JP7056963B2 - 集電体集合体の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、費用対効果の高い溶融材料の処理に関する。特に、熱的、電気的および電気化学的環境を高温で制御するために特別設計された構成要素を有する冶金容器を開示する。

様々な冶金容器（例えば、関心対象の製品がある温度で精製されるアーク炉、または電気分解的に金属を形成するように設計された炉）は、溶融金属と外部電源との間の電気接続を必要とする。多くのそのような技術では、極めて高い電流を高温で送達することが求められる。このときの電流は、数十万アンペアに達する。また、電流密度の範囲は、０．１～５０アンペア／ｃｍ^２の非常に広い範囲となる。容器を通って搬送される数百、数千、または数十万アンペアになる電流は、ジュール熱を生成する。搬送される電流は、日常的に、約１，０００～約５，０００アンペアか、実施形態では約５，０００～約１０，０００アンペアである。電流は、例えば４，０００アンペアなどの上記範囲内の任意の量であるか、上記数値のいずれかを上回るかまたは下回る。溶融材料を同時に封じ込めながら高温で信頼性のある電気接続を維持することの必要性が課題となる。周知のように、動作中、システムの混乱は、プロセスの開始や進行の結果として起こる。例えば、システム内で生成される熱流パターンは、均一でも規則的でもないかもしれない。特定の部品が、平衡状態と考えられるものから外れた上記の条件によって破損する虞がある。不均一な熱伝達は構造を損ない、容器の故障を引き起こす。従来のシステム設計者は、（１）システムの動作要件を意図的に過剰設計すること、または（２）許容可能な材料品質／純度を生じさせない傾向がある準最適動作条件を要求することによって、これらの種類の問題に対処してきた。現在の設計に関する継続的な問題は、最初はわずかなリークが急速に増大して重大な容器破れとなり、その結果、生産の損失、ダウンタイム（稼働停止）、高額な修理費用、負傷または死亡のリスク等をもたらす。

図８を参照する。金属材料３０の初期装填物は、外壁セグメント２１、カバー２３および外側ベース２４を含む冶金容器１００の壁２０によって囲まれている。外側ベース２４は、耐火性の内側ベース１１を支持するように形成され、床から、または他の何らかの支持構造から槽を支持する構造部材（図示せず）に共通して固定されており、通常は構造材料から形成されている。内壁セグメント２２および内側ベース１１は、定義上は高温で溶融、融着または変形し難い高温耐火性材料から形成されている。したがって、内壁セグメント２２及び内側ベース１１に対する特定の耐火性構成は、どの金属含有材料が処理されて溶融されるか、どれだけの過熱が必要であると考えられるかに応じて選択される。槽回路構成を図示するのに示される電極１３０，３０は、典型的には（および上記図のすべてにおいて）対をなしており、それにより、容器１００の上から下へとそれらの間に電位差が確立される。電源１８０（一般的には、高電流、低電圧）は、回路を完成させる。

本明細書における「集電体」との用語は、必然的に電極と直接接続する多成分要素４０，１２５を指す。本明細書における関心対象用途の多くで、集電体は、陰極と電気的に接続している。溶融酸化物電気分解において、電流が陽極（図８の１３０）に供給され、溶融酸化物電解質５０を通過して、陰極３０へと向かう。動作中は、陰極３０も溶融し、所望の金属生成物を含む。図９Ａも参照する。集電体１２は、バス１７０を介し電流源と電気的に接続しているブロック４０からなる。集電体１２のピン、ロッドまたはバー状材料１２５は、冶金容器１００のベース１１の開口部／アパーチャ１２６内に配置されて（陰極として作用する）金属材料３０に近接して配置される熱いバー端部３５を有している。現在使用されている集電体には、２つの主な故障原因がある。故障の第１の原因は、熱設計に基づく。一般には、強制空気か水で冷却される銅製のピン、ロッドまたはバー１２５が使用されている。コレクタロッド１２５に近接した（陰極として作用する）溶融金属状金属３０の温度は、銅の融点よりもはるかに高い。このため、冷却できなくなると、ピン１２５の急速で壊滅的な溶融及び又は侵食が生じる。冷却が完全には損なわれていない場合、容器１００の連続運転中にピン１２５がゆっくりと侵食され、短時間での再構築が必要となる。第２のタイプの故障は、ピン１２５間の内側ベース１１の耐火物の亀裂または侵食から生じる。これにより、ピン１２５と耐火性ベース１１との間のシール領域（本質的にはアパーチャ１２６）へと液体金属が進入するようになる。流れは、ピンを溶融及び又は溶解するのに十分な熱を運ぶことになる。反応器から流出する最初の液体金属の後には、より高温でかつ更に多くの残りのピンを溶解するより多くの液体金属が続いて流出するため、リークを加速して、容器１００の完全な破裂を招く。

そのような冶金容器の動作時間を増やすための長年にわたる需要がある。

第１の実施形態では、リークフリー集電体集合体が提供される。集合体は冶金容器と一体であり、容器は液体金属含有材料を処理および保持するための活性領域を有し、集電体集合体は複数の導電性および熱伝導性要素を有する集電体を有する。要素は活性領域と電気的および熱的に接続しており、要素は長さ、幅、長さ対幅比を有する。集電体集合体はブロックを有し、ブロックは電流源と電気的に接続しており、要素は複数の要素位置でブロックと電気的および熱的に接続しており、各要素に対して固定点を確立する。集電体集合体は、耐火性構造の集合体部分を有し、集合体部分は集電体と隣接して配置される。集合体部分は、要素位置に合わせて割り出し可能な複数の開口部を有し、開口部はその中に各要素の長さの封入可能部分を受け入れて収容することができる。構造は容器の活性領域の境界を画定する。冶金容器は、溶融酸化物電気分解のためのアーク炉として、またはさらなる実施形態ではホール‐エルー槽として使用される。

別の実施形態では、リークフリー集電体集合体を製造する方法が提供される。この方法は、導電性および熱伝導性要素の可変数および配置を含む受信入力を利用してコンピュータ上でモデルを解いて、仮定の集電体集合体内の熱分布を出力として決定するステップを有する。この方法は、モデルに対する解として、仮定の集電体集合体内の熱分布を生成する、集電体と結合された要素の数および配置を特定する別のステップを有する。この方法は、次に集電体集合体を製造するステップも有する。集電体集合体は、耐火性構造の集合体部分内に規定の複数のアパーチャを有する。アパーチャは、モデルに対する解として特定された導電性要素の数および配置を受容するように構成されたパターンで配置される。

