BR112021013233B1

BR112021013233B1 - Métodos de fabricação para a melhoria, e para a estabilização a longo prazo da condução térmica geral de resfriadores de bloco com tubos de refrigerante fundidos

Info

Publication number: BR112021013233B1
Application number: BR112021013233-3A
Authority: BR
Inventors: Allan J. Macrae
Original assignee: Macrae Technologies, Inc
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2024-04-30
Also published as: WO2020263343A1; ZA202104071B; KR102576798B1; CA3145190A1; BR112021013233A2; KR20210094628A; KR20230047504A; EP3887554A1

Abstract

MÉTODOS DE FABRICAÇÃO PARA A MELHORIA, E PARA A ESTABILIZAÇÃO A LONGO PRAZO DA CONDUÇÃO TÉRMICA GERAL DE RESFRIADORES DE BLOCO COM TUBOS DE REFRIGERANTE FUNDIDOS. Métodos de modelagem computacional e métodos de instalação de fundição para tubos de refrigerante de cobre-níquel de refrigeradores fundidos em cobre são combinados. Primeiro, as etapas de Dinâmica de Fluidos Computacional e/ou Análise de Elementos Finitos verificam os modelos geométricos de projeto auxiliado por computador e as escolhas de materiais, a distribuição de calor ponto a ponto e os fluxos de calor. E, em segundo lugar, etapas de fundição para comprometer uma iteração de última espessura aceitável de uma parte do tampão térmico na simulação para fundi-la em uma instalação de fundição. Na instalação de fundição, as condições de fundição são desenvolvidas empiricamente para produzir todas as imperfeições de ligação, exceto as leves, não aglomeradas, em uma interface de difusão concêntrica dos tubos e fundição solidificada circundante que melhoram a condutividade térmica de resfriadores de bloco de forno que incorporam tubos de refrigerante. Os métodos combinados verificam em simulação que as tensões térmicas operacionais na interface de fundição do tubo permanecem dentro dos limites de tensão do material e que as (...).

Description

ANTECEDENTES Campo da Invenção

[0001] A presente invenção se refere a métodos de fabricação avançados para resfriadores de bloco de forno com tubos de refrigerante fundidos e, mais particularmente, a métodos de fundição de cobre para estabilidade máxima e longa vida em condutividade térmica e um mínimo em riscos de vazamento de refrigerante. Em que tais benefícios resultam diretamente da fusão e ligação metalúrgica de toda a área de superfície de tubos de refrigerante de liga de cobre-níquel de parede fina (CuNi) em suas fundições de cobre circundantes.

Descrição do Estado da Técnica

[0002] As paredes e tetos refratários dos fornos metalúrgicos podem ser expostos à escória quimicamente corrosiva e à ciclagem térmica, bem como à penetração do fundido entre o tijolo e na matriz do tijolo refratário. Os blocos de cobre resfriados por líquido são amplamente usados para interromper a corrosão em alta temperatura e reduzir a taxa de erosão do refratário, particularmente em fornos expostos a altos fluxos de calor. O refrigerante líquido pode vazar quando rachaduras se desenvolvem nos blocos de cobre. Os resfriadores de bloco de forno convencionais são tradicionalmente fabricados a partir de tarugos de cobre ou como fundições despejadas em molde. Menos problemas com vazamento de refrigerante foram percebidos para blocos fundidos com bobinas de tubos internos porque as rachaduras não se propagam prontamente para dentro e através das paredes dos tubos de refrigerante de liga CuNi. Isso ocorre porque os tubos têm uma estrutura de grão de cristal muito fino, e se os tubos de refrigerante de liga CuNi forem ligas CuNi 70/30 com níquel, a liga terá uma dureza Vickers muito mais alta que irá combater o craqueamento. Por outro lado, as fundições de cobre solidificadas têm grandes estruturas de grãos de cristal que são suscetíveis à propagação de craqueamentos que se iniciam a partir de qualquer superfície livre ou defeito de fundição.

[0003] O uso de tubos para conter o refrigerante líquido tradicionalmente significa que a interface entre os tubos de refrigerante de liga CuNi e as fundições introduzirá um alto grau de resistência térmica devido a lacunas ou ausência de ligação metalúrgica. Essa resistência térmica na presença de altos fluxos de calor desenvolve diferenciais térmicos que podem forçar a separação do tubo da fundição. O superaquecimento local e níveis ainda mais elevados de resistência térmica são os resultados imediatos. Essas tensões de cisalhamento induzidas termicamente se concentram na interface de tubo para cobre fundido devido à diferença nas condutividades térmicas entre os tubos e o cobre fundido circundante. Se houver pouca ou nenhuma ligação metalúrgica, a interface pode abrir rapidamente, aumentando assim a resistência térmica de forma incremental ao longo do tempo.

[0004] As forças de cisalhamento térmico através da interface em pontos quentes locais podem ser grandes o suficiente para separar os materiais se os fluxos de calor atingirem níveis altos o suficiente. Mas se os tubos de refrigerante de liga CuNi forem de liga CuNi 70/30, as superfícies externas dos tubos de refrigerante de liga CuNi podem se unir e fundir metalurgicamente com as fundições de cobre conforme elas se solidificam em seus moldes de areia. Essas interfaces fundidas são altamente condutivas termicamente e, portanto, podem eliminar pontos quentes locais se forem uniformemente perfeitas. Um objetivo óbvio é ter ligações ininterruptas completas e fusão metalúrgica em toda a área da interface.

[0005] O que é um grau suficiente de completude, e como alcançar uma ligação ininterrupta praticamente completa e fusão metalúrgica em toda a área da interface de fundição de fundições de Cu e tubos de refrigerante de liga CuNi não foi praticado até agora em público.

[0006] Uma variedade de ligas de cobre padrão disponíveis comercialmente são adequadas para bobinas de tubos que podem ser manipuladas para se fundir em resfriadores de bloco de forno de cobre fundido. Um em particular é CuNi 70/30, que é cerca de 70% de Cu e 30% de liga de Ni, com adições de ferro e manganês. O exame metalúrgico e o teste destrutivo foram usados no passado para comparar as melhorias na ligação metalúrgica alcançáveis em relação aos resfriadores de bloco de forno de cobre fundido fabricados com Monel-400 e outros tubos de liga de níquel- cobre (NiCu).

[0007] As ligas de bobina de tubo de refrigerante de liga CuNi e técnicas de fundição associadas resultaram em resfriadores de bloco de forno de cobre fundido que possuem vida útil muito melhorada em aplicações de alta carga de calor em comparação com as tecnologias anteriores. Os primeiros resfriadores de bloco de forno de cobre fundido em tubo CuNi reconheceram que a liga CuNi mais dura e as estruturas de cristal de grão fino dos tubos fundidos internamente impediriam a propagação de rachaduras nas estruturas de cristal de grão grande circundantes das fundições em resfriadores de bloco de forno de cobre e, assim, evitam uma das principais causas de vazamento e falha do refrigerante. Além disso, como os tubos de refrigerante de liga CuNi eram feitos de CuNi, eles se fundiam metalurgicamente e se ligavam dentro das fundições de cobre para produzir os altos níveis de condutividade térmica e ausência de pontos quentes locais necessários para novas demandas de fornos.

[0008] Tornou-se aparente que se a ligação metalúrgica e a fusão entre o tubo de refrigerante de liga CuNi e uma fundição de Cu não puderem ser perfeitas, ela deve ser apenas ligeiramente incompleta e não aglomerada em toda a área de superfície da interface entre eles. Caso contrário, pontos quentes locais destrutivos se desenvolverão, o que pode produzir força de cisalhamento térmico suficiente para separar os tubos de refrigerante de liga CuNi e quebrar os materiais de cobre bruto. Tubos sem ligação e craqueamento nos materiais de cobre bruto são os principais motivos pelos quais os resfriadores de bloco de forno de alto fluxo de calor falham.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0009] Resumidamente, as modalidades do método da presente invenção melhoram a condutividade térmica de resfriadores de bloco de forno que incorporam tubos de refrigerante. Os métodos aprimorados resultam em ligações metalúrgicas contínuas e difundidas e na fusão das interfaces de tubo para fundição entre os tubos de tubos de refrigerante de liga CuNi e suas fundições de Cu circundantes. A fusão é abrangente, não agrupada e nunca mais do que apenas ligeiramente irregular ou incompleta em toda a sua superfície. As tensões térmicas operacionais na interface de fundição do tubo são mantidas dentro dos limites, solidificando um tampão térmico de cobre fundido espesso e intrínseco entre a face quente e os lados frontais dos tubos de refrigerante de liga CuNi. Esse tampão térmico tem tipicamente cerca de 2532 milímetros (mm) de espessura, se um padrão de face quente for incluído, ou cerca de 38 mm se a face quente não for padronizada.

