CN109964341B - 用于冶金容器的无泄漏集电器组件和制造方法 - Google Patents

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Abstract

制造集电器组件的方法可以包括在计算机上重复地求解模型。该模型可以利用接收的输入，包括导电元件的可变数量和布置，以确定假设的集电器组件内的热分布作为输出。该方法还可以包括将与集电器耦接的导电元件的数量和布置识别为模型的解，所述导电元件的数量和布置在假设的集电器组件内产生包含的热分布。该方法还可以包括制造集电器组件，并且该集电器组件可以包括在集电器组件的耐火底部内以一种模式限定的多个孔，所述模式被配置成接收被识别为该模型的解的所述数量和布置的导电元件。

Description

用于冶金容器的无泄漏集电器组件和制造方法
技术领域
本发明涉及熔融材料的低成本加工。特别地，公开了具有专门设计的部件以在高温下控制热、电和电化学环境的冶金容器。
背景技术
各种冶金容器(例如，其中感兴趣的产品在温度下精炼的电弧炉]或设计成电解形成金属的炉子)需要熔融金属和外部电源之间的电连接。在许多这类技术中，需要在高温下输送极高的电流。所需电流可达数十万安培；就电流密度而言，该范围可以非常大，跨越0.1-50安培/cm2的范围。电流可以是数百、数千或数十万安培，因此电流输送通过容器将产生焦耳加热。在实施例中，输送电流通常可以在约1,000安培和约5,000安培之间，或者在约5,000安培和约10,000安培之间。电流可以是这些范围内的任何单独量，例如4,000安培，或者可以高于或低于任何所述数字。需要在高温下保持可靠的电连接并同时容纳熔融材料是一项挑战。在操作期间，已知系统扰动是作为过程开始或发展的结果而发生的。例如，系统内产生的热流模式可能不均匀或不规则；特定部件可能会受超出了被认为是均衡的状况的这些状况侵蚀。不均匀的热传递可能损害结构，由此导致容器失效。常规系统设计者已经通过以下方式解决了这些类型的问题：1)有意地过度设计系统的操作要求或2)要求不容易产生可接受的材料质量/纯度的次优操作条件。目前设计的持续问题在于最初的小泄漏将迅速增长并导致重大容器破裂，从而导致生产损失、停机时间、昂贵的维修以及受伤或死亡的风险。
参考图8：金属材料30的初始装料被冶金容器100的壁20、外壁区段21、盖23和外底部24包围。外底部24成形为支撑耐火材料内底部11，并且通常固定到结构构件(未示出)，所述结构构件或者从地板或者从通常由结构材料制成的一些其它支撑结构支撑电池。内壁区段22以及内底部11由高温耐火材料制成，根据定义，该材料难以在高温下熔融、熔化或变形。因此，根据何种含金属材料正在被加工和熔化和根据认为需要多少过热来选择内壁区段22和内底部11的特定耐火材料布置。为了说明电池电路配置所示出的电极130、30通常(并且在上述所有图示中)是成对的，使得它们之间的电位差基本上从容器100的顶部到底部建立。电源180(通常是高电流、低电压)补全电路。
术语“集电器”在本文中是指必须与电极直接连通的多组分元件40、125。在这里感兴趣的许多应用中，集电器与阴极电连通。在熔融氧化物电解中，电流被供给到阳极(图8中的130)并且朝向阴极30通过熔融氧化物电解质50，该阴极在操作期间也熔化并包含所需的金属产物。还参考图9A。集电器12由经由总线170与电流源电连通的块40组成。集电器12的材料的销、杆或棒125设置在冶金容器100的底部11中的开口/孔126内并且配置成具有设置在金属材料的近侧(用作阴极)30的热杆端部35。目前使用的集电器具有两个主要的失效原因。失效的第一个原因主要在于热设计。通常，使用通过强制空气或水有意冷却的铜销、杆或棒125。由于靠近集电棒125的熔融金属性金属(用作阴极)30的温度远高于铜的熔点，如果冷却变得无效，则发生销125的快速、灾难性熔化和/或腐蚀。如果冷却没有完全受到影响，则在容器100的连续操作期间，销125将缓慢地腐蚀，由此需要在短时间内重建。第二种类型的失效是由于销25之间的内底部11的耐火材料的开裂或腐蚀引起的。这允许液态金属进入销125和耐火底部11之间的密封区域(基本上是孔126)。该流动携带足够的热量来熔化和/或溶解销。从反应器中排出的第一种液态金属，然后排出更多的液态金属，这种金属更热并且可以溶解更多剩余的销，由此加速泄漏以至容器100完全破裂。长期以来需要增加这种冶金容器的操作时间。
发明内容
在第一实施例中提供了无泄漏的集电器组件。该组件与冶金容器一体形成，该容器具有用于处理和保持含液态金属的材料的活化区域，该集电器组件具有集电器，该集电器具有多个导电和导热元件。该元件与活化区域电连通和热连通，该元件具有长度、宽度、长宽比。集电器组件具有块，其中块与电流源电连通，并且其中，该元件在多个元件位置处与块电连通和热连通，从而为每个元件建立固定点。集电器组件具有耐火结构的组件部分，该组件部分与集电器邻接设置。组件部分具有可与元件位置相适应的多个开口，这些开口能够在其中接纳和包围每个元件的长度的可包围部分。该结构限定了容器的活化区域的边界。冶金容器可以用作电弧炉，用于使氧化物电解物熔融，或者在另外的实施例中用作Hall-Héroult电池。
在另一个实施例中提供了一种制造无泄漏集电器组件的方法，该方法具有以下步骤：利用接收的输入，包括导电和导热元件的可变数量和布置，在计算机上求解模型，以确定假设的集电器组件内的热量分布作为输出。该方法具有另一个步骤：将与集电器耦接的元件的数量和布置识别为模型的解，该元件的数量和布置在假设的集电器组件内产生热分布。该方法还具有以下步骤：制造集电器组件。集电器组件具有在耐火结构的组件部分内限定的多个孔。以一种模式布置这些孔，该模式被配置成接收被识别为模型的解的数量和布置的导电元件。
