DE812211C - Verfahren zur Herstellung des unteren Teiles des Tiegels von Zellen zur schmelzfluessigen Elektrolyse und nach diesem Verfahren her-gestellte Zelle fuer die Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Description

(WiGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 27. AUGUST 1951

p 22925 VIa/40c D

Jean Grolee, Paris

ist als Erfinder genannt worden

Froges et Camargue, Paris

Die Zellen zur schmelzflüssigen Elektrolyse arbeiten mit einer Spannung von größenordnungsmäßig 4 bis 6 Volt. Man hat also Interesse daran, die nicht für die Elektrolyse notwendigen Spannungsabfälle möglichst zu vermindern. Dies trifft für den Spannungsabfall in dem Boden des Tiegels zu, der z. B. den kathodischen Teil der Zelle im Fall der Elektrolyse von in geschmolzenem Kryolith gelöstem Aluminiumoxyd zur Gewinnung von Aluminium darstellt oder im Gegenteil den anodischen Teil der zum Raffinieren von Aluminium bestimmten Zelle bildet. Es ist ferner wünschenswert, daß dieser Spannungsabfall einen geringen Wert während der ganzen Lebensdauer der Auskleidung der Zelle beibehält und daß diese Auskleidung solange wie möglich standhält, damit man die Zelle mit möglichst wenig Unterbrechungen in Betrieb halten kann. Die Auskleidung des das Elektrolysebad enthaltenden Tiegels ist aus Kohlenstoff, wobei der den Kathodenteil der Elektrolysezelle darstellende Boden häufig aus vorher gebrannten Kohlenstoffblöcken hergestellt ist, und der durch den Durchgang des Stromes durch den Boden hervorgerufene Spannungsabfall hängt wesentlich von der elektrischen Verbindung zwischen diesen Blöcken und den metallischen Stromaustritts- oder Stromeintrittsschienen ab, welche meistens aus Stahl oder Kupfer sind.

Diese Verbindung wird dadurch hergestellt, daß man in den gepreßten Kohlenstoffblock eine Nut ein-

schneidet, deren Querschnitt größer ist als der der Stromaustritts- oder Stromeintrittsschiene. Hierauf wird diese Schiene in die Nut eingesetzt, und man füllt den zwischen dem Metall und dem gepreßten Kohlenstoff bleibenden Zwischenraum mit einer warmen Paste aus, die aus einem Gemisch von Kohlenstoffstaub und Hartpech oder einem beliebigen anderen kohlenstoffhaltigen Stoff besteht, wie z.B. Melasse (Zuckerbrei). Bei der Inbetrieb-Setzung der Elektrolysezelle wird diese Paste gebrannt und gewährleistet so die elektrische Verbindung zwischen dem gepreßten Kohlenstoffblock und der metallischen Stromaustritts-oder Stromeintrittsschiene.

>5 Die Spannungsabfälle in dem unteren Teil des Tiegels der auf diese Weise hergestellten Elektrolysezellen erreichen gewöhnlich, wenn die Zelle neu ist, Werte von 0,45 bis 0,50 Volt und steigen mit der Zeit bis auf 0,80 Volt.

ϊο Zum Zweck der Verbesserung dieses Spannungsabfalls hat man vorgeschlagen, die Verbindung zwischen dem gepreßten Kohlenstoff und der Metallschiene mittels gegossenen Gußeisens herzustellen. Man erhielt so in der Tat einen besseren Spannungsabfall in dem unteren Teil des Tiegels der Zelle, wenn diese neu war, aber eine gewisse Zahl von Kohlenstoffblöcken platzte im Augenblick des Gießens des Gußeisens und mußte ersetzt werden, was die Ausgaben erhöhte. Ferner wies eine große Zahl von Blöcken, ohne vollständig zu platzen, leichte Risse auf, die sich während des Betriebs der Elektrolyse- oder Raffinierzelle weiter öffneten.

Diese Risse bewirkten eine Vergrößerung des Spannungsabfalls im unteren Teil des Tiegels der Zelle, da der gespaltene Kohlenstoffblock dem Stromdurchgang einen anomalen Widerstand ent- ] gegensetzte. Außerdem begrenzten diese Risse die j Lebensdauer dieses unteren Teiles des Tiegels der j Zellen, wie weiter unten im einzelnen ausgeführt | werden wird. · I

Diese schweren Nachteile haben die Entwicklung des Ausgießverfahrens mit geschmolzenem Guß verhindert.