[0010] Esses métodos incluem a verificação em modelagem computacional se as condições operacionais serão estabelecidas antes de qualquer fundição em instalação de fundição. As ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional e Análise de Elementos Finitos (CFD/FEA), e um modelo 3D-CAD do resfriador de bloco de forno verificam que o tampão térmico é substancial o suficiente para espalhar os fluxos de calor esperados nos tubos de refrigerante, e que as temperaturas máximas da face quente não irão ultrapassar os 450 °C. NOS DESENHOS

[0011] A Fig. 1 é um diagrama esquemático que representa um caminho (fora da escala) de condutividade térmica em uma seção de núcleo de um refrigerador de bloco de forno de cobre fundido e modalidade de tubo de refrigerante de liga CuNi fundido da presente invenção. O caminho prossegue a partir de uma face quente, através do material de cobre bruto relativamente espesso de um tampão térmico, através de uma interface muito fina ligada e fundida metalurgicamente entre a fundição de cobre solidificada e um tubo de refrigerante de liga CuNi de parede fina e, em seguida, rapidamente através do próprio tubo Schedule-40 em um refrigerante circulado com uma velocidade de até 4,0 metros por segundo;

[0012] A Fig. 2 é um diagrama em corte transversal (não proporcional nem em escala) de uma fatia através do refrigerador de bloco de forno de cobre fundido e modalidade de tubo de refrigerante de liga CuNi fundido da presente invenção, como na Fig. 1. Esta seção transversal cruza os tubos de refrigerante de liga CuNi em dois lugares para mostrar a estrutura dentro da fundição solidificada entre os tubos de refrigerante da liga CuNi. Em torno de cada tubo há uma zona de difusão a-f fundida metalurgicamente, concêntrica e em transição contínua, com aproximadamente 100 μm de espessura;

[0013] A Fig. 3 é um desenho gráfico que representa as temperaturas características das fundições de cobre e dos tubos de refrigerante de liga CuNi ao longo do tempo, imediatamente antes de um líquido quente ser despejado no molde de areia até a solidificação completa e resfriamento. O objetivo é mostrar que todo o calor necessário para ligar e fundir metalurgicamente as interfaces das Figs. 1 e 2 vem exclusivamente da introdução no molde de um cobre fundido aquecido e liquefeito, e que em condições de contato mútuo são manipulados experimentalmente para resultar em apenas uma película de superfície dos tubos de refrigerante de liga CuNi elevando-se acima do ponto de fusão da liga para a fusão, e então apenas brevemente;

[0014] A Fig. 4 é um diagrama de vista plano de um refrigerador de bloco de forno de cobre fundido e modalidade de tubo de refrigerante de liga CuNi fundido da presente invenção. As dobras "ID" mais afiadas são normalmente feitas com conexões de CuNi soldados a topo com tubos de refrigerante de liga CuNi e montados e testados antes da fundição no molde. Dois circuitos independentes e sinônimos de tubos de refrigerante de liga CuNi compartilham a carga de calor proveniente de uma única face quente (mostrada aqui no topo);

[0015] A Fig. 5 é um diagrama esquemático de um sistema de refrigerante para suportar a operação de circuito duplo de tubo de refrigerante de liga CuNi independente e sinônima de um refrigerador de bloco de forno de cobre fundido e modalidade de tubo de refrigerante de liga CuNi fundido da presente invenção, tal como é semelhante aos exemplos das Figs. 4 e 6;

[0016] A Fig. 6 é um diagrama de vista em corte transversal (não proporcional nem em escala) de uma modalidade de refrigerador de bloco de forno da presente invenção orientada nesta ilustração com a face quente à direita e as entradas/saídas do tubo de refrigerante à esquerda. A extensão dos tubos de refrigerante de liga CuNi é mais ou menos consistentemente espaçada da face quente por uma distância consistente que é a espessura do tampão térmico. O fluxo de calor do forno é representado como vindo da direita;

[0017] A Fig. 7 é um diagrama em vista em perspectiva de um dos circuitos de tubo duplo de refrigerante de liga CuNi independente e sinônimo de um refrigerador de bloco de forno de cobre fundido e modalidade de tubo de refrigerante de liga CuNi fundido da presente invenção, como é encontrado nos exemplos das Figs. 3, 4 e 6. Um segundo circuito seria preferencialmente aninhado tridimensionalmente dentro deste, de modo que cada um pudesse compartilhar igualmente a remoção de calor. Pode ser visto aqui que o circuito do tubo de refrigerante de liga CuNi é um conjunto de tubos, conexões e acoplamentos que são soldados e ligados em ponte antes da fundição; e

[0018] A Fig. 8 é um diagrama de blocos funcional de uma forma de modelagem computacional usada para verificar as iterações úteis de modelos e escolhas de materiais de resfriador de bloco de forno de fundição 3D geométrica (3D-CAD). As iterações candidatas são verificadas antes que uma última iteração aceitável seja comprometida com a fundição em uma instalação de fundição, como por ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional e Análise de Elementos Finitos (CFD/FEA), e um modelo CAD-3D do resfriador de bloco de forno. As condições de fundição são desenvolvidas empiricamente para produzir todas as imperfeições de ligação, exceto leves e não aglomeradas, na interface de difusão concêntrica dos tubos e da fundição solidificada circundante.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[0019] Os resfriadores de bloco de forno de cobre fundido com modalidades de tubo de cobre-níquel fundido (CuNi) da presente invenção para fornos pirometalúrgicos melhoram os resfriadores e métodos de bloco de forno anteriores. As melhorias do método aqui divulgado produzem uma ligação e fusão metalúrgica contínua e generalizada de uma interface de difusão concêntrica entre os tubos de refrigerante de liga CuNi e a fundição de Cu circundante. A ligação por fusão nunca é mais do que apenas ligeiramente incompleta em toda a sua área de superfície. Como resultado, a condutividade térmica através da interface de difusão concêntrica é muito alta e quase igual ao material de CuNi bruto. A ligação por fusão garante ainda que a condutividade térmica permaneça estável ao longo de uma longa vida útil.

[0020] As interfaces de material nessas ligações por fusão entre materiais com diferentes coeficientes de expansão térmica devem incluir materiais e ligas que sejam bem combinados. As tensões térmicas operacionais na interface de difusão concêntrica são mantidas dentro dos limites da força de cisalhamento ao espalhar e normalizar os fluxos de calor por todo o resfriador. Uma maneira importante é sempre incluir um tampão térmico espesso de cobre fundido intrínseco solidificado entre a face quente e os tubos de refrigerante de liga CuNi voltados para a frente.

[0021] Esses tampões térmicos têm normalmente cerca de 25-32 milímetros de espessura se a face quente for padronizada e cerca de 38 mm se não for. É tomado cuidado no projeto para que tais espessuras não introduzam tanta resistência térmica ao material bruto, a ponto de permitir que a face quente suba acima de 450 °C durante a operação normal. O tampão térmico também não pode ser muito mais fino do que isso, pois isso reduziria seus efeitos de propagação de calor e causaria aquecimento assimétrico dentro dos tubos de refrigerante de liga CuNi e consequente ebulição do refrigerante.

[0022] As condições geométricas de tal tampão térmico são verificadas conforme apropriado, antes da fundição em instalação de fundição, por ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional e Análise de Elementos Finitos (CFD/FEA), e um modelo 3D-CAD do resfriador de bloco de forno.

[0023] As condições de fundição devem resultar em todas as porções, exceto porções leves e não agrupadas (<15% do total) da área de superfície externa dos tubos de refrigerante de liga CuNi fundindo metalurgicamente em sua interface de difusão concêntrica com a fundição solidificada. Anos de experiência e testes levaram o presente inventor a aceitar que "porções leves e não agrupadas (<15% do total)" podem ser descartadas no controle de qualidade sem muito efeito prejudicial na vida útil dos resfriadores de bloco de forno.

[0024] Esses anos de experiência e testes também levaram o presente inventor a entender como regra geral que quando a face quente sobe acima de 450 °C durante a operação, níveis inaceitáveis de forças de cisalhamento térmico se desenvolverão na interface de difusão concêntrica. E se houver oxigênio presente, a face quente se oxidará, descamará e perderá material. Os operadores de fornalhas são universalmente fornecidos com medições de temperatura e os meios para reduzir o calor caso vejam as faces quentes funcionando perto desses níveis.

[0025] A Fig. 1 representa esquematicamente um resfriador de bloco de forno de cobre fundido 100 com tubos de refrigerante de cobre-níquel (CuNi) 102 ligados metalurgicamente e fundidos dentro de uma fundição de cobre circundante e um tampão térmico frontal 104 que melhora em relação aos resfriadores de bloco de forno de cobre fundido convencionais. Uma ligação e fusão metalúrgica de uma interface de difusão concêntrica de tubo para fundição 106 entre o tubo de refrigerante de liga CuNi 102 e a fundição de Cu e tampão térmico 104 é apenas ligeiramente incompleta em toda a sua área de superfície.

[0026] O material CuNi dos tubos de refrigerante CuNi 102 e a pequena parte que se difunde na interface de difusão concêntrica de tubo para fundição 106 têm uma resistência térmica bruta ligeiramente maior do que cobre altamente puro. No entanto, a interface de difusão concêntrica de tubo para fundição 106 é tão excessivamente fina e os tubos de refrigerante de CuNi 102 são tão relativamente finos, que o calor de operação que flui através deles é apenas insignificantemente mais impedido.

[0027] Em trabalho anterior, o Presente Inventor, Allan J. MacRae, ensinou que "tubo ASTM Schedule-40, ou mais fino, pode, portanto, ser usado para as bobinas de tubo de liga de cobre-níquel C71500 tipo UNS." Isso acabou não sendo verdade na prática. O tubo de refrigerante de liga CuNi usado aqui não pode ter uma espessura de parede mais fina do que ASTM Schedule-40 porque a queima das paredes durante a fundição é muito fácil sem resfriamento. E o resfriamento é estritamente proibido aqui porque interfere seriamente com a ligação metalúrgica e a formação de grãos de cristal através da interface de difusão concêntrica de tubo para fundição 106. Em outras palavras, se forem resfriados, os tubos serão impedidos durante sua única oportunidade de desenvolver ligações metalúrgicas adequadas com a totalidade da fundição de cobre circundante.

