DE1640272C - Elektrische Verbindung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten - Google Patents

Description

125 · 10-' --

mm °c

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

36.10-'-^·-—
mm ⁰C

bei 20 bis 100 "¹C 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% und etwa 1,2% 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

mm

bei 20 bis 100" C und das zweite Element aus einer Stahlstange mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa

mm ⁰C

bei 20 bis 100⁰C besteht.

13. Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung und die Stahlstange zylindrisch sind und daß das Spiel bei Raumtemperatur zwischen etwa 0,6% und etwa 1.3% des 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

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

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

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

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

Lugrunde, 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- io wirklichen. Beispielsweise kann ein Teil aus einem

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

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

Wärmeausdehnung auftritt. 1020, in Form eines Bolzens bzw. einer Stange be-

Die Erfindung ist bei einer elektrischen Verbindung stehen, welcher bzw. weiche in eine im Ende des

der eingangs genannten Gattung dadurch gekenn- 15 anderen Ieitfähigen 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 vorbestimmie Spiel bei Änderung der Temperatur Stahlbolzen. Typischerweise und vorzugsweise be-

der Verbindung auf Betriebstemperatur ei:- unter- 20 sitzen diese Ausnehmung L^w. Bohrung sowie der

schiedliche Querausdehnung 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. Durchmesserunterschici ermöglicht

der Temperatur der Verbindung von ihrer Zusammen- ei.ien 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 nennenswerter Anstieg des elektrischen gesetzten elektrisch Ieitfähigen Elementen zu, wenn der

Widerstands der Verbindung auflritl. Tiegel von Raumtemperatur ruf seine Betriebstempe-

Die erfindungsgemäße elektrische Verbindung be- ratur, die typischerweise im Bereich von etwa 950¹C

steht also im wesentlichen darin, daß im einen leit- 30 liegt, erwärmt wird. 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 Ieitfähigen Elements bei Zusam- Ieitfähigen Elemente bei Annäherung der Verbindung

mensetz-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 Ieitfähigen EIe- 35 andererseits nicht so klein ist, daß die durch die

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

wenn s.oh die Temperatur der Verbindung auf die Ausdehnung des eingesetzten Stahleleir.ents gegenüber

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

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

Ieitfähigen 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 in innigen Kontakt mit- bindung hervorruft, da ein solches »Reißen«, wenn es

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

klein, daß die in einem der Ieitfähigen 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 beträchtlichen Anstieg des elektrischen führen könnte.

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

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

sehen Verbindung erfolgt an einer späteren Stelle. ^γρ beiden elektrisch leitfähigen Elementen, d. h. zwischen

Die Erfindung eignet sich insbesondere in Anwen- dem Stahlbolzen und dem Kathodenblock, sehr gut, dung auf die elektrische Verbindung zwischen einer weshalb ?n jedem einzelnen Verbindimgenpunkt nur Metall-, beispielsweise einer Stahlstange und einem ein minimaler Spannungsabfali bzw. -verlust und Kohlekörper. Solche elektrischen Verbindungen sind infolgedessen auch nur ein minimaler Gesamt-Spanhäufig im Betrieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt, 55 nungsr.bfall aller dieser Verbindungen einer Zelle beispielsweise bei der erwähnten elektrischen Verbin- auftritt.

dung mit der Kathode einer Aluminiumzelle öder 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 Verfeld, sondern auf eine Vielzahl solcher unterschiedlichen 60 suchen wurden mehrere Stahl-Graphit-Sammelschic-Erwärmungsgraden ausgesetzten Verbindungen, wie sie nenverbirdungen 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 so

möglicht aber ir^besondere 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 dem

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

schinellen Bearbeitungsgänge, ermöglicht die Vorzugs- bei der Betriebstemperatur eines Aluminiumtiegels

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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 Ver- Kpntakt 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 ge-

körpers verhindert wurde. Diese Versuche 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 vorteil-

zu 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 Stahl-

jedoch 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 nicdriggekohlten 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 uniersucht, 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 VVilichkeit 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- as 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% des Nenndurchmessers der die Länge der Anordnung verteilt spannungsführende Stahlstange, wobei dieses mathematische Verhältnis Leitungen und Tncrmueiemenie 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^r 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 Richtungen 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 sich nur ein Teil der Länge der So 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 Aluminiurozellen Ende für den Anschluß an die Stromquelle frei sein als brauchbar und sehr zufriedenstellend erwiesen muß, wie dies auch beim Aluminiumzeilen-Sammel- haben, sind in F i g. 4 angegeben. Die genannten Schienenanschluß der Fall ist. Spiele ergeben bei den 114 mm starken Stahlstangen

