DE1665266C3

DE1665266C3 - Verbindung einer Graphitanode für die horizontale Anordnung in einer elektrolytischen Zelle

Info

Publication number: DE1665266C3
Application number: DE1665266A
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Higashi Miyazaki; Yuzi Takaoka Morita; Chukichi Himi-Toyama Shinbo
Original assignee: Nippon Soda Co Ltd
Current assignee: Nippon Soda Co Ltd
Priority date: 1967-09-15
Filing date: 1967-09-15
Publication date: 1975-12-04
Also published as: DE1665266A1; DE1665266B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung einer Graphitanode für die horizontale Anordnung in einer elektrolytischen Zelle, insbesondere der Chloralkalielektrolyse, mit einem metallischen Leiter als Anodenstromzuführung und einer Lötverbindung im Bereich der Einsatzstelle der Anodenstromzuführung in die Graphitanode.

Bei einer bekannten Verbindung dieser Art (britische Patentschrift 1 069 605) weist die Graphitanode in ihrer oberen Fläche eine Bohrung auf, in die ein hohlzylindrischer Graphitstopfen eingepreßt ist. Dieser Stopfen nimmt seinerseits einen Weicheisenkern auf, welcher in seiner oberen Fläche eine Gewindebohrung trägt. In diese Gewindebohrung ist ein Leiter eingeschraubt und dort verlötet.

Ein derart komplizierter Aufbau war bisher erforderlich, um der Verbindung neben ihrer Leitfähigkeit eine ausreichend hohe Festigkeit zum Tragen und Aufhängen der Graphitanode zu verleihen. Gleichzeitig nahm man in Kauf, daß sich der elektrische Widerstand der Verbindung häufig änderte, und zwar zwischen der Anode und dem Graphitstopfen, zwischen dem Graphitstopfen und dem Weicheisenkern sowie schließlich zwischen dem Weicheisenkern und dem Leiter. Diese Widerstandsänderungen führten dazu, daß sich die Anode in ungleichmäßiger Weise verbrauchte. Die ungleichmäßige Abnutzung der Anode brachte ihrerseits Wartungsprobleme im Zusammenhang mit der elektrolytischen Zelle, in welcher die Anode aufgehängt war, mit sich, beispielsweise häufiges Nachstellen und häufige Demontage.

Weiterhin bestand bei der bekannten Anordnung nicht die Möglichkeit, die Wandstärke der Anode unter ein bestimmtes Maß abzusenken, da auf jeden Fall ausreichend Platz zur Aufnahme des hohlzylindrischen Graphitstopfens vorhanden sein mußte. Beim Betrieb elektrolytischer Zellen zur Herstellung von Halogenen oder Natronlauge ist man hingegen bestrebt, die Wandstärke der Graphitanode möglichst klein zu halten, um elektrische Energie zu sparen, das Ansteigen der Zellentemperatur zu steuern und den Verbrauch an Graphit herabzusetzen.

Schließlich sei noch erwähnt, daß die bekannte Verbindung aufwendig in der Herstellung und in der Montage ist. Auch ist eine hohe Anfälligkeit gegen Korrosion gegeben, die Veränderungen in der Leitfähigkeit mit sich bringen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die

ίο Verbindung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei hoher Festigkeit und optimalem elektrischen Verhalten eine einfache, leicht herstellbare Konstruktion entsteht.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine auf die Graphitanode galvanisch abgeschiedene Metallschicht mit einer Dicke von 10 bis 30 μ die Herstellung einer Lötverbindung ermöglicht, deren Festigkeit zum Tragen der schweren Anode aus Graphit ausreicht. Man kann also den plattierten Stab des metallischen

a° Leiters direkt auf die aufplattierte Metallschicht auflöten, ohne festigkeitstechnische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr gut leitende Verbindung, die auch über lange Zeiträume ihren geringen elektrischen Widerstand beibehält.