[0028] O tampão térmico 104 distribui e modera um fluxo de calor de entrada de uma face quente 110 e espalha o fluxo de calor através das faces frontais de uma extensão de múltiplos tubos de refrigerante de liga CuNi 102. A resistência térmica intermediária introduzida pelo material bruto do tampão térmico não deve ser tão grande a ponto de permitir que qualquer parte da face quente exceda 450 °C, conforme determinado em modelagem computacional. Nem o tampão térmico 104 deve ser fabricado de forma tão leve e assimétrica que permita o aquecimento assimétrico em um interior 112 dos tubos de refrigerante de liga CuNi 102 e a consequente ebulição da película de um refrigerante 114. Após anos de projeto e implementação, a melhor espessura média do tampão térmico é normalmente cerca de 25-32 milímetros se a face quente for padronizada, e cerca de 38 mm se não for. Tal padronização geralmente compreende saliências, ranhuras, bolsões, etc., para reter tijolos e outras coberturas refratárias ou soldadas.

[0029] A modelagem computacional CFD/FEA é usada para verificar se a temperatura da parede interna dos tubos de refrigerante de liga CuNi 102 em operação não excederá a temperatura esperada para causar (1) ebulição de película ou (2) degradação química do glicol ou outro meio de refrigeração.

[0030] Modalidades alternativas da presente invenção incluem revestimentos de solda ou calorização da face quente com alumínio como uma etapa final na fabricação para proteger os resfriadores de bloco de forno de desgaste, abrasão, corrosão e queimadura.

[0031] Os limites de temperatura operacional são verificáveis e previsíveis como estando dentro de um modelo 3D-CAD do resfriador de bloco de forno antes de sua fundição em uma instalação de fundição, por exemplo, usando ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e/ou Análise de Elementos Finitos (FEA). Por exemplo, pode ser previsto, dada uma dimensão de espessura inicial para o tampão térmico, que a face quente não operará acima de 450 °C e que há material extra suficiente fornecido para compensar o desgaste e corrosão previsíveis. As condições de fundição devem aqui resultar em todas as porções, exceto pequenas porções não agrupadas (<15% do total) da área de superfície externa e interface de difusão concêntrica 106 dos tubos de refrigerante de liga CuNi fundidos metalurgicamente e, portanto, capazes de fornecer uma boa ponte termicamente condutora na interface de difusão concêntrica.

[0032] A interface de difusão concêntrica de tubo para fundição circundante 106 é uma difusão de liga de metal que liga uma espessura de cerca de 100 micrômetros entre um metal de base interno no material CuNi não afetado pelo calor, e para a fundição solidificada. Uma zona afetada pelo calor (HAZ) dentro da interface de difusão concêntrica 106 compreende uma zona de nucleação temperada, uma parcialmente transformada, uma recristalizada e uma de crescimento de grão. Fora delas está uma fronteira sólido-líquido em uma zona fundida (FZ) de cobre puro solidificado.

[0033] Se o material CuNi nos tubos de refrigerante de liga CuNi 102 que não é afetado pelo calor é uma liga 67,5% Cu e 32,5% Ni, a interface de difusão concêntrica circundante 106 fará a transição contínua através das ligas (por exemplo, 79,4% Cu e 20,6% Ni, 90,8% Cu e 9,2% Ni, 97% Cu e 3% Ni, 99% Cu e 1% Ni) e, finalmente, em quase 100% Cu e 0% Ni da fundição 104.

[0034] Os pontos de nucleação que ocorrem durante a solidificação são fixados nas bordas externas do molde de areia e nas áreas de superfície dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões. Os grãos de cristal de cobre que constituem a fusão crescem na massa da fundição de cobre à medida que se ela solidifica. Os grãos de cristal de cobre nesses pontos de nucleação serão os menores em tamanho porque o cobre está esfriando primeiro e então mais rapidamente aqui. Em geral, os tamanhos dos grãos de cristal de cobre em toda matéria bruta serão de tamanhos aleatórios e geralmente excedem seis milímetros após a solidificação completa.

[0035] Resfriadores de bloco de forno de cobre fundido em tubo CuNi exigem controles rígidos nas operações de instalação de fundição para eliminar defeitos de fundição. As ligações por fusão entre a área de superfície externa dos tubos de refrigerante de liga CuNi que são muito rasas, muito profundas ou não suficientemente espalhadas são defeitos. Toda, exceto pequenas porções não agrupadas (<15% do total) da área de superfície externa total dos tubos de refrigerante de liga CuNi com a fundição de Cu são necessárias em aplicações de regime de alto fluxo de calor que excedem 25 kW/m2 nas faces quentes.

[0036] A Fig. 2 representa um refrigerador de bloco de forno de fundição de cobre 200 produzido em uma instalação de fundição por modalidades do método da presente invenção, e no qual os tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões são como aqueles das Figs. 4-7, e foram fundidos metalurgicamente pelo calor de uma fundição de cobre circundante 202 quando foi despejada a quente e líquido, em seguida, resfriada e solidificada em um molde. Uma interface de difusão concêntrica 204 com cerca de 100 μm de espessura e com crescimento de grão de cristal é automaticamente autoformada ao fundir ao redor de uma respectiva seção de tubo de refrigerante de liga CuNi 206. A condutividade térmica através da interface de difusão concêntrica 204 é muito boa, na ordem da do cobre bruto da fundição e das paredes do tubo de refrigerante de liga CuNi. (Porque é relativamente muito fina.) Se as ligações metalúrgicas não fossem estabelecidas uniformemente na interface de difusão concêntrica 204, a resistência térmica seria desigual e poderia ficar relativamente bastante alta. Pontos quentes e forças de cisalhamento térmico se desenvolverão sob cargas de calor onde quer que as ligações metalúrgicas não se materializem.

[0037] Aqui, a Fig. 2 representa (com o gráfico de inserção da posição liga versus posição radial) que a interface de difusão concêntrica 204 faz a transição contínua através de uma mistura estratificada de ligas de cobre de 100% Cu e 0% Ni na fundição solidificada 202, e muda continuamente (não em etapas) para 67,5% de Cu e 32,5% de Ni das paredes do tubo de refrigerante de liga CuNi 206. (As paredes internas nunca devem derreter e sua liga CuNi permanece inalterada).

[0038] A Fig. 3 é um desenho gráfico das temperaturas da fundição de cobre 202 (Fig. 2) e dos revestimentos externos dos tubos de refrigerante de liga CuNi 206 ao longo do tempo, imediatamente antes de um líquido quente ser despejado no molde de areia, em seguida, através da solidificação completa e resfriamento. O objetivo é mostrar que todo o calor necessário para a ligação e fusão metalúrgica ocorrendo nas interfaces de difusão concêntrica 106 e 204 das Figs. 1 e 2 provém unicamente do cobre fundido aquecido e liquefeito introduzido no molde. O cobre fundido aquecido e liquefeito introduzido pode estar muito quente ou muito frio e requer controles cuidadosos de experiência para obter a ligação e a fusão metalúrgica corretas.

[0039] As várias temperaturas, geometrias e materiais empregados pela instalação de fundição são habilmente manipulados de modo que, em contato mútuo, apenas uma parte da pele superficial rasa dos tubos de refrigerante de liga CuNi fique acima do ponto de fusão. E então apenas brevemente.

[0040] A Fig. 3 é um perfil de temperatura versus tempo 300 para o cobre de uma fundição 302 e um tubo de refrigerante de liga CuNi 304, começando nos pontos no tempo 310, 312 pouco antes de um cobre líquido quente ser despejado no molde para inundar o tubo de refrigerante de liga CuNi. O perfil 300 continua até um ponto no tempo 314 quando a solidificação está completa.

[0041] Inicialmente, antes da solidificação, a fundição de Cu 302 deve ser substancialmente mais quente no ponto no tempo 310 do que o ponto de fusão do cobre. Da mesma forma, no início, o tubo de refrigerante de liga CuNi 304 deve ser sólido e, portanto, substancialmente abaixo do ponto de fusão do cobre no ponto no tempo 312. Os dois eventualmente entram em contato um com o outro no ponto no tempo 316 (para o cobre Cu 302) e no ponto no tempo 318 (para o tubo de refrigerante de liga CuNi 304).

[0042] O contato da fundição 302 de Cu líquido quente com o tubo de refrigerante de liga CuNi 304 e as paredes do molde retira o calor. O revestimento externo do tubo de refrigerante de liga CuNi 304 sobe rapidamente com o calor levado para um pouco acima da fusão no ponto no tempo 320.

[0043] A Fig. 4 é um diagrama de vista plano de um refrigerador de bloco de forno de cobre fundido e modalidade de tubo de refrigerante de liga CuNi fundido 400 da presente invenção. Dois circuitos independentes e sinônimos de tubo de refrigerante de liga CuNi 402 e 404 juntos compartilham uma carga de calor 406 proveniente de uma única face quente 408. Estes são fundidos simultaneamente dentro de uma fundição de cobre 410 com o auxílio de chapelins de metal, espaçadores, e ponte (não mostrados). As dobras "ID" mais afiadas são normalmente feitas com conexões de CuNi 412 soldadas a topo com tubos de refrigerante de liga CuNi 414 e montados e testados antes da fundição no molde. Cada circuito de tubo de refrigerante de liga CuNi independente e sinônimo termina externamente com aço inoxidável soldado de fábrica, roscas externas, flanges com gaxetas ou outros tipos comuns de acoplamentos de entrada/saída 420.

