DE2035405C3 - Basisplatte aus Stahl für eine elektrolytische Zelle mit einer fließenden Quecksilberkathode - Google Patents

Description

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Zellen für die Elektrolyse von Alkalimetallchloridlösungen, welche eine fließende Quecksilberkathode aufweisen, werden gegenwärtig mit einer Basisplatte aus Stahl hergestellt, da Stahl verhältnismäßig billig ist und durch Quecksilber und durch flüssiges Alkalimetallamalgam benetzt wird, so daß eine dünne Schicht aus Quecksilber oder verdünntem Amalgam über die Stahloberfläche in Form eines kontinuierlichen Films fließen gelassen werden kann, um die Arbeitskathode der Zelle zu bilden, wobei die Basisplatte mit einem geeigneten Winkel zur Horizontalen geneigt ist. Der Elektrolysestrom wird von der Kathode durch die Basisplatte abgeleitet, und zwar über Leiter, wie z. B. Kupferbänder, die an ein oder mehreren Punkten entlang einer Kante oder entlang einander gegenüber liegender Kante der Basispbtte befestigt sind.

Da eine moderne Mehrfachanodenzelle eine Anoden- und Kathodenoberfläche von einigen 100 m² aufweisen kann, muß ein Großteil des Elektrolysestroms, nachdem er in die Basisplatte eingetreten ist, eine beträchtliche Strecke darin fließen, bevor er durch die Kupferbänder, die am Rand der Basisplatte befestigt sind, abgeleitet werden kann. Da die elektrische Leitfähigkeit von Stahl ziemlich gering ist, muß die Basisplatte verhältnismäßig dick gemacht werden, und infolgedessen ist sie sehr schwer, insbesondere wenn mit den höheren Stromdichten gearbeitet wird, die in der letzten Zeit verwendet werden, um den Spannungsabfall in der Basisplatte auf einen annehmbaren Wert zu verringern una um die Unterschiede im gesamten Ohmschen Widerstand gering zu halten, der den von den einzelnen Anoden abfließenden Strömen entgegengesetzt wird.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Basisplatte zu schaffen, die ein nahezu ideales Abführen der einzelnen Ströme von einer jeden Anode auf einen Weg mit niedrigen Widerstand erlaubt und auch einen Betrieb der Zellen mit höheren Stromdichten gestattet ohne daß die Dicke der üblichen Stahlbasisplatte erhöht wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Easisplatte aus Stahl für eine elektrolytische Zelle mit einer fließenden Quecksilberkathode, wobei an dieser Basisplatte ein Leiter zum Abführen des elektrischen Stroms befestigt ist und wobei das Kennzeichen darin liegt, daß die Stahlplatte über Aluminiumzapfen mit einer zur Stahlplatte im wesentlichen parallelen und im Abstand angeordneten Stromabführungsplatte aus einem Metall mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Stahl verbunden ist, wobei ein Ende eines jeden Zapfens durch Friktionsschweißung an der Stahlplatte und das andere Ende in starrer Weise elektrisch leitend an der Stromabführungsplatte befestigt ist

Vorzugsweise besteht die Stromabführungsplatte aus Aluminium. Es können natürlich auch andere Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden, wie z. B. Kupfer oder eine Aluminiumlegierung, die einen überwiegenden Anteil Aluminium enthält Die Abführungsplatte kann selbst eine Zusammenstellung aus schmaleren Platten sein, die mit ihren Rändern parallel zueinander angeordnet sind und im wesentlichen über die gesamte Länge oder die gesamte Breite der Stahlplatte laufen. Zur Erzielung eines geringsten elektrischen Gesamtwiderstandes werden solche schmaleren Platten im wesentlichen Kante an Kante angeordnet aber wenn es die Dicke der Platten im Verhältnis zur Stromdichte erlaubt können sie auch mit einem geeigneten Zwischenraum im Abstand voneinander angeordnet werden. Weiterhin kann sich die Stromsammeiplatte entlang mindestens einem Rand über die Fläche der Stahlplatte erstrecken, wobei der Fortsatz als Sammelschiene und/oder Schaltverbindung dient, welche zur Elektrolysestromqcelle oder zu benachbarten Zellen einer Reihe von Zellen führt

Bei einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist ein jeder Aluminiumzapfen, der mit einem Ende an die Stahlplatte durch Friktionsschweißen befestigt worden ist, dadurch in starrer Weise elektrisch mit der Stromabführungsplatte verbunden, daß eine entsprechende öffnung in der Abführungsplatte mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Zapfen vorgesehen worden ist, das andere Ende des Zapfens in die öffnung eingeführt oder hindurchgefühlt worden ist, so daß sie darüber vorspringt und daß eine Schmelzschweißung in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise durch Bogenschweißen in Argon, um den Umfang des Zapfens an oder in der Nähe des freien Endes vorgesehen worden ist um dadurch den Zapfen mit der Abführungsplatte zu verbinden.