別の実施形態では、コンピュータ実行可能命令をその上に記憶した非一時的コンピュータ可読媒体が提供される。命令は、プロセッサによって実行されると、導電性要素の可変数および配置を含む受信入力を利用してプロセッサにモデルを反復的に解かせ、仮定の集電体集合体内の熱分布を出力として決定する。プロセッサはまた、モデルに対する解として、仮定の集電体集合体内に含まれる熱分布を生成する、集電体と結合された導電性要素の数および配置を特定する。プロセッサはまた、仮定の集電体集合体と接触する所与の金属含有材料の融点における等温線のグラフィック描写を出力する。いくつかの実施形態では、プロセッサはまた、集電体集合体を製造する機械加工ツールにパターンを出力させられ、パターンは、モデルに対する解として特定された導電性要素の数および配置を受容するように構成されたパターンで、集電体集合体の耐火性ベース内に規定の複数のアパーチャを備える。モデルを反復的に解くことは、入力のうちの少なくとも１つとして導電性要素の初期数および配置を受容することを含む。モデルを反復的に解くことは、所与の金属含有材料および集電体集合体についての物理的および電気的特性のデータベースにアクセスすることを含む。モデルを反復的に解くことは、モデルに対する制約を定義することを含む。モデルを反復的に解くことは、導電性要素の数および配置を更新しながら、集電体集合体内の熱分布を繰り返し計算することを含む。モデルを反復して解くことは、集電体集合体内の熱分布を、モデルに対して定義された制約と繰り返し比較することを含む。モデルを反復的に解くことは、モデルに対して定義された制約を満たす集電体集合体内に含まれる温度分布を提供する、導電性要素の数および配置を決定することも含む。

さらなる実施形態では、リークフリー集電体集合体が提供される。集合体は冶金容器と一体であり、容器は液体金属含有材料を処理および保持するための活性領域を有し、集電体集合体は複数の細長い要素を有する集電体を有する。要素は、所定の長さ、所定の幅、および複数の所定の総数を有する。集合体は、電流源と電気的に接続するブロックを有する。ブロックは要素と電気的および熱的に接続する。複数の要素は、各要素に対する固定点を確立する複数の要素位置でブロックと結合される。集合体は、集電体と隣接して配置された集合体部分を有する耐火性構造の集合体部分も有する。集合体部分は、その中に各要素の長さの囲まれた部分を受け入れて包むことができるアパーチャを有し、構造は容器の活性領域の境界を画定する。容器内に配置された耐火性構造の長さ、幅、要素位置、数、ブロックの寸法、および集合体部分の寸法の事前決定は、液体のリークを防ぐために液体金属含有材料の所望の処理温度での熱的および流体的平衡および液体金属含有材料内の所望の電流を確実にするために行われる。

例示的な冶金容器の断面図。 動作条件下での例示的な冶金容器の断面図。 本技術の実施形態による例示的な冶金容器の部分断面図。 本技術の実施形態による集電体の斜視図。 本技術の実施形態による集電体集合体を製造する例示的な方法を示す図。 本技術の実施形態によるモデルを反復的に解く例示的な方法を示す図。 本技術の実施形態による集電体集合体の断面に沿った例示的な熱分布を示す図。 本技術の実施形態による集電体集合体の断面に沿った例示的な熱分布を示す図。 本技術の実施形態による集電体集合体の断面に沿った例示的な熱分布を示す図。 本技術の実施形態で説明される動作のうちの１つ以上を実行するために利用される簡略化されたコンピュータシステムを示す図。 例示的な冶金容器の断面図を示す図。 本技術の実施形態による例示的な冶金容器の部分断面図を示す図。 例示的な冶金容器の断面図を示す図。 例示的な冶金容器の断面図を示す図。 本技術の実施形態による例示的な冶金容器の部分断面図を示す図。

（ｉ）冶金容器のリークフリー集電体集合体構成要素
冶金処理では、冶金コンテナ／容器１００内で生成された熱を用いて、金属および金属含有材料を含む様々な材料を溶融、均質化、精製および／または別様に処理する。これらの材料は、１，０００℃を超える融点を有し、したがって、容器１００および溶融材料と接触する任意の関連構成要素もこれらの高温にさらされることになる。熱伝導性構成要素が物理的に接触するか、または別様に熱的に係合している場所では、必然的に構造的な弱点が生じ、これが容器の運転中にリークの原因となる。リークはまた、長期間にわたって高応力条件下で容器１００を継続して使用した結果生じたボイドまたは欠陥からも生じる。

図１Ａおよび図１Ｂを参照する。溶融および処理用に設計された例示的な冶金容器１００の一部の断面図が示されている（図１Ａおよび図１Ｂを図８と比較すると、容器１００の外壁２１、カバー２３、および外側ベース２４は、図８にのみ示されていることに留意されたい）。必要な熱は、電気エネルギーまたは当分野で公知の他の方法によって生成される。電流源（図示せず）が電極１３０と結合され、かつ容器の内容物１４０および１５０と、そして最終的には電流の戻り経路を構成するブロック１２０と電気的に接続している場合、電気エネルギーを供給できることの証拠として、電極１３０（カバー２３を通して固定的に取り付け可能である可能性が高い）が、図１Ａおよび図１Ｂに含まれる。容器１００内で結果として得られる電解槽のアクティブ化を図１Ｂに示す。例えば、溶融酸化物電気分解において、電極１３０は、酸素または一酸化炭素の気泡１４２が近くで発生する陽極として機能する。容器１００は、内側耐火性壁１１０および耐火性ベース１１５を含む耐火性構造を有する。壁１１０およびベース１１５の物理的寸法の適切な範囲は炉設計の分野で知られている。例えば、壁１１０の厚さｔｗおよびベース１１５の厚さｆｂは通常、熱的および化学的要件、製造要件、ならびに信頼性の懸念によって決定され、典型的な範囲は、数ｃｍから数十ｃｍである。耐火性構造は、一般に、様々な非金属高温材料から製造される。耐火性構造１１０，１１５は典型的には、高融点／高降伏点金属またはセラミックで構成され、炭素含有材料や、ケイ素、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、タングステンおよびホウ素の酸化物、炭化物、および／または窒化物を含むが、これらに限定されない。追加の材料が使用され、そのような材料は、有害な劣化または容器１００内に含まれる材料との著しい反応なしに、１００℃、５００℃、１，０００℃超およびそれ以上の温度に耐えることができる。示されるように、容器１００は、処理用の金属含有材料、電解質材料等の材料を容器１００に導入するための入口１１３を任意数の設計において含む。出口ポート１１２は、開いたときに、精製または別様に処理された材料が容器１００から出て集められることを可能にするように構成される。入口および出口ポート（決して単一の入口または単一の出口ポートに限定されない）を、当業者に知られている様々な方法で配置できることは容易に理解されよう。それらの設計は、示された例示的な設計に限定されないと考えられるべきである。容器の内容物はしばしば２つ以上の層からなる。例えば、ＭＯＥでは、上層１４０は電解質であり、下層１５０は金属生成物である。

