BR122022020691B1

BR122022020691B1 - Conjunto de coletores de corrente livre de vazamentos, e, conjunto metalúrgico

Info

Publication number: BR122022020691B1
Application number: BR122022020691-3A
Authority: BR
Inventors: Robert Wyatt Hyers
Original assignee: Boston Electrometallurgical Corporation
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2023-05-16
Also published as: ES2876157T3; CA3033192C; BR112019002620B1; JP2019525128A; CN109964341A; CN115142094A; CN109964341B; EP3497737A1; KR20190040001A; JP7056963B2; KR102492794B1; BR112019002620A2; EP3497737A4; WO2018031984A1; CA3033192A1; US20190186834A1; EP3497737B1

Abstract

Métodos de manufatura de um conjunto de coletores de corrente podem incluir a resolução de modo iterativo de um modelo em um computador. O modelo pode utilizar entradas recebidas incluindo um número variável e um arranjo de elementos condutores para determinar, como uma saída, uma distribuição de calor dentro de um conjunto de coletores de corrente hipotético. Os métodos também podem incluir a identificação de uma solução para o modelo de um número e um arranjo de elementos condutores acoplados com um coletor de corrente que produz uma distribuição de calor contida dentro do conjunto de coletores de corrente hipotético. Os métodos também podem incluir a manufatura do conjunto de coletores de corrente, e o conjunto de coletores de corrente pode incluir uma pluralidade definida de fendas dentro de uma base refratária do conjunto de coletores de corrente em um padrão configurado para receber o número e o arranjo de elementos condutores identificados como a solução para o modelo.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um processamento eficaz em custos de materiais fundidos. Em particular, recipientes metalúrgicos com componentes especialmente projetados para controlar o ambiente térmico, elétrico e eletroquímico em alta temperatura são descritos.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Diversos recipientes metalúrgicos (por exemplo, fornos de arco elétrico no qual o produto de interesse é refinado em temperatura] ou fornos projetados para formar metais de modo eletrolítico) requerem uma conexão elétrica entre o metal fundido e uma fonte externa de eletricidade. Em muitas tais tecnologias, uma corrente elétrica extremamente alta é requerida para ser dispensada em alta temperatura. A corrente requerida pode atingir muitas centenas de milhares de amperes; em termos de densidade de corrente, a faixa pode ser muito grande entre 0,1 a 50 amperes/cm2. A corrente, que pode estar em centenas, milhares, ou centenas de milhares de amperes, então transportada através do recipiente, irá gerar aquecimento em Joule. A corrente transportada pode estar entre cerca de 1.000 e cerca de 5.000 amperes, ou entre cerca de 5.000 e cerca de 10.000 amperes em formas de realização. A corrente pode ser qualquer quantidade individual dentro destas faixas, tal como, por exemplo, 4.000 amperes, ou pode estar acima ou abaixo de qualquer um dos números estabelecidos. A necessidade de se manter uma conexão elétrica confiável em alta temperatura com contenção simultânea de material fundido apresenta um desafio. Durante a operação, sabe-se que as perturbações do sistema ocorrem como resultado da iniciação ou desenvolvimento do processo. Por exemplo, os padrões de escoamento de calor gerados dentro do sistema podem não ser uniformes ou regulares; componentes específicos podem ser corrompidos a partir de tais condições que estão fora do que seria considerado equilíbrio. A transferência de calor não homogênea pode comprometer a estrutura causando falha do recipiente. Projetistas de sistemas convencionais trataram desses tipos de problema 1) por meio do projeto intencional dos requisitos operacionais do sistema 2) por meio de requisições de condições de operação insuficientes que tendem a não produzir qualidade/pureza de material aceitável. Um problema contínuo com os projetos atuais é que um vazamento inicialmente pequeno irá rapidamente aumentar e se tornar uma enorme ruptura no recipiente, resultando em perda de produção, inatividade, reparos de alto custo e risco de danos ou morte.

[003] No que se refere à Figura 8: uma carga inicial de material metálico 30 é encerrada por paredes 20 de recipiente metalúrgico 100. Segmentos da parede externa 21, cobertura 23 e base externa 24. A base externa 24 é conformada para suportar a base interna refratária 11, e é comumente afixada a membros estruturais (não mostrados) que suportam a célula, tanto a partir do piso quanto a partir de alguma outra estrutura de suporte usualmente feita de material estrutural. Os segmentos da parede interna 22, bem como a base interna 11 são feitos de material refratário de alta temperatura que, por definição, são difíceis de fundir, liquefazer ou distorcer em alta temperatura. Desse modo, os arranjos refratários em particular para ambos os segmentos de parede interna 22 e de base interna 11 são escolhidos dependendo de qual material contendo metal está sendo processado e fundido, e quanto de superaquecimento é considerado necessário. Os eletrodos 130, 30, mostrados para ilustrar a configuração do circuito de célula estão tipicamente (e em todas as ilustrações acima) em pares de modo que a diferença de potencial entre eles é estabelecida essencialmente do topo para o fundo do recipiente 100. Uma fonte de alimentação 180 (geralmente de alta corrente, baixa voltagem) completa o circuito.

[004] O termo “coletor de corrente” refere-se aqui a um elemento de multicomponente 40, 125 necessariamente em comunicação direta com um eletrodo. Em muitas das aplicações de interesse aqui, o coletor de corrente está em comunicação elétrica com o catodo. Na eletrólise de óxido fundido, a corrente é alimentada para o anodo (130 na Figura 8) e passa através do eletrólito de óxido fundido 50 em direção a um catodo 30 que, durante a operação, também é fundido e compreende o produto de metal desejado. Referir-se também à Figura 9A. O coletor de corrente 12 consiste no bloco 40 em comunicação elétrica com uma fonte de corrente através dos barramentos 170. Pinos, hastes ou barras de material 125 do coletor de corrente 12 são dispostas dentro das aberturas/fendas 126 na base 11 do recipiente metalúrgico 100 e configuradas para terem uma extremidade de barra quente 35 disposta proximal ao material metálico (atuando como catodo) 30. Os coletores de corrente no presente uso têm duas causas principais de falha. A primeira causa da falha é fundamental para o projeto térmico. Comumente, pinos de cobre, hastes ou barras 125 que são intencionalmente resfriadas tanto por ar submetido à força quanto por água são usadas. Como a temperatura do metal metálico fundido (atuando como catodo) 30 proximal às hastes coletoras 125 é muito maior do que o ponto de fusão do cobre, se e quando o resfriamento se torna ineficaz, ocorre a fusão e/ou a erosão rápida e catastrófica dos pinos 125. Se o resfriamento não for totalmente comprometido, os pinos 125 irão erodir lentamente durante a operação continuada do recipiente 100, requerendo uma reconstrução em pouco tempo. O segundo tipo de falha resulta de trinca ou erosão do refratário da base interna 11 entre os pinos 25. Isto permite o ingresso de metal líquido na área de vedação (essencialmente, fenda 126) entre o pino 125 e a base refratária 11. O escoamento porta calor suficiente para fundir e/ou dissolver o pino. O primeiro metal líquido a se afastar do reator é seguido por mais metal líquido que é mais quente e que pode dissolver ainda mais do pino restante, acelerando o vazamento para uma completa ruptura do recipiente 100. Existe uma necessidade há muito tempo de aumentar o tempo de operação de tais recipientes metalúrgicos.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[005] Um conjunto de coletores de corrente livre de vazamentos é provido em uma primeira modalidade. O conjunto é integral com um recipiente metalúrgico, o recipiente tendo uma zona ativa para processamento e retenção de material líquido contendo metal, o conjunto de coletores de corrente tendo um coletor de corrente que tem uma pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores. Os elementos estão em comunicação elétrica e térmica com a zona ativa, os elementos tendo um comprimento, uma largura, uma razão do comprimento à largura. O conjunto de coletores de corrente tem um bloco, em que o bloco está em comunicação elétrica com uma fonte de corrente e em que, os elementos estão em comunicação elétrica e térmica com o bloco em uma pluralidade de localizações de elementos estabelecendo pontos de fixação para cada elemento. O conjunto de coletor de corrente tem uma porção do conjunto de uma estrutura refratária, a porção do conjunto disposta de modo contíguo com o coletor de corrente. A porção do conjunto tem uma pluralidade de aberturas indexáveis com as localizações de elementos, as aberturas capazes de aceitar e revestir porções que podem ser encerradas do comprimento de cada elemento no seu interior. A estrutura define uma divisa da zona ativa do recipiente. O recipiente metalúrgico pode ser usado como um forno de arco elétrico, para eletrólise de óxido fundido, ou como uma célula de Hall-Héroult em formas de realização adicionais.