[0044] Os tubos de refrigerante de liga CuNi são muito difíceis de soldar no campo. E assim, algumas modalidades dos resfriadores de bloco de forno aqui requerem acopladores de aço inoxidável nas extremidades das entradas e saídas de tubos que muitas vezes são parcialmente embutidos na fundição. As difíceis soldas especiais de CuNi ao aço inoxidável são feitas exclusivamente na fábrica como parte da montagem dos tubos e conexões de topo ASTM Schedule-40 CuNi 70/30 padrão 1,0", 1,25", 1,50 ", 1,75" e 2,0" antes da fundição. As fábricas têm as condições ambientais certas, equipamentos especializados e pessoal treinado para fazer boas soldas.

[0045] Os tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões são preferencialmente soldados a topo usando TIG/GTAW. Os tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões com liga 70/30 são o material mais comum, mas a liga 90/10 é possível.

[0046] As soldas de topo são necessárias nas conexões, que muitas vezes se tornam necessárias para bobinas de tubos complexas e longas. As extremidades com fusão de topo são chanfradas 37,5° + 2,5° para a penetração, especialmente nos diâmetros maiores de 1,0", 1,25", 1,50", 1,75" e 2,0" polegadas.

[0047] Curvas de raio de um diâmetro (ID) são normalmente implementadas com conexões de solda de topo, e curvas 1,5D ou maiores podem ser formadas a frio ou a quente sem muita dificuldade.

[0048] Para um tubo ASTM Schedule-40 de 1,0 polegada, com um diâmetro externo de 1,315 polegadas, o raio de curvatura da linha central é de 1,0 polegada para o raio curto e 1,5 polegada para o raio longo.

[0049] Os tamanhos de tubo mais comumente usados são 1,0-2,0 polegadas, todos ASTM Schedule-40. É incomum ir além disso, por exemplo, 0,75 polegadas e 2,5 polegadas podem ser usados, mas com menos frequência.

[0050] Tubos/conexões sem costura são sempre preferidos.

[0051] ASTM Schedule-80 é preferível às vezes para entradas e saídas externas, para maior resistência. Os poços termométricos geralmente usam ASTM Schedule- 80. CuNi também é preferida para termopoços embutidos, a fim de obter ligação metalúrgica e leituras de temperatura precisas. E assim, a precisão das leituras de temperatura obtidas por termopares é melhorada pela incorporação e ligação metalúrgica de um poço termométrico ou tubulação de liga de cobre-níquel em uma etapa do método de solidificação.

[0052] A Fig. 5 representa um sistema de resfriamento 500 que compreende um resfriador de bloco de forno 502 com dois circuitos de tubo de refrigerante de liga CuNi 504 e 506 continuamente fundidos metalurgicamente para praticamente toda a área de superfície de sua interface de difusão concêntrica com uma fundição de cobre circundante 508. O refrigerante, tal como glicol e água, é bombeado sob pressão para um primeiro acoplador de entrada 510 e um segundo acoplador de entrada 511 em velocidades quase idênticas, V1 e V2, e cujas médias máximas variam de 2-4 metros por segundo. Um primeiro acoplador de saída 512 e um segundo acoplador de saída 513 retornam refrigerante para arrefecimento e recirculação, mas a uma pressão reduzida devido às respectivas quedas de pressão através dos dois circuitos de tubo de refrigerante de liga CuNi 504 e 506.

[0053] As quedas de pressão diferencial, dP1 e dP2, refletem a resistência do fluxo interno de cada um dos dois circuitos de tubo de refrigerante de liga CuNi 504 e 506. Idealmente, as geometrias internas serão aproximadamente iguais e dP1 será aproximadamente dP2 quando V1 for o mesmo que V2 e ambos estiverem na faixa de velocidade máxima do refrigerante de 2-4 metros por segundo (m/s). As temperaturas T1-T3 são usadas pelos operadores para estimar o fluxo de calor que está sendo dissipado, e a temperatura T4 pode fornecer uma medição da temperatura da face quente. O arrefecimento e a recirculação são fornecidos por uma bomba 520 e um radiador 522. Um poço termométrico 530 fornece acesso para medir uma face quente ou outra temperatura crítica do resfriador de bloco de forno 500 com um termopar 532.

[0054] A velocidade média mínima do fluido refrigerante deve ser de pelo menos 0,9 metros por segundo para liberar qualquer ar inicial e bolhas no tubo, como talvez devido à ebulição incipiente. Uma velocidade máxima do fluido de dois metros por segundo (2 m/s) é normalmente preferida para a maioria das aplicações, mas um máximo de até quatro metros por segundo (4 m/s) será necessário para aplicações de alto fluxo de calor em estado estacionário. 4 m/s é geralmente necessário para orifícios de vazamento, e outros resfriadores de bloco de forno com cargas de calor altamente variáveis.

[0055] As bolhas de vapor reduzem drasticamente a capacidade do refrigerante de absorver e dissipar o calor. Portanto, as velocidades de fluxo do refrigerante devem ser mantidas altas o suficiente para evitar sua formação. Mas as velocidades de fluxo superiores a 4 m/s fornecem apenas retornos decrescentes e produzem quedas de pressão caras entre as entradas e saídas.

[0056] Várias temperaturas absolutas (T1:T3) e temperaturas diferenciais (|T1- T2|; |T1-T3|) e pressões diferenciais (dP1:dP2) são monitoradas durante a operação. Alarmes são anunciados aos operadores se qualquer medição sair dos limites normais pré-estabelecidos. O operador pode, portanto, ser informado sobre a necessidade operacional de remover calor, energia, combustível ou alimentação para trazer as condições de volta aos limites normais.

[0057] Um refrigerador de bloco de forno 600 é mostrado na Fig. 6 compreendendo uma fundição em areia 602 de cobre de alta pureza. Uma porção do volume tridimensional de fundição em areia 602, solidificado a partir de cobre líquido de alta pureza, entre uma face externa quente 604 e uma linha frontal de tubos de refrigerante de liga CuNi 608, opera como um tampão térmico 606. O tampão térmico 606 espalha, distribui e modera os fluxos de calor de entrada da face quente 604 de maneira aproximadamente igual ao longo da extensão da primeira linha de tubos de refrigerante 608. A extensão dos tubos de refrigerante de liga CuNi mais próximos é mais ou menos consistentemente espaçada da face quente 604 por uma distância consistente que é a espessura do tampão térmico 606, tipicamente 25-32 mm de espessura da face quente do tubo 608 para a face fria do padrão de face quente, ou cerca de 38 mm se não houver padrão de face quente. (Padrões de face quente são usados para segurar tijolos e/ou refratários.) O tampão térmico 606 é alternativamente referido aqui como uma cobertura frontal de cobre porque está posicionado em um "lado frontal" que compartilha a face quente 604.

[0058] O resfriador de bloco de forno 600 compreende dois circuitos de tubos de refrigerante independentes A-B, 630 e 632. Cada um deles termina respectivamente na entrada/saída 634, 636, 638 e 640. Alguns são acabados com acopladores de aço inoxidável que são soldados na fábrica ou na instalação de fundição. Em outras modalidades da presente invenção, as entradas/saídas 634, 636, 638 e 640 são fabricadas a partir de partes ASTM Schedule-80 mais pesadas, para aumentar sua resistência mecânica e durabilidade.

[0059] Uma solda de cobre ou plugue frontal 642 é instalado, encaixada ou soldada nivelada dentro de um bolso debastado 644 na superfície da fundição de cobre 602 para cobrir qualquer parte de um chapelim, espaçador ou outro dispositivo de moldagem 646 que de outra forma penetraria na superfície e seria exposto.

[0060] Os dois circuitos de bobina de tubo individuais A-B 630 e 632 são preferencialmente dimensionados e construídos para fornecer quedas quase idênticas na pressão das entradas para as saídas quando o refrigerante está fluindo. Os dois circuitos de bobina de tubo individuais A-B 630 e 632 podem então ser vantajosamente canalizados para compartilhar a carga de calor entre eles. Claro, circuitos de bobina de tubo adicionais também são possíveis, e desejáveis. Mais de um circuito de bobina de tubo independente por resfriador de bloco de forno pode ser aproveitado para fornecer desligamentos seguros caso qualquer um dos circuitos de bobina de tubo falhe.

[0061] Aqui, todos os tubos de refrigerante de liga CuNi compreendem preferencialmente ligas comercialmente padrão de cobre-níquel (CuNi) que têm mais de 62% de cobre e estão disponíveis no ASTM Schedule-40 e ASTM Schedule-80. Um despejamento de fundição simples de líquido quente fundido de cobre de alta pureza com esses tubos e conexões dentro do molde é tal que eles ganham calor suficiente durante o resfriamento e solidificação para fundir, crescer grãos de cristal e ligar metalurgicamente a área de superfície externa dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões para a fundição recém-solidificada e circundante.

[0062] A ligação por fusão inteira da interface de difusão concêntrica deve ser consistentemente boa, e apenas ligeiramente menos do que perfeita, por exemplo, mais de 85% ou melhor da área de superfície total. A experiência e os testes ao longo dos anos mostraram que 85% é um limite ou mínimo que produzirá um desempenho aceitável. A cobertura frontal de cobre 606 que solidifica posteriormente dentro da fundição em areia 602 é caracterizada por uma resistência térmica extremamente baixa e estável da face quente 604 para o refrigerante de liga CuNi circulado dentro da linha frontal de tubos de refrigerante 608. Isto é, se tiver sucesso em aplicações de alto fluxo de calor.

