DE2922773C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle, die einen Behälter für den Elektrolyten, mehrere blechartige Elektroden in diesem Behälter sowie Glie­ der zum Anschließen der Elektroden an die Stromquelle umfaßt.

Es ist heute allgemein üblich, im Zusammenhang mit der Gewinnung von Chlor und Alkali, Hypochloriten und Chloraten mit Edelmetal­ len oder deren Oxiden überzogene Titananoden einzusetzen. Ganz all­ gemein werden diese Anoden dabei zum Beispiel über eine durch die Wand der Elektrolysewanne geführte, mit einer Dichtung verse­ hene Schraubverbindung an die Stromschiene angeschlossen. Über solche oder ähnliche Vebindungen, zum Beispiel Flanschverbindungen, können auch aus anderen Metallen als Titan hergestellte Teile an die Stromschiene angeschlossen werden. So hat man zum Beispiel in gewissen Fällen einen Titanrohr-Kupferkern-Elektrodenschaft verwen­ det, wobei der Kupferkern über ein angeschnittenes Gewinde an der Anode selbst und mit seinem anderen Ende über eine Schraubverbin­ dung zum einen an der Wandung des Elektrodenkastens, zum anderen an der Stromschiene befestigt ist. Allen Schraubverbindungen ist der Nachteil gemeinsam, daß sie an den Kontaktflächen Übergangswi­ derstände verursachen und damit natürlich auch Energieverluste. Die innerhalb des Elektrolysekastens befndlichen Schraubverbindun­ gen stellen auch insofern eine schlechte Lösung dar, als die Bäder­ lauge in sie einzudringen vermag und Korrosion verursacht, insbe­ sondere wenn unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbunden wer­ den müssen. Auch sind die mit den Schraubverbindungen verbundenen Dichtungen in der Praxis sehr wartungsaufwendig. Außerdem ver­ ursachen Schraubverbindungen aus Titan einen langen, den Strom schlecht leitenden "Titan-Stromweg".

Stromschienen aus Aluminium hat man auch ohne Schraubverbindung an das Ende der Titanelektroden angeschlossen. An den die Zellen­ mantelwand durchbrechenden Elektrodenschaft kann eine Aluminium­ verdickung angegossen werden, die dann zum Beispiel über eine Schraubverbindung an der Aluminium-Stromschiene befestigt wird, wie es in der GB-PS 11 27 484 beschrieben ist. Hierbei ergibt sich ein verhältnismäßig langer Titan-Stromweg, was infolge der schlechten elektrischen Leitfähigkeit des Titans gleichbedeutend mit Energieverlusten ist. Außerdem bewirkt der lange Elektroden­ schaft einen zusätzlichen Titanverbrauch. Auch das Angießen der Halterungs-Enden an das Aluminium ist ein schwieriger Arbeitsgang.

Die Verbindung zwischen Stromschiene und Titananode wurde auch durch Befestigung der Elektrode mittels Bolzen an innerhalb des Elektrolysekastens befindlichen Anodenstützen verwirklicht. Die­ se Stützen können in einem Arbeitsgang durch Widersandsschweißen an das Titan-Mantelteil und dieses wiederum an den Aluminiumleiter angefügt werden, vorausgesetzt, daß das Aluminium eine Dicke von weniger als 3 mm hat, wie in der GB-PS 11 25 493 dargelegt ist. Die Schwäche dieser Konstruktion liegt vor allem darin, daß sie sich nicht in Verbindung mit dicken Stromschienen eignet wie sie beim Arbeiten mit hohen Strömen und Stromdichten üblich sind. Im Falle dünner Aluminiumbleche muß die Aluminium-Oberflächen­ schicht noch über eine besondere Verbindung an den Aluminium-Strom­ leiter angeschlossen werden. Das gleiche trifft für die in diesem Patent erwähnten anderen Methoden zur Beschichtung von Titan mit Aluminium, wie das Explosionsfügen, zu. Dabei gestaltet sich die Herstellung der Durchführungen, wie zum Beispiel der Rohrstutzen, schwierig, ganz abgesehen davon, daß eine solche Konstruktion auch kostspielig ist.

In der DE-OS 26 03 626 ist eine andere Lösung zur Befestigung der Aluminium-Stromschiene an das Mantel­ teil des Titan-Elektrolysekastens dargelegt: Ein Kupfer-, Aluminium-, Stahl- oder Titanzapfen wird durch Reibungsschweißen oder Kon­ densatorbolzenschweißen an das Titan-Mantelteil angefügt. Der Aluminiumzapfen kann dann in entsprechende Bohrungen der Strom­ schiene eingeführt und an die Schiene angeschweißt werden. Die Schwäche dieser Konstruktion liegt darin, daß infolge der schlech­ ten elektrischen Leitfähigkeit des Titans eine große Anzahl sol­ cher Aluminiumzapfen erforderlich ist um den Strom in den Elek­ trolysekasten zu leiten.