Die Erfindung gestattet, diese Übelstände zu vermeiden, indem man zum Vergießen der Stromausk^rangs- oder Stromeingangsschienen in den gepreßten Kohlenstoffblöcken ein geschmolzenes Metall benutzt, welches eine Schmelztemperatur von über 1000⁰ C besitzt und nach der Erstarrung wesentlich frei von Bestandteilen ist, welche eine mit einer Volumvergrößerung verbundene Umwandlung erleiden könnten, wenn sie längere Zeit auf einer Temperatur von 900⁰ C gehalten werden.

In den auf diese Weise hergestellten Elektrclysczellen ist nämlich der Spannungsabfall in dem unteren Teil des Tiegels von der Größenordnung von 0,25 Volt, was nicht ausreicht, um genügend Joulesche Wärme zu entwickeln, um den Boden des Tiegels auf der gewünschten Temperatur zu halten. Es ist unbedingt notwendig, diesen Boden mit einem Wärmeschutz zu versehen, um einen breiigen und seihst festen Niederschlag auf dem oberen Teil der Kohlenstoffblöcke zu vermeiden; denn dieser

Niederschlag würde den Spannungsabfall vergrößern, so daß man den geseilten Gewinn an Gesamtspannung der Zelle wieder verlieren würde. Dank dieses Wärmeschutzes wird der untere Teil der gepreßten Kohlenstoffblöcke, wo die Stromaustrittsoder Stromeintrittsschienen vergossen sind, im normalen Betrieb auf einer Temperatur von etwa 900⁰ C gehalten. Nun hat man aber festgestellt, daß unter diesen Bedingungen ein beliebiger, für das Ausgießen benutzter Guß eine Volumvergrößerung zeigte, die viel größer als die normale Ausdehnung bei Temperaturerhöhungen war. Dieses Quellen des Gusses erweiterte die Risse der Blöcke und rief die weiter unten beschriebenen schweren Unfälle hervor. In manchen Fällen war die Quellung des Gusses so bedeutend, daß sie selbst Rißbildung in Blöcken hervorrief, welche bei der Herstellung des unteren Teiles des Tiegels der Elektrolysezelle vollkommen heil geblieben waren. Diese Übelstände werden vollständig vermieden, wenn man für das Ausgießen ein Metall, wie z. B. Kupfer, benutzt. Bronze mit weniger als io°/o Zinn ist ebenfalls geeignet sowie Gußeisen, welches praktisch frei von Schwefel und gebundenem Kohlenstoff ist, aber man kann auch jedes andere Metall oder jede Legierung verwenden, welche eine Schmelztemperatur von über 1000⁰ C besitzt und keinen Bestandteil aufweist, welcher nach der Erstarrung eine mit Volumvergrößerung verbundene Umwandlung erleiden könnte, wenn es längere Zeit auf einer Temperatur von 900⁰ C gehalten wird.

Eine Gußeisenschmelze mit folgender Zusammen-Setzung ergibt gute Resultate:

Kohlenstoff . . . ungefähr 3 %

Silicium 2,5 bis 3 %

Phosphor .... 1 bis i,5°/₀

Mangan weniger als 0,5 °/o

Schwefel weniger als 0,05 °/o

Eisen Rest

Abb. ι ist ein lotrechter Längsschnitt der Elektrolysezelle;

Abb. 2 ist ein Querschnitt dieser Zelle;

Abb. 3 und 4 stellen in größerem Maßstab einen der den kathodischen Teil der Zelle bildenden Kohlenstoffblöcke mit den Stromausgangsschienen mit Vergießungen bereits bekannter Art dar;

Abb. 5, 6 und 7 sind den Abb. 3 und 4 entsprechende Ansichten, welche erfindungsgemäße Vergießungen darstellen; "'.'.:'.':

Abb. 8 stellt schaubildlich drei Kohlenstoffblöcke dar, welche zum Vergießen mit derselben Stromaustrittsschiene vorbereitet sind;

Abb. 9 stellt im Grundriß die Vergießung einer Schiene in einen langen Block dar;

Abb. 10 stellt ein Gießverfahren der Schmelze in drei Phasen zur Ausführung des Ausgießens nach Abb. 6 dar.