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

nungführenden Leitungen 1 und 2 gemäß Fig. 1 bereich von 2 · 10 ^s bis 6 · ΙΟ"'Q. 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 Sniele von mehr als etwa 1,5 nun zu einem

Graphitkörpers einwärts gelegenen Stelle, a!s Funktion 60 unerwünscht hohen Gesamt-Widerstand und Span-

der Temperatur für Anordnungen ausgewertet, deren nungsabfall infolge des fehlenden innigen Kontakts

Spiel bei Raumtemperatur zwischen etwa 0,53 mm fähren, welcher zwischen dem Stahlbolzen end dem

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 13% des Nenndurchmessers

: ".eilend, ermöglichte die Einhaltung von Hersteilungs- 65 der Stahlstange.

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

/on etwa 5 · 10* bis etwa 14 - 10^ΒΩ bei 900⁰C, ohne 4 auch die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von

Jie Gefahr eines Reißens des Graphitkörpers hervor- der Temperatur der Verbisdjssg, wobei dk Kurven

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unabhängig vom Durchmesser des Stahlbolzens jeweils Graphitblock gemäß F i g. 5 simuliert daher die

die gleiche allgemeine Form besitzen. Die erh'ndungs- Anode einer Aluminiumzelle. Hierauf benötigt der

gemäßen Verbindungen 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 1050⁰C angesehen. Metall und Elektrolyt zugegeben und wird der

Die gemessenen Widerstände der Versuchsverbin- Schmelztiegel in die Produktionsreihe eingeführt, düngen bei Raumtemperatur lagen zwischen 600 und Ähnliche Bedingungen werden als bei der vorstehend 1000 · 10"⁶ Ll für den Stahlbolzen vou 63,5 mm Durch- beschriebenen Anfahr-Versuchsanordnung gemäß messer und zwischen 300 und 450 · 10~^e Ll 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 verschiedene 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- xs Höhe, 590 mm Breite und 2290 mm Länge verwendet, ten. Zur Untersuchung der möglicherweise bei der der mit sechs geradlinigen zylindrischen Bohrungen Inbetriebnahme einer Alumirüumzelle auftretenden bzw. Ausnehmungen versehen war, weiche 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 ao Diese Bohrungen waren für die Einführung von sechs Spiel von 1,02 mm hergestellt, bei welcher die Ver- 63,5 mm starken zylindrischen Stahlstangen mit einem bindung durch ihren Eigenwiderstand erwärmt wurde. Spiel von 0,74 mm 4 0,05 mm ausgebildet. Die Boh-Ein Wechselstrom-Transformator, welcher der An- rungcn 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 as 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-2o0"C, 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 Temperaluren wurden peri- 30 Die sechs Anschlüsse wurden auf die vorher bcstiifieodisch aufgezeichnet. Am Ende des Prüflaufs wurde bene Weise auf eine Temperatur von 950^cC, d.h. eine Gleichslrom-Widerstandsmessung durchgeführt. die ungefähre Betriebstemperatur eines Aluminium-Die bei diesem Versuch erhaltenen Daten sind in Schmelzticgels, erwärmt. Der in den Graphitblock F i g. 6 aufgeführt. Eine Temperatur von 650 C eingespeiste Gesamtstrom betrug über die sechs wurde in 7 Stunden erreicht, wobei der Widerstand in 35 63,5-mm-Stahlstangen etwa7200 A biw. etwa 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 Bjtriebsschwicrigkeiten zu erwarten waren. Eine mechanisch fest, wobei jedoch kein Reißen des Graphit-Unlersjchung des. Slahlstifls nach den Erhilzungs- 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. (> ange- Schmelzticgclanlage nachgeahmt war, nur mit dem deutet, wurde nach Erreichen einer Temperatur von Unterschied, daß ein industrieller Schmelztiegel acht 65O°C die Wechselstromzufuhr unterbrochen und derartige, nebeneinander angeordnete Graphitblöcke sofort eine Gleichstrom-Widcrstandsbestimmung vor- 45 mit vicrundzwanzig auf ähnliche Weise angeordneten genommen. Bei dieser Temperatur betrug der angc- Sammelschicnen an jedem Ende des Schmelztiegels als zeigte Wechselstrom-Widerstand etwa 12 · 10 ⁵Il. Kathode verwenden würde.