[006] Um método para manufatura de um conjunto de coletores de corrente livre de vazamentos é provido em outra modalidade, o método tem uma etapa de resolução de um modelo em um computador, utilizando entradas recebidas incluindo um número variável e um arranjo de elementos eletricamente e termicamente condutores para determinar, como uma saída, uma distribuição de calor dentro de um conjunto de coletores de corrente hipotético. O método tem uma outra etapa de identificação, como uma solução para o modelo, um número e arranjos de elementos acoplados a um coletor de corrente que gera a distribuição de calor dentro do conjunto de coletores de corrente hipotético. O método também tem uma etapa de, então, manufaturar o conjunto de coletores de corrente. O conjunto de coletores de corrente tem uma pluralidade definida de fendas dentro de uma porção do conjunto de uma estrutura refratária. As fendas são dispostas em um padrão configurado para receber o número e o arranjo de elementos condutores identificados como a solução para o modelo.

[007] Em outra modalidade, um meio legível por computador não transitório que tem armazenado no mesmo instruções executáveis por computador é provido. As instruções, quando executadas por um processador, fazem com que o processador resolva de modo iterativo um modelo, utilizando entradas recebidas incluindo um número variável e um arranjo de elementos condutores, para determinar como uma saída uma distribuição de calor dentro de um conjunto de coletores de corrente hipotético. O processador também pode causar a identificação como uma solução para o modelo, um número e um arranjo de elementos condutores acoplados a um coletor de corrente que produz uma distribuição de calor contida dentro do conjunto de coletores de corrente hipotético. O processador também pode causar a emissão de uma representação gráfica de uma isoterma no ponto de fusão de um dado material contendo metal em contato com o conjunto de coletores de corrente hipotético. Em algumas formas de realização, o processador também pode causar a emissão de um padrão para uma ferramenta de usinagem que manufatura o conjunto de coletores de corrente, em que o padrão compreende uma pluralidade definida de fendas dentro de uma base refratária do conjunto de coletores de corrente em um padrão configurado para receber o número e o arranjo de elementos condutores identificados como a solução para o modelo. A resolução de modo iterativo do modelo pode incluir receber, como pelo menos uma das entradas, um número e arranjo inicial de elementos condutores. A resolução de modo iterativo do modelo pode incluir acessar uma base de dados de propriedades físicas e elétricas para um dado material contendo metal e o conjunto de coletores de corrente. A resolução de modo iterativo do modelo pode incluir a definição de restrições para o modelo. A resolução de modo iterativo do modelo pode incluir calcular repetitivamente a distribuição de calor dentro do conjunto de coletores de corrente enquanto atualiza o número e o arranjo de elementos condutores. A resolução de modo iterativo do modelo pode incluir comparar repetitivamente a distribuição de calor dentro do conjunto de coletores de corrente com as restrições definidas para o modelo. A resolução de modo iterativo do modelo também pode incluir determinar o número e um arranjo de elementos condutores provendo uma distribuição de temperatura contida dentro do conjunto de coletores de corrente que satisfaz as restrições definidas para o modelo.

[008] Em uma outra modalidade, um conjunto de coletores de corrente livre de vazamento é provido. O conjunto é integral com um recipiente metalúrgico, o recipiente tendo uma zona ativa para processamento e retenção de um material líquido contendo metal, o conjunto de coletores de corrente tendo um coletor de corrente que tem uma pluralidade de elementos alongados. Os elementos têm um comprimento predeterminado, uma largura predeterminada e um número total predeterminado na pluralidade. O conjunto tem um bloco que está em comunicação elétrica com uma fonte de corrente elétrica. O bloco está em comunicação elétrica e térmica com os elementos. A pluralidade de elementos é acoplada ao bloco em uma pluralidade de localizações de elementos estabelecendo pontos de fixação para cada elemento. O conjunto também tem uma porção do conjunto de uma estrutura refratária com a porção do conjunto disposta de modo contíguo com o coletor de corrente. A porção do conjunto tem fendas capazes de aceitar e revestir uma porção encerrada do comprimento de cada elemento nos mesmos, a estrutura definindo uma divisa da zona ativa do recipiente. A predeterminação do comprimento, da largura, das localizações do elemento, do número, das dimensões do bloco e dimensões da porção do conjunto da estrutura refratária disposta no recipiente são feitas para assegurar o equilíbrio térmico e fluídico em uma temperatura de processo desejada de e uma corrente desejada dentro do material líquido contendo metal para impedir o vazamento de líquido. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] A Figura 1A ilustra uma vista em seção transversal de um recipiente metalúrgico exemplificativo.

[0010] A Figura 1B ilustra uma vista em seção transversal de um recipiente metalúrgico exemplificativo sob condições de operação.

[0011] A Figura 2 ilustra uma vista em seção transversal parcial de um recipiente metalúrgico exemplificativo de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0012] A Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva de um coletor de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0013] A Figura 4A mostra um método exemplificativo de manufatura de um conjunto de coletores de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0014] A Figura 4B mostra um método exemplificativo da resolução de modo iterativo de um modelo de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0015] A Figura 5A ilustra uma distribuição de calor exemplificativa ao longo de uma seção transversal de um conjunto de coletores de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0016] A Figura 5B ilustra uma distribuição de calor exemplificativa ao longo de uma seção transversal de um conjunto de coletores de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0017] A Figura 5C ilustra uma distribuição de calor exemplificativa ao longo de uma seção transversal de um conjunto de coletores de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0018] A Figura 6 mostra um sistema de computador simplificado que pode ser utilizado para realizar uma ou mais das operações discutidas em formas de realização da presente tecnologia.

[0019] A Figura 7A ilustra uma vista em seção transversal de um recipiente metalúrgico exemplificativo.

[0020] A Figura 7B ilustra uma vista em seção transversal parcial de um recipiente metalúrgico exemplificativo de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

[0021] A Figura 8 ilustra uma vista em seção transversal de um recipiente metalúrgico exemplificativo.

[0022] A Figura 9A ilustra uma vista em seção transversal de um recipiente metalúrgico exemplificativo.

[0023] A Figura 9B ilustra uma vista em seção transversal parcial de um recipiente metalúrgico exemplificativo de acordo com formas de realização da presente tecnologia.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO (i) Componente do Conjunto de Coletores de Corrente Livre de Vazamento de um Recipiente Metalúrgico

[0024] No processamento metalúrgico, o calor gerado dentro de um recipiente/container metalúrgico 100 é usado para fundir, homogeneizar, refinar e/ou de outra forma processar uma variedade de materiais incluindo metais e materiais contendo metal. Estes materiais podem ter pontos de fusão superiores a 1.000°C; desse modo, o recipiente 100 e quaisquer componentes associados em contato com os materiais fundidos também seriam submetidos a estas altas temperaturas. As localizações onde os componentes termicamente condutores fazem contato físico ou são de outra forma termicamente engatados inevitavelmente resultam em pontos fracos estruturais que, durante a operação do recipiente, podem se tornar a fonte de vazamentos. Os vazamentos também podem originar-se de vácuos ou defeitos originados como resultado do uso continuado do recipiente 100 sob condições de alto estresse por um período de tempo prolongado.

[0025] Referência às Figuras 1A e 1B. Uma vista em seção transversal de uma porção de um recipiente metalúrgico exemplificativo 100 projetado para fusão e processamento é ilustrada. (Note que, quando as Figuras 1A e 1B são comparadas com a Figura 8, as paredes externas 21, a cobertura 23 e a base externa 24 do recipiente 100 são mostradas apenas na Figura 8.) O calor requerido pode ser gerado por energia elétrica ou outros métodos conhecidos na técnica. O eletrodo 130 (provavelmente fixamente submetido à preensão através da cobertura 23) é incluído nas Figuras 1A e 1B como evidência de que a energia elétrica é capaz de ser provida dada uma fonte de corrente (não mostrada) acoplada com o eletrodo 130 e em comunicação elétrica com os conteúdos 140 e 150 do recipiente, e eventualmente com o bloco 120, que constitui o trajeto de retorno para a corrente. A ativação de uma célula eletrolítica resultante dentro do recipiente 100 é exibida na Figura 1B. Por exemplo, em eletrólise de óxido fundido, o eletrodo 130 serviria como um anodo com bolhas de gás de monóxido de carbono ou oxigênio 142 evolvendo nas proximidades. O recipiente 100 tem uma estrutura refratária incluindo paredes refratárias internas 110 e base refratária 115. Faixas adequadas das dimensões físicas das paredes 110 e da base 115 são conhecidas na técnica de projeto do forno. Por exemplo, a espessura TW das paredes 110 e FB da base 115 é usualmente determinada por requisitos térmicos e químicos, requisitos de manufatura e problemas de confiabilidade; as faixas típicas são de alguns cm a algumas dezenas de cm. A estrutura refratária é geralmente fabricada a partir de vários materiais não metálicos de alta temperatura. A estrutura refratária 110, 115 é tipicamente composta de metais de alto ponto de fusão/alto ponto de deformação ou cerâmicas, incluindo, mas não se limitando a, materiais contendo carbono, óxidos, carbetos, e/ou nitretos de silício, cálcio, magnésio, alumínio, zircônio, háfnio, tungstênio e boro. Materiais adicionais podem ser usados nos quais tais materiais são capazes de resistir a temperaturas superiores a 100°C, 500°C, 1.000°C e mais altas, sem degradação prejudicial ou reação significativa com materiais contidos dentro do recipiente 100. Conforme ilustrado, o recipiente 100 pode, em qualquer número de projetos, incluir o orifício de entrada 113 pelo qual o material é introduzido no recipiente 100, tais como materiais contendo metal para processamento, materiais de eletrólitos, etc. A porta do orifício de saída 112 é configurada tal que, quando aberta, permite que materiais refinados ou de outra forma processados deixem o recipiente 100 e sejam coletados. Será prontamente observado que as portas do orifício de saída e orifício de entradas (em nenhuma forma limitadas a um único orifício de entrada ou uma única porta do orifício de saída) podem ser posicionadas em uma variedade de maneiras conhecidas por aqueles versados na técnica; seu projeto não é considerado limitado ao projeto exemplificativo ilustrado. Os conteúdos do recipiente frequentemente consistem em duas ou mais camadas. Por exemplo, em MOE, a camada superior 140 é o eletrólito e a camada inferior 150 é o produto de metal.