在另一个实施例中，提供了一种其上存储有计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质。当由处理器执行时，指令使处理器利用接收的输入，包括导电元件的可变数量和布置，来重复地求解模型，以确定假设的集电器组件内的热分布作为输出。还可以使处理器将与集电器耦接的导电元件的数量和布置识别为模型的解，该导电元件的数量和布置在假设的集电器组件内产生包含的热分布。还可以使处理器输出在与假设的集电器组件接触的给定含金属的材料的熔点处的等温线的图形描绘。在一些实施例中，还可以使处理器将一种模式输出到制造集电器组件的加工工具，其中该模式包括在集电器组件的耐火底部内限定的多个孔，所述多个孔的模式被配置成接收被识别为模型的解的数量和布置的导电元件。重复地求解模型可以包括接收导电元件的初始数量和布置作为多个输入中的至少一个输入。重复地求解模型可以包括访问给定的含金属的材料和集电器组件的物理和电学性质的数据库。重复地求解模型可以包括定义模型的约束条件。重复地求解模型可以包括在更新导电元件的数量和布置时重复地计算集电器组件内的热分布。重复地求解模型可以包括重复地将集电器组件内的热分布与定义的模型的约束条件进行比较。重复地求解模型还可以包括确定在集电器组件内提供包含的温度分布的导电元件的数量和布置，其满足定义的模型的约束条件。
在另一实施例中，提供了一种无泄漏的集电器组件。该组件与冶金容器一体形成，该容器具有用于处理和保持含液态金属的材料的活化区域，该集电器组件具有集电器，该集电器具有多个细长元件。该元件具有预定长度、预定宽度和复数的预定总数。该组件具有与电流源电连通的块。该块与该元件进行电连通和热连通。多个元件在多个元件位置处与块耦接，从而为每个元件建立固定点。该组件还具有耐火结构的组件部分，该组件部分与集电器邻接设置。组件部分具有能够在其中接纳和包围每个元件的长度的包围部分的孔，该结构限定了容器的活化区域的边界。预先确定长度、宽度、元件位置、数量、块的尺寸、以及设置在容器中的耐火结构的组件部分的尺寸，以确保在所需的工艺温度下的热和流体平衡以及在含液态金属的材料中的所需电流以防止液体泄漏。
附图说明
图1A示出了示例性冶金容器的截面图。
图1B示出了在操作条件下的示例性冶金容器的截面图。
图2示出了根据本技术的实施例的示例性冶金容器的局部截面图。
图3示出了根据本技术的实施例的集电器的立体图。
图4A示出了根据本技术的实施例的制造集电器组件的示例性方法。
图4B示出了根据本技术的实施例的重复求解模型的示例性方法。
图5A示出了根据本技术的实施例的沿集电器组件的横截面的示例性热分布。
图5B示出了根据本技术的实施例的沿集电器组件的横截面的示例性热分布。
图5C示出了根据本技术的实施例的沿集电器组件的横截面的示例性热分布。
图6示出了可用于执行本技术的实施例中讨论的一个或多个操作的简化计算机系统。
图7A示出了示例性冶金容器的截面图。
图7B示出了根据本技术的实施例的示例性冶金容器的局部截面图。
图8示出了示例性冶金容器的截面图。
图9A示出了示例性冶金容器的截面图。
图9B示出了根据本技术的实施例的示例性冶金容器的局部截面图。
具体实施方式
(i)冶金容器的无泄漏集电器组件
在冶金加工中，冶金容器/容器100内产生的热量用于熔化、均质化、精炼和/或以其它方式加工包括金属和含金属材料的各种材料。这些材料的熔点可能超过1,000℃；因此，容器100和与熔融材料接触的任何相关部件也将经受这些高温。导热部件进行物理接触或以其它方式热接合的位置不可避免地导致结构弱点，在容器操作期间，这些结构弱点可能成为泄漏源。泄漏也可能源于由于长时间在高应力条件下连续使用容器100而产生的空隙或缺陷。
参考图lA和图lB。示出了设计成用于熔化和加工的示例性冶金容器100的一部分的截面图。(注意，当将图1A和图1B与图8进行比较时，容器100的外壁21、盖子23和外底部24仅在图8中示出。)所需的热量可以通过电能或本领域已知的其它方法产生。电极130(可能通过盖子23固定地附接)包括在图1A和图1B中作为证据表明，假设电流源(未示出)与电极130耦接并与容器的内容物140和150电连通并且最终与块120(其构成电流的返回路径)电连通，则能够提供电能。容器100内的所得电解电池的活化显示在图1B中。例如，在熔融氧化物电解中，电极130将用作阳极，其中氧气或一氧化碳气泡142在附近产生。容器100具有耐火结构，所述耐火结构包括内耐火壁110和耐火底部115。壁110和底部115的物理尺寸的合适范围在熔炉设计领域中是已知的。例如，壁110的厚度tw和底部115的fb通常由热和化学要求、制造要求和可靠性考虑决定；典型的范围是几厘米到几十厘米。耐火结构通常由各种非金属高温材料制成。耐火结构110、115通常由高熔点/高屈服点金属或陶瓷构成，包括但不限于含碳材料、硅、钙、镁、铝、锆、铪、钨和硼的氧化物、碳化物和/或氮化物。可以使用另外的材料，其中这些材料能够承受高于100℃、500℃、1000℃和更高的温度，而不会对容器100中包含的材料产生有害的降解或显著反应。如图所示，在任何数量的设计中，容器100可以包括将材料引入容器100的入口113，诸如用于加工的含金属材料、电解质材料等。出口112构造成使得当打开时允许精制的或以其它方式加工的材料从容器100出来并被收集。容易理解的是，入口和出口(决不限于单个入口或单个出口)可以以本领域技术人员已知的各种方式设置；它们的设计不被认为局限于所示的示例性设计。容器的内容物通常由两层或更多层组成。例如，在MOE中，上层140是电解质，而下层150是金属产物。