Wie bereits dargelegt wurde, können die Titananoden über Bolzen an den an die Innenfläche des Titan-Mantelteils angeschweißten Stützen befestigt werden, wobei an den Kontaktflächen Übergangs­ widerstand auftritt. In der DE-OS 26 03 626 wiederum ist dargelegt, daß das an seiner unteren Kante gebogene Anodenblech an den Stützleisten durch Kehlnathschweißen befestigt wird. Weiter ist darin auch dargelegt, daß die Anoden direkt an die Oberfläche der aus Metall bestehenden Bodenplatte angeschweißt werden können. Diese vorgenannte Anschlußmethode ist insofern schlecht, als die Anodenbleche während des Schweißens auf irgendeine Weise ausgerichtet werden müssen damit ihre Befestigung an der richtigen Stelle erfolgt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit bezweckt, eine Elektroly­ sezelle zu schaffen, bei welcher der Stromweg zwischen den an den einen Pol der Stromquelle angeschlossenen Stromschienen oder Hänge­ leitern und den ihnen zugeordneten Elektroden möglichst kurz und der Übergangswiderstand möglichst gering ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle, die einen Behälter für den Elektrolyten, mehrere blechartige Elektroden in diesem Behälter sowie Glieder zum Anschließen der Elektroden an die Stromquelle umfaßt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest die mit dem einen Pol der Stromquelle verbundenen Glieder von Alumi­ nium-Stromschienen oder -Hängeleitern oder bei Verwendung von Aluminium als Schweiß-Zusatzwerkstoff alternativ von Kupfer- Stromschienen oder -Hängeleitern gebildet werden, die auf der zu den Titanelektroden entgegengesetzten Seite des Titanmantel­ teils des Elektrolysebehälters an diesem oder direkt an den Titanelektroden, entweder durch Schutzgas-Lichbogenschweißen, durch MIG- oder WIG-Schweißen oder unter vorherigem Aluminium- Auftragschweißen des Titanmantelteils des Elektrolysebehälters oder der Titanelektroden, befestigt werden.

Die Anoden können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an die an die Mantelinnenfläche angeschweißten Anodenstützen, -halterungen o. dgl., in die eine Kerbe eingearbeitet ist, oder an eine in das Titan-Mantelteil eingearbeitete Kerbe angeschweißt werden, wobei in letzterem Falle Voraussetzung ist, daß das Titan- Mantelteil eine ausreichende Dicke aufweist, wobei dann die senk­ rechte Kerbwand als Führung der Anode dient und das Schweißen von der anderen Seite der Anode erfolgt.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird der Übergangswi­ derstand vermieden, ein kurzer Titan-Stromweg erzielt, und die Ano­ den lassen sich zum einen in gleichen gegenseitigen Abständen und zum anderen so anordnen und ausrichten, daß sich eine günstige Stromspeisung ergibt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aluminium-Stromschiene durch MIG- oder TIG-Schweißen unmittelbar an das Titan-Mantelteil angefügt. An einem geschweißten Probestab durchgeführte Zugversuche er­ gaben, daß die Schweißnaht eine ebenso große oder nahezu eben­ so große Festigkeit wie Aluminium aufweist. Widerstandsmessungen ergaben, daß der Übergangswiderstand der Schweißnaht gleich null und der Gesamtwiderstand gleich der Summe der Widerstände der Ti- und Al-Stäbe ist. Es kann somit konstatiert werden, daß mit Hilfe von Schutzgaslichtbogenschweißen eine Kontaktfläche zwi­ schen Titan und Aluminium erzielt wird, deren Übergangswiderstand gleich null ist. Werden die Aluminium-Stromschienen gemäß der Erfindung geschweißt, so erhält man eine große Kontaktfläche zwi­ schen Aluminium und Titan. Um eine Kontaktfläche mit dem Übergangs­ widerstand null zu erzielen kann man auch wie folgt verfahren: Auf das Titan-Mantelteil oder die Titanelektrode wird durch MIG- oder TIG-Auftragschweißen eine Aluminiumschicht aufgebracht, an die dann die Stromschiene bzw. Hängeleiter auf normale Weise angeschlos­ sen werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle im Schnitt,

Fig. 2 eine Teilansicht im Schnitt längs der in Fig. 1 angedeuteten Linie A-A,

Fig. 3 die Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform in aufgeschnittenem Zustand,