[0026] Consultar também a Figura 3. O recipiente metalúrgico 100 também inclui um bloco do coletor de corrente 120, 320 eletricamente acoplado a uma fonte de corrente pelo barramento 370. Para algumas aplicações do recipiente, o coletor de corrente pode receber corrente através de materiais no recipiente 100, e podem prover elétrons a materiais no recipiente através de elementos condutores 125 do coletor de corrente que é fixamente preso ao bloco 120, 320. Uma porção de um comprimento L de elementos condutores 125, 325 pode estar em contato direto com os materiais dentro do recipiente 100, já que os elementos 125 podem se estender para o interior do recipiente 100 tendo L maior que TH. O coletor de corrente pode operar como um eletrodo em algumas aplicações do recipiente; por exemplo, em uma situação de forno de arco elétrico, em oposição ao anodo 130, o coletor de corrente opera como o catodo. Uma célula elétrica consistiria então de anodo 130, coletor de corrente/catodo 120 (320) mais 125, com o escoamento de corrente através de materiais contidos dentro e a ser processado no recipiente 100.

[0027] Elementos condutores de coletor de corrente 125 se estendem por seu comprimento L a partir de seus respectivos pontos de fixação no bloco do coletor de corrente 120, através de fendas de base 126 dispostas através de toda a espessura, TB da base refratária 115. Consultar, usualmente, a Figura 9A. Porções de elementos condutores 125 podem se estender além da base refratária 115, aquelas porções se estendem para dentro de uma zona ativa 150 (Figura 1B) do recipiente 100, onde elas estão, quando o recipiente 100 está na ou está em operação, se aproximando de uma temperatura de processamento pretendida, propenso a fundir.

[0028] Embora (nas Figuras 1A, 1B e 2) exatamente dois elementos condutores 125 sejam mostrados para propósitos ilustrativos, cada um dentro de uma fenda de base conjugada 126, deve ser entendido, por projeto e plano intencionais, que qualquer número de elementos condutores bem como variações em padrões espaciais possíveis de elementos condutores 125 (e fendas de base conjugada 126) definem o escopo desta descrição como será explicado em detalhes abaixo. Na Figura 3, é ilustrado um padrão 25 de elementos condutores em um arranjo espacial que se assemelha a um quadrado conforme ilustrado. A base refratária 115 incluiria necessariamente uma pluralidade de fendas 126 dentro da base refratária 115 disposta em um padrão similar a ou, provavelmente, idêntico ao arranjo espacial de elementos condutores 125. Cada elemento condutor seria então posicionado dentro de uma fenda correspondente da base refratária 115 tendo comprimentos maiores do que ou menores do que TB.

[0029] Uma quantidade inicial de material processável pode ser introduzida no recipiente 100. O material pode incluir um minério, um eletrólito, escória, coque, ou outros materiais refratários ou de forno. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 1B, quando a eletrólise é a operação, a região 140 mostrada proximal ao anodo 130 contém um eletrólito como parte da célula eletrolítica gerada, enquanto a zona ativa 150 é a região onde o material a ser processado reside durante a operação. O material contendo metal processado (em MOE) é removível, através da base refratária 115 através da porta do orifício de saída 112. No processamento de eletrólise de óxido fundido, o eletrodo 130 é o anodo; a corrente passa através do anodo, primeiro para a região 140 contendo materiais de eletrólito fundido, em seguida para a zona ativa 150 do recipiente 100, e então através de elementos condutores 125 para o bloco do coletor 120. A corrente, que pode estar em centenas, milhares, ou centenas de milhares de amperes, assim transportados através do recipiente, gerará aquecimento em Joule. A corrente transportada pode estar sistematicamente entre cerca de 1.000 e cerca de 5.000 amperes, ou entre cerca de 5.000 e cerca de 10.000 amperes em formas de realização. A corrente pode ser qualquer quantidade individual dentro destas faixas, tal como, por exemplo, 4.000 amperes, ou pode estar acima ou abaixo de qualquer um dos números estabelecidos. Pretende-se que o calor gerado desenvolva temperaturas do recipiente suficientes para fundir os materiais dentro do recipiente. Por exemplo, se óxidos de metal simples ou mistos forem reduzidos (MOE) para formar um produto de metal refinado, os íons de oxigênio escoarão na direção do anodo 130 e são oxidados com cada íon liberando elétrons para evolver gás oxigênio, enquanto os íons de metal escoam na direção do coletor de corrente 120 e são reduzidos por terem os íons de metal carregados positivamente adicionados aos elétrons acima mencionados. O metal que se forma proximal à base refratária 115 na região 150 é inicialmente um metal fundido, negativamente carregado, e atuará como o catodo da célula de MOE. Este metal fundido negativamente carregado pode ser refinado pelo processo e extraído do recipiente através de uma ou mais portas 112. Em uma aplicação de MOE, a região 140 do recipiente contém eletrólito fundido; ela provavelmente contém escória em uma aplicação de forno de arco elétrico (EAF). Bolhas de gás oxigênio 142 se desenvolvem e são liberadas do recipiente. Alternativamente, o anodo 130 pode ser principalmente carbono, em cujo caso, em última instância, o gás evolvido pode ser CO ou CO2.

[0030] Um metal fundido pode operar como o catodo em uma operação de MOE, os materiais usados nos elementos condutores do coletor de corrente 125 (consultar Figura 9A) podem ser escolhidos com base em suas qualidades condutoras. Por exemplo, os elementos condutores 125 podem incluir prata, cobre, ouro, alumínio, zinco, níquel, latão, bronze, ferro, platina, um material contendo carbono, chumbo, aço, o metal sendo refinado, ou ligas/misturas dos mesmos. A título de exemplo, os elementos condutores 125 podem conter cobre, com um ponto de fusão abaixo de 1.100°C. No entanto, se o metal que está sendo refinado for ferro, o ferro líquido na região 150 pode estar em uma temperatura de mais de 1.500°C. Neste exemplo, o ferro fundido irá fundir elementos condutores 125 para produzir uma mistura fundida dos elementos condutores e o metal sendo refinado. Dependendo da extensão em que os elementos condutores se fundem, pode-se formar um vazamento em uma interface entre parte do coletor de corrente e parte do refratário 110. Dependendo da severidade do vazamento, pode ocorrer uma falha catastrófica do recipiente. Entretanto, a presente tecnologia pode considerar tais preocupações de projeto conforme discutido abaixo.