还参见图3。冶金容器100还包括通过总线370电耦接到电流源的集电器块120、320。对于一些容器应用，集电器可以通过容器100中的材料接收电流，并且可以通过固定地附接到块120、320的集电器的导电元件125向容器中的材料提供电子。导电元件125、325的长度l的一部分可以与容器100内的材料直接接触，因为元件125可以延伸到l大于th的容器100中。在一些容器应用中，集电器可以作为电极操作；例如，在电弧炉情况下，与阳极130相反，集电器作为阴极操作。电池则由阳极130、集电器/阴极120(320)加125组成，电流流过包含在容器100内并在容器100中加工的材料。
集电器导电元件125从其在集电块120上的相应固定点开始、穿过贯穿耐火底部115的整个厚度tb设置在的底部孔126延伸其长度l。通常，参见图9A。导电元件125的一些部分可以延伸超过耐火底部115，这些部分延伸到容器100的活化区域150(图1B)中，当容器100处于或正在操作时，这些部分接近预期的加工温度，容易发生融化。
虽然(在图1A、图1B和图2中)为了说明的目的准确地示出了两个导电元件125，每个导电元件在匹配的底部孔126内，但是应该理解，通过有意的设计和计划，任何数量的导电元件以及导电元件125(和相应的底部孔126)的可能的空间模式的变化限定了如下面将详细解释的本发明的范围。在图3中，示出了类似于正方形的空间阵列中的25个导电元件的图案。耐火底部115必须包括在耐火底部115内的多个孔126，这些孔设置成与导电元件125的空间阵列类似或可能相同的模式。每个导电元件则将定位在长度大于或小于tb的耐火底部115的对应孔内。
可将初始量的可加工材料引入容器100中。该材料可以包括矿石、电解质、炉渣、焦炭或其它耐火材料或炉材料。例如，如图1B中所示，当电解是操作时，所示出的靠近阳极130的区域140包含电解质作为产生的电解电池的一部分，而活性区150是待处理材料在操作期间驻留的区域。经加工的含金属材料(在MOE中)可通过耐火底部115经由出口112移除。在熔融氧化物电解处理中，电极130是阳极；电流首先通过阳极进入含有熔融电解质材料的区域140，然后进入容器100的活化区域150，然后通过导电元件125进入集电器块120。电流可以是数百、数千或成百上千安培，因此通过容器传输将产生焦耳加热。在实施例中，输送电流通常可以在约1,000和约5,000安培之间，或者在约5,000和约10,000安培之间。电流可以是这些范围内的任何单独量，诸如例如4,000安培，或者可以高于或低于任何所述数字。产生的热量旨在产生足以熔化容器内材料的容器温度。例如，如果要还原单一或混合金属氧化物(MOE)以形成精制金属产物，则氧离子将流向阳极130并且每个离子被氧化，从而释放电子以形成氧气，而金属离子流向集电器120并通过使带正电的金属离子与上述电子结合来还原。在区域150中靠近耐火底部115形成的金属最初是熔融的带负电的金属，并且将用作MOE电池的阴极。这种带负电的熔融金属可以通过该过程精制并通过一个或多个端口112从容器中提取。在MOE应用中，容器的区域140含有熔融电解质；在电弧炉(EAF)应用中它可能含有炉渣。氧气142的气泡形成并从容器中释放出来。或者，阳极130可以主要是碳，在这种情况下，最终，放出的气体可以是CO或CO2。
由于熔融金属可以在MOE操作中作为阴极操作，因此可以基于集电器导电元件125的导电性质来选择用于集电器导电元件125(参见图9A)的材料。例如，导电元件125可以包括银、铜、金、铝、锌、镍、黄铜、青铜、铁、铂、含碳材料、铅、钢、被精炼的金属或其合金/混合物。举例来说，导电元件125可含有铜，其熔点低于1,100℃。然而，如果被精炼的金属是铁，则区域150中的液态铁可以处于超过1,500℃的温度。在该实例中，熔融铁将熔化导电元件125，以产生导电元件和被精炼金属的熔融混合物。取决于导电元件熔化的程度，可能在集电器的一部分和耐火壁110的一部分之间的界面处形成泄漏。取决于泄漏的严重程度，可能会发生灾难性的容器故障。然而，本技术可以解决如下所述的这种设计问题。
图2示出了示例性冶金容器100的局部截面图。具体地，该局部视图展示了本文中被定义为集电器组件160的容器的一部分。集电器组件160包括集电器块120、集电器导电元件125和耐火底部115，即1)与容器活性区150邻接并且与集电器块120邻接，2)具有耐火材料底部厚度tb以及3)具有底部孔126，该底部孔的位置可与元件125的固定位置相适应，当元件125耦接至集电器块120时。部分视图示出了耐火壁110的一部分内并限定了活化区域150的边界的耐火底部115。尽管图2精确地示出了两个元件125和两个底部孔126，但是元件125底部孔126的实际的数量和位置模式是根据应用而定的。导电元件125可以延伸穿过底部孔126进入容器100的活化区域150(参见图9A)。导电元件的长度1可以等于，小于耐火底部的厚度tb，并且也可以大于耐火底部的厚度tb。如前所述，导电元件可含有金属或其它导电材料，其熔点低于在容器活化区域内被精炼的材料的熔化温度。在这种情况下，导电元件125与容器内的材料接触的部分也可以熔化。该热量通过组件传递的程度可以确定是否可能发生泄漏。例如，如果瞬间和局部存在于孔126中的组合物的固相线等温线大致延伸到轮廓135的某一深度，则导电元件125的一些部分将在区域127中熔化。该液体材料(其可以包括同样被精制的材料的混合物)可以在孔126内重新固化之前填充导电元件和孔之间的任何间隙空间。在操作中，这可以防止熔融材料通过孔流出到集电器块120，从而产生密封区域(如图9B中的129)。虽然理论上不需要(如下所示)，但是可以向导电元件提供额外的冷却，诸如经由流体将热量传递到空气、水或一些其它流体。