図３も参照のこと。冶金容器１００は、バス３７０によって電流源に電気的に結合された集電体ブロック１２０，３２０も含む。容器の用途によっては、集電体は容器１００内の材料を通して電流を受け、ブロック１２０，３２０に固定的に取り付けられた集電体の導電性要素１２５を通じて容器内の材料に電子を供給する。導電性要素１２５，３２５の長さｌの部分は、要素１２５がｔｈより大きいｌを有する容器１００内に延在するため、容器１００内の材料と直接接触する。集電体は、いくつかの容器の用途においては電極として動作し、例えば、アーク炉の状況では、陽極１３０とは反対に、集電体は陰極として動作する。電気槽はその場合、陽極１３０、集電体／陰極１２０（３２０）プラス１２５からなり、電流は、容器１００内に含まれて容器１００で処理される材料を通じて流れる。

集電体導電性要素１２５は、集電体ブロック１２０上のそれらの各固定点から、耐火性ベース１１５の厚さｔｂ全体にわたって配置されたベースアパーチャ１２６を通ってそれらの長さｌだけ延在している。大略的には図９Ａを参照のこと。導電性要素１２５の部分は、耐火性ベース１１５を超えて延在し、それらの部分は、容器１００の活性領域１５０（図１Ｂ）内に延在しており、容器１００が動作時または動作中であるとき、それらは、意図された処理温度に近づいて、溶融しやすい。

説明のために（図１Ａ、図１Ｂ、図２では）、それぞれが対応するベースアパーチャ１２６内にある正確に２つの導電性要素１２５を示すが、意図的な設計および計画によって、任意数の導電性要素、ならびに導電性要素１２５（および対応するベースアパーチャ１２６）の可能な空間パターンの変形例が、以下に詳細に説明されるように本開示の範囲を定義することを理解されたい。図３においては、正方形に似た空間アレイ内の２５個の導電性要素のパターンが示されている。耐火性ベース１１５は、必然的に、導電性要素１２５の空間アレイと類似または同様、同一のパターンで配置された耐火性ベース１１５内の複数のアパーチャ１２６を含むことになる。そして、各導電性要素は、ｔｂよりも大きいかまたは短い長さを有する耐火性ベース１１５の対応するアパーチャ内に配置される。

初期量の加工可能材料を容器１００内に導入する。材料は、鉱石、電解質、スラグ、コークス、または他の耐火物もしくは炉材料を含む。例えば、図１Ｂに示すように、電気分解が動作である場合、陽極１３０に近接して示される領域１４０は、生成された電解槽の一部として電解質を含み、活性領域１５０は、動作中に処理される材料が存在する領域である。（ＭＯＥ中の）処理される金属含有材料は、出口１１２を介して耐火性ベース１１５を通して除去可能である。溶融酸化物電気分解処理において、電極１３０は陽極であり、電流は、最初に陽極を通って溶融電解質材料を含む領域１４０に流れ込み、次に容器１００の活性領域１５０に流れ込み、次いで導電性要素１２５を通って集電体ブロック１２０に流れ込む。電流は、数百、数千、または数十万アンペアであり、容器を通って搬送され、ジュール熱を生成する。搬送される電流は日常的に、約１，０００～約５，０００アンペア、または実施形態では約５，０００～約１０，０００アンペアである。電流は、例えば４，０００アンペアなどの、これらの範囲内の任意の個々の量である、または、記載された数値のうちのいずれかを上回るかまたは下回る。生成された熱は、容器内の材料を溶融するのに十分な容器温度に発展させることを目的としている。例えば、単一または混合の金属酸化物を還元（ＭＯＥ）して精製金属生成物を形成する場合、酸素イオンは陽極１３０に向かって流れて酸化され、各イオンが電子を放出して酸素ガスを発生しつつ、金属イオンは集電体１２０に向かって流れ、正電荷を帯びた金属イオンに前述の電子を付加させることによって還元される。領域１５０内の耐火性ベース１１５に近接して形成される金属は、最初は溶融した負に帯電した金属であり、そしてＭＯＥ槽の陰極として作用する。負に帯電したこの溶融金属は、プロセスによって精製され、１つ以上のポート１１２を通して容器から抽出される。ＭＯＥ用途では、容器の領域１４０は溶融電解質を含み、それはおそらくアーク炉（ＥＡＦ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ）用途においてスラグを含む。酸素ガスの気泡１４２が発生して容器から放出される。あるいは、陽極１３０は主に炭素であり、その場合、最終的には発生するガスはＣＯまたはＣＯ_２となる。

溶融金属は、ＭＯＥ動作において陰極として動作するため、集電体導電性要素１２５（図９Ａ参照）に使用される材料は、それらの導電性品質に基づいて選択される。例えば、導電性要素１２５は、銀、銅、金、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、真鍮、青銅、鉄、白金、炭素含有材料、鉛、鋼、精製される金属、またはそれらの合金／混合物を含む。例として、導電性要素１２５は、１，１００℃未満の融点を有する銅を含む。しかし、精錬される金属が鉄である場合、領域１５０内の液体鉄は１，５００℃超の温度である。この例では、溶融鉄は導電性要素１２５を溶融して導電性要素と精製される金属との溶融混合物を生成する。導電性要素が溶融する程度に応じて、集電体の一部と耐火物１１０の一部との間の界面にリークが形成されやすい。リークの重大度に応じて、壊滅的な容器故障が発生する。しかし、本技術は、以下に論じるように、そのような設計上の懸念に対処する。

図２は、例示的な冶金容器１００の部分断面図を示す。具体的には、この部分図は、集電体集合体１６０として本明細書で定義される容器の一部を示す。集電体集合体１６０は、集電体ブロック１２０、集電体導電性要素１２５および耐火性ベース１１５を含み、耐火性ベース１１５は、（１）容器活性領域１５０および集電体ブロック１２０と連続しており、（２）耐火性ベース厚さｔｂを有し、（３）それらが集電体ブロック１２０に結合されたときに要素１２５の固定位置で割り出し可能であるように配置されたベースアパーチャ１２６を有する。部分図は、耐火壁１１０の一部分内にあり、活性領域１５０の境界を画定する耐火性ベース１１５を示す。図２は正確に２つの要素１２５と２つのベースアパーチャ１２６とを示しているが、実際の数および位置パターンは用途に固有のものである。導電性要素１２５は、ベースアパーチャ１２６を通って容器１００の活性領域１５０内に延在する（図９Ａ参照）。導電性要素の長さｌは、耐火性ベースの厚さｔｂに等しくてもそれより小さくてもよく、また耐火性ベースの厚さｔｂよりも大きくてもよい。前述のように、導電性要素は、容器の活性領域内で精製される材料の融点より低い融点を有する金属または他の導電材料を含む。そのような例では、容器内の材料と接触している導電性要素１２５の部分もまた溶融する。この熱が集合体を通って伝わる程度によって、リークが発生する可能性があるかどうかを決定することができる。例えば、アパーチャ１２６内に瞬間的かつ局所的に存在する組成物の固相等温線が概ね輪郭１３５の深さまで広がる場合、導電性要素１２５の一部は領域１２７で溶融する。精錬される材料の混合物をもまた含むこの液体材料は、アパーチャ１２６内で再固化される前に、導電性要素とアパーチャとの間のいかなる隙間空間も埋める。動作中、これは溶融材料がアパーチャを通じて集電体ブロック１２０へと流れ出るのを防止し、シール領域を形成する（図９Ｂにおける１２９のように）。理論的には必要ではないが（以下に示すように）、空気、水、または他の何らかの流体への流体移動を介するなどして、追加の冷却を導電性要素に提供する。