Fig. 4 eine Teilansicht der in Fig. 3 gezeigten Elektrolysezelle im Schnitt,

Fig. 5 die Teilansicht einer dritten Ausführungsform zur Befestigung der Anoden am Titan- Mantelteil im Schnitt,

Fig. 6 und 7 die Befestigung von Anoden mit und ohne Aufhängeglieder am Titan-Mantelteil,

Fig. 8 den stirnsei­ tigen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen und

Fig. 9 einen Schnitt längs der in Fig. 8 angedeuten Geraden B-B.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Elektrolysezelle ist der den Elektro­ lyten enthaltende Kasten mit der Bezugszahl 1, das Titan-Mantel­ teil mit der Bezugszahl 2 bezeichnet. Das Titan-Mantelteil 2 ist vom Kasten 1 elektrisch isoliert. Das Mantelteil 2 ist über mehrere nebeneinander befindliche keilförmige Aluminium-Stromschienen ans Anodenpotential der Stromquelle angeschlossen, und auf der ent­ gegengesetzten Seite des Mantelteils 2 sind mehrere blechförmige Titanelektroden 3 parallel zueinander und quer zu den auf der ent­ gegengesetzten Seite des Titan-Mantelteils 2 befestigten Strom­ schienen 4 befestigt. Ins untere Teil des Elektrolytkastens 1 er­ strecken sich außerdem an das Kathodenpotential der Stromquelle an­ geschlossene Stromschienen 6, an denen mehrere blechartige Kato­ den 5 befestigt sind, die sich in teilweiser Überdeckung mit den Anoden 3 in einem Abstand von diesen im Elektrolyten befinden. Die Stromschienen können, je nachdem an welcher Wand die Elektroden befestigt sind, auch auf andere Weise als in Fig. 1 dargestellt angeordnet sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie die Befestigung der Stromschienen 4 und der Titananoden am Titan-Mantelteil 2 auf eine solche Weise, daß ein möglichst kurzer Titan-Stromweg und ein geringer Übergangswiderstand erzielt werden. Durch die keil­ artige Form der Aluminium-Stromschiene 4 wird die schlechtere Stromleitfähigkeit der kathodischen Stahl-Stromschienen 6 kompen­ siert und damit eine gleichmäßige Stromverteilung erzielt. Dient als kathodischer Grundwerkstoff Titan, kann das erfindungsgemäße Ver­ fahren auch auf der Kathodenseite in gleicher Weise wie auf der Ano­ denseite angewandt werden.

Aus Fig. 2 geht näher hervor, daß die Stromschienen 4 unmittelbar an das Titan-Mantelteil 2 angeschweißt sind, wodurch eine einfache und billige Konstruktion erzielt wurde, die frei von Übergangswi­ derständen ist und eine gleichmäßige Stromverteilung auf die an der Innenfläche des Deckelteils 2 sitzenden Titan-Anoden 3 gewähr­ leistet. Die Stromschienen 4 werden am Mantelteil 2 durch Schutz­ gaslichtbogenschweißen, vorzugsweise durch MIG- oder TIG-Schweißen, befestigt. Das Anschweißen von Kupfer-Stromschienen an das Titan- Mantelteil erfolgt nach dem MIG- oder TIG-Verfahren und unter Einsatz von Aluminium als Zusatzwerkstoff.

Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform sind innenseitig an das Titan-Mantelteil 2 durch MIG- oder TIG-Schweißen in einem gegenseitigen Abstand voneinander mehrere Stützen 7 für die Anoden 3 bzw. eine zusammenhängende Stütze pro Anode angebracht. Falls die Anoden 3 am Mantelteil 2 befestigt sind und zwischen den Anoden 3 und dem Mantelteil Durchlässe durch die Gasströmungen und den Lau­ genumlauf belassen werden müssen, empfiehlt es sich, pro Anode 3 statt einer zusammenhängenden Stütze mehrere kleinere Stützen 7 an­ zuordnen. Die Stützen 7 bestehen aus Titan und haben an ihrer einen Kante eine eingearbeitete, zu den übrigen die gleiche Anode 3 tragenden Stützen 7 parallele Kerbe, deren zum Mantelteil 2 senk­ recht verlaufende Wandung 8 als Anodenführung dient, wobei das Anschweißen von der anderen Seite aus an die andere Wandung 9 der Kerbe erfolgt. Auf diese Weise gelangen die Anoden 3 exakt an die richtige Stelle, lassen sich präzis zueinander und zu den Kathoden ausrichten, und beim Auswechseln der Anoden 3 lassen sich diese durch Abschleifen der Schweißnaht 10 leicht und schnell von ihren Stützen 7 lösen. Danach können die neuen Anoden 3 in exakt der gleichen Stellung wie die alten Anoden 3 angeschweißt werden, denn die Führungsfläche 8 der Kerbe wurde im Zusammenhang mit dem Aus­ wechseln der Anoden 3 in keiner Weise angetastet.