孔126的几何形状使得每个导电元件的至少一部分处于固态，每个导电元件的其余部分处于熔化状态。参见图9A-在实施例中，导电元件的长度可以保持在等于或低于耐火底部115的厚度的水平。这样，活化区域150中的材料可以保持在基本上更纯的状态，并且当这种材料被去除或取出，也不太可能与来自导电元件的材料形成合金。
图3示出了根据本技术的实施例的示例性集电器300的立体图。如图所示，集电器300可以包括块320，该块可以包括一个或多个汇流条330以提供与块的电连通。集电器300还可以包括从块320延伸的多个导电元件325。导电元件325可以通过如图所示的模式设置，但是对于特定的冶金容器可以预先确定数量和模式。
导电元件325的数量、位置和布置影响整个容器的热分布，因此，通过有意地改变导电元件的数量和位置，系统是可调节的，以便在容器内部产生稳定性或平衡。该模式/阵列被确定或配置成在操作期间在集电器组件160及其周围环境中提供热和/或流体平衡。因此，对于本技术的示例性集电器组件和容器，导电元件可以根据配置成在操作期间在整个集电器组件中提供热和流体平衡的模式设置在集电器块320上。
设计无泄漏集电器组件的重要因素是确保控制包含销熔化的孔的部分127中的混合。销内的对流混合带有较高温度的液体，并且当销和活化区域具有不同的成分时，溶解到销中的液-固界面。然后，较热的流体可以熔化销的更多部分，将液-固界面移动到更可能开始泄漏的位置。额外的溶质通常会降低该界面处材料的熔点，使系统进一步向泄漏移动。因此，通过流体流动传递的热量和质量的组合是当今使用的集电器失效的关键因素。当前的工业解决方案使用过度冷却来保持销凝固以防止这些影响，这浪费能量并增加冶金容器的不必要的成本和复杂性。本文所述的无泄漏集电器组件利用组件的耐火部分中的孔的几何形状来确定在销的部分熔化和/或溶解之后孔中的流体流动。限制孔中的流体流动极大地减少了熔融区域中的对流混合，从而允许通过被动冷却控制固-液界面的位置。而且，这极大地减少了容器的能量损失，并且极大地简化了其支撑系统，同时增加了集电器组件的寿命。
两种方法用于设计销和耐火部分的几何形状以控制孔中的流体流动。在第一种方法中，数值模型用于描述活化区域和孔中的流体流动，以确定热量和质量的对流传输，以及孔中液体区域的最终程度。在第二种方法中，使用近似法来估计流体流动显著的程度，这允许对销的其余部分进行建模而不考虑流体流动。众所周知，越过狭窄通道(如孔)顶部的流体流动，引起通道中的流体流动，并引起通道(孔)中的流体与通道外的流体(活化区域)混合。孔中的流动在远离活化区域的位置处较慢，在孔顶部下方约3个直径的深度处变得可忽略不计。对于非圆形孔，可以将有效直径估计为等效横截面积的圆柱体的直径。
(ii)集电器组件在Hall-Héroult电池中的应用。
Hall-Héroult工艺仍然是熔炼铝的制造工艺。它涉及将氧化铝溶解在熔融氟化物中，并电解熔融盐浴。参见图7A(现有技术)和图7B。在该申请中，Hall-Héroult电解质1040是氟化物的混合物，其将在没有足够的反向力的情况下润湿侧面1010，并且最初是电池1000的底部1015。电池底部1015由碳和含碳材料构成，其提供集电器块1020和驻留在容器1000的活化区域中的液态金属(铝)垫1050之间的电连接。如果电解质1040渗入集电器块1020与铝垫1050之间的界面，电解质将冻结并形成绝缘层，从而断开块1020和垫1050之间的电连接。断开该电接触将至少导致铝的停止生产，并且可能导致电池的灾难性故障。因此，需要非常厚的金属垫1050(如图7A现有技术所示)以提供足够的重量以防止足够的电解质1040进入以破坏电池底部1015和金属垫1050之间的电接触。
图7B示出了在集电器组件中使用金属导电元件1025(示出了两个)以确保液态金属垫1050和块1020之间的电连通得以保持。元件1025可以由熔融铝组成，以便限制向垫1050引入不需要的杂质。如果元件1025是金属(理想地具有与垫1050相同的成分)，则表面张力用于保持跨越金属垫1050和集电器1020之间的界面的连续性和电传导，无论电池底部1015和金属垫1050之间是否进入任何电解质。由于元件1025是导电的，电池底部1015可以由碳制成，或者由另一材料构成，甚至是电绝缘体。元件1025具有以下效果/特性：1)保持与金属垫1050的电连通，而不管1020和1050之间是否进入电解液；2)可以布置成在垫1050的周围提供连续的金属屏障，以便完全防止电解质进入；以及3)固定液态金属垫1050以保持可接受的形状，即使液体金属垫变得薄很多。
(iii)用于制造无泄漏集电器组件的模型
因为导电元件的数量和布置可以产生或增强对集电器组件的性能和稳定性的影响，所以可以针对具有不同集电器设计的不同应用开发不同的组件。多个导电元件的位置可以由有限元分析模型确定，该有限元分析模型被配置成确定导电元件的数量和位置，以在容器内提供热和流体平衡。下面将参考图4描述这种模型。
可以根据各种方法开发或制造先前描述的系统和设备。该方法还可以通过存储在计算设备的存储器中的程序来表示。图4A示出了根据本技术的用于制造集电器组件的方法400的实施例。可以执行方法400以产生先前描述的任何集电器或组件。方法400的每个操作可以在单个电子设备(诸如通过计算机)处或由单个电子设备执行，或者由彼此通信的多个设备执行。用于执行方法400的每个步骤的装置可以包括计算机或电子设备。方法400可以使用计算机化设备来执行，诸如包含图6的计算机系统600的一些或全部组件的设备。