Auf den Abb. 1 und 2 der Zeichnungen ist 1 der Metallkasten, in welchem der Tiegel der Elektrolysezelle aufgebaut ist; die Kohlenstoffauskleidung 3, 4 dieses Tiegels ist von dem Metallkasten ι und den Schienen 5 mit Hilfe von ieuer- 1*5 festen Steinen 2 isoliert. Die den kathodischen Teil

der Zelle bildenden Koiilcnstoffblöcke 4 sind mit den metallischen Stromaustrittsschienen 5 mit Hilfe der gegossenen Schmelze 6 verbunden.

Bei den auf Abb. 3 und 4 dargestellten bekannten Vorrichtungen ist die Stromaustrittsschiene in eine in den Kohlenstoffblock 4 geschnittene Xut 7 eingesetzt, wobei die Metallschmelze 6 in den Zwischenraum gegossen wird; wenn jedoch der Block in den Boden des Tiegels eingesetzt ist, ragt die erstarrte Schmelze nicht über die waagerechte untere Fläche des Blockes hervor.

Wie bereits oben angegeben, erhielt man so einen geringeren Spannungsabfall als ohne die zwischen die Metallschiene und die Kohlenstoffblöcke gegossene Schmelze, aber eine gewisse Zahl von Kohlenstoffblöcken spaltete sich im Augenblick des Gusses der Schmelze und mußte ersetzt werden. Ferner zeigte eine große Zahl von Blöcken, ohne sich vollständig zu spalten, leichte Risse, die sich beim Betrieb der Elektrolyse- oder Raffinierzelle weiter öffneten. Diese Risse bewirkten eine Vergrößerung des Spannungsabfalls in dem unteren Teil des Tiegels der Zelle, da der gespaltene Kohlenstoffblock dem Stromdurchgang einen anomalen Widerstand entgegensetzte. Außerdem begrenzten diese Risse die Lebensdauer dieses unteren Teiles des Tiegels der Zellen. Wenn nämlich an jeder Seite der Ausgießung mittels der Schmelze 6 ein Riß auftrat, wie bei 4¹ auf Abb. 3 dargestellt, so erreichte dieser durch das anomale Quellen der Schmelze erweiterte Riß allmählich die Ränder des Kohlenstoffblocks 4, und der obere Teil dieses Blocks löste sich schließlich j ab. Das am Boden des Tiegels befindliche flüssige Metall, z. B. Aluminium, wurde durch die Berührung mit der Ausgießschmelze 6 und der Metallschiene 5 verunreinigt, wodurch man gezwungen war, die Zelle außer Betrieb zu setzen, um den Boden des Tiegels zu reparieren. Dieselbe Störung, wenn auch weniger heftig, trat auf, wenn sich ein einziger Riß in den Kohlenstoffblock4 von der Ausgießschmelzeo aus nach oben zu ausbildete, wie bei 4¹ auf Abb. 4 dargestellt, wenn der Zwischenraum zwischen der Schiene 5 und dem Kohlenstoffblock 4 mit der ; Schmelze ausgegossen wurde. Der Riß 4¹ verlängerte sich allmählich nach oben, und das flüssige Aluminium sickerte durch den Riß, bis es mit der Ausgießschmelze in Berührung kam.

Bei der auf Abb. 5 dargestellten Anordnung bildet die über die Ränder der Ausgießnut 7 tretende Schmelze 6 eine Kappe 6° von ι bis 2 cm Dicke, welche gegen die untere waagerechte Fläche des ; Kohlenstoffblocks 4 anliegt. j

Fs ist klar, daß beim Ausgießen der Schwund der Schmelze in der Xut 7 auf die Kappe 6" eine ] Kraft ausübt, die sie stark gegen den Block anzudrücken sucht, was elektrisch günstig ist. Man kann so einen Spannungsabfall in der Größenord- ■ innig von 0,20 Volt erhalten.

Dieser Gewinn wird noch vergrößert, wenn man eine Form der Vergießung der auf Abb. 6 und 7 dargestellten Art verwendet, bei welcher die Ausgießschnielze 6 nicht nur die Xut 7 ausfüllt und die untere waagerechte Fläche des Blocks bei 6" bedeckt, sondern diesen auch noch auf den vier lotrechten Flächen bei 6^b auf einer Höhe einfaßt, die 10 cm erreichen kann. Der Spannungsabfall kann so auf 0,14 bis 0,15 Volt herabgesetzt werden.