アパーチャ１２６の幾何学的形状は、各導電性要素の少なくとも一部を固体状態にし、各導電性要素の残りを溶融状態にすることを可能にする。図９Ａを参照のこと。実施形態では、導電性要素の長さを、耐火性ベース１１５の厚さに等しいレベル以下に維持する。そうすることで、活性領域１５０内の材料は、実質的により純粋な状態に維持され、この材料が除去またはタップされると、導電性要素からの材料との合金になる可能性も低くなる。

図３は、本技術の実施形態による例示的な集電体３００の斜視図を示す。図示のように、集電体３００はブロック３２０を含み、ブロック３２０は、ブロックとの電気的接続を提供するために１つ以上のバスバー３３０を含む。集電体３００は、ブロック３２０から延在する複数の導電性要素３２５も含む。導電性要素３２５は、図示のようにパターンに含まれるが、その数およびパターンは、特定の冶金容器に対して予め定められる。

導電性要素３２５の数、位置、および配置は、容器全体の熱分布に影響を及ぼし、したがって、システムは、導電性要素の数および位置を意図的に変更することによって、容器内の安定性または平衡を発達させるために調整可能である。このパターン／アレイは、動作中に集電体集合体１６０およびその直接の周囲において熱的平衡および流体的平衡の両方または一方をもたらすように決定または構成される。したがって、本技術の例示的な集電体集合体および容器では、導電性要素は、動作中に集電体集合体全体にわたって熱的および流体的平衡をもたらすように構成されたパターンに従って集電体ブロック３２０上に配置される。

リークフリー集電体集合体の設計における重要な要因は、ピンの溶融物を含むアパーチャの部分１２７における混合の制御を確実にすることである。ピン内の対流混合は、より高温の液体、および、ピンと活性領域とが異なる組成を有するときのピン内の液体－固体界面における溶質の両方を運ぶ。次に、より高温の流体は、より多くのピンを溶融し、液体－固体界面を、リークをより起こしやすい場所に移動させることができる。追加の溶質は、多くの場合、その界面で材料の融点を下げ、システムをさらにリークに近づける。したがって、流体の流れによる熱と物質との移動の組み合わせは、現在使用されている集電体の故障の主な要因である。現在の工業的解決策は、これらの影響、エネルギー浪費、および冶金容器に対する不必要なコストと複雑さとが増えることを防ぐために、ピンを固体に保つよう過度の冷却を使用する。本明細書に記載のリークフリー集電体集合体は、集合体の耐火性部分におけるアパーチャの幾何学的形状を利用して、ピンの部分溶融および溶解後または部分溶融もしくは溶解後にアパーチャ内の流体の流れを決定する。アパーチャ内の流体の流れを制限することは、溶融領域における対流混合を大幅に減少させ、受動的冷却による固体‐液体界面の位置の制御を可能にする。また、これにより、容器からのエネルギー損失が大幅に減少するとともに、その支持システムが大幅に単純化されると同時に、集電体集合体の寿命が延びる。

アパーチャ内の流体の流れを制御するようピンおよび耐火物の幾何学的形状を設計するために２つのアプローチが使用される。第１に、数値モデルを使用して活性領域およびアパーチャ内の流体の流れを記述し、熱と物質との対流輸送、および結果として生じるアパーチャ内の液体領域の範囲を決定する。第２のアプローチでは、流体の流れが重要である程度を推定するのに近似が使用されて、ピンの残りが流体の流れを考慮することなくモデル化されることを可能にする。アパーチャのように狭いチャネルの上部を横切る流れがチャネル内の流れを駆動し、チャネル内（アパーチャ）の流体をチャネル外（活性領域）の流体と混合させることは周知である。アパーチャ内の流れは、活性領域からより遠い位置ではより遅く、ボアの頂部から直径の約３つ分下の深さでは、無視できる程度になる。非円形ボアについては、有効直径は、等価断面積の円柱の直径として推定される。

（ｉｉ）ホール‐エルー槽における集電体集合体の適用
ホール‐エルー処理は依然として、アルミニウムを製錬するための製造法である。それは、溶融フッ化物に酸化アルミニウムを溶解すること、および溶融塩浴を電気分解することを含む。図７Ａ（従来技術）および図７Ｂを参照する。この用途では、ホール‐エルー電解質１０４０はフッ化物の混合物であり、これは十分な反対方向の力がないと槽１０００の側面１０１０および最初は底部１０１５を濡らす。槽底部１０１５は、容器１０００の活性領域に存在する集電体ブロック１０２０と液体金属（アルミニウム）パッド１０５０との間の電気接続を提供する炭素および炭素質材料からなる。電解質１０４０が集電体ブロック１０２０およびアルミニウムパッド１０５０間の界面に浸透する場合、それは凍結して絶縁層を形成し、ブロック１０２０とパッド１０５０との間の電気接続を切断する。この電気接触を断つと、最低でもアルミニウムの製造が中断され、槽の壊滅的な故障を招く。結果として、槽底部１０１５と金属パッド１０５０との間の電気接触を切断するのに十分な電解質１０４０の進入を防ぐのに十分な重量を提供するために、非常に厚い金属パッド１０５０（先行技術の図７Ａに示す）が必要である。

図７Ｂは、液体金属パッド１０５０とブロック１０２０との間の電気的接続が確実に維持されるようにするための集電体集合体における金属導電性要素１０２５（２つが示されている）の使用を示す。要素１０２５は溶融アルミニウムからなり、それにより、パッド１０５０への望まない不純物の侵入を制限する。要素１０２５が金属（理想的にはパッド１０５０と同じ組成のもの）である場合、表面張力は、槽底部１０１５と金属パッド１０１５との間の電解質のいかなる侵入にもかかわらず、金属パッド１０５０および集電体１０２０間の界面を横切る連続性および電気伝導を維持するように作用する。要素１０２５が導電性であるので、槽底部１０１５は、炭素から形成されるか、別の材料、更には電気絶縁体から構成される。要素１０２５は以下の効果／特性を有する。（１）１０２０および１０５０間の電解質の進入にかかわらず、金属パッド１０５０との電気的接続を維持する。（２）電解質の侵入を完全に防ぐためにパッド１０５０の周囲に金属の連続バリアを提供するように配置することができる。（３）液体金属パッド１０５０をピン止めして、はるかに浅い液体金属パッドでも許容できる形状を維持することができる。