[0063] O tubo de liga CuNi e conexões devem ser de parede fina (por exemplo, ASTM Schedule-40) para permitir o enchimento denso de loops, resistência térmica mínima e geralmente mais de 62% de cobre para desenvolver ligação por fusão suficiente. As camadas mais externas dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões devem derreter apenas o suficiente para atingir as condições de ligação por fusão, por exemplo, ponto 320 da Fig. 3. Sem "queima".

[0064] Uma vez que tais tubos de refrigerante de liga CuNi também podem amolecer geralmente quando aquecidos assim, os tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões aqui devem ser embalados com areia para evitar deformações das paredes do tubo durante os picos de temperatura mais quentes do despejamento de fundição único superaquecido. O sucesso na prevenção de deformações pode ser testado por um teste de esfera padrão da indústria que passa uma esfera de diâmetro crítico entre as entradas e saídas 634, 636, 638 e 640.

[0065] Em todas as modalidades de método da presente invenção, é imperativo que os moldes de fundição em areia permaneçam mecanicamente parados e livres de vibrações durante o tempo entre o despejamento e sua eventual solidificação. As tentativas de resfriar os tubos de refrigerante de liga CuNi durante a fundição podem criar vibrações a partir da ebulição que irão agitar e interferir na formação de grãos de cristal e na ligação por fusão.

[0066] As tentativas convencionais de resfriar os tubos de refrigerante de liga CuNi causaram expansões e contrações diferenciais entre os tubos de refrigerante de liga CuNi/conexões e a fundição, enquanto eles tentavam se fundir. Os tubos de refrigerante de liga CuNi quando resfriados podem travar forças de cisalhamento significativas capazes de descolar os tubos de refrigerante de liga CuNi mais tarde, quando o refrigerador de bloco do forno é termicamente ciclado.

[0067] Os tubos de refrigerante são mais bem construídos a partir de tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões de parede fina padrões da indústria e comercialmente disponíveis. Os tubos de paredes finas com conexões soldadas são preferidos porque os loops e as bobinas feitos deles podem ser apertados. O ASTM Schedule-40 é, portanto, preferido, assim como as ligas CuNi padronizadas dos tipos UNS C70600, C71300, C71500 e C71640.

[0068] Os resfriadores de bloco de forno 600 aqui são modelados por computador usando técnicas CFD/FEA para operação em fluxos de calor muito altos aplicados à face quente que excedem 25 kW/m2. Nestes regimes de alto fluxo de calor, pontos quentes problemáticos podem facilmente se desenvolver internamente em torno das concentrações locais de resistência térmica.

[0069] Os pontos dentro da fundição 602 que não se fundiram ou que têm defeitos cristalinos, porosidade, matéria estranha, produtos de gás, detritos ou oclusões são propensos a separação e craqueamento porque as forças de cisalhamento induzidas termicamente se desenvolverão localmente através dos defeitos. As voltas internas do tubo são um local comum de falhas de ligação.

[0070] As concentrações de tensão aumentam proporcionalmente com a resistência térmica local. O diferencial de temperatura que pode se desenvolver através da resistência térmica pode ser auto-amplificado e a condição pode descontrolar-se e só piorar sob ciclo térmico. A modelagem computacional CFD/FEA deve ser usada para verificar se cada iteração de projeto particular sobreviverá às suas condições de contorno máximas declaradas. Isso inclui fluxos de calor sustentados que ocorrem durante as oscilações do forno.

[0071] Na fabricação, o controle de qualidade de testes de raios X, ultrassônicos e infravermelhos são maneiras não destrutivas de verificar após a fundição se os tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões estão consistentemente unidos à fundição de cobre em uma área mínima de 85%. A ligação pode ser confirmada em testes ultrassônicos quando os ecos retornam de dentro dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões, em vez de suas películas externas. As áreas de fusão de fundição de tubo também podem ser confirmadas com testes destrutivos que tentam separar os tubos de refrigerante de liga CuNi da fundição. Se um cinzel puder separar o tubo da fundição, eles não foram fundidos.

[0072] Quaisquer pontos locais onde os tubos de refrigerante de liga CuNi não estejam realmente fundidos à fundição permitirá que lacunas de ar finas se abram e são altamente isolantes. O objetivo do projeto é fazer com que os resfriadores de bloco de forno funcionem com temperaturas uniformes em toda a extensão, qualquer lacuna de ar fina anula isso.

[0073] Cobertura e fluxo adequados de cobre líquido quente e, em seguida, um preenchimento completo de cobre solidificado deve ser assegurado nas bordas da superfície do refrigerador de bloco de forno 600, onde qualquer parte dos tubos de refrigerante de liga CuNi 608 está internamente perto de qualquer superfície.

[0074] Pelo menos um, e melhor dois ou mais, grãos de cobre cristalinos devem cobrir os tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões com uma média de aproximadamente 1/4" (seis milímetros). O tamanho dos grãos que se formam depende da rapidez com que o cobre líquido em qualquer ponto do molde esfriou. A fundição solidifica primeiro nas bordas externas dos moldes e em qualquer contato com uma "coquilha", como os tubos de refrigerante de liga CuNi. Os grãos de cristal maiores serão impedidos de se formar se o cobre líquido esfriar muito rapidamente e/ou a lacuna for inferior a 5/16" (7,9 mm), ver Fig. 6.

[0075] Portanto, as modalidades da presente invenção incluem uma lacuna mínima de 5/16" (7,9 mm) internamente entre os tubos de refrigerante de liga CuNi e qualquer superfície da fundição antes de qualquer usinagem de superfície final, exceto nas respectivas entradas e saídas de refrigerante.

[0076] Se essas lacunas mínimas não forem fornecidas durante a moldagem, defeitos lineares podem se formar na estrutura de cobre cristalino solidificado que irá rachar facilmente e perder facilmente a integridade mecânica. Aqui usamos tubos, portanto, a perda de refrigerante é improvável, mas sempre deve-se evitar craqueamento.

[0077] A cobertura de cobre frontal 606 deve estar completamente isenta de quaisquer inclusões ou componentes extras, como chapelins, espaçadores e outros dispositivos de moldagem e suportes usados durante o despejamento de fundição para segurar e posicionar os tubos de refrigerante 608. Isso significa que esses dispositivos devem ser instalados mais profundamente, ou mesmo no lado posterior, atrás da linha frontal de tubos de refrigerante 608. Esses componentes extras podem levar a pontos quentes, alta tensão e corrosão preferencial e, portanto, devem ser minimizados e postos de lado.

[0078] Qualquer umidade da água nas superfícies dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões antes da moldagem pode ser eliminada pelo pré-aquecimento da linha frontal dos tubos de refrigerante 608, mas somente após uma limpeza completa para eliminar óleos, ferro e outros resíduos dos mesmos. (Resíduos de ferro em cobre líquido quente, em particular, geram uma grande quantidade de gases que se solidificam como impurezas e vazios).

[0079] A dimensão da espessura final da cobertura frontal de cobre 606 é uma função da profundidade da linha frontal de tubos de refrigerante 608 são afastados da face quente 604 durante o despejamento de fundição. Quanto mais profundidade, mais espessura e mais proteção térmica em efeito.

[0080] A espessura particular da cobertura frontal de cobre 606 pode ser confirmada como sendo adequada iterativamente na modelagem computacional CFD/FEA. Uma tolerância de material adicional é incluída para o desgaste, dadas as taxas de corrosão, abrasão e oxidação esperadas ao longo da vida de campanha. Mais material deve ser adicionado para qualquer deslocamento inevitável do tubo que pode causar incerteza de posição durante o despejamento de fundição.

[0081] Os hemisférios voltados para a frente da linha frontal de tubos de refrigerante 608 receberão tipicamente 70% do calor que flui da face quente 604. O tampão térmico da cobertura frontal de cobre 606 atenua os efeitos dos hemisférios frontais ficarem mais quentes. Sem esse tampão térmico, o refrigerante dentro dos hemisférios frontais pode ferver prematuramente.

[0082] Em resumo, todas as porções, exceto pequenas porções não agrupadas (<15% do total) da área de superfície externa total dos tubos de refrigerante de liga CuNi que se fundem com a fundição de Cu podem ser obtidas (1) usando desoxidantes ou atmosferas inertes durante a fundição, (2) não resfriando os tubos de refrigerante de liga CuNi, (3) através de limpeza dos tubos de refrigerante de liga CuNi antes da fundição, e (4) encontrando as melhores temperaturas de fundição para o despejamento dada a geometria de projeto, materiais e padrões de molde específicos.

[0083] A fundição de cobre líquido quente começará sua solidificação onde é resfriado pelo contato com o molde, quaisquer coquilhas, quaisquer chapelins ou espaçadores e, claro, contato com os tubos de refrigerante de liga CuNi. Mas antes que isso aconteça, a liga de tubo C71500 do tipo UNS não começará a derreter até atingir cerca de 1125 °C (2150 °F). As condições de fundição devem ser cuidadosamente cultivadas para que as superfícies do tubo de refrigerante de liga CuNi atinjam essas temperaturas antes do resfriamento. A energia térmica para fazer isso pode vir apenas do despejamento de fundição de líquido quente introduzido na "melhor" temperatura de fundição. Grande parte dessa tecnologia só pode ser derivada empiricamente.