[0031] A Figura 2 ilustra uma vista em seção transversal parcial de um recipiente metalúrgico exemplificativo 100. Em particular, esta vista parcial ilumina uma porção do recipiente aqui definida como um conjunto de coletores de corrente 160. O conjunto de coletores de corrente 160 inclui o bloco do coletor de corrente 120, elementos condutores do coletor de corrente 125 e base refratária 115 que é 1) contígua à zona ativa de recipiente 150 e com o bloco do coletor 120, 2) que tem uma espessura de base refratária TB e 3) que tem fendas de base 126 localizadas de modo a serem indexáveis com as localizações fixas dos elementos 125 quando eles forem acoplados ao bloco do coletor 120. A vista parcial ilustra a base refratária 115 dentro de uma porção das paredes refratárias 110 e define uma divisa da zona ativa 150. Embora a Figura 2 ilustre exatamente dois elementos 125 e duas fendas de base 126, o número atual e o padrão de localização são específicos do pedido. Os elementos condutores 125 podem se estender através das fendas de base 126 para a zona ativa 150 do recipiente 100 (referência à Figura 9A). O comprimento L dos elementos condutores pode ser igual a, menor que a espessura TB da base refratária, e pode também ser maior que a espessura TB da base refratária. Conforme observado anteriormente, os elementos condutores podem conter metal ou outro material condutor tendo um ponto de fusão menor do que a temperatura de fusão do material que está sendo refinado dentro da zona ativa do recipiente. Em tal caso, a porção dos elementos condutores 125 em contato com o material dentro do recipiente também pode fundir. A extensão em que este calor transfere através do conjunto pode determinar se um vazamento é possível de ocorrer. Por exemplo, se a isoterma de sólido da composição instantânea e localmente presente nas fendas 126 se estende aproximadamente até uma profundidade do contorno 135, porções de elementos condutores 125 fundirão na área 127. Este material líquido, que pode incluir uma mistura do material que é também refinado, pode encher em qualquer espaço intersticial entre o elemento condutor e a fenda antes de ser novamente solidificado dentro da fenda 126. Em operação, isto pode proteger contra o afastamento do material fundido através da fenda para o bloco do coletor 120, criando uma área de vedação (como 129 na Figura 9B). Embora teoricamente não seja requerido (conforme mostrado abaixo) um resfriamento adicional pode ser provido aos elementos condutores, tal como através de uma transferência de fluido para ar, água ou algum outro fluido.

[0032] A geometria das fendas 126 permite que pelo menos uma porção de cada um dos elementos condutores esteja em um estado sólido com o restante de cada um dos elementos condutores em um estado fundido. Consultar a Figura 9A - em formas de realização, o comprimento dos elementos condutores pode ser mantido em ou abaixo de um nível igual à espessura da base refratária 115. Ao fazê-lo, o material na zona ativa 150 pode ser mantido em um estado substancialmente mais puro, e quando este material é removido, ou aproveitado, é menos provável de se ligar ao material dos elementos condutores também.

[0033] A Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva de um coletor de corrente exemplificativo 300 de acordo com formas de realização da presente tecnologia. Conforme ilustrado, o coletor de corrente 300 pode incluir um bloco 320, que pode incluir um ou mais barramentos de ligação 330 para prover comunicação elétrica com o bloco. O coletor de corrente 300 também pode incluir uma pluralidade de elementos condutores 325 que se estendem a partir do bloco 320. Os elementos condutores 325 podem ser incluídos em um padrão conforme ilustrado, mas o número e padrão podem ser predeterminados para um recipiente metalúrgico em particular.

[0034] O número, posição e arranjo dos elementos condutores 325 afetam a distribuição térmica por todo o recipiente e, desse modo, alteram deliberadamente o número e a posição dos elementos condutores, o sistema é ajustável a fim de desenvolver estabilidade ou equilíbrio dentro do recipiente. Este padrão/arranjo é determinado ou configurado para prover equilíbrio térmico e/ou fluídico no conjunto de coletores de corrente 160 e em suas adjacências imediatas durante a operação. Consequentemente, conjuntos de coletores de corrente exemplificativos e recipientes da presente tecnologia, os elementos condutores podem ser posicionados sobre o bloco do coletor de corrente 320 de acordo com um padrão configurado para prover equilíbrio térmico e fluídico por todo o conjunto de coletores de corrente durante a operação.

[0035] Um fator importante no projeto do conjunto de coletores de corrente livre de vazamentos é assegurar o controle de mistura na porção 127 das fendas contendo fusão do pino. A mistura convectiva dentro do pino porta ambos os líquidos de temperatura mais alta e, quando o pino e a zona ativa têm diferentes composições, soluto para a interface líquido-sólido no pino. O fluido mais quente pode então fundir mais do pino, movendo a interface líquido-sólido para uma localização mais provável de iniciar um vazamento. O soluto adicional irá frequentemente deprimir o ponto de fusão do material naquela interface, movendo do sistema ainda mais em direção ao vazamento. Desse modo, uma combinação de transferência de calor e massa por escoamento de fluido é um fator chave na falha de coletores de corrente em uso hoje. As soluções industriais atuais utilizam resfriamento excessivo para manter os pinos sólidos a fim de impedir estes efeitos, desperdício de energia e adição de custo desnecessário e complexidade ao recipiente metalúrgico. O conjunto de coletores de corrente livre de vazamentos aqui descrito explora a geometria da fenda na porção refratária do conjunto para determinar o escoamento de fluido na fenda após a fusão parcial e/ou a dissolução do pino. Limitar o escoamento de fluido na fenda reduz grandemente a mistura convectiva na zona fundida, permitindo o controle da localização da interface sólido-líquido com resfriamento passivo. Ainda, isto reduz grandemente a perda de energia do recipiente, bem como simplifica grandemente seus sistemas de suporte, tudo enquanto aumenta a vida útil do conjunto de coletores de corrente.

[0036] Duas abordagens são usadas para projetar a geometria dos pinos e refratário para controlar o escoamento de fluido na fenda. No primeiro, um modelo numérico é usado para descrever o escoamento de fluido na zona ativa e nas fendas para determinar o transporte por convecção de calor e massa, e a extensão resultante da zona líquida na fenda. Na segunda abordagem, utiliza-se uma aproximação para estimar a extensão até a qual o escoamento de fluido é significativo, permitindo que o restante do pino seja modelado sem consideração do escoamento de fluido. Sabe-se bem que o escoamento através do topo de um canal estreito, como as fendas, aciona o escoamento no canal e causa a mistura do fluido no canal (fenda) com o fluido fora do canal (zona ativa). O escoamento na fenda é mais lento em localizações mais distantes da zona ativa, tornando-se desprezível a uma profundidade de cerca de 3 diâmetros abaixo do topo do furo. Para furos não circulares, um diâmetro efetivo pode ser estimado como o diâmetro de um cilindro de área de seção transversal equivalente. (ii) Aplicação do Conjunto de Coletores de Corrente em células Hall-Héroult

[0037] O processo de Hall-Héroult permanece o processo de manufatura para o derretimento de alumínio. Isso envolve a dissolução de óxido de alumínio em fluoretos fundidos, e eletrolisar o banho de sal fundido. Referência à Figura 7A (técnica anterior) e Figura 7B. Neste pedido, o eletrólito de Hall-Héroult 1040 é uma mistura de fluoretos que irão umedecer as laterais 1010 e, inicialmente, o fundo 1015 da célula 1000, sem força oposta suficiente. O fundo da célula 1015 é composto de carbono e materiais carbonáceos que proveem a conexão elétrica entre o bloco do coletor de corrente 1020 e o calço de metal líquido (alumínio) 1050 residente na zona ativa do recipiente 1000. Se o eletrólito 1040 infiltra a interface entre o bloco do coletor de corrente 1020 e o calço de alumínio 1050, ele congelará e formará uma camada isolante, interrompendo a conexão elétrica entre o bloco 1020 e o calço 1050. A interrupção deste contato elétrico irá, pelo menos, resultar em uma cessação da produção de alumínio, e pode resultar em uma falha catastrófica da célula. Como resultado, um calço de metal muito espesso 1050 (conforme mostrado na Figura 7A da técnica anterior) é necessário para prover peso suficiente para impedir o ingresso de eletrólito suficiente 1040 para interromper o contato elétrico entre o fundo de célula 1015 e o calço de metal 1050.

[0038] A Figura 7B ilustra o uso de elementos condutores metálicos 1025 (dois são mostrados) em um conjunto de coletores de corrente para garantir que a comunicação elétrica entre o calço de metal líquido 1050 e o bloco 1020 seja mantida. Os elementos 1025 podem consistir de alumínio fundido, de modo a limitar a introdução de impurezas indesejadas ao calço 1050. Se os elementos 1025 são de metal (idealmente da mesma composição do calço 1050), a tensão da superfície atua para manter a continuidade e a condução elétrica através da interface entre o calço de metal 1050 e o coletor de corrente 1020, independentemente de qualquer ingresso do eletrólito entre o fundo de célula 1015 e o calço de metal 1050. À medida em que os elementos 1025 são condutores, o fundo de célula 1015 pode ser feito de carbono, ou ser construído de outro material, até mesmo de um isolante elétrico. Os elementos 1025 têm o efeito/propriedades de: 1) manter comunicação elétrica com o calço de metal 1050, independentemente do ingresso de eletrólito entre 1020 e 1050; 2) podem ser arranjados de modo a prover uma barreira contínua de metal em torno do perímetro do calço 1050, de modo a impedir o ingresso de eletrólito inteiramente e 3) pinagem do calço de metal líquido 1050 para manter um formato aceitável, mesmo com um calço de metal líquido muito mais raso. (iii) Modelo para a Manufatura de Conjuntos de Coletores de Corrente Livre de Vazamentos

[0039] Uma vez que o número e o arranjo dos elementos condutores podem produzir ou intensificar os efeitos sobre o desempenho e a estabilidade do conjunto de coletores de corrente, conjuntos diferentes podem ser desenvolvidos para aplicações diferentes, tendo diferentes projetos de coletor de corrente. A posição da pluralidade de elementos condutores pode ser determinada por um modelo de análise de elemento finito configurado para determinar um número e uma posição de elementos condutores para prover equilíbrio térmico e fluídico dentro de um recipiente. Tal modelo será descrito com referência à Figura 4 abaixo.