Die Erfindung betrifft daher eine Verbindung einer Graphitanode für die horizontale Anordnung in einer elektrolytischen Zelle, insbesondere der Chloralkalielektrolyse, mit einem metallischen Leiter als Anodenstromzuführung und einer Lötverbindung im Bereich der Einsatzstelle der Anodenstromzuführung in die Graphitanode, die gekennzeichnet ist durch eine auf die Oberfläche der Graphitanode z. B. galvanisch abgeschiedene Metallschicht 7 einer Dicke von 10 bis 30 μπι, die mit einer Metallplattierung der stabförmigen Anodenstromzuführung an der Stelle verlötet ist.

Es wurde gefunden, daß ganz besonders gute Ergebnisse dann erzielbar sind, wenn die Metallschicht auf der Oberfläche der Graphitanode 6 erfindungsgemäß aus Kupfer besteht. Gleiches gilt für ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß nämlich die Metallschicht flach ausgebildet ist.

Die Verbindung nach der Erfindung ist weiterhin gekennzeichnet durch ein aus antikorrosivem Kunststoff, wie Polyvinylchlorid bestehendes Rohr 10, das die Anodenstromzuführung 1 und die Lötstelle 8 umgibt. Auf diese Weise läßt sich die Verbindung sehr wirksam gegen korrosive Angriffe innerhalb der elektrolytischen Zelle schützen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verbindung liegt darin, daß die Verbindung lediglich aus zwei Teilen bestehen kann, nämlich aus der Anode mit der Metallschicht und aus dem Stab des Leiters.

Im Hinblick auf die Fertigung und die Montage liegen also sehr günstige Verhältnisse vor. Hinzu kommt, daß keinerlei Bohrungen in die Graphitanode hingetrieben werden müssen. Es entfallen also mechanische Vorbereitungsbearbeitungen vor der endgültigen Mon-

tage.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Leiter, der mit einer Graphitanode verbunden ist;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den Leiter nach Fig. 1 der Linie H-II;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen metallischen Leiter, der mit einer Graphitanode verbunden ist;

Fig. 4, 5 und 6 senkrechte Schnitte durch die Anordnung nach Fig. 3 entlang der Lim«: IV-IV mit einigen Änderungen in der Form der Eingriffsflächen;

Fig. 7 und 8 senkrechte Schnitte durcli Anoden mit ihrem Zutehör zum Einsetzen in eine elektrolytische Zelle.

In Fig. 4 bis 8 ist die Plattierungsscnicht 5 einfachheitshalber nicht gezeichnet.

Alle Verbindungen nach der Erfindung weisen das Merkmal auf, daß Leiter, von denen zumindest die Enden oder Eingriffsteile mit Metall plattiert sind, mit einer mit Metall beschichteten Fläche einer elek- ,₅ trisch leitenden, nicht-metallischen Anode verlötet sind. Das Metali, aus denen die Leiter hergestellt werden, ist im allgemeinen Kupfer oder eine Kupferlegierung und besitzt in einigen Fällen Anteile an Aluminium und Silber.

Die Leiter bestehen aus einer stabförmigen Anodenstromzuführung 1, die mit einem Anschluß für eine äußere Anodenstromzuführung versehen ist, und zwar beispielsweise mit einer Gewindebohrung 2, einem Gewindeansatz 3 od. dgl. Die Anodenstromzuführung .-.5 weist weiterhin einen Eingriffsteil oder eine Fläche 4 auf, die mit einer Metallplattierung 5 versehen ist. Außerdem ist die Oberfläche einer Anode 6, die aus elektrisch leitendem nichtmetallischen! Material wie Graphit besteht, mit einer galvanisch abgeschiedenen Metallschicht 7 versehen, wobei der Stab und die Anode 6 über eine Lötstelle 8 verbunden sind.