Bei einer anderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist ein jeder Aluminiumzapfen, der durch Friktionsschweißen mit einem Ende an der Stahlplatte befestigt worden ist, in starrer Weise elektrisch mit der Stromabführungsplatte durch eine weitere Friktionsschweißung verbunden, die mit Hilfe eines zweiten

Aluminiumzapfens hergestellt worden ist

Bei einem Verfahren zur Herstellung dieses zweiten, erfindungsgemäßen Aufbaus wird eine öffnung in der Stromabführungsplatte vorgesehen, welche dem freien Ende eines jeden befestigten Zapfens entspricht und einen kleineren Durchmesser als der befestigte Zapfen aufweist Hiermit wird das freie Ende des befestigten Zapfens gegen die Abführungsplatte gelegt, so daß tiie öffnung bedeckt wird, worauf dann an diesen Zapfen durch die entsprechende öffnung in der Abfühnmgsplatte und an die benachbarte Fläche der Abführungsplatte mittels Friktionsschweißung ein zweiter Aluminiumzapfen mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser als der zuerst genannte Zapfen befestigt wird. Die in der Abführungsplatte vor dem Zusammenbau vorgesehenen öffnungen besitzen in günstiger Weise etwa den 0,8fachen Durchmesser des Durchmessers der Aluminiumzapfen.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung dieses zweiten, erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, das freie Ende eines jeden befestigten Zapfens über eine Länge zu verjüngen, die ungefähr 3 mm größer ist als die Dicke der Stromabführungspiatte (eine geeignete Verjüngung ist eine solche mit einem Halbwinkel von ungefähr 13°), und ein sich verjüngendes Loch in der Abführungsplatte vorzusehen, wobei das sich verjüngende Ende des Zapfens so in das Loch hineinpaßt, daß, wenn die Teile aneinander liegen, das Ende des Zapfens ungefähr 3 mm über das Loch der Platte vorspringt Hierauf wird die Friktionsschweißung dadurch hergestellt, daß ein zweiter Aluminiumzapfen mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Gesamtdurchmesser des zuerst erwähnten Zapfens in Drehung versetzt wird, wobei er sich mit dem Ende des zuerst genannten Zapfens in Verbindung befindet bis er mit der Stromabführungsplatte wie auch mit dem Ende des zuerst genanten Zapfens verbunden ist.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Fig. 1 bis 10, die nicht maßstabgerecht sind, näher erläutert

Die F i g. 1 bis 3 zeigen Vertikalschnitte durch ein einziges Paar von zusammenwirkenden Zapfen in 3 Stufen während des zuerst beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Aufbaus gemäß der zweiten beschriebenen Ausführungsform.

Fig.4 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen von mehreren Zapfen in einem Aufbau, der gemäß der zuerst beschriebenen Ausführungsform der Erfindung hergestellt worden ist, und

F i g. 5 zeigt eine Ansicht von unten in isometrischer Projektion eines Teils eines Grundplattenaufbaus gemäß dieser Ausführungsform, wobei eine geeignete Anordnung mehrerer Zapfen während des Herstellungsverfahrens zu sehen ist, wobei zwei Reihen der Zapfen noch frei sind, die mit der Stromabführungsplatte verbunden werden sollen.

Die F i g. 6 und 7 zeigen Teststellen, die zum Messen des elektrischen Spannungsabfalls an einer Friktionsschweißung zwischen einem Aluminiumzapfen und .einem Teil einer Weichstahlgrundplatte verwendet werden.

F i g. 8 zeigt eine geeignete Anordnung der Teile, die für die Herstellung einer Aluminium/Aluminium-Friktionsschweißung durch das zweite beschriebene Verfahren bereit sind, bei dem ein erfindungsgemäßer Aufbau gemäß der zweiten beschriebenen Ausführungsform hergestellt wird.