[0040] Os sistemas e dispositivos descritos anteriormente descritos podem ser desenvolvidos ou manufaturados de acordo com vários métodos. Os métodos também podem ser representados por programação armazenada na memória de um dispositivo de computação. A Figura 4A ilustra uma modalidade de um método 400 para manufaturar um conjunto de coletores de corrente de acordo com a presente tecnologia. O método 400 pode ser realizado para produzir qualquer um dos coletores de corrente ou componentes previamente descritos. Cada operação do método 400 pode ser realizada em ou por um único dispositivo eletrônico, tal como por um computador, ou por múltiplos dispositivos que se comunicam entre si. Meios para a realização de cada etapa do método 400 podem incluir um computador ou um dispositivo eletrônico. O método 400 pode ser realizado utilizando um dispositivo computadorizado, tal como um dispositivo que incorpora alguns ou todos os componentes do sistema de computador 600 da Figura 6.

[0041] O método 400 pode incluir a resolução de um modelo em um computador na operação 410 para determinar o número e a posição de elementos condutores para um coletor de corrente como previamente descrito. O modelo pode utilizar entradas recebidas incluindo um número variável e um arranjo de elementos condutores. O modelo pode determinar e emitir uma distribuição de calor dentro de um conjunto de coletores de corrente hipotético em formas de realização. O método também pode identificar uma solução para o modelo na operação 420. A solução pode identificar o número e um arranjo de elementos condutores acoplados com um coletor de corrente que produz uma distribuição de calor contida dentro do conjunto de coletores de corrente hipotético. Uma vez que uma solução para o modelo tenha sido identificada, o método pode incluir a manufatura do coletor de corrente na operação 430. O conjunto de coletores de corrente manufaturado pode incluir uma pluralidade definida de fendas dentro de uma base refratária do conjunto de coletores de corrente. A pluralidade de fendas pode ser posicionada em um padrão configurado para receber o número e o arranjo de elementos condutores identificados como a solução para o modelo.

[0042] Em formas de realização, as saídas do modelo podem incluir a distribuição de temperatura dentro do refratário, bem como escoamentos de calor e potência de aquecimento no sistema. As entradas podem ser um ou mais de um número de itens relacionados ao processo que está sendo realizado. Por exemplo, as entradas podem incluir propriedades físicas, químicas, e elétricas de um metal a ser refinado ou processado dentro de um recipiente metalúrgico. Por exemplo, a temperatura de fusão de tal material pode afetar diretamente a extensão em que a fusão dos elementos condutores pode ocorrer. As entradas podem incluir aspectos do sistema elétrico incluindo a corrente ou potência que está sendo dispensada através do recipiente, tal como a amperagem provida aos eletrodos ou à voltagem do terminal. As entradas também podem incluir propriedades do refratário ou do recipiente. As dimensões globais do refratário podem ser utilizadas, junto com as dimensões do bloco do coletor de corrente, bem como parâmetros fixos dos elementos condutores, que podem incluir o comprimento e o diâmetro dos elementos condutores. Em outras formas de realização, estes números também podem ser ajustados para também afetar o sistema. O modelo também pode utilizar entradas ajustáveis, que podem incluir qualquer um dos parâmetros previamente identificados, bem como um número e arranjo inicial dos elementos condutores. Em formas de realização, um arranjo inicial pode não ser utilizado no modelo, mas, em algumas formas de realização, pelo menos uma das entradas recebidas no modelo pode incluir um número e arranjo inicial de elementos condutores.

[0043] Muitos destes parâmetros podem ser incluídos em uma base de dados acessível ao computador que faz o modelo funcionar. O computador também pode ser configurado para atualizar a base de dados com parâmetros ajustados, tais como o número e o arranjo dos elementos condutores. O modelo pode então determinar uma ou mais soluções envolvendo o número e um arranjo de elementos condutores, incluindo operações conforme detalhado mais adiante na Figura 4B.

[0044] A Figura 4B inclui operações adicionais que podem ser incluídas para resolver o modelo de acordo com formas de realização da presente tecnologia. O método pode incluir o recebimento de uma ou mais entradas como previamente identificado na operação 408. Em formas de realização, as entradas de recepção também podem incluir o acesso a uma base de dados de propriedades físicas e elétricas para um dado material contendo metal e/ou para o conjunto de coletores de corrente. As entradas também podem incluir as restrições de recepção ou definição para o modelo, o que pode simplificar o modelo ou permitir o desenvolvimento de um projeto adequado. Uma vez que as entradas são recebidas, o modelo pode desenvolver ou calcular a distribuição de calor para os parâmetros recebidos na operação 412. O modelo pode calcular repetitivamente a distribuição de calor dentro do conjunto de coletores de corrente enquanto atualiza o número e o arranjo de elementos condutores.

[0045] Para cada iteração do modelo, o modelo pode comparar repetitivamente a distribuição de calor de cada saída dentro do conjunto de coletores de corrente hipotético para as restrições definidas para o modelo na operação 414. Se as restrições não forem satisfeitas para o arranjo proposto, o número e/ou arranjo dos elementos condutores pode ser atualizado juntamente com quaisquer outros parâmetros ajustáveis do sistema na operação 416. As iterações podem continuar até a operação 418 quando um número e um arranjo proposto de elementos condutores forem determinados que proveem uma distribuição de calor dentro do conjunto de coletores de corrente e que satisfazem as restrições definidas para o modelo.

[0046] O modelo pode calcular repetitivamente a distribuição de calor por meio da resolução de uma ou mais equações para determinar a distribuição de calor e o escoamento. As equações podem incluir as seguintes equações exemplificativas:

onde pCp é a densidade vezes o calor específico, T é temperatura, t é tempo, k é a condutividade térmica, e ^v é a taxa de geração volumétrica de calor, & é o campo elétrico, é é a densidade de corrente, o é a condutividade elétrica, é o vetor de velocidade, P é a pressão, μ é a viscosidade, e Fv é a soma das forças volumétricas incluindo as forças gravitacionais.

[0047] O modelo pode empregar uma análise de elemento finito para resolver a distribuição de temperatura, escoamentos de calor e aquecimento em Joule dentro do conjunto. Os projetos do modelo também podem ser limitados a condições para as quais o escoamento de fluido não é significativo, por exemplo, aliviando a necessidade de resolver algumas das equações. Adicionalmente, em formas de realização, o modelo pode utilizar a agregação de variáveis relacionadas a produtos em particular ou parâmetros de processo para simplificar as equações para prover uma faixa de arranjos aceitáveis em oposição a um único projeto, embora ainda provendo equilíbrio térmico e elétrico dentro da divisa na qual o material que está sendo processado entra em contato com os elementos condutores.

[0048] As restrições aplicadas ao sistema podem incluir condições da divisa ou outros parâmetros para controlar o potencial de vazamento ou a ocorrência de avaria. As restrições podem incluir um limite para a temperatura permitida na interface do conjunto de coletores de corrente com o material que está sendo processado, que pode também ser uma superfície da base refratária oposta a uma superfície em contato com o coletor de corrente. As restrições também podem incluir um limite de escoamento de calor total a partir do conjunto de coletores de corrente para o material que está sendo processado ou em outro lugar, bem como um limite da temperatura máxima em qualquer local dentro do conjunto de coletores de corrente. Restrições adicionais podem incluir a localização de uma temperatura de fusão de um material utilizado no recipiente metalúrgico distinguido pela temperatura de fusão mais baixa de todos os materiais utilizados no recipiente metalúrgico. Por exemplo, tal temperatura pode ser limitada a uma distância de todas as superfícies para reduzir ou limitar o potencial de vazamento. Tal distância pode ser de polegadas, por exemplo, tal como polegadas a partir de qualquer superfície de junta ou borda do conjunto de coletores de corrente.

[0049] As saídas do modelo podem incluir uma representação gráfica de uma isoterma no ponto de fusão de um dado material contendo metal que entra em contato com o conjunto de coletores de corrente hipotético em formas de realização. O modelo pode também emitir um padrão para manufatura que é dispensado a uma ou mais ferramentas de usinagem. O padrão pode ser emitido para uma ferramenta que manufatura o conjunto de coletores de corrente, por exemplo. O padrão pode incluir uma pluralidade definida de fendas dentro de uma base refratária do conjunto de coletores de corrente em um padrão configurado para receber o número e o arranjo de elementos condutores identificados como a solução para o modelo.

