F i g. 7 a angedeutet sind. Für gewöhnlich sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten in beiden Querrichtungen ungefähr gleich groß, während der entsprechende Wert in Längsrichtung unterschiedlich ist. Falls der thermische Ausdehnungskoeffizient in einer der beiden Querrichtungen kleiner ist als etwa

25

10-' ^
mm

sollte das vorbestimmte Spiel im wesentlichen so eingestellt werden, daß es diesen niedrigeren Koeffizienten berücksichtigt oder durch diesen gesteuert wird. Die folgende Tabelle veranschaulicht die Art und Weise, auf welche das Spiel bei 63,5-mm- und 114-mm-Stahlstangen in Abhängigkeit vom Grenzwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Querrichtung typischerweise eingestellt werden würde.

Tabelle

Mindestwert des thermischen

Ausdehnungskoeffizienten

des Kohle- oder Graphitkörpers

in beiden Querrichtungen

mm 1

25 · 10-'
12 · ΙΟ"⁷
37 · 10-⁷

Typisches anzuwendendes Spiel

Stahlstangen 63,5 mm 0 | 114 mm 0

0,63 mm 0,71 mm

1,02 mm 1.14 mm

0,56 mm | 0,86 mm

Je stärker sich der Graphit- oder Kohlekörper ausdehnt bzw. je höher sein thermischer Ausdehnungskoeffizient ist, um so kleiner ist selbstverständlich das Spiel, welches erforderlich ist, um einen Ausgleich für die thermische Ausdehnung des Stahls ohne Rissebildung im Graphit- oder Kohlekörper zu schaffen. In diesem Zusammenhang ist nochmals darauf hinzuweisen, daß die vorstehend angegebenen Spiele als »typische« für eine angenommene Betriebstemperatur von etwa 95O⁰C bezeichnet wurden und daß wegen der kleineren unterschiedlichen Ausdehnung im Fall von wesentlich unterhalb dieses Werts liegenden Betriebstemperaturen kleinere Spiele angewandt werden sollten.

Es ist zu beachten, daß die Größe bzw. der Durchmesser des in der Praxis anzuwendenden Stahlbolzens bzw. -stange häufig dadurch bestimmt wird, wieviel Strom pro Querschnittsflächeneinheit des Bolzens bzw. der Stange geführt werden soll. Wenn beispielsweise der einem Kathoden-Schmelztiegel verhältnismäßig geringer Größe zuzuführende Gesamtstrom 60 000 A beträgt, kann dieser Strom von etwa fünfzig 63,5-mm-Stahlstangen von jeweils 31,6 cm² Querschnittsfiäche bzw. etwa 1200 A je Stahlstange bzw. etwa 37,9 A je cm² Querschnittsfiäche der Stahlstange übertragen werden. Erfindungsgemäß führen die Stahlstangen bei Verwendung im Fall von Aluminiumzellen pro cm² Querschnittsfläche der verwendeten Stahl-Sammelschienen typischerweise einen Strom von etwa 35 bis 42,5 A in die Aluminiumzelle ein. Dieses Verhältnis zwischen der Stromstärke und dem Stangenquerschnitt ist, unabhängig vom Stangendurchmesser, ziemlich genau festgelegt, da es ziemlich genau einen wirtschaft-S liehen und wirkungsvollen Ausgleich zwischen Faktorenwie elektrische Verluste.Stromverluste, thermische Verluste sowie Material- und Einbaukosten darstellt. Je kleiner der Querschnitt der verwendeten Stangen, um so größer sind beispielsweise die elektrischen Verkiste sowie die Einbau- und Materialkosten, während die thermischen Verluste um so kleiner sind; je größer der Querschnitt der verwendeten Stangen, um so größer sind dagegen die thermischen Verluste. Zylindrische Stahlstangen mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 150 mm bzw. einer Querschnittsfläche von etwa 20,3 bis 183 cm² werden als am vorteilhaftesten und für den Betrieb bei Aluminiumzellen aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen günstigsten angesehen. Obgleich diese Querschnittswerte für zylindrische Stangen von kreisförmigem Querschnitt gelten, sind sie selbstverständlich gleichermaßen auf Stangen bzw. Bolzen anderer Querschnittsformen anwendbar, wie dies vorher beschrieben worden ist.