während der Gleichstrom-Widerstand etwa 1,5 · 10 ⁵Il Ebenso wurden Anordnungen hergestellt, bei wel-

betrug. Der Unterschied zwischen diesen beiden chen im Gegensalz zu der einzigen 457 mm tiefen

Messungen beruht auf einem induktiven Abfall im 50 Bohrung im 762 mm langen Graphitblock gemäC

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

niurn/ellen ist jedoch der Gleichst rom wert maßgebend. Durchmesser in 305 mm tiefe Bohrungen in der

da solche Zellen typischerweise mit Gleichst rom be- oeiden Enden eines Graphitblocks von etwa 244 cn

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

oder gar keine Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme 55 angewandte Spiel betrug etwa 1.02 mm. Die Block«

einer Aluminium/eile unter Verwendung der geraden besaßen eine Breite von 457 mm und eine Dicke vot

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

nähme- bzw. Anfahr-Verfahren auftreten dütften. gesetzt. Die Bohrungen in den Enden des Block:

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

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

liegeis '.vnügehend ähnelt bzw. diesem praktisch gleich falls einer industriellen Aluminium-Schmelztiegelkon

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

umzelte 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 »kurzgeschlossene wird und anschlie- Stahistangen und den Bohrungen je nach der erfordei

ücnd Ström durch die Zelte gekiic! wird. Der obere liehen Strommenge und den speziellen Arbeitsbedir

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gungen variiert werden, liegt jedoch im allgemeinen daß bei der Temperatur, bei welcher die Verbindun]

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

stangen zwischen etwa 50 mm und 150 mm Durch- äußerst feste 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 Elemen

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 ar

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

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

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

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

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

schaltet wird. Dieses Merkmal 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 ao nung vorgezogen. Bei den zylindrischen Stahlstangen dieses bzw. diesen hineinerstreckt. Der in dieser Be- der Anordnung gemäß F i g. 7a sowie bei den beiden Schreibung verwendete Ausdruck »Graphit« bezeichnet anderen Anordnungen, bei welchen die im einen leiteinen auf eine Temperatur von 2600⁰C oder mehr fähigen Element ausgebildete Ausnehmung zumindest erhitzten Kohlekörper, während sich der Ausdruck über zwei Seiten des leitfähigen Elements in dieses »Kohlekörper« allgemein auf vorgesinterte, gesinterte, 35 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% ^v°ni aufnehmenden leitfähigen als graphitisch und/oder als aus einem anderen spe- Element bzw. Graphitkörper umschlossen ist. Mit ziellen Kohlenstoff bestehend he7eichnet wird. Die 30 anderen Worten muß die Ausnehmung gemäß F 1 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 dann ent- einwirkt bzw. gegen diese »andrückt«, sprechende Querschnittsform, aber geringfügig kleinere Die erfindungsgemäß verwendeten Stahlstangen bzw. Querschnittsmaße besitzt, so daß der vorbestimmte -bolzen besitzen typischerweise einen thermischen AusZwischenraum bzw. t'ns Spiel zwischen der Bohrung dehnungskoeffizienten von etwa und der Stahlstange festgelegt wird. An Stelle einer 40

Bohrung bzw. Ausnehmung in Form einer geschlos- j-s.iq-jJ¹¹⁰¹ ' senen Fassung, die sich von einer einzigen Fläche des mm " q aufnehmenden leitfähigen Elements bzw. Graphitkörpers aus in dieses bzw. diesen hineinerstreckt, kann während der verwendete Graphitkörper quer zur die Bohrung bzw. Ausnehmung auch so ausgebildet 45 Strangpreßrichtung, falls 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 ~<. in-» ^mm . * den F i g. 7a bis 7d dargestellte Weise auszubilden, ' mm ' °q wobei sich in jedem Fall die Ausnehmung vom einen

Ende des aufnehmenden leilfahigen Elements bzw. besitzt. Erfindungsgemäß verwendete vorgesinterte

Graphitkörpers zum anderen erstreckt und auöeruem oder gesinterte oder amorphe Kohlekörper besitzen

an einer zweiten Seite, typischerweise der Unterseite, SS lypischerweise in Querrichtung einen thenr»5chen