[0050] O modelo também pode ser usado em um cálculo modificado pelo qual os parâmetros de entrada e saída são trocados para resolver problemas relacionados. Por exemplo, o modelo pode ser capaz de determinar as propriedades requeridas para os componentes do sistema com base em arranjos pré-selecionados de outros materiais, incluindo os elementos condutores. Como um exemplo não limitante, o modelo pode ser capaz de avaliar de modo iterativo as distribuições de temperatura e fluxo de calor, ao mesmo tempo em que varia a condutividade térmica de um componente em particular para determinar os delimitadores externos de um tal parâmetro enquanto ainda mantém uma temperatura alvo e fluxo de calor em uma localização diferente dentro do conjunto. Muitos outros exemplos são igualmente abrangidos pela presente tecnologia como ficará prontamente aparente aos versados na técnica.

[0051] A Figura 5A ilustra uma distribuição de calor exemplificativa ao longo de uma seção transversal de um conjunto de coletores de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia. A Figura inclui uma saída exemplificativa do modelo. Conforme ilustrado, a Figura inclui uma base refratária 515, um bloco do coletor de corrente 520, e elementos condutores 525 em um arranjo e número em particular conforme determinado pelo modelo. A Figura também ilustra uma isoterma calculada 501 no ponto de fusão do produto predefinido em um cenário de projeto exemplificativo. Conforme ilustrado pela isoterma 501, o metal líquido é confinado dentro da fenda da base refratária 515, e o vazamento ou a falha do dispositivo é improvável.

[0052] A Figura 5B ilustra uma distribuição de calor exemplificativa ao longo de uma seção transversal de um conjunto de coletores de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia. A Figura inclui uma saída exemplificativa do modelo. Conforme ilustrado, a Figura inclui uma base refratária 515, um bloco do coletor de corrente 520, e elementos condutores 525 em um arranjo e número em particular conforme determinado pelo modelo. A Figura também ilustra uma isoterma calculada 502 no ponto de fusão do produto predefinido em um cenário de projeto exemplificativo. Conforme ilustrado pela isoterma 502, é provável que o metal líquido se estenda para o bloco do coletor de corrente 520, mas é provável que seja contido pelo bloco e pelo refratário. Embora tal cenário possa impor um risco sobre o cenário ilustrado na Figura 5A, o projeto pode ser determinado como sendo de integridade suficiente para proceder com a manufatura ou operação.

[0053] Tais isotermas exemplificativas, conforme ilustradas nas Figuras 5A e 5B, podem ser, pelo menos em parte, desenvolvidas pelo número e o arranjo da pluralidade de elementos condutores no conjunto. Os elementos condutores podem ser configurados para pelo menos parcialmente desenvolver um perfil de temperatura dentro do conjunto de coletores de corrente que mantém uma divisa de temperatura de um ponto de fusão de um material processado no recipiente. Em formas de realização, a divisa pode ser mantida dentro da base refratária, ou pode se estender dentro do bloco do coletor de corrente, mas pode ser mantida dentro de uma porção interior do bloco do coletor.

[0054] A Figura 5C ilustra uma distribuição de calor exemplificativa ao longo de uma seção transversal de um conjunto de coletores de corrente de acordo com formas de realização da presente tecnologia. A Figura inclui uma saída exemplificativa do modelo. Conforme ilustrado, a Figura inclui uma base refratária 515, um bloco do coletor de corrente 520, e elementos condutores 525 em um arranjo e número em particular conforme determinado pelo modelo. A Figura também ilustra uma isoterma calculada 503 no ponto de fusão do produto predefinido em um cenário de projeto exemplificativo. Conforme ilustrado pela isoterma 503, é provável que o metal líquido se estenda para dentro do bloco, e pode ser apenas marginalmente contido pelo refratário 515. Embora o cenário ilustre uma condição estável, sob perturbação do sistema, que pode ser comum na operação atual, a ocorrência de vazamentos e falhas catastróficas é provável.

[0055] A presente tecnologia permite a modelagem de recipientes metalúrgicos para processamento de uma variedade de metais, ligas e outros produtos. Por meio da utilização do processo iterativo e do desenvolvimento dos perfis de calor conforme descrito acima, os recipientes desenvolvidos pelos métodos descritos são menos propensos a vazamentos e falhas do que os projetos convencionais. Adicionalmente, recipientes individualizados podem ser desenvolvidos para operações de processamento em particular, em oposição à tentativa de reutilizar o recipiente existente para um processo para o qual pode não ser propício. O presente modelo pode determinar se um tal recipiente pode ser usado para propósitos alternativos ou se é mais provável que o recipiente falhe.

[0056] A Figura 6 ilustra uma modalidade de um sistema de computador 600. Um sistema de computador 600 conforme ilustrado na Figura 6 pode ser incorporado em dispositivos tais como um computador pessoal, sistema de computador de manufatura, ferramentas em particular ou dispositivos de ferramentas, e semelhantes. Além disso, alguns ou todos os componentes do sistema de computador 600 também podem ser incorporados em um dispositivo eletrônico portátil, ou outro dispositivo como descrito aqui. A Figura 6 provê uma ilustração esquemática de uma modalidade de um sistema de computador 600 que pode realizar algumas ou todas as etapas dos métodos providos por várias formas de realização. Deve-se notar que a Figura 6 pretende apenas prover uma ilustração generalizada de vários componentes, qualquer um dos quais podendo ser utilizado como apropriado. A Figura 6 portanto, ilustra amplamente como elementos de sistema individuais podem ser implementados em uma maneira relativamente separada ou relativamente mais integrada.

[0057] O sistema de computador 600 é mostrado compreendendo elementos de hardware que podem ser acoplados eletricamente por meio de um barramento 605, ou pode, de outra forma, estar em comunicação, conforme apropriado. Os elementos de hardware podem incluir um ou mais processadores 610, incluindo sem limitação, um ou mais processadores de uso geral e/ou um ou mais processadores de uso especial tais como chips de processamento de sinal digital, processadores de aceleração gráfica, e/ou semelhantes; um ou mais dispositivos de entrada 615 que podem incluir, sem limitação, um mouse, um teclado, uma câmera e/ou semelhante; e um ou mais dispositivos de saída 620, que podem incluir sem limitação um dispositivo de exibição, uma impressora e/ou semelhante.

[0058] O sistema de computador 600 pode ainda incluir e/ou estar em comunicação com um ou mais dispositivos de armazenamento não transitórios 625, que podem compreender, sem limitação, armazenamento local e/ou armazenamento acessível à rede e/ou pode incluir, sem limitação, uma unidade de disco, um arranjo de unidade, um dispositivo de armazenamento óptico, um dispositivo de armazenamento em estado sólido, tal como uma memória de acesso aleatório (“RAM”) e/ou uma memória somente de leitura (“ROM”), que pode ser programável, atualizável por flash, e/ou semelhante. Tais dispositivos de armazenamento podem ser configurados para implementar qualquer armazenamento de dados apropriado, incluindo sem limitação, vários sistemas de arquivos, estruturas de base de dados, e/ou semelhantes.

[0059] O sistema de computador 600 também pode incluir um subsistema de comunicações 630, que pode incluir sem limitação um modem, um cartão de rede (sem fio ou com fio), um dispositivo de comunicação por infravermelho, um dispositivo de comunicação sem fio e/ou um grupo de chips tal como um dispositivo de Bluetooth™, um dispositivo de 802.11, um dispositivo de WiFi, um dispositivo de WiMax, instalações de comunicação celular, etc., e/ou semelhantes. O subsistema de comunicações 630 pode incluir uma ou mais interfaces de comunicação de entrada e/ou saída para permitir que os dados sejam trocados por uma rede tal como a rede descrita abaixo para citar um exemplo, outros sistemas de computador, televisão e/ou quaisquer outros dispositivos aqui descritos. Dependendo da funcionalidade desejada e/ou outras preocupações de implementação, um dispositivo eletrônico portátil ou dispositivo similar pode comunicar imagem e/ou outras informações através do subsistema de comunicações 630. Em outras formas de realização, um dispositivo eletrônico portátil pode ser incorporado no sistema de computador 600, por exemplo, um sistema de computador de manufatura, como um dispositivo de entrada 615. Em muitas formas de realização, o sistema de computador 600 ainda compreende uma memória de trabalho 635, que pode incluir um dispositivo RAM ou ROM, conforme descrito acima.