Die Stromaustritts- oder Stromeintrittsschienen 5 sind im allgemeinen aus weichem schmiedbarem Martinstahl mit einer Bruchfestigkeit von 45 kg/mm² und einer Dehnung von 30 %·

Sie werden auf der Presse ausgerichtet. Wenn es sich um quadratische Knüppel handelt, dürfen diese keine Verwerfung aufweisen, da sonst ihre unsymmetrische Ausdehnung beim Gießen der Schmelze für die gute Qualität der Verbindung nachteilig wäre und eine Rißbildung in den Kohlenstoffblöcken hervorrufen könnte.

Für die weitere gute Herstellung des Bodens des Tiegels ist es wünschenswert, daß die zulässige Durchbiegung auf einer der Seiten nicht 1,5 mm je Meter überschreitet, doch ist diese Bedingung für die gute Ausführung des Ausgießens selbst nicht unerläßlich.

Der Teil der Stromschiene aus Eisen oder Kupfer, welcher mit dem Gießmetall in Berührung kommt, muß mit trockenem Sand und trockener Luft gesandet oder vorzugsweise geschliffen w^rerden, um von allen Oxydspuren befreit zu werden. Er darf im Augenblick der Verwendung weder feucht noch fettig sein. Es ist dagegen nicht nachteilig, wenn er rauh ist oder Werkzeugspuren aufweist, falls er bearbeitet wurde, was nicht unbedingt erforderlich ist. Man hat gefunden, daß es vorteilhaft ist, die Kohlenstoffblöcke vor dem Ausgießen zu erhitzen. Am besten bringt man sie in einen Heizofen, so daß sie gleichmäßig auf allen Seiten erwärmt werden; beim Fehlen eines solchen kann man sich damit begnügen, nur die genutete Seite zu erwärmen.

Für kubische Blöcke von etwa 50 cm Seitenlänge wird eine Temperatur von 8o° C in den Oberflächenschichten als hinreichend angesehen.

Die Vorwärmung der Blöcke ist nicht unbedingt erforderlich, und ein geschultes Personal kann sehr gut das Ausgießen der kalten Blöcke zustande bringen unter der Bedingung, daß diese frei von Feuchtigkeit sind; die Vorwärmung ist jedoch vorteilhaft.

Der Schmelzpunkt der obenerwähnten halbphosphorigen Schmelze liegt bei etwa 1150⁰ C.

Es ist jedoch zweckmäßig, diese Schmelze auf eine solche Temperatur zu bringen, daß nach Entleerung in die Gießpfannen und nach dem Transport dieser Pfannen zur Gießstelle die Temperatur des Strahles im Augenblick des Vergießens der Schienen zwischen 1200 und 1300⁰C liegt. Dies gewährleistet die zur tadellosen Ausführung des Vergießens nötige Dünnflüssigkeit.

Immerhin wäre es überflüssig und gefährlich, auf eine sehr viel höhere Temperatur zu erhitzen, wodurch der bereits sehr heftige, von dem Kohlenstoffblock erlittene thermische Schock in übertriebener Weise gesteigert würde. ,

Es ist klar, daß die flüssige Schmelze mehrmals sorgfältig vor dem Gießen entschlackt werden muß. Man kann sich damit begnügen, die Stromaus-

tritts-oder Stromeintrittsschienen in Wärmeöfen bei einer Temperatur von einigen zehn Grad zu trocknen, es ist jedoch nicht empfehlenswert, die Erwärmung zu übertreiben, da sonst leicht die Gefahr einer Oxydierung der Oberflächen besteht, welche, wie bereits erwähnt, tadellos sauber sein müssen.

Abb. 8 stellt als Beispiel eine vorteilhafte Anordnung für das Vergießen einer Metallschiene in drei Blöcke von 500 oder 600 mm Seitenlänge dar.

to Die Kohlenstoffblöcke 4 werden mit der Ausgießnut 7 nach obenauf den Boden gelegt und gegebenenfalls für die Einbringung der Schiene 5 ausgerichtet. Die Schiene wird mit ihren Enden auf zwei Böcke 8 gelegt, welche sie auf einer geeigneten Höhe halten, so daß sie alle Nuten 7 der Blöcke durchdringt. Es ist sehr wichtig, daß die nicht vergossenen Enden der Schiene 5 sich frei ausdehnen können. Es ist infolgedessen besser, sie nicht durch Bolzen, Keile o. dgl. festzulegen.

ao Wenn es sich um waagerechte Schienen handelt, welche in die Nuten 7 von mehreren Blöcken 4 eintreten, so sieht man zwischen diesen die nötigen Abstützungen und Verbindungsstücke 9 vor, damit die Schmelze die Nut 7 eines jeden Blocks ausfüllt,

as aber nicht von einer Nut zur anderen übertritt. Es handelt sich sozusagen darum, in der Schmelze Ausdehnungsfugen vorzusehen. Man verbindet alle Blöcke durch einen Gießrahmen 10.