Obgleich sich die vorstehende Beschreibung der Erfindung hauptsächlich auf eine zur Verwendung in einer Aluminiumzelle vorgesehene Verbindungen zwischen Stahlstangen und Graphit- oder Kohlekörpern bezieht, umfaßt der Grundgedanke der Erfindung ein breiteres Anwendungsgebiet als dieses und kann die Erfindung unter zahlreichen anderen unigebimgsbedingungen als bei Aluminiumzellen und unter Verwendung anderer Werkstoffe als Stahl und Graphit bzw. Kohle angewandt werden. Das Haupt-Erfordernis für die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungen zu verwendenden elektrisch leitfähigen Elemente bestellt darin, daß letztere unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen müssen. Dies bedeutet, daß der Rahmen der Erfindung alle Verbindungen zwischen Stahl und Graphit, zwischen Stahl und Kohlenstoff, zwischs.· Kohlenstoff und Graphit und selbst zwischen Graphit und Graphit einschließt, wenn die beiden Graphitarten unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenschaften besitzen. Ebenso bedeutet dies, daß Verbindungen zwischen Stahl und Kupfer oder zwischen Titan-Diborid und einem anderen ähnlichen Material usw. ebenfalls ..-auchbar und möglich sind, wenn diese Werkstoffe unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen Die Erfindung ist auch keineswegs auf eine durcr Erwärmung der elektrisch leitfähigen Werkstoffe her gestellte Verbindung beschränkt. Genauer gesagt können die die leitfähigen Elemente bildenden Werk stoffe zuerst bei einer bestimmten Temperatur zu sammengesetzt und dann bei einer anderen Temperatu unterhalb derjenigen, bei welcher sie zusammengesete wurden, in Betrieb genommen werden; in diesem Fa wird immer noch vom Grundgedanken der Erfindun Gebrauch gemacht, jedoch unter Umkehrung fr. relativen Verhältnisses der Ausdehnungseigenschafte der leitfähigen Werkstoffe.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa Patentansprüche:

1. Elektrische Verbindung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, deren Betriebstemperatur einen anderen Wert besitzt als diejenige Temperatur, bei welcher die Elemente zusammengesetzt werden, so daß zwischen den Elementen eine unterschiedliche Ausdehnung auftritt, und wobei das eine leitfähige Element eine Ausnehmung aufweist, in welche ein Teil des zweiten Elements bei Zusammensetz-Temperatur mit einem vorbestimmten Spiel der Länge nach eingesetzt ist, dadurch ^kennzeichnet, daß die im einen Element ausgebildete Ausnehmung und der eingesetzte Teil des zweiten leitfähigen Elements glatte Oberflächen besitzen und daß das vorbestimmte Spiel bei Änderung der Temperatur der Verbindung auf Betriebstemperatur eine unterschiedliche Querausdehnung zwischen den beiden Elementen zuläßt, daß das vorbestimmte Spiel derart gewählt ist, daß die beiden Elemente bei Änderung der Temperatur der Verbindung von ihrer Zusammensetz- auf ihre Betriebstemperatur in festen Kontakt miteinander gebracht werden, und daß bei Betriebsttmperaar kein nennenswerter Anstieg des elektrischen Widerstands der Verbindung auftritt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Element einen niedrigeren Wärmeausdel-nungskoeffizienten besitzt als das zweite Element und daß die Betriebstemperatur der Verbindung wesentlich höher ist als ihre Zusammensetz-Temperatur.

3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten Element ausgebildete Ausnehmung mindestens zwei Seiten bzw. Flächen dieses Elements durchsetzt und daß der in die Ausnehmung eingepaßte Teil des zweiten Elements wenigstens über 50% seiner Fläche vom ersten Element in der Ausnehmung umschlossen ist.

4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung zylindrisch ist.

5. Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten Element vorgesehene Ausnehmung dieses Element durchsetzend ausgebildet ist.

6. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung von der einen Seite des ersten Elements in dieses hinein erstreckt und in einer zweiten Seite bzw. Fläche dieses Elements ausgebildet ist,

7. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung das erste Element vollständig durchsetzt.

8. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element aus einem Kohlskörper und das zweite Element aus einer Stahlstange besteht.

9. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Betriebstemperatur zwischen etwa 400 und etwa 1050⁰C liegt.

10. Verbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlstange einen

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