[0060] O sistema de computador 600 também pode incluir elementos de software, mostrados como estando localizados atualmente dentro da memória de trabalho 635, incluindo um sistema operacional 640, unidades de dispositivo, bibliotecas executáveis e/ou outro código, tal como um ou mais programas de aplicação 645, que podem compreender programas de computador providos por várias formas de realização, e/ou que podem ser projetados para implementar métodos, e/ou configurar sistemas, providos por outras formas de realização, conforme aqui descrito. Meramente a título de exemplo, um ou mais procedimentos descritos com relação aos métodos discutidos acima, tais como aqueles descritos em relação à Figura 4, pode ser implementado como código e/ou instruções executáveis por um computador e/ou um processador dentro de um computador; em um aspecto, então, tal código e/ou instruções podem ser usados para configurar e/ou adaptar o computador de uso geral ou outro dispositivo para realizar uma ou mais operações de acordo com os métodos descritos.

[0061] Um grupo destas instruções e/ou código pode ser armazenado em um meio de armazenamento legível por computador não transitório, tal como o(s) dispositivo(s) de armazenamento 625 descrito(s) acima. Em alguns casos, o meio de armazenamento pode ser incorporado dentro de um sistema de computador, tal como sistema de computador 600. Em outras formas de realização, o meio de armazenamento pode ser separado de um sistema de computador, por exemplo, um meio removível, tal como um disco compacto, e/ou provido em um pacote de instalação, tal que o meio de armazenamento pode ser usado para programar, configurar, e/ou adaptar um computador de uso geral com instruções/código armazenados no mesmo. Estas instruções podem assumir a forma de um código executável, que é executável pelo sistema de computador 600 e/ou pode assumir a forma de um código fonte e/ou código instalável, que, mediante a compilação e/ou instalação no sistema de computador 600, por exemplo, usando qualquer dentre uma variedade de compiladores geralmente disponíveis, programas de instalação, utilitários de compressão/descompressão, etc., assume então a forma de código executável.

[0062] Será evidente para aqueles versados na técnica que variações substanciais podem ser feitas de acordo com requisitos específicos. Por exemplo, o hardware personalizado também pode ser usado, e/ou elementos em particular poderiam ser implementados em hardware, software incluindo software portátil, tal como applets, etc., ou ambos. Além disso, a conexão com outros dispositivos de computação tais como dispositivos de entrada/saída de rede pode ser empregada.

[0063] Como mencionado acima, em um aspecto, algumas formas de realização podem empregar um sistema de computador tal como o sistema de computador 600 para realizar métodos de acordo com várias formas de realização da tecnologia. De acordo com um grupo de formas de realização, alguns ou todos os procedimentos de tais métodos são realizados pelo sistema de computador 600 em resposta ao processador 610 que executa uma ou mais sequências de uma ou mais instruções, que pode ser incorporado no sistema operacional 640 e/ou outro código, tal como um programa de aplicação 645, contido na memória de trabalho 635. Tais instruções podem ser lidas na memória de trabalho 635 a partir de um outro meio legível por computador, tal como um ou mais do(s) dispositivo(s) de armazenamento 625. Meramente a título de exemplo, a execução das sequências de instruções contidas na memória de trabalho 635 poderia fazer com que o(s) processador(es) 610 realizem um ou mais procedimentos dos métodos aqui descritos. Adicionalmente ou alternativamente, porções dos métodos aqui descritos podem ser executadas através de hardware especializado.

[0064] Os termos “meio legível por máquina” e “meio legível por computador”, conforme aqui usados, referem-se a qualquer meio que participe em prover dados que fazem com que uma máquina opere de uma forma específica. Em uma modalidade implementada usando o sistema de computador 600, vários meios legíveis por computador podem ser envolvidos em prover instruções/código para processador(es) 610 para execução e/ou podem ser usados para armazenamento e/ou porte de tais instruções/código. Em muitas implementações, um meio legível por computador é um meio de armazenamento físico e/ou tangível. Tal meio pode assumir a forma de meios não voláteis ou meios voláteis. Meios não voláteis incluem, por exemplo, discos ópticos e/ou magnéticos, tal como o(s) dispositivo(s) de armazenamento 625. Meios voláteis incluem, sem limitação, memória dinâmica, tal como a memória de trabalho 635.

[0065] Formas comuns de meios legíveis por computador físicos e/ou tangíveis incluem, por exemplo, um disquete, um disco flexível, disco rígido, fita magnética, ou qualquer outro meio magnético, um CD-ROM, qualquer outro meio óptico, cartões perfurados, fita de papel, qualquer outro meio físico com padrões de cavidades, uma RAM, uma PROM, EPROM, uma FLASH-EPROM, qualquer outro chip ou cartucho de memória, ou qualquer outro meio a partir do qual um computador possa ler instruções e/ou códigos.

[0066] Várias formas de meios passíveis de leitura por computador podem ser envolvidas em portar de uma ou mais sequências de uma ou mais instruções para o(s) processador(es) 610 para execução. Meramente a título de exemplo, as instruções podem, inicialmente, ser portadas em um disco magnético e/ou disco óptico de um computador remoto. Um computador remoto pode carregar as instruções em sua memória dinâmica e enviar as instruções como sinais através de um meio de transmissão a ser recebido e/ou executado pelo sistema de computador 600.

[0067] O subsistema de comunicações 630 e/ou componentes do mesmo geralmente receberá sinais, e o barramento 605 pode então portar os sinais e/ou os dados, instruções, etc., portados pelos sinais para a memória de trabalho 635, a partir da qual o(s) processador(es) 610 recupera(m) e executa(m) as instruções. As instruções recebidas pela memória de trabalho 635 podem opcionalmente ser armazenadas no dispositivo de armazenamento não transitório 625 tanto antes quanto depois da execução pelo(s) processador(es) 610.

[0068] Os métodos, sistemas e dispositivos discutidos acima são exemplos. Várias configurações podem omitir, substituir, ou adicionar vários procedimentos ou componentes conforme apropriado. Por exemplo, em configurações alternativas, os métodos podem ser realizados em ordem diferente daquela descrita, e/ou vários estágios podem ser adicionados, omitidos e/ou combinados. Ainda, as características descritas com relação a certas configurações podem ser combinadas em várias outras configurações. Diferentes aspectos e elementos das configurações podem ser combinados de maneira similar. Ainda, a tecnologia evolve e, desse modo, muitos dos elementos são exemplos e não limitam o escopo da descrição ou das reivindicações.

[0069] Detalhes específicos são dados na descrição para prover uma compreensão completa de configurações exemplificativas incluindo implementações. Entretanto, as configurações podem ser praticadas sem estes detalhes específicos. Por exemplo, circuitos, processos, algoritmos e estruturas e técnicas bem conhecidas foram mostradas sem detalhes desnecessários a fim de evitar obscurecer as configurações. Esta descrição provê configurações exemplificativas apenas, e não limita o escopo, aplicabilidade, ou configurações das reivindicações. Em vez disso, a descrição precedente das configurações proverá aqueles versados na técnica com uma descrição de capacitação para implementar técnicas descritas. Várias alterações podem ser feitas na função e arranjo de elementos sem se afastar do espírito ou escopo da descrição.

[0070] Ainda, as configurações podem ser descritas como um processo que é representado como um fluxograma ou diagrama de blocos. Embora cada um possa descrever as operações como um processo sequencial, muitas das operações podem ser realizadas em paralelo ou concomitantemente. Além disso, a ordem das operações pode ser rearranjada. Um processo pode ter etapas adicionais não incluídas na Figura. Além disso, exemplos dos métodos podem ser implementados por hardware, software, firmware, middleware, microcódigo, linguagens de descrição de hardware, ou qualquer combinação dos mesmos. Quando implementado em software, firmware, middleware, ou microcódigo, o código de programa ou segmentos de código para realizar as tarefas necessárias pode ser armazenado em um meio legível por computador não transitório tal como um meio de armazenamento. Os processadores podem realizar as tarefas descritas.

