BRPI0803326B1 - Improvement in the device for continuous measurement of liquid metal temperature using optical process - Google Patents
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Abstract
aperfeiçoamento no dispositivo para medição contínua de temperatura de metal líquido utilizando processo óptico. o dispositivo desenvolvido para fixação do sensor óptico e centralização da cabeça sensora (32) do dispositivo para medição contínua de temperatura de metal líquido, utilizando processo óptico, é constituído de um anel de alinhamento e fixação do sensor (29) com orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30) e uma lente de proteção (31) para facilitar a leitura da temperatura no tubo cerâmico (13). as vantagens da realização da medição com este dispositivo são: maior proteção da lente de proteção (31) contra impurezas do ar atmosférico, tais como: umidade, poeira e óleo; melhor alinhamento e fixação da cabeça sensora (32); confiabilidade do ponto de leitura no tubo cerâmico (13); redução do tempo de exposição do operador a altas temperaturas; aumento da segurança operacional; redução do custo operacional; redução do custo de manutenção; maior confiabilidade da medição.Improvement in the device for continuous measurement of liquid metal temperature using optical process. The device developed for fixing the optical sensor and centering the sensor head (32) of the continuous liquid metal temperature measuring device using an optical process is made up of a sensor alignment and fixing ring (29) with through-holes. drag and cooling gas (30) and a protective lens (31) for easy reading of the temperature in the ceramic tube (13). The advantages of measuring with this device are: increased protection of the protective lens (31) against atmospheric air impurities such as moisture, dust and oil; better alignment and fixation of the sensor head (32); reliability of the reading point in the ceramic tube (13); reduced operator exposure time at high temperatures; increased operational safety; reduction of operating cost; reduction of maintenance cost; greater measurement reliability.
Description
(54) Título: APERFEIÇOAMENTO NO DISPOSITIVO PARA MEDIÇÃO CONTÍNUA DE TEMPERATURA DE METAL LÍQUIDO UTILIZANDO PROCESSO OPTICO (51) Int.CI.: G01J 5/04 (73) Titular(es): USINAS SIDERÚRGICAS DE MINAS GERAIS S.A. - USIMINAS (72) Inventor(es): JOSÉ RAPOSO BARBOSA; LUIS FERNANDO MARZANO; MARLON ODILON XAVIER SILVA; ALOISIO DA SILVA GOMES; FABIANO CORRÊA MARTINS (85) Data do Início da Fase Nacional: 07/05/2008(54) Title: IMPROVEMENT IN THE DEVICE FOR CONTINUOUS MEASUREMENT OF LIQUID METAL TEMPERATURE USING OPTICAL PROCESS (51) Int.CI .: G01J 5/04 (73) Holder (s): STEEL PLANTS OF MINAS GERAIS SA - USIMINAS (72) Inventor (s): JOSÉ RAPOSO BARBOSA; LUIS FERNANDO MARZANO; MARLON ODILON XAVIER SILVA; ALOISIO DA SILVA GOMES; FABIANO CORRÊA MARTINS (85) National Phase Start Date: 07/05/2008
1/8 “APERFEIÇOAMENTO NO DISPOSITIVO PARA MEDIÇÃO CONTÍNUA DE TEMPERATURA DE METAL LÍQUIDO UTILIZANDO PROCESSO ÓPTICO”1/8 “IMPROVEMENT IN THE DEVICE FOR CONTINUOUS MEASUREMENT OF LIQUID METAL TEMPERATURE USING OPTICAL PROCESS”
Como são grandes as dificuldades para se medir as temperaturas durante os processos que envolvem a manipulação de metais líquidos nos convertedores, nas panelas e nos distribuidores do lingotamento contínuo, são utilizadas várias técnicas para monitoramento dessas temperaturas, como por exemplo, termopares especiais de platina, de ligas de metais nobres ou pirômetro óptico. No caso do processo de solidificação no lingotamento contínuo, onde requer uma medida contínua da temperatura, a fim de se obter um melhor controle operacional das máquinas de lingotamento e qualidade das placas produzidas, faz-se necessário a medição precisa da temperatura de forma contínua.As there are great difficulties in measuring temperatures during processes involving the handling of liquid metals in converters, pans and continuous casting machines, various techniques are used to monitor these temperatures, such as special platinum thermocouples, noble metal alloys or optical pyrometer. In the case of the solidification process in the continuous casting, where it requires a continuous temperature measurement, in order to obtain a better operational control of the casting machines and the quality of the produced slabs, it is necessary to measure the temperature continuously.