Gemäß der Erfindung kann alternativ auch in das Titan-Mantelteil 2, vorausgesetzt es ist dick genug, zum Beispiel eine rechteckige, vorzugsweise jedoch eine Kerbe der in Fig. 5 gezeigten Art, einge­ arbeitet werden, wobei die zum Manelteil 2 senkrechte Seite 17 der Kerbe als Führung der Anode 3 dient und das Anschweißen von der anderen Seite 18 aus erfolgt. Werden alle Kerben in richtiger Länge und konzentrisch zur Mittellinie der Anodengruppe ausgeführt, wird ein müheloses Ausrichten der Anoden auch in seitlicher Richtung er­ zielt. Außerdem ergibt sich beim Anschweißen des Anodenbleches 3 eine große Kontaktfläche zwischen dem Titan-Mantelteil 2 und der Anode 3. Das Entfernen der Anoden 3 gestaltet sich ebenso einfach wie im vorangehend beschriebenen Falle; die Konstruktion bietet je­ doch den Vorteil, daß keine besonderen Stützen für die Anoden 3 an der Innenseite des Titan-Mantelteils 2 angebracht werden brauchen. Außerdem wird so ein noch kürzerer Titan-Stromweg erzielt. Beim Arbeiten mit blechartigen Titananoden 3 brauchen diese nicht ganz bis zur Kante beschichtet zu werden, so daß eine eventuelle Beschädigung der Beschichtung im Zusammenhang mit dem Schweißen vermieden wird (in den Fig. 6 und 7 ist der beschichtete Be­ reich durch Schrägraster dargestellt).

Erfolgt die Stromspeisung der Anoden 3 über den Boden oder eine Sei­ tenwand des Elektrolysekastens 1, so können die Anoden 3 als zu­ sammenhängende, d. h. ununterbrochene Bleche ausgeführt werden. Er­ folgt hingegen die Stromzufuhr über das Deckelteil 2 des Kastens 1, so kann man die Gasableitung und den Laugenumlauf dadurch sicherstel­ len, daß man die Anodenstütze nicht als einheitliches Stück son­ dern als Teilstücke mit Zwischenlücken ausführt. In Fig. 6 ist eine solche Teilungsweise gezeigt. Werden die Anodenbleche wiederum in innenseitig am Deckelteil 2 befindliche Rillen eingesetz, so kann die Titananode 3 mit Haltegliedern 11 versehen werden, zwischen denen das Gas entweichen und die Lauge zirkulieren kann. Ein Beispiel einer solchen Konstruktion ist in Fig. 6 gezeigt. Bei der in Fig. 7 darge­ stellten Konstruktion ist die Anode 3 am Titan-Mantelteil 2 befe­ stigt und ohne Halteelemente ausgeführt. Werden auch die Kathoden aus dem Grundmaterial Titan hergestellt, so lassen sich alle vorange­ hend gegebenen Beispiele auch auf die Kathodenseite anwenden.

In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung für Me­ tallelektrolysen-Zwecke dargestellt, bei der die Elektroden 3 so an Hängeleitern 12 aufgehängt sind, daß sie im Inneren des Elektrolyse­ kastens 1 hängen. Wie aus Fig. 9 deutlicher hervorgeht, ist die einzelne Elektrode 3 mit ihrer oberen Randpartie 16 in einem am Hängeleiter 12 befindlichen, in Längsrichtung verlaufenden und sich in Vertikalrichtung durch diesen erstreckenden Spalt an­ geordnet. Die Elektrode 3 besteht aus Titan, der Hängeleiter 12 entweder aus Kupfer oder Aluminium. Der Spalt weitet sich nach oben zu, und die obere Kante der Elektrode 3 ist an dieser Erweiterung so an den Hängeleiter 12 angeschweißt, daß die Schweißnaht 14 straff zwischen die schrägen Wände 15 des Spaltes gepreßt wird. Auf diese Weise wird die Elektrode 3 sehr straff am Hängeleiter 12 befestigt, da ja ihre Oberkante 16 regelrecht in den Spalt ein­ gekeilt wird.

