NO154693B

NO154693B - Karbonholdig kontaktmasse.

Info

Publication number: NO154693B
Application number: NO802753A
Authority: NO
Inventors: Wolf-Dietrich Eckel; Eckhard Schulz
Original assignee: Sigri Gmbh; Alusuisse
Priority date: 1979-10-20
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1986-08-25
Also published as: DE3061003D1; CA1131386A; AU538308B2; AU6303680A; NO154693C; ZA806400B; US4288353A; ATE1704T1; DE2942469C2; IS1152B6; DE2942469A1; IS2592A7; EP0027534A1; JPS5663873A; NO802753L; EP0027534B1

Description

Oppfinnelsen angår en kontaktmasse som kan forarbeides kaldt og inneholder et tjæreholdig karboniserbart bindemiddel og grafitt- og metallpulver som faststoff.

Ved anvendelse av kull- og grafittgjenstander, f.eks.

som elektroder ved smelteflytende elektrolyse av aluminium eller som kledningssten i metallurgiske ovner, støter man ofte på den oppgave å forbinde de enkelte gjenstander eller deler til et hele som er bestandig selv ved høyere temperaturer, sam-tidig som skjøtestedene dessuten skal ha god termisk og elektrisk ledningsevne. Problemet kunne hittil bare for spesial-tilfeller løses på tilfredsstillende måte. Da materialene karbon og grafitt i alminnelighet ikke er sveisbare, benyt-

ter man til fremstilling av forbindelsene forbindelsesmidler i form av kitte- eller kontaktmasser som inneholder karboni-serbare bindemidler, og som fylles inn i en spalte av pas-

sende bredde mellom legemene som skal forbindes, og ved opp-hetning blir overført til karbonen. For ifyllingen av kittet, som i det følgende blir betegnet som kontaktmasse, i spaltene behøves en tilstrekkelig formbarhet eller plastisitet, noe som innebærer at masser av stenkull eller inneholdende petrolbekj før kittingen må varmes opp til en temperatur som ligger ca. 100°C over deres mykningspunkt. Til det behøves igjen særskilte innretninger, som opphetbare blandemaskiner, forsynt med anordninger til måling og regulering av masse-temperaturen. Uten denne forholdsvis store tekniske påkostning vil man neppe kunne utelukke skader på kontaktmassen som følge av lokal overhetning eller lignende. På grunn av kontaktmassens tiltagende seighet med synkende temperatur behøves sluttelig forholdsvis høye behandlingstemperaturer hvor der stadig avgis større mengder tjæreoljer eller andre stoffer som muligens ikke er ubetenkelige i fysiologisk henseende.

Da det i praksis ikke alltid er mulig å oppfylle disse betingelser, vil det kunne hende at forbindelsenes kvali-

tet ikke svarer til forventningene. Kontaktmasser med bek-bindemiddel har dessuten en annen egenskap som begrenser deres anvendelighet. Først ved temperaturer over ca. 500°C

- etter avsluttet forkoksning - fås der mellom de sammen-

klebede deler en fast forbindelse som kan belastes mekanisk og har forholdsvis gunstig elektrisk og termisk ledningsevne. Kontaktmasser som kan bearbeides kaldt, har ikke de omtalte ulemper og der har derfor også vært foreslått mange masser av forskjelligste sammensetning. Som bindemidler inneholder kontaktmasser som kan bearbeides kaldt, i alminnelighet harpikser som herdner ved oppvarmning eller inneholder en særskilt katalysator som påskynder herdningsprosessen og fører til at harpiksen allerede herdner ved værelsetemperatur. Ved å tilsette oppløsnings- eller oppspedningsmidler kan man i en viss utstrekning avpasse disse massers plastisitet etter det respektive anvendelsesformål. På den annen side har harpiksholdige kontaktmasser bare begrenset lag-ringsstabilitet dersom de ikke blir lagret ved lavere temperaturer, f.eks. i kjølekamre.