方法400可以包括在操作410处在计算机上求解模型以如前所述地确定用于集电器的导电元件的数量和位置。该模型可以利用接收的输入，包括导电元件的可变数量和布置。在实施例中，该模型可以确定并输出假设的集电器组件内的热分布。该方法还可以在操作420处识别模型的解。该解可以识别与集电器耦接的导电元件的数量和布置，该导电元件的数量和布置在假设的集电器组件内产生包含的热分布。一旦已识别出对模型的解，该方法可以包括在操作430处制造集电器。制造的集电器组件可以包括在集电器组件的耐火底部内限定的多个孔。多个孔可以按照一种模式设置，该模式被配置成接收被识别为模型的解的导电元件的数量和布置。
在实施例中，模型的输出可以包括耐火材料内的温度分布，以及系统中的热通量和加热功率。输入可以是与正在执行的过程相关的多个项目中的一个或多个。例如，输入可以包括在冶金容器内待精炼或加工的金属的物理、化学和电学性质。例如，这种材料的熔化温度可直接影响导电元件可能发生熔化的程度。输入可以包括电气系统的多个方面，包括通过容器输送的电流或功率，诸如提供给电极的电流强度或端子电压。输入还可以包括耐火材料或容器的特性。可以使用耐火材料的整体尺寸，以及集电器块的尺寸，以及导电元件的固定参数，其可以包括导电元件的长度和直径。在其它实施例中，还可以调整这些数字以进一步影响系统。该模型还可以利用可调输入，其可以包括任何先前识别的参数，以及导电元件的初始数量和布置。在某些实施例中，可以不在模型中使用初始布置，但是在一些实施例中，接收到模型的输入中的至少一个可以包括导电元件的初始数量和布置。
许多这些参数可以包括在运行模型的计算机可访问的数据库中。计算机还可以被配置成用调整的参数更新数据库，诸如导电元件的数量和布置。然后，该模型可以确定涉及导电元件的数量和布置的一个或多个解，包括如图4B中进一步详细描述的操作。
图4B包括根据本技术的实施例可以包括用以求解模型的附加操作。该方法可以包括在操作408处接收先前识别的一个或多个输入。在某些实施例中，接收输入还可以包括访问给定的含金属材料和/或集电器组件的物理和电气性质的数据库。输入还可以包括接收或定义模型的约束条件，这可以简化模型或实现适当设计的开发。一旦接收到输入，模型可以在操作412处对于所接收的参数形成或计算热分布。模型可以重复计算集电器组件内的热分布，同时更新导电元件的数量和布置。
对于模型的每次重复，模型可以在操作414处重复地将假设的集电器组件内的每个输出的热分布与模型的定义的约束条件进行比较。如果对于所提出的布置没有满足约束条件，则在操作416处，可以更新导电元件的数量和/或布置以及系统的任何其它可调参数。当已经确定了建议的导电元件的数量和布置时，重复过程可以继续直到操作418，所述建议的导电元件的数量和布置提供在集电器组件内包含的热量分布并且满足模型的定义的约束条件。
该模型可以通过求解一个或多个等式来重复计算热分布，以确定热分布和流动。等式可以包括以下示例性等式：
Figure GDA0002050104830000121
Figure GDA0002050104830000122
Figure GDA0002050104830000123
Figure GDA0002050104830000131
Figure GDA0002050104830000132
Figure GDA0002050104830000133
其中ρCp是密度乘以比热，T是温度，t是时间，k是导热系数，
Figure GDA0002050104830000134
是体积生热率，
Figure GDA0002050104830000135
是电场，
Figure GDA0002050104830000136
是电流密度，σ是电导率，
Figure GDA0002050104830000137
是速度矢量，P是压力，μ是粘度，Fv是包括重力在内的体积力的总和。
该模型可以采用有限元分析来求解组件内的温度分布、热通量和焦耳加热。模型的设计也可以限于流体流动不显著的条件，例如，减轻求解某些等式的需要。另外，在某些实施例中，模型可以利用与特定产品或过程参数相关的变量的集合来简化等式以提供一系列可接受的布置而不是单一设计，同时仍然在被加工的材料接触导电元件的边界内提供热和电平衡。
应用于系统的约束条件可以包括用以控制泄漏或故障发生的可能性的边界条件或其它参数。约束条件可以包括在集电器组件与被加工的材料的界面处允许的温度的限值，该界面也可以是相反于与集电器接触的表面的耐火底部的表面。约束条件还可以包括对从集电器组件进入到正被加工的材料或进入到其它地方的总热流的限值，以及对集电器组件内任何位置处的最高温度的限值。附加约束条件可以包括冶金容器中使用的材料的熔化温度的位置，其由冶金容器中使用的所有材料的最低熔化温度表征。例如，这种温度可以仅限于在距所有表面的某一距离处，以减小或限制泄漏可能性。这样的距离可以用英寸计量，例如，距离集电器组件的任何接头或边缘表面若干英寸。
在实施例中，来自模型的输出可以包括与假设的集电器组件接触的给定的含金属材料的熔点处的等温线的图形描绘。该模型还可以输出用于制造的模式，该模式被递送到一个或多个加工工具。例如，可以将模式输出到制造集电器组件的工具。该模式可以包括在集电器组件的耐火底部内以一种模式限定的多个孔，所述模式被配置成接收被识别为模型的解的导电元件的数量和布置。
该模型还可以用于修改的计算中，通过该计算来交换输入和输出参数以求解相关问题。例如，模型能够基于包括导电元件在内的其它材料的预选布置来确定系统的组件所需的属性。作为一个非限制性示例，该模型能够重复地评估温度分布和热通量，同时改变特定部件的热导率以确定这样的参数的外部边界，同时仍然保持组件内的不同位置的目标温度和热通量。如本领域技术人员容易明白的那样，本技术等同地涵盖许多其它示例。