Os pedidos de patente depositados no INPI sob os números PI-0104773 e PI-0502779-9, referem-se ao método de medição contínua de temperatura em processos de elevada temperatura, utilizado com pirômetro óptico infravermelho que está baseado na emissão de luz por um material qualquer, tendo um sensor para captar esta luz emitida. A luz é transportada através de fibra óptica até um conversor de sinal (óptico para elétrico). Os valores lidos são processados no conversor de sinal, que é uma unidade eletrônica, e utiliza uma equação matemática para fazer os cálculos e fornecer a temperatura. Este sistema consiste basicamente de umPatent applications filed with the INPI under the numbers PI-0104773 and PI-0502779-9, refer to the method of continuous temperature measurement in high temperature processes, used with an infrared optical pyrometer that is based on the emission of light by a any material, having a sensor to capture this emitted light. The light is transported through optical fiber to a signal converter (optical to electrical). The read values are processed in the signal converter, which is an electronic unit, and uses a mathematical equation to make the calculations and supply the temperature. This system basically consists of a
2/8 dispositivo de medição, um posicionador articulável, um dispositivo de conversão de sinal e um sistema de controle.2/8 measuring device, an articulated positioner, a signal conversion device and a control system.
O dispositivo de medição se interliga mecanicamente ao posicionador articulável e, eletricamente, ao dispositivo de conversão de sinal.The measuring device is mechanically connected to the articulated positioner and, electrically, to the signal conversion device.
A unidade óptica, unidade de medição propriamente dita, compreende um sensor óptico, tubo de fixação, mangueira de aço e fibra óptica. Esta leva o sinal do sensor óptico até o dispositivo de conversão de sinal, que o envia, como sinal elétrico, para o sistema de controle.The optical unit, the measuring unit itself, comprises an optical sensor, fixing tube, steel hose and fiber optics. This takes the signal from the optical sensor to the signal conversion device, which sends it as an electrical signal to the control system.
O tubo de medição é um tubo cerâmico que, mergulhado no metal líquido, funciona como campo luminoso de visão para o sensor óptico.The measuring tube is a ceramic tube that, immersed in the liquid metal, acts as a luminous field of view for the optical sensor.
Para se processar a medição, o sistema é manipulado 15 pelo posicionador articulado, de forma a ficar situado sobre o distribuidor e movimentado até que o tubo cerâmico de medição mergulhe no banho de metal líquido até uma profundidade preestabelecida. O ajuste da distância do sensor óptico à extremidade do tubo de medição imersa no metal líquido, aliado ao perfil interno característico desse tubo de medição e o alinhamento do sensor, fazem com que esse sensor focalize o campo de visão desejado.In order to process the measurement, the system is manipulated by the articulated positioner, so that it is located on the distributor and moved until the ceramic measuring tube plunges into the liquid metal bath to a pre-established depth. The adjustment of the distance from the optical sensor to the end of the measuring tube immersed in the liquid metal, combined with the characteristic internal profile of this measuring tube and the alignment of the sensor, make this sensor focus on the desired field of view.