Gemäß der gemachten Erfindung kann die Elektrode 3 auch auf andere als in den Beispielen beschriebenen Weisen an den Hängeleiter 12 an­ geschweißt werden, zum Beispiel durch Anschweißen des Elektroden­ schaftes seitlich an den Hängeleiter oder durch Schweißen des Hän­ geleiters unter den passend gebogenen Elektrodenschaft.

Bei der elektrolytischen Gewinnung von Chloraten können Titanelek­ troden auch als Kathoden verwendet werden, wenngleich sich diese sehr rasch abnutzen, da der an der Kathode entstehende Wasserstoff in sta­ tu nascendi Titanhydrid bildet.

Zur Erzielung einer Kontaktfläche mit dem Übergangswiderstand null kann man auch folgendermaßen verfahren: Auf das Titan-Mantelteil oder die Titanelektrode wird durch MIG- oder TIG-Auftragschweißen eine Aluminiumschicht aufgebracht, und an diese werden dann auf herkömmliche Weise zum Beispiel durch Schweiß- oder Schraubver­ bindung die Stromleiter befestigt (der Al/Al-Übergangswiderstand ist gering).

Die Befestigung der Hängeleitung an die Titanelektroden kann durch Schweißen unter Anwendung auch anderer Anschlußarten als oben erwähnt erfolgen, zum Beispiel durch Anschweißen des Elektroden­ schaftes seitlich an den Hängeleiter oder durch Schweißen des Hängeleiters unter den gebogenen Elektrodenschaft.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle, welche einen Behälter (1) für den Elektrolyten, mehrere blechartige Elektroden (3, 5) in diesem Behälter (1), sowie Glieder (4, 6, 12) zum Anschlie­ ßen der Elektroden an die Stromquelle umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die mit dem einen Pol der Stromquel­ le verbundenen Glieder von Aluminium-Stromschienen oder -Hängeleitern oder bei Verwendung von Alumi­ nium als Schweiß-Zusatzwerkstoff alternativ von Kupfer-Stromschienen (4, 6) oder -Hängeleitern (12) gebildet werden, die auf der zu den Titanelek­ troden (3) entgegengesetzen Seite des Titanmantel­ teils (1 oder 2) des Elektrolysebehälters an diesem oder direkt an den Titanelektroden, entwe­ der durch Schutzgas-Lichtbogenschweißen, durch MIG- oder WIG-Schweißen, oder unter vorherigem Aluminium-Auftragschweißen des Titanmantelteils (1 oder 2) des Elektrolysebehälters oder der Titan­ elektroden (3, 5) befestigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hängeleiter (12) wenigstens einen in Längsrich­ tung verlaufenden, die Aufhängestange vertikal durch­ brechenden Spalt aufweist, in dem die Titanelektrode (3) mit ihrer Oberkante (16) durch eine Schweißnaht (14) an der Aufhängestange (12) befestigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt bzw. die Spalte im Hängeleiter (12) sich nach oben zu weitet bzw. weiten, so daß die Oberkante (16) der Titanelektrode (3) einschließlich ihrer Schweißnaht (14) zwischen den schrägen Flächen (15) des sich nach oben weitenden Spaltes bzw. der sich nach oben weitenden Spalte eingekeilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanelektroden (3) an die Innenfläche des Ti­ tanmantelteils (1 oder 2) der Elektrolysezelle ange­ schweißt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Innenfläche des Titanmantelteils (1 oder 2) für jede Titanelektrode (3) eine längliche Nut einge­ arbeitet wird, deren eine Fläche (17) senkrecht zur Fläche des Mantelteils (1 oder 2) verläuft, während die entgegengesetzte Seitenwand (18) abgeschrägt ist, und daß die Titanelektroden (3) mit ihrer Kante so in die Nut eingesetzt werden, daß sie gegen die senkrechte Fläche (17) ausgerichtet sind und daß anschließend die Titanelektroden (3) von der abgeschrägten Seitenwand (18) der Nut aus an die Innenfläche des Mantelteils (1 oder 2) so geschweißt werden, daß die Nuten auf gleiche Linie zentriert sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenfläche des Ti­ tanmantelteils (1 oder 2) der Elektrolysezelle für jede Titanelektrode (3) zunächst ein oder mehrere Stützglie­ der (7) befestigt werden, in die ein Einschnitt einge­ arbeitet wird, dessen eine Fläche (8) senkrecht zur Innenfläche des Mantelteils (1 oder 2) verläuft, wobei die Titanelektrode (3) so in diesen Einschnitt einge­ setzt wird, daß sie an der senkrechten Fläche (8) an­ liegt und die Titanelektrode (3) ausrichtet und daß die Titanelektrode (3) auf der anderen Fläche (9) des Ein­ schnittes angeschweißt wird.