图5A示出了根据本技术的实施例的沿集电器组件的横截面的示例性热分布。该图包括来自模型的示例性输出。如图所示，该图包括耐火底部515、集电器块520和导电元件525，其具有由模型确定的特定布置和数量。该图还示出了在示例性设计方案中在预定义产品的熔点处的计算等温线501。如等温线501所示，液态金属被限制在耐火底部515的孔内，并且不太可能发生泄漏或设备故障。
图5B示出了根据本技术的实施例的沿集电器组件的横截面的示例性热分布。该图包括来自模型的示例性输出。如图所示，该图包括耐火底部515、集电器块520和导电元件525，其具有由模型确定的特定布置和数量。该图还示出了在示例性设计方案中在预定义产品的熔点处的计算等温线502。如等温线502所示，液态金属可能延伸到集电器块520中，但很可能被块和耐火材料包容。虽然这种情况可能会对图5A中所示的情况造成风险，但可以确定设计具有足够的完整性以进行制造或操作。
如图5A和图5B中所示的这种示例性等温线，可以至少部分地通过组件中的多个导电元件的数量和布置来形成。导电元件可以配置成至少部分地在集电器组件内形成温度分布，该温度分布保持在容器中加工的材料的熔点温度的边界。在某些实施例中，边界可以保持在耐火底部内，或者可以在集电器块内延伸，但是可以保持在集电器块的内部部分内。
图5C示出了根据本技术的实施例的沿集电器组件的横截面的示例性热分布。该图包括来自模型的示例性输出。如图所示，该图包括耐火底部515、集电器块520和导电元件525，其具有由模型确定的特定布置和数量。该图还示出了在示例性设计方案中在预定义产品的熔点处的计算等温线503。如等温线503所示，液态金属可能延伸到块中，并且可能仅由耐火材料515有限地包容。虽然该场景说明了在系统扰动下的稳定状态(这在实际操作中可能是常见的)，但可能会发生泄漏和灾难性故障。
本技术允许对冶金容器进行建模以加工各种金属、合金和其它产品。通过利用如上所述的重复过程并产生热分布，通过所述方法开发的容器比常规设计更不易于泄漏和失效。另外，可以开发用于特定加工操作的个性化容器，而不是试图将现有容器重新用于其可能不适合的过程。本模型可以确定这样的容器是否可以用于替代目的或者容器是否更可能失效。
图6示出了计算机系统600的实施例。如图6所示的计算机系统600可以结并入到诸如个人计算机、制造计算机系统、特定工具或加工设备等设备中。此外，计算机系统600的一些或所有组件也可以并入到便携式电子设备或如本文所述的其它设备中。图6提供了计算机系统600的一个实施例的示意图，该计算机系统可以执行由各种实施例提供的方法的一些或所有步骤。应该注意，图6仅用于提供各种组件的概括说明，其中的任何或所有组件可以适当地使用。因此，图6广泛地说明了如何以相对分离或相对更集中的方式实现各个系统元件。
计算机系统600被示出为包括可以经由总线605电耦接或者可以适当地以其它方式进行通信的硬件元件。硬件元件可以包括一个或多个处理器610，包括但不限于一个或多个通用处理器和/或一个或多个专用处理器，诸如数字信号处理芯片、图形加速处理器和/或类似物；一个或多个输入设备615，其可以包括但不限于鼠标、键盘、摄像头等；以及一个或多个输出设备620，其可以包括但不限于显示设备、打印机和/或类似物。
计算机系统600还可以包括一个或多个非暂时性存储设备和/或与一个或多个非暂时性存储设备625通信，所述非暂时性存储设备可以包括但不限于本地和/或网络可访问存储，和/或可以包括但不限于盘驱动器、驱动器阵列、光学存储设备、固态存储设备，诸如随机存取存储器(“RAM”)和/或可以编程的只读存储器(“ROM”)、可更新的闪存和/或类似物。这样的存储设备可以被配置成实现任何适当的数据存储，包括但不限于各种文件系统、数据库结构和/或类似物。
计算机系统600还可以包括通信子系统630，其可以包括但不限于调制解调器、网卡(无线或有线)、红外通信设备、无线通信设备和/或诸如蓝牙TM设备、802.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等和/或类似物的芯片组。通信子系统630可以包括一个或多个输入和/或输出通信接口，以允许与诸如下面描述的网络(仅作为一个例子给出)、其它计算机系统、电视机和/或本文描述的其它设备交换数据。取决于所需的功能和/或其它实现问题，便携式电子设备或类似设备可以经由通信子系统630传送图像和/或其它信息。在其它实施例中，便携式电子设备可以并入到计算机系统600中，例如，制造计算机系统，作为输入设备615。在许多实施例中，计算机系统600还将包括工作存储器635，其可以包括RAM或ROM设备，如上所述。
计算机系统600还可以包括软件元件，示出为当前位于工作存储器635内，包括操作系统640、设备驱动程序、可执行库和/或其它代码，诸如一个或多个应用程序645，其可以包括由各种实施例提供的计算机程序，和/或可以被设计为实现由本文所述的其它实施例提供的方法和/或配置这样的系统。仅作为示例，关于上述方法描述的一个或多个过程，诸如关于图4所描述的那些过程，可以实现为可由计算机和/或计算机内的处理器执行的代码和/或指令；然后，在一个方面，这样的代码和/或指令可用于配置和/或调整通用计算机或其它设备以执行根据所描述方法的一个或多个操作。