Man gießt unter Einhaltung der hinsichtlich der Temperaturen und der Entschlackung angegebenen Vorsichtsmaßnahmen. Wenn drei Blöcke an derselben Schiene 5 vorhanden sind, so werden die drei Blöcke 4 gleichzeitig ausgegossen, indem man drei Gruppen von Gießern arbeiten läßt. Man vermeidet, daß der Gießstrahl unmittelbar auf die Schiene trifft oder an derselben Gießstelle bleibt, sondern bewegt ihn im Gegenteil in dem Zwischenraum zwischen Blöcken und Schiene hin und her, um gefährliche örtliche Überhitzungen zu vermeiden. Sobald die Oberfläche des Gusses begonnen hat zu erstarren, beeilt man sich, alles, was eine schnelle Abkühlung behindern könnte, zu entfernen; man entfernt die Zwischenstücke 9 aus Asbest und Sand, der Gieß*- rahmen 10 muß sofort gelöst werden usw. Es ist nämlich nötig, die Wärme so schnell wie möglich in die Umgebung abzuführen, um in einem gewissen Maße ihre Aufnahme durch den Block zu verringern, wodurch die Gefahren einer Rißbildung verringert werden.

Außerdem ist es zur Vermeidung jeder Beanspruchung, welche innere Spannungen hervorrufen könnte, vorteilhaft, allen Ausdehnungen freies Spiel zu lassen, und zwar nicht nur für die Schiene, sondern auch für die Blöcke selbst, welche gegebenenfalls z. B. in einem festen Gießrahmen nur gerade die zum Guß nötige Zeit eingespannt werden dürfen.

Als letzte Vorsichtsmaßnahme vermeidet man, die

durch die Schienen und die angegossenen Blöcke gebildete Anordnung zu verschieben, bevor sie hinreichend abgekühlt ist, d. h. man wartet nach dem Ausgießen mehrere Stunden und womöglich bis zum nächsten Tage.

Zur Herstellung der Vergießung nach Abb. 6 hat es sich als vorteilhafter erwiesen, in drei Phasen vorzugehen, wie auf Abb. 10 angegeben.

Zur Bildung des ersten Teiles 11 der Vergießung füllt man die Nut 7 bis zur Höhe der waagerechten Fläche des Blocks, und zwar in der unter Bezugnahme auf Abb. 8 ausgeführten geeigneten Anordnung. Man stellt den zweiten Teil 12 der Vergießung an Ort und Stelle in der Zelle her, wobei die feuerfeste Ausfütterung der Sohle als Form dient. Der dritte Teil 13 wird natürlich an Ort und Stelle ausgeführt. Die Abb. 10 zeigt ein Montageschema eines Kathodenteiles für Aluminiumöfen mit einer Vergießung der auf Abb. 6 gezeigten Art. Die Schmelzeabschnitte 11, 12, 13 der Blöcke verschweißen sich an den Stqßstellen in hinreichender Weise.

Es ist zu beachten, daß die aufeinanderfolgenden Ausgießarbeitsgänge voneinander durch eine genügende Zeitspanne getrennt sind, damit die Anordnung Blöcke-Schienen auf einer Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur bleibt. Es ist jedoch gelungen, gleichzeitig an der Baustelle die Teile 11 und 12 zu gießen, wobei für den Teil 12 eine Form benutzt wird.

Das oben beschriebene Verfahren ist zum Vergießen der Stromaustritts- oder Stromeintrittsschienen in Kohlenstoffblöcke geeignet, deren Abmessungen nicht 600 mm übersteigen.

Man hat lange Zeit darauf verzichtet, mit Hilfe von Gußeisen oder Bronze die Stromleiterschienen in die den Boden des Tiegels von Zellen zur schmelzflüssigen Elektrolyse oder von elektrometallurgischen öfen bildenden Kohlenstoffblöcke auszugießen, sobald die Länge der Vergießung eine Größenordnung von 500 bis 600 mm überstieg.

Die ersten Versuche hatten nämlich zu vielen Fehlschlägen geführt, da die Blöcke sich spalteten oder zerbrachen und unbrauchbar wurden und andererseits infolge ihrer Abmessungen sehr teuer waren.