Este método mostrou-se mais vantajoso economicamente em relação ao uso do sensor de platina do tipo B (Termopar), porém, apresentou alguns problemas técnicos e operacionais, tais como: deficiência no alinhamento do sensor com oThis method proved to be more economically advantageous in relation to the use of the type B platinum sensor (Thermocouple), however, it presented some technical and operational problems, such as: deficiency in the alignment of the sensor with the
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tubo cerâmico; refrigeração ideal para a fibra óptica e o sensor sem comprometer a medição; necessidade de redução da sílica presente no interior do tubo cerâmico; variação da pressão do gás que refrigera o sensor e a fibra óptica; interferência na medição durante a variação do nível de aço líquido; fixação e alinhamento do sensor no tubo de aço inox.ceramic tube; ideal cooling for the optical fiber and the sensor without compromising the measurement; need to reduce the silica present inside the ceramic tube; variation of the pressure of the gas that cools the sensor and the optical fiber; measurement interference during the variation of the liquid steel level; fixing and aligning the sensor on the stainless steel tube.
A presente invenção tem por objetivo solucionar esses problemas e viabilizar a aplicação de instrumentos ópticos para a medição contínua de temperatura em processos que envolvem elevadas temperaturas, como no caso do lingotamento contínuo. O dispositivo desenvolvido possibilita a adaptação e a proteção tanto para o tubo de medição quanto para o instrumento óptico.The present invention aims to solve these problems and enable the application of optical instruments for continuous temperature measurement in processes that involve high temperatures, as in the case of continuous casting. The developed device allows adaptation and protection for both the measuring tube and the optical instrument.
Este dispositivo é ilustrado nas figuras 1 e 2, onde:This device is illustrated in figures 1 and 2, where:
1. metal líquido1. liquid metal
2. distribuidor2. distributor
3. dispositivo de medição3. measuring device
4. manipulador articulável4. articulating manipulator
5. sistema de controle5. control system
6. braço do manipulador e entrada de gás de refrigeração e arraste6. manipulator arm and coolant gas inlet and drag
7. fibra óptica7. optical fiber
8. conversor óptico de sinal8. optical signal converter
9. mangueira de aço9. steel hose
10. niple de fixação do sensor óptico10. optical sensor fixing nipple
11. tubo de fixação e refrigeração do sensor óptico11. optical sensor fixing and cooling tube
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12. tubo guia para cerâmica de medição12. guide tube for measuring ceramic
13. tubo cerâmico13. ceramic tube
14. furos de saída do gás de refrigeração e arraste14. coolant outlet holes and drag
15. haste de trava15. lock rod
16. articulações da haste de trava16. lock rod joints
17. porcas borboleta para fixação da haste17. wing nuts for fixing the rod
18. tampa de acesso para manutenção18. maintenance access cover
19. termopar para monitoramento da temperatura do sensor óptico19. thermocouple for monitoring the temperature of the optical sensor
20. base de assentamento do tubo cerâmico20. ceramic tube laying base
21. controlador de temperatura interna do sensor21. internal sensor temperature controller
22. sinalizador audiovisual22. audiovisual signal
23. indicador local de temperatura contínua23. local continuous temperature indicator
24. controlador lógico programável da máquina de lingotamento24. Casting machine programmable logic controller
25. estação supervisória25. supervisory station
26. computador de processo26. process computer
27. jaqueta com refrigeração27. jacket with cooling
28. gás de refrigeração e arraste28. coolant gas and drag
29. anel de alinhamento e fixação do sensor29. sensor alignment and fixing ring
30. orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste30. cooling gas through-holes and drag
31. lente de proteção31. protective lens
32. cabeça sensora32. sensor head
33. conexão33. connection
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34. base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor.34. alignment ring support base and sensor fixation.