（ｉｉｉ）リークフリー集電体集合体を製造するためのモデル
導電性要素の数および配置は集電体集合体の性能および安定性に影響を与えるかまたは高めるため、異なる集電体設計を有する異なる用途のために異なる集合体を開発する。複数の導電性要素の位置は、容器内で熱的および流体的平衡を提供するために導電性要素の数および位置を決定するように構成された有限要素解析モデルによって決定される。このようなモデルについて、図４Ａ及び図４Ｂを参照して以下に説明する。

前述のシステムおよびデバイスは、様々な方法に従って開発または製造される。方法は、コンピューティングデバイスのメモリに格納されたプログラミングによって表される。図４Ａは、本技術による、集電体集合体を製造するための方法４００の一実施形態を示す。方法４００は、前述の集電体または構成要素のいずれかを製造するために実行される。方法４００の各動作は、コンピュータなどの単一の電子デバイスで、またはそれによって、または互いに通信する複数のデバイスによって実行される。方法４００の各ステップを実行するための手段は、コンピュータまたは電子デバイスを含む。方法４００は、図６のコンピュータシステム６００の構成要素の一部または全部を組み込んだデバイスなどのコンピュータ化デバイスを使用して実行される。

方法４００は、動作４１０においてコンピュータ上でモデルを解いて、前述のように集電体のための導電性要素の数および位置を決定することを含む。モデルは、導電性要素の可変数および配置を含む受信入力を利用する。モデルは、実施形態において、仮定の集電体集合体内の熱分布を決定して出力する。方法は、動作４２０においてモデルに対する解も特定する。解は、仮定の集電体集合体内に含まれる熱分布を生成する、集電体と結合された導電性要素の数および配置を特定する。モデルに対する解が特定されると、方法は、動作４３０において集電体を製造することを含む。製造された集電体集合体は、集電体集合体の耐火性ベース内に規定の複数のアパーチャを含む。複数のアパーチャは、モデルに対する解として特定された導電性要素の数および配置を受容するように構成されたパターンで配置される。

実施形態では、モデルの出力は、耐火物内の温度分布、ならびにシステム内の熱流束および火力を含む。入力は、実行されているプロセスに関連するいくつかの項目のうちの１つ以上である。例えば、入力は、冶金容器内で精製または処理される金属の物理的、化学的、および電気的特性を含む。例えば、そのような材料の溶融温度は、導電性要素の溶融の起こる程度に、直接影響を及ぼす。入力は、電極に供給されるアンペア数または端子電圧などの、容器を通して送達される電流または電力を含む電気システムの態様を含む。入力は、耐火物または容器の特性も含む。耐火物の全体寸法は、集電体ブロックの寸法、ならびに、導電性要素の長さおよび直径を含む導電性要素の固定パラメータとともに利用される。他の実施形態では、これらの数は、システムにさらに影響を及ぼすようにも調整される。モデルは、調整可能な入力も利用し、それは以前に特定されたパラメータのいずれか、ならびに導電性要素の初期数および配置を含む。実施形態において、初期配置はモデルにおいて利用されなくてもよいが、いくつかの実施形態において、モデルが受信した入力の少なくとも１つは、導電性要素の初期数および配置を含む。

これらのパラメータの多くは、モデルを実行しているコンピュータにアクセス可能なデータベースに含まれる。コンピュータは、導電性要素の数および配置などの調整されたパラメータでデータベースを更新するようにも構成される。そして、モデルは、図４Ｂでさらに詳述されるような動作を含む、導電性要素の数および配置を含む１つ以上の解を決定する。

図４Ｂは、本技術の実施形態による、モデルを解くために含まれる追加の動作を含む。方法は、動作４０８で、前に特定されたような１つ以上の入力を受信することを含む。実施形態では、入力を受信することは、所与の金属含有材料および集電体集合体の両方または一方について物理的および電気的特性のデータベースにアクセスすることも含む。入力は、モデルを単純化するか、または適切な設計の開発を可能にする、モデルに対する制約を受信または定義することも含む。入力が受信されると、モデルは、動作４１２において、受信したパラメータに対する熱分布を展開または計算する。モデルは、導電性要素の数および配置を更新しつつ集電体集合体内の熱分布を繰り返し計算する。

モデルの反復ごとに、モデルは、動作４１４において、仮定の集電体集合体内の各出力の熱分布を、モデルに対して定義された制約と繰り返し比較する。提案された配置に対して制約が満たされていない場合、動作４１６において、導電性要素の数および配置または数もしくは配置は、システムの任意の他の調整可能なパラメータとともに更新される。集電体集合体内に含まれる熱分布を提供し、モデルに対して定義された制約を満たす、提案された数および配置の導電性要素が決定される動作４１８まで、反復は継続する。

モデルは、熱分布および流れを決定するために１つ以上の方程式を解くことによって熱分布を繰り返し計算する。式は、以下の例示的な式を含む。

ここで、ρＣ_Ｐは密度×比熱、Ｔは温度、ｔは時間、ｋは熱伝導率、

は体積熱発生率、

は電場、

は電流密度、σは電気伝導率、

は速度ベクトル、Ｐは圧力、μは粘度、Ｆ_Ｖは重力を含む体積力の合計である。

モデルは、集合体内の温度、熱流束、およびジュール熱の分布を解くために有限要素解析を採用する。モデルの設計は、流体の流れが重要ではない条件にも限定され、例えば、ある種の方程式を解く必要性を軽減する。さらに、実施形態では、モデルは、処理中の材料が導電性要素と接触する境界内で熱的および電気的平衡を依然として提供しながら、単一の設計とは対照的に許容可能配置の範囲を提供するよう方程式を単純化するために特定のプロダクトまたは処理パラメータに関する変数の集合を利用する。

システムに適用される制約は、リークまたはブレークダウンの発生の可能性を制御するための、境界条件または他のパラメータを含む。制約は、集電体集合体と処理される材料との界面で許容される温度に対する制限を含み、これは、集電体と接触する表面とは反対側の耐火性ベースの表面でもある。制約は、集電体集合体から処理中の材料または他の場所への総熱流の制限、および集電体集合体内の任意の場所での最高温度の制限も含む。さらなる制約は、冶金容器で利用される全ての材料の最低溶融温度によって特徴付けられる、冶金容器で利用される材料の溶融温度の位置を含む。例えば、そのような温度は、リーク可能性を低減または制限するために全表面からの距離に制限される。そのような距離は、例えば、集電体集合体の任意の接合部または端面からのインチ数などのインチである。

モデルからの出力は、実施形態において、仮定の集電体集合体と接触する所与の金属含有材料の融点における等温線のグラフ描写を含む。モデルは、１つ以上の機械加工ツールに送達される製造用パターンも出力する。パターンは、例えば、集電体集合体を製造するツールに出力される。パターンは、モデルに対する解として特定された導電性要素の数および配置を受容するように構成されたパターンで、集電体集合体の耐火性ベース内に、規定の複数のアパーチャを含む。