[0084] Uma coquilha é um dispositivo de metal usado para promover a solidificação em uma parte específica de um molde de fundição de metal. Normalmente, o metal em um molde resfria a uma taxa relativa à espessura da fundição. Se a geometria da cavidade de moldagem impedir que a solidificação direcional ocorra naturalmente, uma coquilha pode ser colocada estrategicamente para ajudar a corrigi-la.

[0085] Os tubos de refrigerante de liga CuNi devem ser apoiados brevemente no molde para evitar a flutuação no cobre fundido, qualquer deslocamento horizontal, e ainda permitir a expansão e contração dos tubos com as variações de temperatura do cobre em solidificação.

[0086] A nucleação começa nesses pontos nas superfícies do tubo de refrigerante de liga CuNi e os grãos de cristal de cobre crescem daí para o interior até que o todo se solidifique. O fato de qualquer parte da área total da superfície externa dos tubos de refrigerante de liga CuNi ter se fundido com a fundição de Cu é verificado no controle de qualidade (QC) com raios-x não destrutivos e imagem ultrassônica. Um limite de 85% é usado no controle de qualidade para eliminar unidades defeituosas da produção que não estejam de acordo com o padrão.

[0087] A profundidade média que qualquer parte da área total de superfície externa dos tubos de refrigerante de liga CuNi que se fundiu com a fundição de Cu é primeiro validada com CFD/FEA. Conseguir isso na produção será um equilíbrio entre as interfaces de difusão concêntrica que falham na imagem ultrassônica de raios-X para mostrar a fusão e os testes de esfera dos tubos de refrigerante de liga CuNi para verificar se nenhuma parte das paredes do tubo colapsou ou distorceu significativamente porque eles foram excessivamente amolecidos por muito calor proveniente de uma temperatura de fundição muito alta. Testes destrutivos e análises metalúrgicas podem fornecer dados mais precisos sobre o grau de ligação por fusão realmente alcançado durante a moldagem.

[0088] A adequação do projeto geométrico 3D de um resfriador de bloco de forno de cobre fundido em tubo CuNi particular e os materiais constituintes é verificada antes da fundição em uma instalação de fundição por ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional e Análise de Elementos Finitos (CFD/FEA), e um modelo geométrico 3D de desenho auxiliado por computador (CAD) do resfriador de bloco de forno. Isso é normalmente terceirizado para empresas especializadas em serviços de engenharia. As instalações de fundição frequentemente empregam modelagem de solidificação para garantir que defeitos de contração e vazios não apareçam nas fundições acabadas.

[0089] Tubos de refrigerante de liga CuNi devem ser um pedaço de tubo de água de parede lisa tipo UNS C71500 ASTM Schedule-40 fundido dentro de um despejamento de cobre eletrolítico tipo UNS C11000 desoxidado durante o processo de fundição para produzir um alto teor de cobre semelhante ao tipo UNS 81200. O estado da técnica não ensinava que os tubos de refrigerante de liga CuNi deveriam incluir conexões soldadas a topo para quaisquer curvas ID (raio curto), nem que a faixa de tamanhos é mais bem limitada a 1,0", 1,25", 1,50", 1,75" e 2,0". Essas são necessidades práticas para produzir um produto econômico e lucrativo.

[0090] Um tampão térmico espesso de cobre sólido sem defeitos é necessário para distribuir o fluxo de calor de entrada da face quente entre os tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões mais próximos. Pouca proteção térmica pode permitir pontos de aquecimento e ebulição localizados do refrigerante. A espessura certa de cobre sólido para proteção térmica em cada projeto e aplicação em particular é determinável com CAD 3D e modelagem computacional CFD/FEA específica para o projeto do refrigerador geométrico.

[0091] O desgaste por abrasão e corrosão na face quente deve ser contabilizado com uma reserva adicional de material se o resfriador de bloco de forno sobreviver à sua vida de campanha designada.

[0092] A Fig. 8 representa um método 800 em uma modalidade da presente invenção para a fabricação de resfriadores de bloco de forno de cobre fundido em tubo CuNi. Uma primeira parte do método 800 inclui uma série de etapas 802-810 que um fabricante (instalação de fundição) pode realizar para produzir um resfriador de bloco de forno adequado para um longo serviço. A segunda parte representa uma série de etapas de longo alcance 814-818 que uma empresa de consultoria e engenharia de projeto profissional pode aplicar às suas aplicações, projetos, suposições e métodos em uma próxima geração de produtos e serviços de resfriadores de bloco de forno. Na prática, as instalações de fundição e empresas de serviços de engenharia trabalham juntas para ajustar e instalar resfriadores de bloco de forno de cobre fundido em tubo CuNi nos fornos pirometalúrgicos dos usuários finais.

[0093] Métodos de modelagem computacional e tubos de cobre-níquel fundidos em métodos de fundição de resfriador de cobre são combinados no método 800. Em primeiro lugar, verificar as iterações de fundição utilizáveis de modelos de projeto 3D geométrico auxiliado por computador (3D-CAD) de resfriador de bloco de forno e escolhas de materiais na etapa 802. E, em segundo lugar, após as iterações candidatas serem verificadas nas etapas 804, 806, uma última iteração 807 aceitável é comprometida com a fundição em uma instalação de fundição na etapa 808.

[0094] Dinâmica de Fluidos Computacional e Análise de Elementos Finitos (CFD/FEA), e um modelo 3D-CAD das etapas do resfriador de bloco de forno 802-807 são geralmente terceirizados para especialistas por cada instalação de fundição de fundição de cobre. Na instalação de fundição, as condições de fundição nas etapas 808-812 são desenvolvidas empiricamente para produzir todas as imperfeições de ligação, exceto as leves, não aglomeradas na interface de difusão concêntrica dos tubos e fundição solidificada circundante que melhoram a condutividade térmica de resfriadores de bloco de forno que incorporam tubos de refrigerante.

[0095] Esses métodos mantêm tensões térmicas operacionais na interface de fundição de tubos dentro dos limites, solidificando um tampão térmico de cobre fundido espesso e intrínseco com cerca de 25-38 milímetros (mm) de espessura. As temperaturas máximas da face quente não devem ultrapassar 450 °C em serviço.

[0096] A instalação de fundição construirá seus próprios moldes proprietários que incluem chapelins de segredo comercial, coquilhas e outros dispositivos dentro do molde para controlar a solidificação e evitar o deslocamento e a flutuação dos tubos de refrigerante de liga CuNi durante o despejamento de fundição. Muitas vezes, as melhores temperaturas de fundição para usar em cada caso serão mantidas por uma instalação de fundição como um segredo comercial. Essas lições geralmente são conquistadas com dificuldade ao longo de muitos anos de experiência no setor.

[0097] Chapelins e espaçadores convencionais são suportes de metal que são colocados em uma cavidade de molde para manter os núcleos de areia internos e tubos no lugar. Aqui, chapelins são normalmente suportes de metal de liga de cobre soldados em uma extremidade proximal ao lado posterior dos tubos de refrigerante de liga CuNi/conexões para resistir à flutuação e mantê-los no lugar dentro da porção de cobertura da cavidade do molde. Esses chapelins se fundem para se tornarem parte da própria fundição, através da fusão do metal fundido circundante na cavidade do molde com o chapelim. E, portanto, a composição do chapelim deve ser adequada. O tamanho de tais chapelins deve ser adequadamente proporcional à espessura da parte da fundição em que são usados. Todos os chapelins devem ser feitos com a menor quantidade de material possível, caso contrário, uma fusão ruim e craqueamento podem resultar localmente no local do chapelim devido ao arrefecimento indesejado. Perfurações nos chapelins em algumas modalidades podem reduzir a quantidade de material de chapelim usado e deixado para trás. Quaisquer extremidades distais dos chapelins que penetram nas superfícies externas da fundição são retificadas, injetadas e aliviadas de modo que plugues de cobre, soldas e tampas usinadas niveladas que correspondam ao cobre da fundição possam ser incluídas.

[0098] Várias partes constituintes somam a resistência térmica total ao fluxo de calor de entrada da face quente para o refrigerante. Em primeiro lugar, existe a resistência térmica do material de cobre bruto da fundição entre a face quente e as partes mais próximas do circuito do tubo de refrigerante.

[0099] O calor, então, encontra a interface de difusão concêntrica dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões ao material de cobre bruto da fundição. Essa parte terá baixa resistência térmica se os materiais fundidos forem sólidos. Depois de passar pela interface de difusão concêntrica, o calor deve viajar através da espessura da parede dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões para alcançar o interior e o fluido refrigerante. Tubos ASTM Schedule-40 e conexões de parede fina ajudam a manter esta parte constituinte muito pequena no geral.

[0100] A magnitude da resistência térmica dos interiores dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões para o próprio refrigerante é uma função da geometria interna, materiais e velocidade de fluxo do tipo de fluido do refrigerante no interior. Por exemplo, o coeficiente de calor convectivo.

[0101] Quaisquer pontos quentes dentro dos tubos de refrigerante de liga CuNi e conexões são identificados e analisados com modelagem computacional CFD/FEA em uma faixa de velocidades de fluxo e temperaturas.

[0102] Esses pontos quentes serão as primeiras fontes de ebulição que produzem bolhas de vapor ou ebulição da película. Algumas bolhas se formarão e entrarão em colapso imediatamente, mas a ebulição da película produzirá volumes muito mais duradouros. A formação de bolhas pode produzir tremores violentos e vibrações nas conexões da mangueira de refrigerante, o que é uma indicação de problemas para os operadores.

[0103] Tal modelagem computacional CFD/FEA também produz uma tabela de desempenho de campo que pode ser indexada a partir de medições de termopar. Elas são úteis para medir quais velocidades do refrigerante serão necessárias e correlacionar com o bloco de cobre e as temperaturas do tubo.