Alle kontaktmasser inneholder foruten bindemiddelet, en såkalt faststoffkomponent som reduserer bindemiddelets krympning under forkoksningsprosessen og skal bedre den termiske og elektriske ledningsevne av den "grønne" og den forkoksede kontaktmasse. Som faststoffandeler anvender man fortrinnsvis kull- og grafittsorter hvis kjemiske og termiske stabilitet tilsvarer egenskapene hos de kull- og gra-fittlegemer som skal forbindes, f.eks. antrasitt, koks, sot og grafitt. Egnet er også ildfaste keramiske materialer, f.eks. dolomitt, korund, periklas o.l. Generelt skal der ved betegnelsen faststoffer forstås stoffer som i det vesentlige ikke forandrer seg i stofflig henseende ved anvendelsen av kontaktmassen. Andel og kornstørrelse av faststoffene blir blant annet bestemt ved bredden av skjøte-spalten som skal fylles ut, idet andel og kornstørrelse av faststoffkomponenten i alminnelighet øker med tiltagende spaltebredde. Er anvendelsen bestemt på forhånd, er det mulig å skaffe forbindelser med en fasthet som i alminnelighet strekker til for det respektive formål. Utilstrekkelig er i mange tilfeller imidlertid den termiske og elektriske ledningsevne av forbindelsene, og til avhjelp av denne mangel har det blant annet vært foreslått å tilsette metallpulvere eller metallspon for så vidt anvendelsestemperaturen tillater det. Eksempler på dette er DE-AS 1 236 392, GB-PS 883 678 og US-PS 4 001 104. En plastisk masse som inneholder elektrografitt- og metallpulver samt en reaktiv tjære som bindemiddel, er også kjent fra US-PS 2 270 199.

En vesentlig ulempe ved de kjente kontaktmasser ligger i at de oppnåelige egenskaper hos forbindelsen i vesentlig grad bestemmes ved fremstillingsbetingelsene, herunder opp-varmningshastighet og oppvarmningstid, og disse parametre med hensyn til oppvarmningen er gitt ved det respektive anvendelsesformål. For forskjellige anvendelsesformål benytter man derfor i alminnelighet også forskjellige masser avpasset for de respektive oppvarmningsbetingelser. F.eks. er der fra DE-PS 1 558 744 kjent en kontaktmasse til fremstilling av en forbindelse mellom en metallisk leder og en karbon-anode for en aluminium-elektrolysecelle, hvor massen inneholder furfurylalkoholharpiks og grafittpartikler som er impregnert med en sur katalysator. En kontaktmasse til fremstilling av en forbindelse mellom en metallisk leder og kar-bonkatoder for den samme elektrolyse, består ifølge GB-PS

883 676 av en blanding inneholdende grafitt-innleiringsfor-bindelser, grafitt- eller metallpulvere og fenol- og furfuranharpikser. Som forbindelse mellom de enkelte karbon-katoder for den samme elektrolyse er der sluttelig fra DE-OS 25 09 550 kjent en kontaktmasse som i det vesentlige består av en blanding av antrasitt, bek og metylnaftalin. For de funksjonelt samvirkende deler av en elektrolysecelle finnes der således tre forskjellige gunstige kontaktmasser.

Til kledning av ovner, f.eks. masovner til jernfrem-stilling, for tappehullmasser o.l., anvender man igjen adskillige innbyrdes forskjellige kontaktmasser. En oppgave for den foreliggende oppfinnelse består derfor i å gi anvis-ning på en kontaktmasse som har et bredere anvendelsesspekt-rum,og som er vesentlig mindre ømfintlig overfor spredninger og endringer i behandlingsbetingelsene enn de kjente masser og også kan fremstilles med mindre påkostning. Ifølge en annen oppgave skal massen ha høy plastisitet ved værelsetemperatur og allerede før karboniseringen av bindemiddel-komponenten ha en høy termisk og elektrisk ledningsevne.