モデルは、関連する問題を解くために入力および出力パラメータが交換される修正された計算においても使用される。例えば、モデルは、導電性要素を含む他の材料の予め選択された配置に基づいて、システムの構成要素に要求される特性を決定することができる。１つの非限定的な例として、モデルは、特定の構成要素の熱伝導率を変化させながら温度および熱流束の分布を反復的に評価して、集合体内の異なる位置に目標温度および熱流束を依然として維持しながらそのようなパラメータの外界を決定することができる。当業者には容易に明らかになるように、他の多くの例が本技術によって等しく包含される。

図５Ａは、本技術の実施形態による集電体集合体の断面に沿った例示的な熱分布を示す。図はモデルからの例示的な出力を含む。図示のように、この図は、耐火性ベース５１５、集電体ブロック５２０、および、モデルによって決定されるような特定の配置および数の導電性要素５２５を含む。この図は、例示的な設計シナリオにおける所定のプロダクトの融点における計算等温線５０１も示す。等温線５０１によって示されるように、液体金属は耐火性ベース５１５のアパーチャ内に閉じ込められ、リークまたはデバイス故障は起こりそうもない。

図５Ｂは、本技術の実施形態による集電体集合体の断面に沿った例示的な熱分布を示す。図はモデルからの例示的な出力を含む。図示のように、この図は、耐火性ベース５１５、集電体ブロック５２０、および、モデルによって決定されるような特定の配置および数の導電性要素５２５を含む。この図は、例示的な設計シナリオにおける所定のプロダクトの融点における計算等温線５０２も示す。等温線５０２によって示されるように、液体金属は集電体ブロック５２０の中に広がる可能性が高いが、ブロックおよび耐火物によって収容される可能性が高い。そのようなシナリオは、図５Ａに示すシナリオよりもリスクをもたらすが、設計は、製造または動作を続けるのに十分な完全性となるように決定される。

図５Ａおよび図５Ｂに示すような例示的な等温線は、集合体内の複数の導電性要素の数および配置によって少なくとも部分的に展開される。導電性要素は、容器内で処理される材料の融点温度の境界を維持する、集電体集合体内の温度プロファイルを少なくとも部分的に展開させるように構成される。実施形態では、境界は耐火性ベース内に維持され、または集電体ブロック内に延びるが、集電体ブロックの内部部分内に維持される。

図５Ｃは、本技術の実施形態による集電体集合体の断面に沿った例示的な熱分布を示す。図はモデルからの例示的な出力を含む。図示のように、この図は、耐火性ベース５１５、集電体ブロック５２０、および、モデルによって決定されるような特定の配置および数の導電性要素５２５を含む。この図は、例示的な設計シナリオにおける所定のプロダクトの融点における計算等温線５０３も示す。等温線５０３によって示されるように、液体金属はブロック内に広がる可能性があり、耐火物５１５によってマージナルにしか収容されないことがある。シナリオは安定状態を示すが、システムの混乱下では、実際の動作において一般的でありるように、リークおよび壊滅的故障が発生する可能性が高い。

本技術は、様々な金属、合金、および他の製品の処理のための冶金容器のモデリングを可能にする。上述したように反復プロセスを利用して熱プロファイルを展開することによって、記載された方法により開発された容器は、従来の設計よりもリークおよび故障を起こしにくい。さらに、既存の容器をそれが適していないかもしれないプロセスのために別の目的に再利用することを試みるのとは対照的に、個別の容器を特定の処理動作のために開発することができる。本モデルは、そのような容器を代替目的に使用できるかどうか、または容器が故障する可能性がより高いかどうかを決定することができる。

図６は、コンピュータシステム６００の一実施形態を示す。図６に示すコンピュータシステム６００は、パーソナルコンピュータ、製造用コンピュータシステム、特定のツールまたはツーリングデバイスなどのデバイスに組み込まれる。さらに、コンピュータシステム６００の構成要素のいくつかまたはすべては、携帯用電子デバイス、または本明細書に記載されるような他のデバイスにも組み込まれる。図６は、様々な実施形態によって提供される方法のステップのうちのいくつかまたはすべてを実行することができるコンピュータシステム６００の一実施形態の概略図を提供する。なお図６は、様々な構成要素の一般化された例示を提供することのみを意図しており、それらのうちのいずれかまたはすべてが、適宜利用される。したがって、図６は、比較的分離されたまたは比較的より統合された形で、個別のシステム要素がどのように実装されるかについて、広範に図示する。

コンピュータシステム６００は、バス６０５を介して電気的に結合することができる、または別様に通信されるハードウェア要素を適宜備えるように示されている。ハードウェア要素は、１つ以上の汎用プロセッサならびに１つ以上の専用プロセッサ（デジタル信号処理チップ、グラフィックス加速プロセッサ、および／または同様のものなど）の両方または一方を含むがこれらに限定されない１つ以上のプロセッサ６１０、マウス、キーボード、カメラおよび／または同様のものを含むことができるがこれらに限定されない１つ以上の入力デバイス６１５、ならびに、表示デバイス、プリンタおよび／または同様のものを含むことができるがこれらに限定されない１つ以上の出力デバイス６２０を含む。

コンピュータシステム６００は、１つ以上の非一時的記憶デバイス６２５をさらに含むとともに該デバイスと通信するか、または、１つ以上の非一時的記憶デバイス６２５をさらに含むかもしくは該デバイスと通信し、１つ以上の非一時的記憶デバイス６２５は、限定ではないが、ローカル記憶装置およびネットワークアクセス可能記憶装置の両方もしくは一方を含むことができ、ならびに／または、限定ではないが、プログラム可能、フラッシュ更新可能および／もしくは同様のものとすることができる、ディスクドライブ、ドライブアレイ、光記憶デバイス、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）および／もしくは読み取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）などの固体記憶デバイスを含むことができる。そのような記憶デバイスは、限定するものではないが、様々なファイルシステム、データベース構造および／または同様のものを含む任意の適切なデータストアを実装するように構成される。

コンピュータシステム６００は、通信サブシステム６３０も含み、通信サブシステム６３０は、モデム、ネットワークカード（無線または有線）、赤外線通信デバイス、無線通信デバイス、ならびに／または、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）デバイス、８０２．１１デバイス、ＷｉＦｉデバイス、ＷｉＭａｘデバイス、セルラー通信施設等および／もしくは同様のものなどのチップセットを含むことができるがこれらに限定されない。通信サブシステム６３０は、一例として以下に記載されるネットワークなどのネットワークとデータを交換することを可能にするための１つ以上の入力通信インタフェースおよび出力通信インタフェースまたは入力通信インタフェースもしくは出力通信インタフェース、他のコンピュータシステム、テレビ、および／または本明細書に記載される任意の他のデバイスを含む。所望の機能および他の実装上の問題の両方または一方に応じて、携帯電子デバイスまたは同様のデバイスは、通信サブシステム６３０を介して画像および他の情報の両方または一方を通信する。他の実施形態では、携帯電子デバイスは、コンピュータシステム６００、例えば製造コンピュータシステムに、入力デバイス６１５として組み込まれる。多くの実施形態では、コンピュータシステム６００は、作業メモリ６３５をさらに備え、作業メモリ６３５は、上述のように、ＲＡＭまたはＲＯＭデバイスを含むことができる。