[0104] A fusão é caracterizada por uma zona de mistura dos metais no tubo e o molde em torno do cobre, com grãos de cristal que crescem do tubo para o cobre. Se a fusão de grãos crescidos não se materializar, os raios-x mostrarão a parte externa do tubo como uma linha nítida nas imagens. Se a fusão ocorreu, a parte externa do tubo não será claramente visível nas imagens de raios-X e as medições ultrassônicas irão medir mais profundamente o interior do tubo. Ambas as técnicas não destrutivas são usadas para verificar a fusão.

[0105] Sem uma boa fusão, o contato térmico inicial entre o cobre e o tubo pode ser suficiente para que a falta de ligação não seja detectada com o teste infravermelho. Se um resfriador de bloco de forno for acionado e o tubo não for colado, o molde em torno do cobre pode se separar ainda mais durante a vida de campanha do componente, influenciando negativamente sua capacidade de remoção de calor.

[0106] A temperatura de fundição é crítica, assim como o controle da quantidade de desoxidantes e a proteção da superfície do cobre fundido contra o oxigênio.

[0107] A ligação por fusão entre os tubos de refrigerante de liga CuNi/conexões e a fundição ocorre de maneira incomum. Nenhum calor ou material de enchimento é adicionado para unir duas peças de metal base relativamente frias. Em vez disso, os tubos de refrigerante de liga CuNi/conexões começam como um metal de base sólida e um despejamento de fundição superaquecido quente de cobre líquido é inundado.

[0108] Toda a área de superfície das camadas externas dos tubos de refrigerante de liga CuNi/conexões são pontos de nucleação para a formação e crescimento de grãos de cristal de cobre. Estes irão crescer na maior parte da fundição circundante à medida que ela esfria e solidifica.

[0109] A temperatura de fundição é, portanto, crítica, muito alta e as paredes dos tubos de refrigerante de liga CuNi/conexões derreterão completamente e podem perder a forma. Não estar quente o suficiente deixará de trazer energia suficiente para derreter toda a área de superfície das camadas externas dos tubos de refrigerante de liga CuNi/conexões. Nesse caso, as ligações metalúrgicas falharão em se desenvolver ou falharão em serviço.

[0110] As temperaturas de fundição corretas a serem usadas aqui são derivadas empiricamente por tentativa e erro. A experiência pode ser útil para iniciar os testes inicialmente próximo à melhor temperatura de fundição.

[0111] Uma zona de fusão (FZ) começa e termina nas porções do material que foram coalescidas e terá uma composição química que é uma mistura dos substratos sendo fundidos entre si e qualquer material de enchimento adicional que possa ter sido usado.

[0112] Na FZ, a solidificação ocorre por crescimento epitaxial, no qual os átomos do metal fundido se solidificam nos locais da rede preexistente no metal base não afetado. A estrutura do grão na FZ é orientada aproximadamente perpendicular à interface de difusão concêntrica. Isso resulta em grãos colunares grossos na FZ.

[0113] Uma zona afetada pelo calor (ZTA) é uma área de material de base de metal que não é derretido, mas teve sua microestrutura e propriedades alteradas pelo calor de fusão. Duas partes, zona de solução sólida e zona amolecida.

[0114] Estruturas colunares grossas são suscetíveis ao craqueamento a quente, enquanto as estruturas de grãos mais finos, estruturas colunares distorcidas e estruturas equiaxiais são mais resistentes ao craqueamento a quente. A estrutura do grão da zona de fusão tem uma forte influência nas propriedades mecânicas da junta.

[0115] O crescimento do grão é de natureza epitaxial, o tamanho dos grãos no metal de base controla o tamanho final do grão em uma extensão limitada. A direção média de crescimento durante a solidificação de um conjunto de fusão é aproximadamente normal para a interface de difusão concêntrica, que também está ao longo do gradiente de temperatura máximo, um determinado grão não será orientado favoravelmente durante todo o processo de solidificação, uma vez que a direção desse gradiente muda. Portanto, muitos dos grãos na linha de fusão que são inicialmente de orientações desfavoráveis podem se tornar mais favoravelmente orientados.

[0116] A principal diferença entre a solidificação de uma fundição e a de um fundido (além do tamanho relativo e das taxas de resfriamento) é o fenômeno do crescimento epitaxial em fundidos. Em fundições, a formação de cristais sólidos a partir do material fundido requer nucleação heterogênea de partículas sólidas, principalmente nas paredes do molde, seguida pelo crescimento do grão. Para a solidificação do fundido, não há barreira de nucleação e a solidificação ocorre espontaneamente por crescimento epitaxial. O evento de nucleação em fundidos é eliminado durante os estágios iniciais de solidificação por causa do mecanismo de crescimento epitaxial em que os átomos do conjunto de material fundido são rapidamente depositados em locais de rede preexistentes no metal de base sólida adjacente.

[0117] Como resultado, a estrutura e a orientação cristalográfica dos grãos HAZ na interface de difusão concêntrica continuam na zona de fusão. Na verdade, a localização exata de uma interface de difusão concêntrica é muito difícil de determinar em qualquer fundido depositado nos metais usando o metal de adição correspondente. Mesmo as características microestruturais, como os gêmeos em recozimento localizados nas juntas do fundido HAZ, continuarão a crescer epitaxialmente no fundido durante a solidificação. O crescimento epitaxial é sempre o caso durante a fusão autógena. Para processos não autógenos nos quais um metal de adição é usado, o crescimento epitaxial ainda pode ocorrer.

[0118] Em resumo, as modalidades do resfriador de bloco de forno da presente invenção com uma face quente e incluem múltiplos circuitos de um tubo de refrigerante de liga de cobre-níquel (CuNi) dentro de uma fundição de cobre. As melhorias em relação aos resfriadores de bloco de forno convencionais compreendem uma interface de difusão concêntrica fundindo continuamente e ligando metalurgicamente entre uma área de superfície externa de um tubo de refrigerante de liga CuNi e dentro de uma fundição de cobre solidificada e circundante.

[0119] Um tampão térmico de cobre é solidificado dentro da fundição de cobre entre a face quente e um vão frontal dos tubos de refrigerante de liga CuNi. Isso fornece um meio para um espalhamento áspero e uniforme do fluxo de calor da face quente para cada vão frontal do tubo de refrigerante de liga CuNi.

[0120] Uma espessura adicional de cobre solidificado é adicionada ao tampão térmico. Isso por si só acomoda sacrificialmente o desgaste subsequente, corrosão e/ou oxidação da face quente, e isso foi calculado em modelagem computacional CFD/FEA de um projeto 3D-CAD do resfriador de bloco de forno para ser o mínimo necessário para um tampão térmico de cerca 25-32 milímetros (mm) de espessura se um padrão de face quente for incluído, ou cerca de 38 mm se a face quente não tiver um padrão.

[0121] Os espaços internos do tampão térmico diretamente entre a face quente e os tubos de refrigerante mais próximos devem estar livres de todos os chapelins, espaçadores ou outros dispositivos de suporte que foram necessários em outro lugar internamente para manter uma posição dos tubos de refrigerante de liga CuNi até a fundição de cobre solidificada. De preferência, os tubos de refrigerante de liga CuNi são substancialmente compostos por UNS C70600 90%, C71300 75%, C71500 70%, C71640 66% ou UNS C70600 ASTM Schedule-40 de tubos de água e conexões soldados. Algum ASTM Schedule-80 pode ser vantajosamente incluído nas entradas e saídas.

[0122] Os múltiplos circuitos do tubo de refrigerante de liga CuNi são cada um e todos sinônimos, independentes e quase iguais em sua capacidade de remoção de calor por meio de suas respectivas entradas e saídas de refrigerante. Cada um dos vários circuitos do tubo de refrigerante de liga CuNi inclui uma geometria interna que é manipulada no projeto 3D-CAD para produzir uma queda semelhante e correspondente na pressão de refrigerante de entrada e saída para uma determinada velocidade de refrigerante. Uma determinada carga de calor aplicada à face quente é igualmente compartilhável e removível por cada circuito do tubo de refrigerante de liga CuNi. O resultado final é que as modalidades do refrigerador de bloco de forno da presente invenção têm uma capacidade de remoção de calor de pelo menos quatro vezes um fluxo de calor médio superior a 25 kW/m2.

[0123] As modalidades de método da presente invenção requerem que, antes de se comprometer com a fundição de um resfriador de bloco de forno de cobre particular em uma instalação de fundição, a modelagem computacional de dinâmica de fluidos (CFD) e/ou análise de elemento finito (FEA) deve ter verificado as temperaturas internas ponto a ponto sob fluxos de calor simulados. As temperaturas de pico em cada ponto e as temperaturas diferenciais entre os pontos devem ser verificadas para ficar dentro dos limites definidos pelos próprios materiais e pelas geometrias do projeto. Aqui, cada projeto geométrico específico para um resfriador de bloco de forno de cobre será verificado quanto à sua capacidade de remoção de calor sob determinadas condições de contorno térmico de uma face quente exposta a um fluxo de calor médio superior a 25 kW/m2.

[0124] Em uma modalidade de método particular da presente invenção que se ajusta ao modelo geral da Fig. 8, confirmar, antes de fundir um resfriador de bloco de forno de cobre em uma fundição, com modelagem computacional de dinâmica de fluidos (CFD) e/ou análise de elemento finito (FEA) de um projeto geométrico específico para o resfriador de bloco de forno de cobre, que a capacidade de remoção de calor sob determinadas condições de limite térmico de uma face quente excede um fluxo de calor médio em excesso de 25 kW/m2.