Fig.9 zeigt in Ansicht die Anordnung, die zum Messen des elektriscnen Widerstandes zwischen der Aluminiumplatte und der Stahlplatte quer über die beiden Friktionsschweißungen eines Zusammenstellungsteils, der durch dieses Verfahren hergestellt worden ist, verwendet werden kann, nachdem die Platten auf die gezeigten Größen abgearbeitet worden sind, und

Fig. 10 (Schnitt entlang der Achse der Zapfen) zeigt die Lagen der Stücke, die für die elektrische Prüfung aus

ίο den Aluminium/Aluminium- und den Aluminium/ Weichstahl-Friktionsschweißungen des gleichen Aufbaus herausgeschnitten worden sind.

F i g. 1 zeigt einen Teil der Stahlplatte 1 (in geeigneter Weise etwa 13 bis 25 mm stark), die auf ihrer oberen Oberfläche die fließende Quecksilberkathode trägt wenn die BasisplattenzusammensteUung in der elektrolytischen Zelle installiert ist Fig.2 bezeichnet einen Aluminiumzapfen, der in geeigneter Weise einen Durchmesser von ungefähr 76 mm aufweist und der an der Stahlplatte durch eine bei 3 gezeigte Friktionsschweißung befestigt worden ist Fig.2 zeigt die nächste Stufe bei der Herstellung des Aufbaus, wobei das freie Ende des Aluminiumzapfens 2 an einer Stromabführungsplatte 4 anliegt (in geeigneter Weise eine Aluminiumplatte von ungefähr 19 mm Dicke), die mit einer Öffnung 5 versehen worden ist, welche mit dem Zapfen 2 ausgerichtet ist aber einen kleineren Durchmesser aufweist (in geeigneter Weise ungefähr 63 mm Durchmesser bei einem Zapfen mit 76 mm).

Fig.3 zeigt die Endstufe, bei welcher ein zweiter Aluminiumzapfen 6 mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Zapfen 2 an der entgegengesetzten Seite der Platte 4 befestigt worden ist wobei er unter steigendem Druck unter Drehung versetzt

worden ist, um ihn durch die öffnung der Platte 4 zu drücken, so daß eine Friktionsschweißung wie bei 7 mit dem Ende des Zapfens 2 und der Umgebung der Platte 4 zu Stande kommt. Im gesamten Basisplattenaufbau sind eine Vielzahl (nicht gezeigt) von Zapfen 2 und 6 in ähnlicher Weise vorgesehen, um die Platten 1 und 4 miteinander zu verbinden. Geeigneterweise sind die Zapfen in parallelen Reihen über die gesamte Fläche der beiden Platten verteilt, wobei ihre Mittelpunkte zwischen ungefähr 25 cm und 63 cm voneinander entfernt sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der Durchmesser der Zapfen verändert werden kann und daß ihre Abstände auch unter oder über den oben angegebenen Bereich verändert werden können, und zwar entsprechend der Stromdichte, mit der die Zelle betrieben werden soll.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform ist die Stahlplatte, welche die fließende Quecksilberkathode in einer arbeitenden Zelle trägt, wiederum mit 1 bezeichnet. Ein jeder Aluminiumzapfen, der nunmehr mit 8 bezeichnet ist, ist wiederum durch eine Friktionsschweißung 3 an der Platte 1 befestigt, aber er besitzt eine ausreichende Länge, so daß er durch eine öffnung mit dem gleichen Durchmesser in der Stromabführungsplatte 4 hindurchgehen kann, die in geeigner Weise wie vorher eine Aluminiumplatte ist, wobei der Zapfen in der Platte 4 durch eine Umfengsschmelzschweißung 9 befestigt worden ist, die beispielsweise durch Bogenschweißen in Argon hergestellt worden ist. Im gesamten Basisplattenaufbau ist eine Anzahl von Zapfen 8 vorgesehen, welche in geeigneter Weise über die gemeinsame Räche der Platten 1 und 4 verteilt sind, wie z. B. in parallelen Reihen, wie es in F i g. 5 zu sehen ist. Die linke Seite