Denne dobbelte oppgave blir løst med en kontaktmasse som inneholder som bindemiddel en blanding av epoksyharpiks med et smeltepunkt under 5°C og en tjære som oppviser 5-15 vektprosent av i benzol uoppløselige komponenter og et forkoksningsresiduum på minst 20%, samt til herdning av epoksyharpiksen en syrefri herder.

Ved en foretrukken utførelsesform for oppfinnelsen består kontaktmassen av 15 - 30 vektdeler bindemiddel, 1-5 vektdeler herder og 65 - 85 vektdeler faststoff. Bindemiddelet inneholder spesielt 5-15 vektdeler epoksyharpiks og 8 - 20 vektdeler tjærebek, mens vektforholdet mellom metallpulver og grafittpulver i faststoffblandingen hensiktsmessig utgjør 1:1 til 3:1.

Som epoksyharpikser egner seg særlig typer som har et fasthetspunkt 5°C og er flytende ved de temperaturer som hersker under fremstillingen av kontaktmassen. Molvekten hos disse typer er ca. 250 - 350. Når det gjelder de benyt-tede syrefrie herdere, forholder særlig polyaminer seg gunstig, eksempelvis etylendiamin, trietylentetramin eller heksametylentetramin. Etter tilsetning av herderen fornetter harpiksen ved værelsetemperatur i løpet av ca. 10 - 24 h. Hvis det ønskes, kan utherdingen påskyndes ved skånsom oppvarmning av massen.

Med betegnelsen "tjære" skal forstås stoffblandinger som er flytende ved værelsetemperatur og inneholder over-veiende aromatiske forbindelser dannet ved pyrolyse av bituminøse stoffer. Eksempler er koksverktjærer og tjærer på stenkullbasis som brenner uten flamme, brunkulltjærer som brenner uten flamme, eller petroltjærer stammende fra jord-olje. Tjærene bør inneholde 5 - 15 % av komponenter som er uoppløselige i benzol, og forkoksningsresiduet bør hensiktsmessig utgjøre minst 20 %. Ved værelsetemperatur har tjærene en seighet av ca. 1 Ns/m 2.

Som metallandel av faststoffkomponenten egner seg særlig metaller som ved kontaktmassens behandlings- og anvendel-sestemperatur ikke med kontaktmassens karbon danner reaksjons-produkter som skader egenskapene hos den forbindelse som frembringes med massen. Foruten rene og lavlegerte metaller som f.eks. jern, kobber eller aluminium, er eventuelt også tilsetninger av metallegeringer, som f.eks. messing eller også blandinger av forskjellige metaller, gunstige. Metal-lets kornstørrelse bør høyst utgjøre 1 mm, når der ved korn-størrelse forstås ekvivalent diameter, så også metallspon med lengde >1 mm og bredde og tykkelse <1 mm inngår i den gunstige utførelsesform. Sponformede korn er gunstige også forsåvidt som der betinget ved orienteringseffekter ved forarbeidelsen av kontaktmassen, kan fremstilles forbindelser med særlig liten termisk og elektrisk tverrmotstand.

Som grafittandel av faststoffkomponenten er naturlig grafitt og elektrografitt like godt egnet. Pga. den i alminnelighet større anisometri av naturgrafittkorn eller -fnokker er det med naturgrafitt mulig å forsterke de omtalte orien-teringsef f ekter for sponene og å frembringe forbindelser med meget liten tverrmotstand. Tverrmotstanden av grafitten i massen er i alminnelighet proporsjonal med bredden av spalten som skal fylles, men der foretrekkes grafittpulver som har en kornstørrelse < 100 jam, og som har særlig gunstig plastisitet og homogenitet. En egnet korngradering er f.eks.