[0125] Em seguida, solidificar uma cobertura frontal de cobre e tampão térmico de um líquido quente despejado em uma fundição do refrigerador de bloco de forno de cobre. Verificar de antemão na modelagem computacional CFD/FEA que os fluxos de calor serão essencialmente distribuídos uniformemente na operação. O ponto do qual é a condução térmica desses resfriadores de bloco de forno de cobre que passa na triagem de qualidade pode ser confiável como sendo operacionalmente estável apesar da ciclagem térmica substancial quando em serviço.

[0126] Métodos de teste aceitáveis incluem métodos de raio-x e/ou ultrassônicos que são usados na rejeição de qualquer resfriador de bloco de forno de cobre que não tenha fundido e ligado metalurgicamente o circuito do tubo de refrigerante de liga de cobre-níquel (CuNi) em sua totalidade dentro ao longo da interface de difusão concêntrica com não mais do que imperfeições leves e não aglomeradas ou sem ligação. Caso contrário, os resfriadores de bloco de forno de cobre que não são rejeitados incluiriam interrupções substanciais de sua condução térmica interna geral e estresse térmico inaceitável que leva a falhas de materiais.

[0127] Uma espessura adicional deve ser adicionada à cobertura frontal de cobre e tampão térmico na face quente, e antes da fundição, para acomodar uma quantidade prevista de desgaste, abrasão, corrosão e oxidação da face quente ao longo de uma vida de campanha predeterminada. Essa espessura adicional tem apenas um pequeno efeito no caminho geral de condução térmica da face quente para o refrigerante.

[0128] Antes de fundir um bloco de cobre, uma confirmação com modelagem computacional de dinâmica de fluido computacional (CFD) e/ou análise de elemento finito (FEA) do projeto geométrico específico para o resfriador de bloco de forno de cobre para garantir que as temperaturas operacionais da face quente não excederão 450 °C. Especialmente em condições de pico, quando a capacidade de remoção de calor da face quente é alcançada sob determinadas condições de limite de tensão térmica para um fluxo de calor médio superior a 25 kW/m2.

[0129] Caso contrário, ocorreria oxidação excessiva e perda de material de cobre da face quente. E tais aumentos excessivos de temperatura de qualquer parte do circuito do tubo de refrigerante de liga CuNi que, de outra forma, provocariam a ebulição da película ou degradariam os refrigerantes internos também são prevenidos.

[0130] Uma série de iterações de ajuste de projeto 806 é usada para posicionar o circuito de tubos de refrigerante de liga CuNi tanto em relação a uma face quente quanto dentro da fundição. A solidificação subsequente no resfriador de bloco de forno de cobre circundante bloqueia na posição. Uma série de etapas para uma fundição de instalação de fundição e subsequente solidificação do circuito de tubos de refrigerante de liga CuNi dentro da fundição no resfriador de bloco de forno de cobre circundante termina de acordo com uma última iteração da geometria candidata.

[0131] Usar CFD/FEA para fixar uma posição do circuito de tubos de refrigerante de liga CuNi normalmente resulta em uma distância de separação para a face quente na faixa de 25-38 mm (dependendo da faixa na presença de qualquer padrão de face quente). Um tampão térmico de cobre solidificado é formado dentro da fundição dentro de toda a distância de separação da face quente. Portanto, tem uma espessura proporcional.

[0132] Apenas uma dissipação de calor retirado do líquido quente da peça fundida é usada para uma absorção única e fusão de uma superfície externa do circuito do tubo de refrigerante de liga CuNi para formar a interface de difusão concêntrica e que compreende após a solidificação. Um metal básico interno no material CuNi não é afetado e não é queimado pelo calor. Para fora através de uma zona afetada aquecida (ZTA) compreende uma zona temperada, parcialmente transformada, recristalizada e de crescimento de grãos. Um limite sólido-líquido é o próximo em uma zona fundida (FZ) e um volume interno solidificado da fundição de cobre.

[0133] A fundição de cobre solidificada tem uma estrutura de cristal de grão relativamente maior, grãos de cristal de cobre nucleados na HAZ estão presentes, que cresceram para o FZ na fundição de cobre solidificada.

[0134] Uma camada calorizada de alumínio pode ser vantajosamente aplicada externamente a pelo menos a face quente após a solidificação e para melhorar a resistência operacional à abrasão e à queima.

[0135] Circuitos adicionais de tubo de refrigerante de liga CuNi podem ser vantajosos se cada um for sinônimo, independente e quase igual em capacidade de remoção de calor por meio de suas respectivas entradas e saídas de refrigerante. Cada tubo de refrigerante de liga CuNi do circuito é disposto para incluir uma geometria interna que produz uma queda semelhante e correspondente na pressão de refrigerante de entrada e saída para uma determinada velocidade de refrigerante. Uma determinada carga de calor aplicada à face quente é igualmente compartilhável e removível por cada circuito do tubo de refrigerante de liga CuNi.

[0136] Uma entrada de plugue de face de cobre e soldada em e dentro de qualquer superfície da fundição de cobre pode ser usada para cobrir qualquer parte de um chapelim, espaçador ou outro dispositivo de moldagem que de outra forma penetraria em uma superfície mais fria do bloco de forno de cobre e seria exposto.

[0137] A precisão de quaisquer leituras de temperatura obtidas por um termopar pode ser melhorada pela incorporação e ligação metalúrgica de um poço termométrico ou tubulação de liga de cobre-níquel na etapa de solidificação.

[0138] Embora a presente invenção tenha sido descrita em termos das modalidades atualmente preferidas, deve ser entendido que a divulgação não deve ser interpretada como limitante.

[0139] Várias alterações e modificações, sem dúvida, se tornarão aparentes para aqueles versados na técnica após terem lido a divulgação acima. Consequentemente, pretende-se que as reivindicações anexas sejam interpretadas como abrangendo todas as alterações e modificações que caem dentro do "verdadeiro" espírito e escopo da invenção.

Claims

1. Método de fabricação de um resfriador de bloco de forno de cobre que incorpora uma tubulação de refrigerante de liga de cobre-níquel (CuNi) fundida metalurgicamente em seu interior, caracterizado pelo fato de que compreende: antes de qualquer fundição de um resfriador de bloco de forno de cobre particular em uma instalação de fundição, testar com modelagem computacional de dinâmica de fluido computacional (CFD) e/ou análise de elemento finito (FEA) de um projeto geométrico específico para o resfriador de bloco de forno de cobre, que a capacidade de remoção de calor de uma face quente através de um tampão térmico e para fora por meio de um circuito de tubo de refrigerante de liga de cobre-níquel (CuNi) pode ser maior que um fluxo de calor médio de 25 kW/m2 sem qualquer desenvolvimento de pontos quentes na face quente maior que 450oC; durante a fundição em um molde, solidificar uma cobertura frontal de cobre e tampão térmico de um líquido quente despejado incluído em uma fundição do resfriador de bloco de forno de cobre entre a face quente e o circuito do tubo de refrigerante de liga CuNi, tal que foi fundido metalurgicamente ao longo de uma interface; testar de forma não invasiva e não destrutiva e realizar triagem de qualidade em que há uma fusão completa e ligação metalúrgica do tubo de refrigerante de liga CuNi dentro da fundição circundante e solidificada; em que a condução térmica permanece operacionalmente estável por meio de ciclos térmicos subsequentes enquanto em serviço.

2. Método de fabricação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: adicionar uma espessura adicional à cobertura frontal de cobre e tampão térmico na face quente, que acomoda uma quantidade prevista de desgaste, abrasão, corrosão e oxidação da face quente ao longo de uma vida de campanha predeterminada.

3. Método de fabricação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: são evitadas oxidação excessiva e perda de material de cobre da face quente; e são evitados aumentos de temperatura de qualquer parte do circuito do tubo de refrigerante de liga CuNi que, de outra forma, ebuliriam da película ou degradariam os refrigerantes internos.

4. Método de fabricação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: encontrar uma espessura mínima para fundir a cobertura frontal de cobre e o tampão térmico ajustando iterativamente dentro do projeto geométrico particular uma geometria candidata e uma posição do circuito de tubos de refrigerante de liga CuNi, ambos em relação a uma face quente e dentro da fundição e solidificação subsequente no refrigerador de bloco de forno de cobre circundante; uma série de etapas para uma fundição de instalação de fundição e subsequente solidificação do circuito de tubos de refrigerante de liga CuNi dentro da fundição no resfriador de bloco de forno de cobre circundante de acordo com uma última iteração da geometria candidata e uma posição na qual CFD/FEA fixou uma posição do circuito de tubos de refrigerante de liga CuNi que inclui uma distância de separação para a face quente na faixa de 25-38 mm que é dependente dentro da faixa da presença de qualquer padrão de face quente; que um tampão térmico de cobre solidificado é formado dentro da peça fundida dentro de toda a distância de separação da face quente e, portanto, tem uma espessura proporcional; em que a condução térmica do tampão térmico é verificada pela modelagem computacional CFD/FEA em uma série de etapas para ajuste iterativo de aumentos em sua espessura projetada em uma análise de temperatura ponto a ponto interna para distribuir uniformemente o fluxo de calor internamente da face quente através do circuito dos tubos de refrigerante de liga CuNi durante a operação simulada e para verificar na simulação que as temperaturas operacionais da face quente serão limitadas a 450 °C.