Die Fläche 4 der Anodenstromzuführung 1 ist im wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt sie eine ebene Fläche dar. Sie kann auch ein wenig wulstig oder eingedrückt oder aber völlig entsprechend der Oberfläche der Anode 6 geformt sein, wie dies in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht ist. Die Oberfläche der Anodenstromzuführung und ihrer Eingriffsteile kann mit einem Anti-Korrosionsbelag 9, beispielsweise einem Kunststoff, überzogen sein, um eine Korrosion durch eine Lauge und/oder durch Halogene im Bedarfsfall zu verhindern. Ein weiteres Verfahren zur Verhütung einer Korrosion besteht darin, die Stäbe und ihre Eingriffsteile durch ein Rohr 10 aus anti-korrosivem Kunststoff wie Polyvinylchlorid zu schützen.

Die Verbindungsstelle zwischen der Graphitanode und dem Rohr 10 kann durch ein entsprechendes, einer Korrosion entgegenwirkendes Klebmittel 11 abgedichtet sein.

Die Graphitanode ist etwas porös, so daß Lauge im Graphit nach oben steigen kann, wenn nicht ein entsprechendes Mittel zur Verhinderung des Durchtrittes zur Anwendung gelangt. Dementsprechend wird der obere Teil 12 der Graphitanode an der Verbindungsstelle mit der Anodenstromzuführung und/oder in der Zone, welche zwischen der Verbindungsstelle und dem Rohr liegt, mit öl, beispielsweise Leinöl, oder mit Chloronaphthalen behandelt, um die Porosität und die Permeabilität des Graphits aufzuheben. Das Einspritzen von öl in die Graphitanode kann durch geeignete Löcher von Vertiefungen erfolgen, beispielsweise von Vertiefungen, die dazu dienen, das Ende des Rohres mit der Anode zu verbinden. Im Bedarfsfall kann eine Ansenkung, ein Loch oder eine Nut 13 an der dem Stab gegenüberliegenden Seite der Anode angeordnet sein, damit der ungleichmäßige Verschleiß der Graphitanode ausgeglichen und das Einspritzen des Öis ermöglicht werden kann.

Nach der Erfindung kann die auf die Oberfläche der elektrisch leitenden nichtmetallischen Anode aufgebrachte Metallschicht aus Chrom, Zinn, Nickel, Kupfer u. dgl. bestehen. Kupfer wird jedoch entsprechend den vorliegenden Ergebnissen bevorzugt, und zwar beispielsweise im Hinblick auf die Bindungseigenschaft mit dem Lötmetall.

Es kann entweder eine saure oder eine basische PlattierungsSösung Verwendung finden. Die saure Plattierungslösung ist jedoch im Hinblick auf das Aussehen und den Zustand der aufplattierten Metallschicht vorzuziehen und zwar auf Grund der Bindekraft des Films und aus wirtschaftlichen Erwägungen. Die Plattierung ist beinahe als gleichmäßige metallische fläche auf dem Graphit sichtbar und wirksam genug, die Lötverbindung herzustellen, wobei die Stärke der plattierten Metallschicht mit 10 bis 30 μ beträgt.

Eine schnelle Bindung der galvanisch abgeschiedenen Metallschicht bringt schwache Bindungskräfle durch wenig starke Adhesion zwischen der plattierten Metallschicht und dem elektrisch leitenden, nicht metallischen Material wie Graphit mit sich. Die Plattierung soll daher allmählich während einer ausreichenden Zeitspanne durchgeführt werden, um die Ausnehmungen des porösen Materials zu plattieren. Ein Ausführungsbeispiel für die Bedingungen, unter denen das galvanische Abscheiden des Kupfers auf dem Graphit erfolgen kann, ist in der nun folgenden Tabelle I veranschaulicht.