For fremstilling av kontaktmassen blir faststoff-andelene, altså grafitt- og metallpulveret, blandet med bindemiddelets tjærekomponent ved værelsetemperatur, f.eks.

i en tvangsblander, og en blandetid på 10 min. er da i alminnelighet tilstrekkelig. Denne del av kontaktmassen er praktisk talt ubegrenset lagringsstabil ved værelsetemperatur og kan dermed produseres for lager i større mengde. Kort før anvendelsen av kontaktmassen blir herdekatalysatoren rørt inn i bindemiddelets epoksyharpikskomponent, den homogene opp-løsning tilsatt en allikvot del av faststoff-tjæreblandingen og den samlede sats omrørt ca. 10 min. i et røreverk. Den ferdige kontaktmasse har strykbar konsistens og påføres

legemene som skal forbindes,med spatier, murskjeer eller også med håndpresser eller sprøytepistoler •

Masser inneholdende blandinger av epoksyharpikser og tjære er blitt kjent som korrosjonsfaste påstrykningsmidler og belegninger for betong- og stålflater. Slike masser er imidlertid bare brukbare for forholdsvis lave temperaturer og har dessuten meget høy termisk og elektrisk motstand.

Den kontaktmasse som oppfinnelsen går ut på, og som hefter omtrent like godt på keramiske og metalliske overflater og skrumper meget lite ved herdingen av harpikskomponenten, ut-merker seg i tillegg ved termisk stabilitet og lav termisk og elektrisk motstand innen det samlede anvendelsesområde. De gunstige mekaniske egenskaper og ledningsegenskaper oppnås i overraskende grad uavhengig av oppvarmningshastigheten og andre oppvarmningsbetingelser, så massen langt på vei er upåvirkelig av parameterendringer som er uunngåelige under drift,og egner seg for fremstilling av et stort antall for-skjellig belastede forbindelser. Antallet av de kontakt-eller kittemasser som hittil var nødvendige for forskjellige anvendelsesformål, kan dermed minskes vesentlig, og forbindelser fremstilt med massene ifølge oppfinnelsen har særlig gunstig driftssikkerhet.

I det følgende vil særlig anvendelsen av kontaktmassen og egenskapene hos de forbindelser som tilveiebringes med massen, bli belyst ved eksempler.

Eksempel 1

For fremstilling av en mekanisk stabil forbindelse med liten overgangsmotstand mellom en karbonelektrode som skal anvendes ved smelteflytende elektrolyse til produksjon av aluminium, og en tappformet metallisk leder, ble som allerede forklart detaljert ovenfor, 71 vektdeler faststoff blandet med 14 vektdeler koksverktjære og 15 vektdeler epoksyharpiks blandet med 3 vektdeler tjære, og de to delblandinger forenet. Den samlede andel av bindemiddel utgjorde således 29 vektdeler, faststoffkomponenten bestod av aluminiumsgryn og grafittpulver i forholdet 1:1. Maksimal kornstørrelse av grynene var ca. 0,3 mm,og grafittpulveret hadde følgende korngradering:

Den tappformede metalliske leder ble bragt inn i en uttagning i anoden, og den ca. 3 mm brede spalte mellom tapp-overflaten og overflaten av uttagningen ble sparklet med kontaktmassen. Harpikskomponenten var ved værelsetemperatur fullstendig utherdet etter ca. 15 - 18 h. Etter oppvarmning til 600°C, noe som omtrent svarer til den maksimale temperatur som nås under driftsbetingelsene, utgjorde den spesifikke elektriske motstand av den delvis forkoksede kontaktmasse ca. 400 yu-flm. En masse som inneholdt stenkulltjærebek og var fremstilt under samme betingelser, hadde en motstand av ca. 500 jdJCLm. Motstanden av den forbindelse som fremstilles med massen ifølge oppfinnelsen, er således omtrent 20 % mindre enn motstanden av en vanligvis anvendt kontaktmasse og tilsvarer motstanden av en forbindelse fremstilt ved ut-støpning av spalten med støpejern. Den sistnevnte fremgangs-måte er imidlertid meget kostbar teknisk sett, og det karbon som fås ved opparbeidelsen av restene av de forbrukte anoder, er mer eller mindre sterkt forurenset med jern.