一组这些指令和/或代码可以存储在非暂时性计算机可读存储介质(诸如上述存储设备625)上。在一些情况下，存储介质可以并入在计算机系统(诸如计算机系统600)内。在其它实施例中，存储介质可以与计算机系统分离，例如，可移动介质，诸如光盘，和/或在安装包中提供，使得存储介质可使用存储在其上的指令/代码对通用计算机进行编程、配置和/或调整。这些指令可以采用可执行代码的形式，其可由计算机系统600执行和/或可以采用源代码和/或可安装代码的形式，所述代码在例如使用任何通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等等来编译和/或安装在计算机系统600上后，则呈现可执行代码的形式。
对于本领域技术人员显而易见的是，可以根据具体要求进行实质性变化。例如，也可以使用定制硬件，并且/或者特定元件可以用硬件、包括便携式软件(诸如小应用程序等)的软件或上述两者实现。此外，可以采用与诸如网络输入/输出设备之类的其它计算设备的连接。
如上所述，在一个方面，一些实施例可以采用诸如计算机系统600之类的计算机系统来执行根据本技术的各种实施例的方法。根据一组实施例，这些方法的一些或所有过程由计算机系统600响应于处理器610执行一个或多个指令的一个或多个序列而执行，这些指令可以并入到操作系统640中和/或包含在工作存储器635中的其它代码(诸如应用程序645)中。这些指令可以从另一个计算机可读介质(诸如一个或多个存储设备625)读入工作存储器635。作为示例，执行包含在工作存储器635中的指令序列可以使处理器610执行本文描述的方法的一个或多个过程。附加地或替代地，本文描述的方法的一些部分可以通过专用硬件来执行。
本文使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”是指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何介质。在使用计算机系统600实现的实施例中，各种计算机可读介质可能涉及向处理器610提供指令/代码以供执行和/或可能用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实现方式中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这种介质可以采用非易失性介质或易失性介质的形式。非易失性介质包括例如光盘和/或磁盘，诸如存储设备625。易失性介质包括但不限于动态存储器，诸如工作存储器635。
物理和/或有形计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其它磁介质、CD-ROM、任何其它光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存储器芯片或盒式磁带，或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其它介质。
各种形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列传送到处理器610以供执行。仅作为示例，指令最初可以承载在远程计算机的磁盘和/或光盘上。远程计算机可以将指令加载到其动态存储器中，并将指令作为信号通过传输介质发送以由计算机系统600接收和/或执行。
通信子系统630和/或其组件通常将接收信号，然后总线605可以将信号和/或信号携带的数据、指令等携带到工作存储器635，处理器610从该工作存储器检索并执行指令。由工作存储器635接收的指令可以可选地在由处理器610执行之前或之后存储在非暂时性存储设备625上。
以上讨论的方法、系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略、替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。而且，针对某些配置描述的特征在各种其它配置中可以组合。配置的不同方面和要素可以以类似的方式组合。此外，技术会发展，因此，许多要素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。
在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现方式的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置。例如，已经示出了众所周知的电路、过程、算法、结构和技术而没有不必要的细节，以避免使配置变得晦涩难懂。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围、适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的可行性描述。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对各要素的功能和布置进行各种改变。
此外，配置可以被描述为一过程，该过程被描绘为流程图或方框图。尽管每个图可能将操作描述为顺序过程，但是这些操作中的许多操作可以并行或同时执行。另外，可以重新布置操作的顺序。过程可能具有图中未包含的其它步骤。此外，方法的示例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的非暂时性计算机可读介质中。处理器可以执行所描述的任务。