Die vorstehende Arbeitsweise hat gestattet, mit Sicherheit das Vergießen von waagerechten Schienen in lange Blöcke vorzunehmen und Böden von Tiegeln herzustellen, welche die gleichen Eigenschaften hinsichtlich Lebensdauer und Spannungsabfall aufweisen, wie die mit kürzeren Blöcken erhaltenen.

Man hat nämlich festgestellt, daß die früheren Fehlschläge von der Unterschätzung der Vorsichtsmaßnahmen herrührten, welche man treffen muß, um den schädlichen Einfluß des thermischen Schocks auf die Blöcke und der Ausdehnungen oder Zusammenziehungen der Schiene oder der Schmelze zu verringern.

Es hat sich gezeigt, daß es zur Verringerung der so in den Blöcken hervorgerufenen Beanspruchungen zweckmäßig ist: das Ausgießen abschnittweise iao vorzunehmen; einen freien Raum in der Größe von 2 bis 3 cm Breite zwischen den Abschnitten vorzusehen; diese Abschnitte in bestimmten Zeitabständen und in bestimmter Reihenfolge zu gießen; die Wärmeabfuhr zu regeln; den Seitenwänden der Aussparungen für die Stromaustritts- oder Strom-

eintrittsschienen ein regelmäßiges Profil und ziemlich glatte Wände zu geben.

In der Folge wird als Beispiel das Ausgießen eines Blocks von 1500 X soo X 500 mm gegeben (Abb. 9).

Alle vorbereitenden Arbeiten für das Ausgießen sind die gleichen wie bei dem eingangs genannten Verfahren: Vorwärmung des Blocks, Reinigung der Schiene und Verwendung einer Schmelze mit bestimmten Eigenschaften.

Der Block 4 wird umgedreht, damit die Nut 7 oben liegt, und nach der Zentrierung der Schiene 5 wird der Raum, in welchen die Schmelze gegossen werden soll, durch geeignete Mittel in drei Abschnitte geteilt. Diese Unterteilung in drei Abschnitte mit Ausdehnungsfugen 14 gestattet, die Wärmeübertragung von einem Vergußteil zum anderen zu verzögern und gibt der Schmelze die Möglichkeit, sich auszudehnen, wenn sie im Betrieb auf eine Temperatur von der Größenordnung von 900⁰ C gebracht wird.

Jeder der Ausgießabschnitte wird getrennt mit einem Zeitunterschied von mehreren Stunden gegossen, so daß die Wärmezufuhr durch die flüssige Schmelze selbst dreimal erfolgt, was für das Verhalten des Kohlenstoffblocks und die Ausdehnung der Schiene vorteilhaft ist.

Die Reihenfolge beim Gießen selbst ist nicht gleichgültig; es hat sich gezeigt, daß es für vorteilhafter anzusehen ist, zunächst das Ausgießen des mittleren Teiles 15 vorzunehmen. Es ist nämlich klar, daß der Wärmeaustausch und die Ausdehnungsbeanspruchungen so sorgfältig ausgeglichen werden.

Sobald das Metall erstarrt ist, zerstört man die Zwischenteile, welche die Vergußteile voneinander trennen, um die Abkühlung zu erleichtern, welche man noch beschleunigen kann, indem man durch den so freigelegten Zwischenraum einen leichten Luftstrom strömen läßt.

Man läßt etwa eine Stunde verstreichen, dann ist es vorteilhaft, durch Wärmeschutzhauben die noch nicht ausgegossenen Abschnitte zu schützen, so daß sie sich langsam in der Masse erhitzen.

Einige Zeit später vollendet man den Schutz des Kohlenstoffblocks gegen eine zu schnelle Abkühlung, indem man den noch offenen Teil bedeckt. Diese Vorsichtsmaßnahmen sind nur durch den Wunsch bestimmt, im Augenblick, wo man zum Gießen des zweiten Abschnitts schreitet, einen warmen Block, d. h. einen Block mit einer Temperatur zwischen 40 und 8o° C zu haben. So ist man sicher, daß keine von der Kondensation herrührende Feuchtigkeit vorhanden ist, und man kommt dem thermischen Schock und der inneren Spannung, welche durch den nächsten Arbeitsgang entstehen, etwas zuvor.