Tabelle I

CuSO₄ in der Plattierungslösung 250 g/l

U₂SO., in der Plattierungslösung 75 g/l

Temperatur 20 bis 30"C

Elektrische Stromdichte . . 1,8 bis l,0amp/dm²

Zeit 3 bis 4 h

Stärke der Kupferschicht, etwa 30 μ

Das erfindungsgemäß verwendete Lötmittel enthält oder besteht gewöhnlich aus Blei, Zinn, Antimon, Wismut od. dgl. und der Schmelzpunkt liegt vorzugsweise zumindest bei 110 C im Hinblick auf die Arbeitstemperatur der elektrolytischen Zelle. Besonders bevorzugt wird eine Temperatur von 120 bis 150"C beim Löten einer Sicherheitsverbindung jedoch kann auch ein Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von etwa 300 C Verwendung finden.

Das Löten selbst kann auf herkömmliche Art erfolgen, indem die beiden Teile vor dem Zusammenfügen mit geschmolzenem Lot eingeweicht werden, woraufhin die miteinander verbundenen Teile abkühlen können. Das Einweichen kann auch so abgewandelt werden, daß man die miteinander zu verbindenden Teile in das Schmelzbad eintaucht. Auch kann man das geschmolzene Lot über die Flächen der Teile gießen.

Je nach Bedarf kann eine Vorbehandlung der zu lötenden Flächen vorgenommen werden, beispielsweise durch Waschen mit einer Lösung, die einen nichtionischen oberflächenaktiven Wirkstoff, Säuren wie Salzsäure, Schwefelsäure, Ameisensäure oder Essigsäure und/oder Salze wie Zinkchlorid und Ammoniumformaldehyd enthält. Es kann auch mit Wasser gewaschen und dann getrocknet werden.

Auf diese Weise erreichen die crfindungsgemüßcn Verbindungen mit planen Flächen ohne weiteres 20 kg/cm² mehr Zugfertigkeit und 0,64 Ohm/cm'" oder weniger elektrischen Widerstand.

Ergebnisse von physikalischen Versuchen mit Vcrbindungcn zwischen Kupferstäben und Graphitanoden sowie Ergebnisse von Betriebsversuchen einer Anode mit den gleichen Verbindungen in einer elektrolytischen Zelle sind in Tabelle 2 zusammengefaßt, und zwar im Vergleich zu bekannten Verbindungen, bei denen die »» Enden von Graphitstiften in konische Ausnehmungen der Graphitanode getrieben sind, sowie im Vergleich zu Betriebsergebnissen derartiger Anoden.

Tabelle 2

^Erfir|-

Ar, der verbindung

Art der galvanisch

abgeschiedenen

Metallschicht

kömrnlich

gleiche
wie in
Tabelle I Zusammensetzung des Lotes Blei 65 % ■ Zinn 35 %

Physikalische Eigenschaften
der Verbindung

Berührungsfläche (cm) 28 157

Zuglestigkeil (kg/cm ) 22 4,5

!μ° ιΓι T ^Wldersland

(Millionm) 17 200

Arbeitsergebnisse der Anode Elektrischer Strom

durchschnittliche Spannung der elektrolytischen Zelle (Volt). 4,15 4,40 Graphitverbrauch der Anode
(kg/NaOH · ton) 2,5 3,5

Hieraus ergibt sich eindeutig, daß die erfindungsgemäße Verbindung eine sehr hohe Zugfestigkeit und einen bemerkenswert niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, und daß die erfindungsgemäße Anode bei niedriger Spannung arbeitet und einen extrerr hohen Wirkungsgrad zeigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbindung einer horizontal angeordneten Graphitanode mit einem metallischen Leiter der Anodenstromzuführung, gekennzeichnet durch eine auf die Oberfläche der Anode (6) aufplattierte Metallschicht (7) einer Dicke von 10 bis 30 μ, die mit einer Metallplattierung (5) des Stabes (1) der Anodenstromzuführung an der Stelle (8) verlötet ist.

2. Verbindung einer Graphitanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (7) aus Kupfer besteht.

3. Verbindung einer Graphitanode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (7) flach ausgebildet ist.

4. Verbindung einer Graphitanode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein aus antikorrosivem Kunststoff, wie Polyvinylchlorid bestehendes Rohr (10), das den Stab (1) der Anodenstromzuführung und die Lötstelle (8) umgibt.