dieser isometrischen Ansicht zeigt zwei Reihen von 6 Zapfen 8. die, wie bei 3 angedeutet, an der Stahlplatte 1 durch Friktionsschweißung befestigt worden sind und die zum Anschweißen an die Stromabführungsplatte bereit sind. Die rechte Seite der Figur zeigt eine ^r> Slromabführungspiatte, die aus mehreren schmaleren Platten 12 zusammengesetzt ist, die nahezu Kante an Kante quer über die Breite der Stahlplatte verlaufen. Die Zapfen 8 gehen durch öffnungen in den Platten 12 hindurch und sind daran durch Schweißungen 9 ι ο befestigt Bei der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform sind die einander gegenüberliegenden Ränder der Platten 12, die sich über die Fläche der Stahlplatte 1 erstrecken, bei 13 umgebogen, um vertikale Oberflächen zu schaffen, mit denen sie an ein Schaltgetriebe oder an andere elektrische Verbindungen angeschraubt werden können.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Basisplattenaufbaus besteht darin, daß die Stellen unterhalb des Aufbaus, an denen die Zapfen befestigt sind, geeignete Orte bilden, eine Hebevorrichtung anzubringen, um einzelne Flächen der Zusammenstellung zu heben oder zu senken, um dadurch eine ebene obere Oberfläche auf der Stahlplatte 1 zu bilden, auf der die Quecksilberkathode fließen soll, und um dadurch die Notwendigkeit, diese Oberfläche auf eine richtige Ebene zu schleifen, wenn sie in der Zelle eingebaut ist, zu vermeiden oder zu verringern. Gegebenenfalls kann das herabhängende Ende eines jeden Zapfens mit einem Fortsatz kleineren Durchmessers ausgerüstet werden, um daran die Hebevorrichtung zu befestigen, wie es in F i g. 3 gezeigt ist In F i g. 3 besitzt dieser Fortsatz eine Querbohrung 11 zur Befestigung der Hebevorrichtung, wenn ein nach unten gerichteter Zug nötig ist um die Basisplatte eben zu machen.

Das folgende Beispiel erläutert die Verwendung der Friktionsschweißtechnik bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Aufbauten, die Prüfung der Schweißungen und die geringe Verformung, die durch die Schweißung erzielt wird.

Aluminiumzapfen mit einem Durchmesser von 76 mm wurden in Reihe an einer Platte aus Weichstahl mit 12,7 mm Dicke in Abständen von 35 cm durch Friktionsschweißung eines Endes eines jeden Zapfens an die Platte unter einer maximalen Belastung von 401 befestigt Es wurde keine spezielle Vorbereitung der Aluminiumzapfen ausgeführt; sie wurden in dem Zustand angeschweißt, in dem sie sich nach dem Absägen befanden. Die Weichstahlplatte wurde an den Schweißstellen oberflächenbearbeitet um Walzzunder und Rost lokal von den Schweißflächen zu entfernen. Messunger, der Verformung der Weichstahlpiatte nach dem Schweißen zeigten, daß nur eine lokale Einsenkung der Platte an den Schweißstellen auf maximal 0,25 mm stattgefunden hatte. Es konnte keine allmähliche Verbiegung der Platte festgestellt werden.

Mit einer jeden dieser Schweißungen, von denen eine in F i g. 6 (Aufsicht) und in F i g. 7 (Seitenansicht) gezeigt ist, wurden elektrische Messungen ausgeführt, wobei in diesen Figuren die Teile 1, 2 und 3 die in Fig. 1 beschriebenen Bedeutungen besitzen. Ein Strom von 50 A wurde dem freien Ende des Aluminiumzapfens, wie bei 14 angedeutet, zugeführt, und an den entgegengesetzten Rändern der Weichstahlplatte, wie bei 15 und 16 angedeutet, abgeführt Es wurden Spannungsunterschiedmessungen ausgeführt, wobei Sonden und ein konstanter geradliniger Abstand von 5,45 cm zwischen den Stellen 17-17', 18-18', 19-19' und 20-20' quer zur Aluminium/Weichstahl-Grenzfläche (der tatsächliche Abstand zwischen den Sonden im Metall rund um die rechtwinklige Biegung betrug 7,72 cm) und zwischen den Stellen 21-21' in der Weichsiahipiaue und zwischen den Stellen 22-22' im Aluminiumzapfen verwendet wurden. Die Resultate sind in Tabelle 1 gezeigt