更具体地说明前述模型的实用性的说明性示例。1)对于MOE应用，提出了耐火材料成分/性质和容器的热操作条件的变化；2)现在用于评估是否改变导电元件(和耐火底部中的相关孔)的设计、数量和/或模式化布置的模型对于帮助确保无泄漏的集电器组件是必要的。第一步骤是取得输入408、所述输入包括模型、新的操作条件、新的耐火材料的性质，以及导电元件的试验编号和布置(试验编号等通常与先前成功的无泄漏装配相关联)并计算412第一热分布。操作条件、性能等的说明性示例通常是但决不限于：元件是具有半英寸横截面且长度为7英寸的软钢，耐火底部具有1W/m-K的导热率和7英寸的tb，操作电流为4600安培，并且金属被精炼以保持在1650℃的温度。在该示例中，下一步骤是比较该第一计算的热分布和给定的过程约束条件414(例如，组件中的任何地方的最高温度，特定温度相对于活化区域与耐火材料底部中的预定“深度”((tb的一部分)、安全系数等)之间的边界的等温位置，确定所得温度过高。接下来，更新416元件的数量、模式，将其输入到模型并重新计算412热分布。如果需要，执行进一步的重复410，得出关于元件的“正确”数目和布置等的结果420，其中布置418满足约束条件。在该特定示例中，该布置是图3中所示的布置。
尽管已经描述了若干示例配置，但可以在不脱离本发明的精神的情况下使用各种修改、替代构造和等效物。例如，以上要素可以是更大系统的组件，其中其它规则可以优先于或以其它方式修改技术的应用。而且，可以考虑在上述要素之前、期间或之后进行许多步骤。因此，以上描述不限制权利要求的范围。
如本文和所附权利要求中所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有规定。因此，例如，对“一种材料”的引用包括多种这样的材料，并且对“处理器”的引用包括对一个或多个处理器及其本领域技术人员已知的等效物的引用，等等。
此外，当在本说明书和所附权利要求中使用时，词语“包括”、“包含”、“含有”、“含”旨在指定存在所声明的特征、整数、组件或步骤，但它们不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、组件、步骤、动作或组。
尽管已经参考若干实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离如权利要求中所述的本发明的精神和范围的情况下进行各种修改并且可以作出到其它类型的冶金容器的扩展应用。

Claims (10)

1.一种制造集电器组件的方法，所述方法包括：
在计算机上重复地求解模型，以确定假设的集电器组件内的热分布作为输出，其中所述假设的集电器组件内的所述热分布基于至少以下等式的解：
Figure FDA0003594513440000011
其中ρCp是密度乘以比热，T是温度，t是时间，k是导热率，
Figure FDA0003594513440000012
是体积发热率；
将与所述集电器相关联的导电元件的数量和布置识别为所述模型的解；以及
制造所述集电器组件，其中所述集电器组件包括在所述集电器组件的耐火底部内以一种模式限定的多个孔，所述模式被配置成接收被识别为所述模型的解的所述数量和布置的导电元件。
2.一种制造集电器组件的方法，所述方法包括：
利用接收的输入——所述接收的输入包括导电元件的可变数量和布置——在计算机上重复地求解模型，以确定假设的集电器组件内的热分布作为输出；
将与所述集电器耦接的导电元件的数量和布置识别为所述模型的解，所述导电元件的数量和布置在所述假设的集电器组件内产生包含的热分布；以及
制造所述集电器组件，其中所述集电器组件包括在所述集电器组件的耐火底部内以一种模式限定的多个孔，所述模式被配置成接收被识别为所述模型的解的所述数量和布置的导电元件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中重复地求解所述模型包括：
接收导电元件的初始数量和布置作为至少一个输入；
访问给定的含金属的材料和所述集电器组件的物理和电气性质的数据库；
定义所述模型的约束条件；以及
在更新所述导电元件的数量和布置的同时重复地计算所述假设的集电器组件内的所述热分布。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
重复地将所述假设的集电器组件内的所述热分布与所述模型的所述定义的约束条件进行比较；以及
确定满足所述模型的所述定义的约束条件的导电元件的数量和布置，所述导电元件的数量和布置在所述假设的集电器组件内提供包含的热分布。
5.根据权利要求3所述的方法，其中重复地计算所述热分布包括基于至少以下等式的解来确定所述假设的集电器组件内的所述热分布：
Figure FDA0003594513440000021
其中ρCp是密度乘以比热，T是温度，t是时间，k是导热率，
Figure FDA0003594513440000022
是体积发热率。
6.根据权利要求3所述的方法，其中定义所述模型的约束条件包括定义以下中的至少一个：与所述集电器接触的表面相对的所述组件的表面处的所述组件温度、来自所述假设的集电器组件的总热流、包括所述假设的集电器组件的冶金容器内的材料的最高温度，或冶金容器中使用的材料的熔化温度的位置，其由所述冶金容器中使用的所有材料的最低熔化温度表征。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述导电元件包括选自由以下组成的群组的材料：银、铜、金、铝、锌、镍、黄铜、青铜、铁、铂、含碳材料、铅和钢。
8.根据权利要求3所述的方法，还包括接收通过所述导电元件提供的电流的输入。
9.根据权利要求3所述的方法，其中重复地求解所述模型包括输出在与所述假设的集电器组件接触的所述给定的含金属的材料的熔点处的等温线的图形描绘。
10.根据权利要求2所述的方法，其中在所述假设的集电器组件内的所述包含的热分布产生等温线，以确保所述导电元件的一部分在所述集电器组件的所述耐火底部内的所述孔内是固态的。
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