Eksempel 2

Karbon- og grafittblokker for den katodiske bunn av en celle til produksjon av aluminium ved smelteflytende elektrolyse er forsynt med sporformede uttagninger til å oppta . strømskinnene. Det er kjent å støpe ut den spalte som lev-nes mellom de metalliske skinner og overflaten av uttagningen, med støpejern, noe som krever en stor påkostning som nevnt ovenfor. Uheldig i den forbindelse er også de støtformig frembragte spenninger som oppstår i blokkene og vil kunne føre til rissdannelse i disse. Man anvender derfor likeledes kontaktmasser med bituminøse bindemidler, som imidlertid har forholdsvis stor elektrisk motstand, delvis betinget ved løsning av massen fra kontaktflatene ved høyere temperaturer.

En kontaktmasse ifølge oppfinnelsen bestemt til inn-kitting av strømskinnene i karbonblokker hadde følgende sammensetning: 22 deler bindemiddel (10 deler epoksyharpiks, 12 deler tjære)

2 deler herder

78 deler faststoff (jern/grafitt = 3:1)

Man behandlet sponformede jern- resp. stålpartikler med lengde opptil 3 mm og bredde og tykkelse ca. 0,5 mm. Massen ble påført med sprøytepistol og forbindelsen så i omtrent 4 timer varmet opp til 900°C. Den spesifikke elektriske motstand av forbindelsen forandret seg da som følger:

Ved anvendelsestemperaturen, som utgjorde omtrent 900°C, er motstanden av den forkoksede kontaktmasse praktisk talt lik motstanden av den motliggende karbonblokk.

Eksempel 3

Som masse til å fylle ut fugen mellom karbonstenskikt og ovnspanser i en masovn ble der anvendt en kontaktmasse med følgende sammensetning: 17 deler bindemiddel (7 deler epoksyharpiks, 10 deler koksverktjære)

1,5 deler herder

83 deler faststoff (jern/grafitt = 2:1)

Grafittpulver:

Jern ble forarbeidet i form av spon, herderen var heksametylentetramin. Hensikten med kontaktmassen er å senke varmemotstanden mellom ovnsforing og kjølet ovnspanser og øke varmestrømmen tilsvarende. Temperaturen i forbindelsen utgjør omtrent 100 - 300°C,avhengig av de for foringen an-vendte stensorter og kjølingens intensitet. Kontaktmassens varmeledningsevne er i dette temperaturområde 6 W/m K og svarer dermed til varmeledningsevnen hos de motliggende karbonstener. Med kjente masser har der riktignok vært oppnådd en varmeledningsevne av omtrent samme størrelsesorden, men disse masser har bare begrenset mekanisk stabilitet. Særlig ofte kan man iaktta en smuldring av massene, noe som særlig vanskeliggjør reparasjonsarbeider. Massen ifølge oppfinnelsen danner derimot et stabilt monolittisk legeme.

Claims

1. Kontaktmasse som kan forarbeides kaldt og inneholder et tjæreholdig karboniserbart bindemiddel og grafitt- og metallpulver som faststoff, karakterisert ved at massen inneholder som bindemiddel en blanding av epoksyharpiks med et smeltepunkt under 5°C og en tjære som oppviser 5-15 vektprosent av i benzol uoppløselige komponenter og et forkoksningsresiduum på minst 20%, samt til herdning av epoksyharpiksen en syrefri herder.

2. Kontaktmasse som angitt i krav 1, karakterisert ved at den består av 15 - 30 vektdeler bindemiddel, 65 - 85 vektdeler faststoff og 1 - 5 deler herder.

3. Kontaktmasse som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at bindemiddelblandingen inneholder 5-15 vektdeler epoksyharpiks og 8 - 20 vektdeler tjære.

4. Kontaktmasse som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at vektforholdet metallpulver/grafittpulver i faststoffblandingen utgjør 1:1 - 3:1.

5. Kontaktmasse som angitt i et av kravene 1 - <4, >karakterisert ved at metallpulverets korn-størrelse er mindre enn 1000 pm og grafittpulverets mindre enn 100 ^um.