O dispositivo, para realizar a medição de temperatura, utiliza uma jaqueta com refrigeração (27), sendo esta refrigerada através de um gás de refrigeração e arraste (28), protegendo a cabeça sensora (32). Esta cabeça sensora (32) é conjugada com uma fibra óptica (7) e um conversor óptico de sinal (8) (óptico para elétrico). A cabeça sensora (32) é focada dentro de um tubo cerâmico (13) em alumina grafitada prensada, com capacidade de promover uma rápida condutividade térmica e luminosa, propiciando assim uma leitura precisa da temperatura do metal líquido (1) no distribuidor (2).,A vida útil deste tubo cerâmico (13) depende das características do aço em produção. Em média dura 24h, podendo atingir um tempo maior.The device, to perform the temperature measurement, uses a jacket with cooling (27), which is cooled by means of a cooling gas and drag (28), protecting the sensor head (32). This sensor head (32) is combined with an optical fiber (7) and an optical signal converter (8) (optical to electrical). The sensor head (32) is focused inside a ceramic tube (13) in pressed graphite alumina, capable of promoting a fast thermal and luminous conductivity, thus providing an accurate reading of the temperature of the liquid metal (1) in the distributor (2) ., The useful life of this ceramic tube (13) depends on the characteristics of the steel being produced. On average it lasts 24 hours, and can reach a longer time.
Foi desenvolvido um sistema de refrigeração da fibra óptica (7) e da cabeça sensora (32) com o objetivo também de fazer o arraste das partículas de sílica no interior do tubo cerâmico (13). Foi adaptado à cabeça sensora (32) um anel de alinhamento e fixação do sensor (29), a fim de garantir a centralização da cabeça sensora (32) e o ponto de leitura no tubo cerâmico (13).A cooling system for the optical fiber (7) and the sensor head (32) was also developed with the objective of also dragging the silica particles inside the ceramic tube (13). A sensor alignment and fixation ring (29) was adapted to the sensor head (29), in order to guarantee the centralization of the sensor head (32) and the reading point in the ceramic tube (13).
Ao longo do anel de alinhamento e fixação do sensor (29), foram feitos orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30).Throughout the sensor alignment and fixation ring (29), cooling gas and drag gas holes were made (30).
O gás de refrigeração e arraste (28), ao passar pelos orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30), forma umaThe coolant and drag gas (28), when passing through the coolant gas and drag holes (30), forms a
6/8 cortina de proteção da lente de proteção (31), impedindo que impurezas do ar atmosférico, tais como: umidade, poeira e óleo, venham prejudicar a eficiência da leitura da cabeça sensora (32), mantendo a lente de proteção (31) limpa.6/8 protective lens protection curtain (31), preventing atmospheric air impurities, such as: humidity, dust and oil, from impairing the reading efficiency of the sensor head (32), maintaining the protective lens (31 ) clean.
A lente de proteção (31), que pode ser de safira, quartzo ou outro material, tem por finalidade proteger a cabeça sensora (32) contra acidentes operacionais.The protection lens (31), which can be made of sapphire, quartz or other material, is intended to protect the sensor head (32) against operational accidents.
O anel de alinhamento e fixação do sensor (29), com orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30), tem por finalidade fixar e centralizar a cabeça sensora (32), apoiando-se na base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor (34).The sensor alignment and fixation ring (29), with refrigeration and drag gas through holes (30), has the purpose of fixing and centralizing the sensor head (32), resting on the support base of the alignment ring and fixing the sensor (34).
A cabeça sensora (32) é conectada ao anel, de alinhamento e fixação do sensor (29) e este, à lente de proteção (31).The sensor head (32) is connected to the ring, for aligning and fixing the sensor (29) and the sensor, to the protection lens (31).
Estando conectados a cabeça sensora (32) no anel de alinhamento e fixação do sensor (29) e este, à lente de proteção (31), o conjunto é posicionado na base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor (34).Since the sensor head (32) is connected to the sensor alignment and fixation ring (29) and this, to the protection lens (31), the set is positioned on the support base of the sensor alignment and fixation ring (34).