Wenn die Länge des Blocks das Vorhandensein

von vier Abschnitten erforderlich machen sollte, ist es zweckmäßig, stets an erster Stelle die mittleren Abschnitte auszugießen, so daß niemals ein bedeutender Abschnitt der Schiene, z. B. 40 bis ' 50 cm, zwischen zwei bereits ausgeführten Vergießungen oder zwischen zwei einzelnen Vergießungen, von denen eine gerade hergestellt ist, frei bleibt. Aus Gründen der Ausdehnung ist diese letztere Arbeitsweise zu vermeiden.

Hinsichtlich der Zeit ist es vorteilhaft, wenigstens 12 Stunden und womöglich 24 Stunden zwischen dem Ausführen der einzelnen Gießabschnitte verstreichen zu lassen.

Es ist infolgedessen vorteilhaft, nicht gleichzeitig die beiden Enden zu vergießen.

Ganz allgemein läßt sich sagen, daß ein zu hastiger Guß der einzelnen Elemente, wenn er auch ausnahmsweise ein gutes Resultat geben kann, keinerlei Garantie bietet und zu einem bedeutenden Ausschuß führt, der normalerweise Null sein sollte.

Man kann eine letzte, weniger wichtige Vorsichtsmaßnahme erwähnen: Es ist vorteilhaft, daß das Profil der Seitenflächen der Nut 7 in dem Block regelmäßig ist und daß die Flächen ziemlich glatt sind, so daß sie der leichten Verschiebungsbewegung der Massen des erstarrten oder des erstarrenden Metalls keinen schädlichen Widerstand entgegensetzen.

Wenn man die obigen Vorschriften beachtet, so sind die gepreßten Kohlenstoffblöcke nach dem Vergießen der Stromaustritts- oder Stromeintrittsschienen mit Hilfe von gegossenem Metall heil und ohne jeden Riß. Man erhält so in dem unteren Teil des Tiegels einen Spannungsabfall, der, wenn der Tiegel neu ist, größenordnungsmäßig 0,25 Volt für eine Stromdichte von etwa 0,5 Amp. je Quadratcentimeter in den Kohlenstoffblöcken beträgt. Die Lebensdauer dieses unteren Teiles des Tiegels erreicht 4 Jahre und selbst 5 Jahre, wobei der Spannungsabfall dann größenordnungsmäßig 0,35 Volt und höchstens 0,40 Volt beträgt.

Die Gewißheit, nach dem Vergießen der Schienen vollkommen intakte Blöcke zu erhalten, gestattet noch, den Spannungsabfall der Verbindungsstelle der Stromeintritts- oder Stromaustrittsschienen mit den Kohlenstoffblöcken zu verbessern, indem man die Zusammenziehung des Metalls ausnutzt, die den Block bei der Abkühlung umklammert, wodurch der Spannungsabfall bis auf 0,15 Volt sinkt, wie weiter oben (Abb. 5, 6, 7) angegeben.

Der Stromdurchgang durch den unteren Teil des Tiegels von Elektrolysezellen, die auf die in dem vorstehenden Paragraphen beschriebene Weise hergestellt sind, verursacht einen Spannungsabfall von 0,15 bis 0,25 Volt. Die entwickelte Joulesche Wärme ist nicht ausreichend, um den Boden des Tiegels bei Fehlen eines Wärmeschutzes auf seiner Betriebstemperatur zu halten. Es ist daher unbedingt notwendig, unter dem Boden und an den Seiten des Tiegels der Elektrolysezelle Schichten von feuerfesten Wärmeschutzsteinen vorzusehen, deren Dicke von dem Wert des Spannungsabfalls in dem unteren iao Teil des Tiegels abhängt. Als Beispiel sei angegeben, daß man bei einem Spannungsabfall von 0,15 Volt gute Resultate erhält, wenn man unter dem Boden des Tiegels eine Schicht von 50 cm von feuerfesten Steinen anordnet, unter welcher sich 40 cm Isoliersteine befinden. Auf den Seiten des Tiegels schwankt

die Dicke der feuerfesten Schicht von oben nach unten zwischen 15 und 40 cm.

Bei einem Spannungsabfall von 0,25 bis 0,30 Volt

kann man sich damit begnügen, unter dem Boden des Tiegels eine Schicht von 20 cm feuerfesten Steinen anzuordnen, über welcher 13 cm Tsoliersteine vorgesehen werden.