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

vom einen Ende des Graphitkörpers zum anderen ,, _m .q_₇ mm I

erstrecken oder kurz vor dem anderen Ende auslaufen. üänT ^q

Die einen Spalt bildende Ausnehmung kann, vie eben ⁶°

erwähnt, gemäß F i g. 7a die Form einer zylindrischen uiese Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizien

Bohrung, einen nicht kreisförmigen Quei .-..rhnitt, wie ten sind die über einen Temperaturbereich von 20 bis

den quadratischen gemäß Fig. 7b oder den recht- 100⁰C hinweg gemessenen Mittelwerte. Der thermische

jckigen gemäß F i g. 7c oder auch gemäß F i g. 7d Ausdehnungskoeffizient »b Querrichtung« b,V Mt

:inen trapezförmigen Querschnitt besitzen. In jedem ⁶S auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des

Fall ist es erforderlich, daß die Querschnittsformen Graphit- oder KohJekörpers in »'der beliebigen Rich-

ler Ausnehmung und des einzuführenden elektrisch tung senkrecht zur Metallstange im Gegensatz zur

eitfähigen Elements derart zusammengepaßt sind. Längsrichtung der Meiallsiange, wobei diese beiden

Richtungen in F i g. 7a 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

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mm mm

°c

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 typischerwfcise eingestellt werden würde.

Tabelle Mindestwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten

des Kohle- oder Graphitkörpers

in beiden Querrichtungen

mm
mm

1 "C

ίο-⁷ io-^T

Typisches anzuwendendes Spiel

Stahlstangen 63,5 mm 0 114 mm 0

0,63 mm
0,71 mm
0 56 rnm

1,02 mm 1,14 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 950⁰C 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 cm* Querschnittsfläche bzw. etwa 1200 A je Stahlslange bzw. etwa 37,9 A je cm* Querschnittsfläche der Stahlstange übertragen werde·... Erfindungsgemäß führen die Stahlstangen bei Verwendung im Fall von Aluminiumzellen pro cm* 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 wirtschafiliehen und wirkungsvollen Ausgleich zwischen Faktorenwie elektrische Verluste.Stromverluste, thermische Verluste sowie Material- und Einbaukosten darstellt. Je kleiner der Querschnitt der verwendeter Stangen, um so größer sind beispielsweise die elektrischen Verluste 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

so Stangen von kreisförmigem Querschnitt gelten, sind sie selbst verständlich gleichermaßen auf Stangen bzw. Bolzen anderer Querschnittsformen anwendbar, wie dies vorher beschrieben worden ist.

Obgleich sich die vorstehende Beschreibung der

»5 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 Umgebungsbedingungen 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 besteht darin, daß letztere unterschiedliche thermische Ausüehnungskoeffizienten besitzen müssen. Dies bedeutet, daß der Rahmen der Erfindung alle Verbindungen zwischen Stahl und Graphit, zwischen Stahl und Kohlenstoff, zwischen Kohlenstoff und Graphit und selbst zwischen Gvcphit und Graphit einschließt, wenn die beiden Graphitarten unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenscnaften besitzen. Ebenso bedeutet dies, daß Verbindungen zwischen Stahl und Kupfer oder zwischen Titan-Diborid und einem anderen ähnlichen Material usw. ebenfalls Vauchbar und möglich sind, wenn diese Werkstoffe unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Die Erfindung ist auch keineswegs auf eine durch Erwärmung der elektrisch leitfähigen Werkstoffe hergestellte Verbindung beschränkt. Genauer gesagt, können die die leitfähigen Elemente bildenden Werk stoffe zuerst bei einer bestimmten Temperatur zusammengesetzt und dann bei einer anderen Temperatui unterhalb derjenigen, bei welcher sie zusammengesetzt wurden, in Betrieb genommen werden; in diesem FaI wird immer noch vom Grundgedanken der Erfindunj Gebrauch gemacht, jedoch unter Umkehrung de relativen Verhältnisses der Ausdehnungseigenschaftei

6p der leitfähigen Werkstoffe.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Paten tansprüche:

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 Zdsammensetz-Temperatur mit einem vorbestimmten Spiel der Länge nach eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die im einen E!_-.nent 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 miteinande- gebracht werden, und daß bei Betriebstemperatur kein nennenswerter Anstieg des elektrischen Widerstands der Verbindung auftritt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Element einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten 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 is^f.

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 Kohlekö'rper 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 räch Ansprüche oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlstange einen

thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa