DE2312958A1

DE2312958A1 - Verfahren zum vergiessen einer metallstange in einem kohleblock

Info

Publication number: DE2312958A1
Application number: DE19732312958
Authority: DE
Inventors: Daniel Dumas; Georges Hoynant; Jean Vallon
Original assignee: Societe des Electrodes et Refractaires Savoie SA
Current assignee: Societe des Electrodes et Refractaires Savoie SA
Priority date: 1972-03-17
Filing date: 1973-03-15
Publication date: 1973-09-27
Also published as: DE2312958C3; DE2312958B2; BR7301947D0; TR18091A; GB1426958A; IT982900B; FR2175658B1; NL7303689A; JPS5347768B2; CH564992A5; ES412722A1; FR2175658A1; CA999720A; NO132731B; NO132731C; JPS4924822A; SE396413B

Description

503-20.336P is. 3. 1973

SOCIETE DES ELECTRODES ET REFRACTAIRES "SAVOIE". Paris (Frankreich)

Verfahren zum Vergießen einer Metallstange in einem Kohleblock

Der Boden von Tiegeln industrieller Wannen, die insbesondere zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium dienen, wird allgemein durch die Nebeneinanderstellung mehrerer vorgebrannter Kohlenstoffblöcke auf Basis von Anthrazit, Graphit oder anderer Kohlenstoffmaterialien gebildet. Jeder Kohlenstoffblock (1, Fig. 1), der als kathodische Stromzuführung für die Elektrolyse dienen soll, ist mit einer metallischen Stromzuführungsstange (2) versehen, die in einer Nut (3) angeordnet ist, die im Block (1) eingearbeitet ist. Man nennt die Teile wie (5), die zu beiden Seiten der Nut (3) liegen, Blockschenkel.

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Um die Befestigung der Stange in der Nut sowie den elektrischen Kontakt zwischen dieser Stange und dem Block zu sichern, wendet man wahlweise zwei Techniken ans In den um die Stange im Inneren der Nut herum freigelassenen Raum stampft man entweder eine Kohlenstoffpaste oder gießt eine Metallschmelze ein»

Diese Technik des Eingießens einer Metallschmelze, die sich für eine Serienproduktion mit begrenzten Investitionen anbietet, weist den Nachteil auf, die Kohlenstoffblöcke einem sehr abrupten Wärmeschock auszusetzen, der in bestimmten Fällen das Auftreten von Querrissen (4) herbeiführt, die die äußeren Kanten wie (6) der Schenkel (5) des Blocks (i) beeinträchtigen. Diese Risse können im Fall kurzer Blöcke nicht auftreten, werden jedoch bei längeren Blökken immer häufiger und schwerwiegender»

Die Vergußvorgänge sind folgendes

1. Vorerhitzung der Kathodenblöcke und Stromzuführungsstangen, die allgemein aus weichem Stahl bestehen, derart, daß man Temperaturen in der Größenordnung von 400 bis 7OO C im Mittelteil der Stange und in der Größenordnung von 250 bis k50 ⁰C im Blockteil nahe der Nut erreicht.

2. Nach der Vorerhitzung Gießen der Metallschmelze, die allgemein Gußeisen ist, mit einer Temperatur zwischen 1250 und 1500 °C. Unter diesen Vorerhitzungsbedingungen ist es allgemein möglich, einen guten Guß des Gußeisens in jeden um die Stange im Inneren der Nut freigelassenen Hohlraum zu erhalten.

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Während der Minuten, die dem Guß folgen, werden die Oberflächen der Nut auf eine höhere Temperatur ziemlich nahe der des Gußeisens gebracht, während die Wärmewelle sehr wenig in das Innere des Blocks eindringt und die äußeren Teile des Blocks noch auf der Vorerhitzungstemperatur oder aufgrund der natürlichen Abkühlung etwas niedriger liegen.

Es treten daher im Inneren des Blocks Wärmegradienten sehr großen Ausmaßes und damit auch starke thermische Ausdehnungsgradienten auf, die zu mechanischen Spannungen führen, die örtliche, .nahe den äußeren Kanten des Blocks sichtbare Bruchstellen in Form von Rissen verursachen, deren Ebene ziemlich senkrecht zur Richtung der Kanten liegt. Diese Risse treten kurz nach dem Guß allgemein im Lauf der ersten 10 Minuten auf. Die im Augenblick ihrer Bildung sehr gut sichtbaren Risse schließen sich im Maß der Abkühlung des Blockes, wenn dieser isotherm wird. Die Stoffunterbrechung bleibt trotzdem erhalten und beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften der Kathodeneinheit.

Bisher gelang es nicht, diese ungünstigen Wirkungen des Wärmeschocks auszuschalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Vergießen einer Metallstange in einem Kohleblock zu entwickeln, bei dem derartige Risse in den Schenkeln des Kohleblocks vermieden werden.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zum Vergießen einer Metallstange in einem Kohleblock, bei dem man im Block eine Längsnut an-

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bringt, die Stange in der Nut anordnet, den Block und die Stange vorerhitzt und flüssiges Metall in die Nut um die Stange gießt, mit dem Kennzeichen, daß man vor dem Gießen mindestens auf die den äußeren,Längskanten der Schenkel des Blocks benachbarten Blockteile eine Drucklängsbelastung von einer der Zugbruchfestigkeit des Blockmaterials wenigstens gleichen Stärke einwirken läßt und diese Belastung mindestens während eines Teils der Abkühlungszeit aufrechterhält.

Im Fall des Vergießens mit Gußeisen und natürlicher Abkühlung wird die Belastung während wenigstens 5 Minuten nach dem Gießen aufrechterhalten.

Zur Einwirkung dieser Belastung (s. Fig. 2) übt man wenigstens auf einen Teil 7 der Oberflächen der Enden der Schenkel 5 des Blocks 1 einen Druck F parallel zu den Längskanten des Blocks, z. B. mittels Schellen bzw. Winden aus. Die Eiriwirkungszonen 7 der Druckkräfte sind vorzugsweise nahe den Enden der Außenkanten 6.

Die Zugbruchfestigkeit der verwendeten Kohleblöcke, ob sie nun auf Basis von Graphit, auf Basis von Antrazit usw. hergestellt sind, liegt zwischen 10 und 50 kg/cm . Es genügt daher, auf die Enden der Schenkel des Blocks ,eine Gesamtkompressionskraft einwirken zu lassen, mit der die sich daraus ergebende Belastung an jedem Punkt der betroffenen Zone des Blocks über der Zugbruchfestigkeit liegt.

So besteht das Verfahren im Vorspannen der Zonen des Blocks, die durch den auf das Gießen des Vergußmetalis folgenden Wärmeschock am meisten beansprucht sind, während der

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ganzen erforderlichen Dauer der Verteilung des Warmeschocks. Es ist für alle Kathodenkohleblocktypen anwendbar. Es bringt keinen Nachteil, sondern ermöglicht auch eine Rationalisierung und Verbesserung der Produktion je Arbeitsplatz. Schließlich ermöglicht es eine Verminderung der Dauer und Temperatur der Vorerhitzung.

Die folgenden Beispiele erläutern die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie beziehen sich alle auf Falle von Kathodenblöcken auf Basis gebrannten Anthrazits mit einer Zugfestigkeit von 33 kg/cm . Die Blöcke haben eine Länge von 310 cm und einen Querschnitt von 50 χ k5 cm. Die Nut hat eine Tiefe von 15 cm und eine Breite von 17 cm in ihren breitesten Teilen. Die metallische Stange ist 14 cm hoch und 12 cm breit. Unter diesen Bedingungen sind die beiden Blockschenkel etwa 16 cm breit.

Bei allen Versuchen wurden die Temperaturen in den mittleren Blockquerschnitten erfaßt. Am höchsten Punkt der Blöcke wird die Temperatur in den Schenkeln möglichst nahe an der Nut erfaßt. An der Unterseite der Blöcke wird die Temperatur unter den Blöcken erfaßt.

Beispiel 1

Das Vergießen wurde nach dem üblichen Verfahren ohne Drucklängsbelastung durchgeführt. Die Vorerhitzungsdauer betrug k Stunden für alle Blöcke. Die Metallstangen waren auf Temperaturen von 590 bis 650 °C, die Oberseiten der Blöcke auf 400 bis 450 ⁰C, die Unterseiten der Blöcke auf 100 bis 150 Ct Das Gußeisen wurde mit einer Temperatur zwi-

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sehen 1 38O und T-45-0 °C gegossen. Man stellte fest, daß 80 # der so hergestellten Blöcke wenigstens einen Querriß an einem Schenkel aufwiesen.

Beispiel 2
Vorerhitzungsdauers 2 Stunden

Vorerhitzungstemperaturen! Metallstangen 450 - 500 ( Oberseiten der Blöcke 280 bis 300 °C Unterseiten der Blöcke 50 bis 60 C.

Das Gußeisen wurde ohne Einwirkung einer Drucklängsbelastung zwischen 138Ο und 1430 C gegossen. Man stellte fest, daß alle Blöcke wenigstens einen Querriß an einem Schenkel und 75 $ davon wenigstens drei erhebliche Risse aufwiesen.

Beispiel 3

Die Vorerhitzungs- und Gußeisentemperaturbedingungen waren die gleichen wie im Beispiel 2. Jedoch ließ man außer dem auf jeden Schenkel der Blöcke eine gesamte Kraft von 3 als Drucklängsbelastung mittels Winden einwirken, die an Platten von 10 χ 10 cm angriffen, die an den Endflächen der Schenkel nahe den Außenkanten entsprechend dem Schema der Fig. 2 angebracht waren. Diese Belastung von 30 kg/cm , die etwas unterhalb der Zugbruchfestigkeit des Blockmaterials lag, wurde während 10 Minutön nach dem Guß beibehalten. Man stellte fest, daß 30 % der Blöcke wenigstens einen Querriß an einem Schenkel aufwiesen.

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Beispiel h

Die Vorerhitzungs- und Gußeisentemperaturbedingungen waren die gleichen wie im Beispiel 2. Die gesamte Kompressionskraft, die auf jeden Schenkel wie im Beispiel 3 einwirkte, betrug 5 t, was einer Drucklängsbelastung von 50 kg/cm entsprach. Diese Belastung wurde während 10 Minuten nach dem Gießen aufrechterhalten. Man stellte fest, daß kein Block irgendeinen Schenkelriß aufwies.

Beispiel 5

Vorerhitzungsdauer: 1 Stunde

Vorerhitzungstemperatur: Metallstangen hOO bis 470 C

Oberseiten der Blöcke 200 bis 220 °C Unterseiten der Blöcke 30 bis kO ⁰C Gußeisentemperatur: 1380 bis 1^30 °C.

Wenn man keine Drucklängsbelastung einwirken ließ, zeigten die Blöcke wenigstens drei starke Risse an den Schenkeln.

Wenn man eine Längsdruckbelastung von 5 t je Schenkel an Platten von 10 χ 10 cm zur Einwirkung brachte und 10 Minuten nach dem Gießen aufrecht erhielt, zeigte kein Block Schenkelrisse.

Beispiel 6

Die Vorerhitzungs- und Gußeisentemperaturbedingungen waren gleich denen im Beispiel 5.

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Die Drucklängsbelastung war 5 t je Schenkel und wirkte auf Platten von 10 χ 10 cm ein. Diese Belastung wurde während 5 Minuten nach dem Gießen aufrechterhalten. Man stellte fest, daß 10 $ der Blöcke wenigstens einen Querriß an einem Schenkel zeigten, wobei diese Risse in dem Augenblick auftraten, wo man die Belastung beendete.

Der Vergleich der Beispiele 1 bis k zeigt den günstigen Einfluß der Drucklängsbelastung und ihre vollständige Wirksamkeit, wenn ihre Stärke die Zugbruchfestigkeit des Blockmaterials übersteigt.

Der Vergleich der Beispiele 2 und 4 und der der beiden Fälle von Beispiel 5 zeigen die Möglichkeit der Verringerung der Vorerhitzungstemperaturen beim Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren_o

Der Vergleich der Beispiele 5 und 6 zeigt den Einfluß der Zeitdauer der Aufrechterhaltung der Drucklängsbelastung während der Abkühlung.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das in allen diesen Fällen vorteilhaft ist, ist weder von der Art der Vorerhitzung noch von der Art des den Block bildenden kohlenstoffhaltigen Materials abhängig.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Vergießen einer Metallstange in einem Kohleblock, bei dem man im Block eine Längsnut anbringt, die Stange in der Nut anordnet, den Block und die Stange vorerhitzt und flüssiges Metall in die Nut um die Stange gießt, dadurch gekennzeichnet , daß man vor dem Gießen mindestens auf die den äußeren Längskanten (6) der Schenkel (5) des Blocks (1) benachbarten Blockteile eine Drucklängsbelastung von einer der Zugbruchfestigkeit des Blockmaterials wenigstens gleichen Stärke einwirken läßt und diese Belastung mindestens während eines Teils der Abkühlungszeit aufrecht erhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Drucklängsbelastungskräfte auf wenigstens einen Teil (7) der Endflächen der Blockschenkel (5) einwirken

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwirkungszonen (7) der Orucklängsbelastung nahe den Außenkanten (6) liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Vergußmetall zwischen I38O und 1450 ⁰C vergossenes Gußeisen ist und die Abkühlung natürlich erfolgt, dadurch g e kennzeichnet , daß die Zeit der Aufrechterhaltung der Drucklängsbelastung über 5 Minuten liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Metallstange (2) auf zwischen 4OO und 500 ⁰C und der Block (1) an seiner Oberseite zwischen 200 und 3OO C und an seiner Unterseite zwischen 30 und 60 C vorerhitzt werden.

6. Verwendung eines mit einer Metallstange (2) nach. dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 verbundenen Kohleblocks (1) als Kathode und Stromzuführung einer Aluminiumelektrolysezelle.

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