コンピュータシステム６００は、オペレーティングシステム６４０、デバイスドライバ、実行可能ライブラリ、および／または１つ以上のアプリケーションプログラム６４５などの他のコードを含む、作業メモリ６３５内に現在配置されているように示されるソフトウェア要素も含むことができ、１つ以上のアプリケーションプログラム６４５は、様々な実施形態によって提供されるコンピュータプログラムを含み、および／または、本明細書で説明するように、他の実施形態によって提供される方法を実装するとともにシステムを構成するかまたは他の実施形態によって提供される方法を実装するかもしくはシステムを構成するように設計される。一例として、図４Ａ及び図４Ｂに関連して説明したものなど、上述した方法に関して説明した１つ以上の手順を、コンピュータおよびコンピュータ内のプロセッサまたはコンピュータもしくはコンピュータ内のプロセッサによって実行可能なコードおよび命令またはコードもしくは命令として実装し、そして、ある態様では、このようなコードおよび命令またはコードもしくは命令を使用して、記載の方法による１つ以上の動作を実行するように汎用コンピュータまたは他のデバイスを構成して採用するかまたは構成するかもしくは採用することができる。

一連のこれらの命令およびコードまたは命令もしくはコードは、上述の記憶デバイス６２５などの非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶される。場合によっては、記憶媒体は、コンピュータシステム６００などのコンピュータシステム内に組み込まれる。他の実施形態では、記憶媒体は、コンピュータシステムから分離され、例えば、コンパクトディスクなどのリムーバブル媒体であり、ならびに／または、記憶媒体が、その上に格納された命令／コードを用いて汎用コンピュータをプログラム、構成、および／もしくは適合させるために使用されることができるようにインストールパッケージ内にて提供される。これらの命令は、コンピュータシステム６００によって実行可能である実行可能コードの形態をとり、ならびに／または、コンピュータシステム６００上でのコンパイル時およびインストール時の両方もしくはいずれかの時に、一般的に入手可能なさまざまなコンパイラ、インストールプログラム、圧縮／解凍ユーティリティなどの任意のものを使用すると実行可能コードの形態になる、ソースコードおよびインストール可能コードの両方もしくは一方の形態をとる。

特定の要件に従って実質的な変形例がなされることは当業者には明らかである。例えば、カスタマイズされたハードウェアもまた使用され、および／または、特定の要素は、ハードウェア、アプレット等のポータブルソフトウェアを含むソフトウェア、またはその両方において実装される。さらに、ネットワーク入力／出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイスへの接続を採用する。

上述のように、一態様では、いくつかの実施形態は、本技術の様々な実施形態による方法を実行するためにコンピュータシステム６００などのコンピュータシステムを採用する。一組の実施形態によれば、そのような方法の手順のいくつかまたはすべては、１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを実行するプロセッサ６１０に応答してコンピュータシステム６００によって実行され、これは、オペレーティングシステム６４０および作業メモリ６３５に含まれるアプリケーションプログラム６４５などの他のコードまたはオペレーティングシステム６４０もしくは作業メモリ６３５に含まれるアプリケーションプログラム６４５などの他のコードに組み込まれる。そのような命令は、１つ以上の記憶装置６２５などの別のコンピュータ可読媒体から作業メモリ６３５に読み込まれる。一例として、作業メモリ６３５に含まれる命令のシーケンスの実行は、プロセッサ６１０に、本明細書に記載の方法の１つ以上の手順を実行させる。追加的または代替的に、本明細書に記載の方法の一部は、専用のハードウェアを介して実行される。

本明細書で使用される場合、「機械可読媒体」および「コンピュータ可読媒体」という用語は、機械を特定の方法で動作させるデータを提供することに関与する任意の媒体を指す。コンピュータシステム６００を使用して実施される一実施形態では、様々なコンピュータ可読媒体が、実行のためのプロセッサ６１０への命令／コードの提供に関与し、および／または、そのような命令／コードを格納して搬送するかまたは格納するかもしくは搬送するために使用される。多くの実施態様では、コンピュータ可読媒体は物理的記憶媒体および有形の記憶媒体または物理的記憶媒体もしくは有形の記憶媒体である。そのような媒体は、不揮発性媒体または揮発性媒体の形態をとる。不揮発性媒体は、例えば、記憶デバイス６２５などの光ディスクおよび磁気ディスクまたは光ディスクもしくは磁気ディスクを含む。揮発性媒体は、作業メモリ６３５などの動的メモリを含むが、これに限定されない。

物理的コンピュータ可読媒体および有形のコンピュータ可読媒体または物理的コンピュータ可読媒体もしくは有形コンピュータ可読媒体の一般的な形態には、例えば、フロッピーディスク（登録商標）、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、または任意の他の磁気媒体、ＣＤ‐ＲＯＭ、任意の他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンを持つ任意の他の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ‐ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、または、コンピュータが命令およびコードの両方もしくは一方を読み取ることができる任意の他の媒体が含まれる。

様々な形態のコンピュータ可読媒体は、実行のために１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスをプロセッサ６１０に運ぶことに関与する。一例として、命令は最初にリモートコンピュータの磁気ディスクおよび光ディスクまたは磁気ディスクもしくは光ディスクに運ばれる。リモートコンピュータは、命令をその動的メモリにロードし、命令を、伝送媒体を介して、コンピュータシステム６００によって受信および実行または受信もしくは実行されることになる信号として送信する。

通信サブシステム６３０およびその構成要素の両方または一方は、一般に信号を受信し、そして、バス６０５は、信号および／または信号によって運ばれるデータ、命令などを作業メモリ６３５に運び、プロセッサ６１０は命令をそこから検索して実行する。作業メモリ６３５によって受信された命令は、プロセッサ６１０による実行の前または後のいずれかに、非一時的記憶デバイス６２５に任意選択的に記憶される。

上述の方法、システム、およびデバイスは例である。様々な構成は、適宜、様々な手順または構成要素を省略、置換、または追加する。例えば、代替構成では、方法は、説明されたものとは異なる順序で実行され、ならびに／または様々な段階が追加、省略、および／もしくは組み合わされる。また、特定の構成に関して説明された特徴は、他の様々な構成において組み合わされる。構成の、異なる態様および要素は、同様の方法で組み合わされる。また、技術は進化し、したがって、要素の多くは例であり、本開示または特許請求の範囲を限定するものではない。