Ein Aluminiumzapfen mit einem Durchmesser von 76 mm wurde durch Friktionsschweißung an ein Ende einer Weichstahlplatte von 12,7 mm Stärke befestigt, wie es im vorletzten Absatz beschrieben ist Das andere Ende des Zapfens wurde dann durch Friktionsschweißung, wobei ein zweiter Aluminiumzapfen zu Hilfe genommen wurde, an einer Aluminiumplatte von 28,6 mm Stärke befestigt Die Vorbereitung der Teile vor der Herstellung dieser zweiten Schweißung ist in F i g. 8 erläutert, worin 23 die Aluminiumplatte bezeichnet, 24 das freie Ende des Aluminiumzapfens bezeichnet, dessen anderes Ende bereits an der (nicht gezeigten) Stahlplatte befestigt worden ist, und 25 den zweiten Aluminiumzapfen bezeichnet Das freie Ende des Zapfens 24 besitzt eine Verjüngung mit einem Winkel von 13°. In der Aluminiumplatte 23 ist ein Loch mit einer entsprechenden Verjüngung vorgesehen. Die Friktionsschweißung wurde dadurch hergestellt, daß das Ende des Zapfens 25 gegen das Ende des Zapfens 24, der durch die öffnung in der Platte 23 vorsprang, und gegen die benachbarte Räche der Platte unter einer maximalen Belastung von 40 t gedruckt und dabei gedreht wurde, wobei die Aluminiumplatte auf einem ringförmigen Lager ruhte, das den Mittelpunkt des Zapfens in einem Abstand von 30,5 cm umgab. F i g. 9 zeigt den fertigen Zusammenbau, nachdem die Platten auf die Größen geschnitten worden sind, wie sie für die elektrische Prüfung gezeigt sind Der elektrische Widerstand, der zwischen den Punkten A und B gemessen wurde, betrug nur 1,40 Microohm. 6 Teilstücke von 2,45 cm Länge und 0,95 cm Durchmesser wurden aus dem fertigen Aufbau herausgedreht, und zwar in den Bereichen der beiden Schweißungen an den Steilen, die in Fig. 10 mit den Zeichen 31-36 versehen sind. Ein Strom von 5OA wurde durch ein jedes Teststück hindurchgeschickt und die Spannungsdifferenz wurde mit Sonden entlang eines Abstandes von 1,45 cm quer zur Schweißgrenzfläche gemessen.

Tabelle 1	Spannungsdifferenz—mV im Aluminium im Weichstahl 22-22' 21-21'	0,082 0,079 0,096	durch die Aluminium/Weichstahl-Grenzfläche 17-17' 18-18' 19-W 20-2(T	0,117 0,092 0,074	0,103 0,102 0,080	0,083 0,135 0,112	Durchschnitt
Schweißung Nr.	0,015 0,015 0,018		0,100 0,104 0,104		0,101 0,108 0,093
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Der spezifische Widerstand des Weichstahls und des Aluminiums wurden aus Messungen an den Teststücken, die aus massivem Metall der gleichen Größe bestanden, errechnet. Diese Werte wurden dazu verwendet, den

Tabelle 2

Widerstand der Schweißgrenzfläche bei den 6 Teststükken 31 bis 36 über einer Querschnittsfläche von 0,7 cm² zu messen. Die Resultate sind in Tabelle 2 angegeben.

Teslslück	Nr.	Gemessener	Spezifischer	Grenzflächcn-
	31	Widerstand	Widerstand	widerstand
Λ rl	32	:>■ ß	\j. ßcm	α Ω
Al/Al	33	5,6	_	0
Al/Al	-	5,6	-	0
Al/Al	34	5,8	-	0
massives Al	35	5,8	2,84	-
AI/Stahl	36	21,0	-	1,20
Al/Stahl	-	22,0	-	1,94
Al/Stahl		25,0	-	2,30
massiver Stahl	33,8	16,5	-
	Hierzu 5	Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Basisplatte aus Stahl für eine elektrolytische Zelle mit einer fließenden Quecksilberkathode, wobei an dieser Basisplatte ein Leiter zum Abführen des elektrischen Stroms befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlplatte (1) über Aluminiumzapfen (2) mit einer zur Stahlplatte im wesentlichen parallelen und im Abstand angeordne- ι ο ten Stromabführungsplatte (4) aus einem Metall mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Stahl verbunden ist, wobei ein Ende eines jeden Zapfens durch Friktionsschweißung (3) an der Stahlplatte und das andere Ende in starrer Weise elektrisch leitend an der Stromabführungsphtte befestigt ist

2. Basisplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabführungsplatte (4) aus Aluminium besteht

3. Basisplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabführungsplatte (4) aus mehreren schmaleren Platten besteht, die mit ihren Rändern parallel zueinander angeordnet sind und im wesentlichen sich über die Länge oder die Breite der Stahlplatte erstrecken.

4. Basisplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabführungsplatte (4) sich entlang mindestens einer Kante über die Fläche der Stahlplatte hinaus erstreckt, um einen Fortsatz zu bilden, der als Sammelschiene oder als Stromanschluß dient

5. Basisplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder der Aluminiumzapfen (2) an der Stromabführungsplatte (4) durch eine Schmelzschweißung (9) um den Umfang des Zapfens verbunden ist