[0071] Um exemplo ilustrativo para iluminar mais particularmente a utilidade do modelo acima mencionado. 1) uma alteração em ambas as composições de material refratário/natureza e nas condições de operação térmica do recipiente é proposta com relação a uma aplicação de MOE; 2) modelo agora para avaliar se altera ou não o projeto, o número e/ou o arranjo padronizado dos elementos condutores (e fendas associadas na base refratária) seria necessário para ajudar a garantir um conjunto de coletores de corrente livre de vazamentos. A primeira etapa é tomada como entradas 408 para o modelo, as novas condições de operação, as propriedades do novo material refratário, e um número de teste e arranjo dos elementos condutores (o número de teste, etc., usualmente é associado a um conjunto sem vazamentos, anteriormente bem sucedida), e calcular 412 uma primeira distribuição térmica. Exemplos ilustrativos de condições de operação, propriedades, etc., tipicamente são, mas não estão limitados a: elementos que são de aço doce com uma seção transversal de 1,27 cm (0,5 polegada) e um comprimento de 17,78 cm (7” polegadas), a base refratária tendo uma condutividade térmica de 1 W/m-K e um TB de 17,78 cm (7” polegadas), corrente operacional de 4.600 amperes, e metal sendo refinado para ser retido a uma temperatura de 1.650°C. A etapa seguinte, neste exemplo, é uma comparação desta primeira distribuição térmica calculada e as restrições de processo dadas 414 (por exemplo, temperatura máxima em qualquer lugar no conjunto, posição de isotérmica de uma temperatura particular em relação à divisa entre a zona ativa e uma “profundidade” predeterminada na base refratária ((uma fração de tb)), fatores de segurança, etc.), fica determinado que as temperaturas resultantes são muito altas. A seguir, uma atualização 416 do número, padrão de elementos é feita, a entrada para o modelo e a distribuição térmica é recalculada 412. Se necessário, as iterações adicionais 410 são realizadas levando a uma conclusão 420 como um número “correto” e arranjo, etc. de elementos, com o arranjo 418 que satisfaz as restrições. Neste exemplo específico, este arranjo é aquele ilustrado na Figura 3.

[0072] Tendo descrito várias configurações exemplificativas, várias modificações, construções alternativas e equivalentes podem ser usadas sem se afastar do espírito da descrição. Por exemplo, os elementos acima podem ser componentes de um sistema maior, em que outras regras podem assumir precedência sobre ou de outra forma modificar a aplicação da tecnologia. Ainda, um número de etapas pode ser empreendido antes, durante, ou após os elementos acima serem considerados. Consequentemente, a descrição acima não se une ao escopo das reivindicações.

[0073] Como usado aqui e nas reivindicações anexas, as formas singulares “um”, “uma”, e “o/a” incluem referências de plural a menos que o contexto dite precisamente de outra forma. Desse modo, por exemplo, a referência a “um material” inclui uma pluralidade de tais materiais, e referência “ao processador” inclui referência a um ou mais processadores e equivalentes do mesmo conhecidos por aqueles versados na técnica, e assim por diante.

[0074] Ainda, as palavras “compreende”, “compreendendo”, “contém”, “contendo”, “incluem”, “incluindo” e “inclui”, quando usadas neste relatório descritivo e nas reivindicações a seguir, destinam-se a especificar a presença de características declaradas, inteiros, componentes, ou etapas, mas não impedem a presença ou adição de uma ou mais outras características, inteiros, componentes, etapas, atos ou grupos.

[0075] Ainda que a invenção tenha sido descrita com referência a diversas formas de realização, será entendido por aqueles versados na técnica que várias modificações podem ser feitas e estendidas para outros tipos de recipientes metalúrgicos que podem ser feitos sem se afastar do espírito e do escopo da invenção, conforme apresentado nas reivindicações.

Claims

1. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos, o conjunto integral com um recipiente metalúrgico, o recipiente tendo uma zona ativa para processamento e retenção de material líquido contendo metal, o conjunto de coletores de corrente caracterizado pelo fato de que compreende: um coletor de corrente que compreende: uma pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores, a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores estando em comunicação elétrica e térmica com a zona ativa, a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores tendo um comprimento, uma largura, uma razão do comprimento à largura; e um bloco, em que o bloco está em comunicação elétrica com uma fonte de corrente e em que, a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores estão em comunicação elétrica e térmica com o bloco em uma pluralidade de localizações de elementos estabelecendo pontos de fixação para cada elemento; e uma base de uma estrutura refratária, a base disposta de modo contíguo com o coletor de corrente, a base definindo uma pluralidade de aberturas indexáveis com as pluralidades de localizações do elemento e capaz de aceitar porções do comprimento de cada elemento no mesmo, a estrutura definindo uma divisa da zona ativa do recipiente; em que a determinação do comprimento, da largura, da razão do comprimento à largura, dos pontos de fixação, de um número total da pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores, das dimensões do bloco, da pluralidade de aberturas, e das dimensões da base da estrutura refratária é feita através da resolução de um modelo, o modelo calculando tanto uma distribuição de temperatura proximal à divisa quanto um perfil de temperatura dentro do conjunto para impedir o vazamento de líquido.

2. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que o bloco compreende um barramento configurado para fornecer comunicação elétrica a partir do conjunto de coletor de corrente.

3. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores são posicionados ao longo do bloco de acordo com um padrão configurado para fornecer equilíbrio térmico e fluídico em todo o conjunto de coletor de corrente durante a operação.

4. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores são configurados para fornecer elétrons a um eletrodo negativo fundido do conjunto de coletor de corrente.

5. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 4 caracterizado pelo fato de que o eletrodo negativo do conjunto de coletor de corrente é um cátodo de uma célula elétrica formada por componentes de e dentro do conjunto de coletor de corrente.

6. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos um eletrodo positivo posicionado dentro do conjunto de coletor de corrente em comunicação elétrica com a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores.

7. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a pluralidade de aberturas é cada uma caracterizada por um volume configurado para acomodar dentro de cada uma da pluralidade de aberturas pelo menos uma porção de um elemento eletricamente e termicamente condutor associado em um estado fundido.

8. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores são configurados, com base em sua posição, para desenvolver um perfil de temperatura dentro do conjunto de coletor de corrente que mantém uma divisa de uma temperatura de ponto de fusão de um material processado no conjunto de coletor de corrente, em que a divisa é mantida dentro da base.

9. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 8 caracterizado pelo fato de que a divisa se estende dentro do bloco e é mantido dentro de uma porção interna do bloco.

10. Conjunto de coletor de corrente sem vazamento de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a pluralidade de localizações de elementos é determinada por um modelo de análise de elementos finitos configurado para determinar um número e uma posição da pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores para fornecer equilíbrio térmico e fluídico dentro do conjunto de coletor atual.

11. Conjunto de coletor de corrente livre de vazamentos de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores são posicionados dentro do conjunto de coletor de corrente para controlar a forma e localização de um material contendo metal localizado dentro do conjunto de coletor de corrente.

12. Conjunto metalúrgico, caracterizado pelo fato de que compreende: um coletor de corrente compreendendo: uma pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores, a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores estando em comunicação elétrica e térmica com uma zona ativa, os elementos tendo um comprimento, uma largura, uma razão do comprimento à largura, um bloco, em que o bloco está em comunicação elétrica com uma fonte de corrente e em que a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores estão em comunicação elétrica e térmica com o bloco em uma pluralidade de localizações de elementos estabelecendo pontos de fixação para cada elemento; e uma base de uma estrutura refratária, a base disposta de modo contíguo com o coletor de corrente, a base tendo uma pluralidade de aberturas indexáveis com as pluralidade de localizações do elemento e capaz de aceitar porções do comprimento de cada elemento no mesmo, a estrutura definindo uma divisa da zona ativa do recipiente; em que a determinação do comprimento, da largura, da razão do comprimento à largura, dos pontos de fixação, de um número total da pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores, das dimensões do bloco, da pluralidade de aberturas, e das dimensões da porção do conjunto da estrutura refratária é feita através da resolução de um modelo, o modelo calculando tanto uma distribuição de temperatura proximal à divisa quanto um perfil de temperatura dentro do conjunto para impedir o vazamento de líquido.

13. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos termicamente e eletricamente condutores é configurada para prover elétrons a um eletrodo negativo fundido do conjunto metalúrgico.

14. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o eletrodo negativo do conjunto metalúrgico é o catodo de uma célula elétrica formada por componentes do e dentro do conjunto metalúrgico.

15. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos um eletrodo positivo posicionado dentro do conjunto metalúrgico em comunicação elétrica com a pluralidade de elementos condutores.

16. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de fendas é, cada uma, distinguida por um volume configurado para acomodar dentro de cada uma da pluralidade de fendas de, pelo menos, uma porção de cada um dos elementos condutores em um estado fundido.

17. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores é configurada, com base em sua posição, para desenvolver um perfil de temperatura dentro do conjunto metalúrgico que mantém uma divisa de uma temperatura do ponto de fusão de um material processado no conjunto metalúrgico, em que a divisa é mantida dentro da base refratária.

18. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a divisa se estende dentro do bloco do coletor, e é mantida dentro de uma porção interior do bloco do coletor.

19. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a posição da pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores é determinada por um modelo de análise de elementos finitos configurado para determinar um número e uma posição de elementos condutores para prover equilíbrio térmico e fluídico dentro do conjunto metalúrgico.

20. Conjunto metalúrgico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos eletricamente e termicamente condutores é posicionada dentro do conjunto metalúrgico para controlar o formato e a localização de um material contendo metal localizado dentro do conjunto metalúrgico.