Claims (12)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur Herstellung des unteren Teiles der Tiegel von Zellen zur schmelzflüssigen Elektrolyse, bei. welchem dieser untere Teil durch vorher gebrannte Kohlenstoffblöcke gebildet wird, deren elektrische Verbindung mit den metallischen Stromaustritts- oder Stromeintrittsschienen mittels eines gegossenen Metalls erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man den elektrischen Kontakt zwischen den die Auskleidung des Bodens der Zelle bildenden Blöcken

   _ao (4) aus gepreßtem Kohlenstoff und den Metallschienen zur Stromzufuhr zu diesen Blöcken mittels eines geschmolzenen Metalls bewerkstelligt, welches eine Schmelztemperatur von über iooo° C besitzt und nach der Erstarrung praktisch frei von Bestandteilen ist, welche eine mit einer Volumvergrößerung verbundene Umwandlung erleiden könnten; wenn sie längere Zeit auf einer Temperatur von 900⁰ C gehalten werden.
2. 2. Zelle für die Schmelzelektrolyse, hergestellt

   nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall aus Kupfer, Bronze oder aus praktisch von Schwefel und gebundenem Kohlenstoff freiem Gußeisen besteht.
3. 3. Zelle für die Schmelzelektrolyse, hergestellt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Gußeisen bestehende Schmelze folgende Zusammensetzung aufweist:

   Kohlenstoff ... ungefähr 3 %

   Silicium 2,5 bis 3 %

   Phosphor .... 1 bis 1,5 °/₀
   Mangan ..... weniger als 0,5 °/o
   Schwefel ..... weniger als 0,05 °/o
   Eisen Rest
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Stromaustritts- oder Stromeintrittsschienen und die Kohlenstoffblöcke (4) vor dem Ausgießen erwärmt werden, so. daß sie frei von Feuchtigkeit sind.
5. 5. Zelle für die Schmelzelektrolyse, hergestellt . . nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschienen so gerade wie möglich sind (Ausrichtung) sowie frei von Verdrehungen um ihre Achse (Verwerfung).
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze während des Vergießens der Schienen in die Kohlenstoffblöcke zwischen 1200 und 1300⁰ C gehalten wird, wobei der Strahl des flüssigen Metalls nicht unmittelbar auf die Schiene treffen darf, sondern während des Gusses längs des Zwischenraumes zwischen den Kohlenstoffblöcken und der Metallschiene bewegt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Gusses des flüssigen Metalls, und jedenfalls unmittelbar danach, die Metallschienen und die Kohlenstoffblöcke von allem befreit werden, was ihre Ausdehnung behindern und ihre Abkühlung verzögern kann.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ausgießen derselben Schiene in mehreren Kohlenstoffblöcken, deren Länge 500 bis 600 mm nicht übersteigt, das Gießmetall gleichzeitig auf die verschiedenen Blöcke gegossen wird, wobei vermieden wird, daß die Schmelze in die Zwischenräume zwischen den Blöcken eindringen kann.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergießen einer Schiene in einem einzigen langen Kohlenstoffblock die Ausgießlänge in mehrere getrennte Abschnitte unterteilt wird, welche voneinander durch einen freien Raum von 2 bis 3 cm getrennt sind, wobei ein einziger Abschnitt auf einmal gegossen wird, indem man bei einem der in der Mitte der Länge des Blocks gelegenen Abschnittes beginnt, worauf man mehrere Stunden wartet, bevor man das Gießmetall in den folgenden Abschnitt gießt, um so bis zum Schluß fortzufahren, wobei man es vermeidet, daß sich an irgendeinem Zeitpunkt ein noch nicht ausgegossener Abschnitt zwischen zwei bereits ausgegossenen Abschnitten befindet.
10. 10. Zelle für die Schmelzelektrolyse, hergestellt nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießmetall über eine in den Kohlenstoffblöcken angebrachte Nut beliebiger Form hinausragt, so daß es eine etwa ι bis 2 cm dicke Kappe bildet, welche gegen die untere waagerechte Fläche des Blocks anliegt (Abb. 5).
11. 11. Zelle für die Schmelzelektrolyse, hergestellt nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießmetall eine in dem Kohlenstoffblock angebrachte Nut beliebiger Form ausfüllt, die untere waagerechte Fläche des Blocks bedeckt und diesen auf den vier lotrechten Flächen auf einer Höhe von größenordnungsmäßig 5 bis 10 cm umfaßt (Abb. 6 und 7).
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,4 oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden und die Seiten des Tiegels der Zelle einen Wärmeschutz erhalten, der aus übereinanderliegenden Schichten von feuerfesten Steinen und von Isoliersteinen besteht, wobei die Dicke der Schichten von dem Wert des Spannungsabfalls in dem Boden abhängt.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    Q 1334 8.