A conexão (33) exerce a função de fixar o anel de alinhamento e fixação do sensor (29) na base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor (34) e ao tubo de fixação e refrigeração do sensor óptico (11).The connection (33) has the function of fixing the alignment and fixing ring of the sensor (29) on the support base of the aligning and fixing ring of the sensor (34) and to the fixing and cooling tube of the optical sensor (11).
O princípio básico de funcionamento da cabeça sensora (32) consiste na leitura da radiação luminosa emitida por um material qualquer. A luz irradiada é lida pela cabeça sensora (32) e transportada através de uma fibra óptica (7) até um conversor ópticoThe basic principle of operation of the sensor head (32) consists of reading the light radiation emitted by any material. The radiated light is read by the sensor head (32) and transported through an optical fiber (7) to an optical converter
7/8 de sinal (8), que converte o sinal óptico para elétrico (saída de 4 a 20mA). A cabeça sensora (32) possui dois sensores que fazem as leituras simultaneamente. Os valores lidos são processados no conversor óptico de sinal (8), que é uma unidade eletrônica, e utiliza uma equação matemática para fazer os cálculos e fornecer a saída de temperatura do processo, que é proporcional à temperatura do tubo cerâmico (13). O resultado dessa equação independe da emissividade do tubo cerâmico (13), dependendo apenas do comprimento de onda gerado no interior do tubo cerâmico (13) aquecido, que é proporcional à temperatura que ele está submetido.7/8 signal (8), which converts the optical signal to electrical (4 to 20mA output). The sensor head (32) has two sensors that take the readings simultaneously. The read values are processed in the optical signal converter (8), which is an electronic unit, and uses a mathematical equation to make the calculations and provide the process temperature output, which is proportional to the temperature of the ceramic tube (13). The result of this equation does not depend on the emissivity of the ceramic tube (13), depending only on the wavelength generated inside the heated ceramic tube (13), which is proportional to the temperature it is subjected to.
Nesse sistema, para garantir a continuidade da medição, substitui-se apenas o tubo cerâmico (13) a cada troca do distribuidor (2), não sendo necessário trocar a cabeça sensora (32). Esta substituição é rápida e fácil.In this system, to guarantee the continuity of the measurement, only the ceramic tube (13) is replaced at each change of the distributor (2), it is not necessary to change the sensor head (32). This replacement is quick and easy.
As vantagens da realização da medição com este dispositivo são: maior proteção e eficiência na limpeza da lente de proteção (31), evitando impurezas do ambiente de medição, tais como: umidade, poeira e óleo; melhor alinhamento e garantia da centralização da cabeça sensora (32); confiabilidade do ponto de leitura no tubo cerâmico (13); redução do tempo de exposição do operador a altas temperaturas; aumento da segurança operacional; redução do custo operacional; redução do custo de manutenção; maior confiabilidade da medição.The advantages of performing the measurement with this device are: greater protection and efficiency in cleaning the protective lens (31), avoiding impurities in the measurement environment, such as: moisture, dust and oil; better alignment and guarantee of centralization of the sensor head (32); reliability of the reading point on the ceramic tube (13); reduced operator exposure time to high temperatures; increased operational security; reduction of operating cost; reduction of maintenance cost; greater measurement reliability.
O dispositivo está isento das interferências do operador no que diz respeito à medição e ao manuseio durante aThe device is free from operator interference with regard to measurement and handling during
8/8 substituição do tubo cerâmico (13), pois a cabeça sensora (32) foi montada de tal forma que os impactos externos não causam nenhum dano no momento da troca do tubo cerâmico (13).8/8 replacement of the ceramic tube (13), since the sensor head (32) was mounted in such a way that the external impacts do not cause any damage when changing the ceramic tube (13).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of an application: publication of a patent application or of a certificate of addition of invention | ||
| B06A | Notification to applicant to reply to the report for non-patentability or inadequacy of the application according art. 36 industrial patent law | ||
| B09A | Decision: intention to grant | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted |
Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 10 (DEZ) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 11/09/2018, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS. |