実施態様を含む例示的な構成の徹底的な理解を提供するために、説明において具体的な詳細が与えられる。しかし、構成はこれらの具体的な詳細がなくても実施される。例えば、構成を不明瞭にすることを回避するために、不必要な詳細なしに、周知の回路、プロセス、アルゴリズム、構造、および技法が示されている。この説明は例示的な構成のみを提供するものであり、特許請求の範囲、適用性、または構成を限定するものではない。むしろ、構成に関する前述の説明は、説明された技法を実装するための、実施可能にする説明を当業者に提供する。本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置に様々な変更を加える。

また、構成は、流れ図またはブロック図として示されるプロセスとして説明される。それぞれが動作を逐次プロセスとして説明するが、動作の多くは並行してまたは同時に実行することができる。さらに、動作の順序は並べ替えられる。プロセスは、図に含まれていない追加のステップを有している。さらに、方法の例は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組み合わせによって実装される。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードで実装されるとき、必要なタスクを実行するためのプログラムコードまたはコードセグメントは、記憶媒体などの非一時的コンピュータ可読媒体に格納される。プロセッサは、記述されたタスクを実行する。

前述のモデルの有用性をより具体的に明らかにするための例示的な例。（１）ＭＯＥ用途に関して、耐火材料組成／性質および容器の熱的動作条件の両方における変更が提案される。（２）設計を変更するか否かを今評価するためのモデル、導電性要素（および耐火性ベース内の関連するアパーチャ）の数およびパターン配置または数もしくはパターン配置は、リークフリー集電体集合体を確実にするために必要である。第１のステップは、モデルに対する入力として、新しい動作条件、新しい耐火性材料の特性、および導電性要素の試行の数および配置（試行の数などは通常、以前に成功したリークフリー集合体に関連付けられる）をとり（４０８）、第１の熱分布を計算する（４１２）。動作条件、特性などの図示例は、典型的には以下のようであるが、これらに限定されるわけではない。すなわち、要素は、１．２７ｃｍ（半インチ）の断面および１７．７８ｃｍ（７インチ）の長さの軟鋼であり、耐火性ベースは、１Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率および１７．７８ｃｍ（７インチ）のｔｂを有し、動作電流は４６００アンペアであり、金属は１６５０℃の温度に保持されるように精製される。次のステップは、この例では、この最初に計算された熱分布と所与のプロセス制約（例えば、集合体のどこかの最高温度、活性領域と耐火性ベースへの所定の「深さ」（ｔｂの一部）との間の境界に対する特定温度の等温位置、安全性要因等）の比較（４１４）であり、得られる温度が高すぎると判断される。次に、要素の数、パターンの更新（４１６）がなされ、モデルへの入力および熱分布が再計算される（４１２）。必要であれば、さらなる反復（４１０）が実行され、要素の「正しい」数および配置等へと結論付けられ（４２０）、配置が制約を満たす（４１８）。この特定の例では、その配置は図３に示すものである。

いくつかの例示的な構成を説明してきたが、本開示の趣旨から逸脱することなく、様々な修正、代替構造、および均等物を使用する。例えば、上記の要素は、より大きなシステムの構成要素とし、他の規則が本技術の応用よりも優先されるか、または別様に本技術の応用を修正する。また、上記の要素が考慮される前、その間、またはその後に、いくつかのステップが行われる。したがって、上記の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないと特に指示しない限り、複数への言及を含む。したがって、例えば、「１つの材料」への言及は、複数のそのような材料を含み、「１つのプロセッサ」への言及は、１つ以上のプロセッサおよび当業者に知られているその均等物への言及を含み、その他も同様である。

また、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、および「含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるとき、述べられた特徴、完全体、構成要素、またはステップの存在を特定することを意図しているが、それらは、１つ以上の他の特徴、完全体、構成要素、ステップ、作用、またはグループの存在または追加を排除しない。

いくつかの実施形態を参照して本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載の本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができ、他の種類の冶金容器への拡張を行うことができることは当業者には理解されよう。

Claims (8)

1. 集電体集合体の製造方法であって、
   導電性要素の可変数および配置を含む受信入力を利用してコンピュータ上でモデルを反復的に解いて仮定の集電体集合体内の熱分布を出力として決定することと、
   前記モデルに対する解として、前記仮定の集電体集合体内に含まれる熱分布を生成する、集電体と結合された導電性要素の数および配置を特定することと、
   前記集電体集合体を製造することと
   を備え、
   前記集電体集合体は、前記モデルに対する解として特定された導電性要素の前記数および配置を受容するように構成されたパターンで、前記集電体集合体の耐火性ベース内に、規定の複数のアパーチャを備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記モデルを反復的に解くことは、
   入力のうちの少なくとも１つとして導電性要素の初期数および配置を受信することと、
   所与の金属含有材料および前記集電体集合体についての物理的および電気的特性のデータベースにアクセスすることと、
   前記モデルに対する制約を定義することと、
   導電性要素の前記数および配置を更新しながら、前記仮定の集電体集合体内の前記熱分布を繰り返し計算することと
   を備える、方法。
3. 請求項２記載の方法において、更に、
   前記仮定の集電体集合体内の前記熱分布を、前記モデルに対して定義された制約と繰り返し比較することと、
   前記モデルに対して定義された制約を満たし、前記仮定の集電体集合体内に含まれる熱分布を提供する導電性要素の数および配置を決定することと
   を備える、方法。
4. 請求項２に記載の方法において、
   前記熱分布を繰り返し計算することは、少なくとも以下の式
   

   

   （ρＣ_Ｐは密度×比熱、Ｔは温度、ｔは時間、ｋは熱伝導率、および
   

   

   は体積熱発生率である）に対する解に基づいて、前記仮定の集電体集合体内の前記熱分布を決定することを備える、方法。
5. 請求項２に記載の方法において、
   前記モデルに対する制約を定義することは、前記集電体と接触する表面と反対側の前記集合体の表面における前記集合体の温度、前記仮定の集電体集合体からの総熱流、前記仮定の集電体集合体を備える冶金容器内の材料の最高温度、または、前記冶金容器で利用されるすべての材料の最低溶融温度により特徴付けられて前記冶金容器で利用される材料の溶融温度の位置のうちの少なくとも１つを定義することを含む、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、
   前記導電性要素が、銀、銅、金、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、真鍮、青銅、鉄、白金、炭素含有材料、鉛、および鋼からなる群から選択される材料を備える、方法。
7. 請求項２に記載の方法において、更に、
   前記導電性要素を介して提供される電流の入力を受信することを備える、方法。
8. 請求項２に記載の方法において、
   前記モデルを反復的に解くことは、前記仮定の集電体集合体と接触している前記所与の金属含有材料の融点における等温線のグラフィック描写を出力することを備える、方法。

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