BR102012003374A2

BR102012003374A2 - Aparelho para detectar e exibir níveis variáveis de um metal em fusão

Info

Publication number: BR102012003374A2
Application number: BR102012003374-7A
Authority: BR
Inventors: Guido Michelon; Luca Cestari; Antonio Sgro; Flavio Dal Corso; Enrico Borsato
Original assignee: Sms Concast Ag
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2014-01-07
Also published as: CN102650543A; US20130042991A1; EP2492650A1; RU2012105034A; TW201235642A; MX2012001133A; EP2492650B1; JP2012179654A; CA2764987A1; KR20120098407A

Abstract

APARELHO PARA DETECTAR E EXIBIR NÍVEIS VARIÁVEIS DE UM METAL EM FUSÃO A presente invenção refere-se a um aparelho usado para detectar e exibir níveis variáveis de um metal em fusão, por exemplo, em um molde de fundição contínua, uma panela intermediária, um lingote ou similares.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO PARA DETECTAR E EXIBIR NÍVEIS VARIÁVEIS DE UM METAL EM FU- SÃO".

A presente invenção refere-se a um aparelho usado para detec- tar e exibir níveis variáveis de metal em fusão, por exemplo, em um molde de fundição contínua, uma panela intermediária, um lingote ou similares.

Em um processo de fundição contínua, é necessário detectar o nível de um metal em fusão, por exemplo, em um molde correspondente, pois a qualidade da barra de metal fundido está relacionada, entre outras coisas, à constância do nível de metal em fusão no dito molde.

Há inúmeros métodos e equipamentos correspondentes para es- tabelecer o nível de líquidos que fluem, como sensores de nível de capaci- tância, métodos ultrassônicos, medições magneto-restritivas, sensores de nível de condução. Todos eles têm desvantagens quando usados para de- 15 tectar o nível de um metal em fusão em um molde durante a fundição contí- nua. Um importante problema é a elevada temperatura do metal em fusão (cerca de 1.500°C), além da confiabilidade desses métodos e equipamentos. Para os fins mencionados, é desejável determinar o nível do metal em fusão com uma certeza de pelo menos ± 3 mm.

A EP 0 859223A1 ensina a detectar o nível de um metal em fu-

são dentro de um molde por medição da extensão em que a radiação gama emitida por uma fonte de isótopo montada de um lado do molde é atenuada pelo dito metal em fusão dentro do molde. O aparelho correspondente com- preende uma fonte de fótons de radiação de um lado e um arranjo de detec- 25 tores de radiação do lado oposto do molde, assim como meios para a conta- gem do número de fótons incidentes recebidos por cada detector na unidade de tempo e fornecimento, a partir daí, um valor para a altura do metal em fusão dentro do molde. Apenas detectores acima do nível do metal em fusão recebem um sinal.

Embora esse método baseado em raios gama tenha sido usado

no passado, ainda há demanda para aumentar a precisão e reprodutibilidade dessa medição. Consequentemente, é um objetivo da presente invenção apre- sentar um método e/ou aparelho que permita estabelecer pelo menos o nível de um metal em fusão em um molde como parte de um processo de fundi- ção contínua tão precisa e reprodutivelmente quanto possível.

Durante o intenso trabalho de pesquisa e os testes, ficou claro

que um fator decisivo que limita a precisão dos métodos e aparelhos conhe- cidos é a existência de outros componentes na área da superfície do metal em fusão, compreendendo, entre outros, pó lubrificante (pó de molde), que poderia estar presente em uma fase líquida, sólida e/ou mista. Esses materi- 10 ais, comumente chamados de escória daqui por diante, podem causar varia- ção e diferente atenuação da radiação gama e, portanto, influenciar a preci- são e reprodutibilidade das medições correspondentes.

Embora esse problema já seja mencionado na EP 0859223A1, não é suficientemente resolvido pelo aparelho conhecido. A fonte radioativa 15 pontual só permite que recebam sinal aqueles detectores que estejam dis- postos acima da linha da fonte pontual para o nível do aço. Além disso, a sensibilidade na medição é igual ao comprimento linear do arranjo de detec- tores, e a incerteza da medição do nível é igual a, pelo menos, o comprimen- to dos respectivos detectores. Com um dimensionamento miniaturizado cor- 20 respondente dos detectores, esse problema pode ser reduzido, mas com a conseqüência de uma quantidade correspondentemente maior de detectores para completar o comprimento linear necessário, aumentando os custos.

Descobriu-se agora que a instalação de pelo menos uma fonte de radiação, disposta de um lado do molde ao longo de um comprimento 25 distinto em uma direção longitudinal, pode superar esses problemas. Ela permite detectar não apenas a posição da coluna de metal, mas também a presença e a espessura da camada de escória associada. Isso aumenta ca- racteristicamente a confiabilidade e a reprodutibilidade das medições corres- pondentes e permite realizar o processo de fundição contínua com uma pre- 30 cisão muito maior, melhorando a qualidade dos respectivos produtos semia- cabados, como tarugos, chapas, etc.

Tal fonte de radiação alongada permite emitir fótons de radiação ao longo do comprimento linear correspondente, em vez de uma emissão pontual na direção do lado oposto do molde, equipado com detectores sen- síveis ao longo de um segundo comprimento linear na direção longitudinal.

A direção longitudinal é definida como a direção do fluxo de me- tal que entra no molde, sendo tipicamente vertical.

Em sua modalidade mais genética, a invenção refere-se a um aparelho que simultaneamente detecta e exibe níveis variáveis de um metal em fusão e camada de escória associada em um molde de fundição contí- nua, compreendendo:

. pelo menos uma fonte de radiação, disposta de um lado do

molde ao longo de um primeiro comprimento distinto, em uma direção longi- tudinal e emitindo fótons de radiação na direção do lado oposto do molde;

. pelo menos uma série de detectores sensíveis, dispostos um adjacente ao outro ao longo de um segundo comprimento distinto na dita direção longitudinal no lado oposto do molde;

. cada detector estando disposto para receber fótons incidentes emitidos por todo o primeiro comprimento pela dita fonte de radiação.

Em uma modalidade, os términos (extremidades) dos ditos pri- meiro e segundo comprimentos distintos estão dispostos acima e abaixo de um nível máximo e mínimo estimado a ser detectado.

A(s) fonte(s) radioativa(s) linearmente estendida(s) permite(m) que todos os elementos detectores (entre outros, cristais que sejam sensí- veis à dita radioatividade) no lado receptor (a extremidade receptora) do molde sejam capazes de detectar um sinal individual variável, dependendo da posição do respectivo nível do metal em fusão (aço em fusão) e escória.

A fonte de radiação pode ser uma fonte unitária, modelada, por exemplo, como uma haste, ou projetada como inúmeras fontes de radiação menores, dispostas uma próxima à outra, para formar uma coluna corres- pondente. As fontes individuais podem até ser fontes de radiação "pontuais", 30 mas dispostos em um número correspondente para formar uma fileira de um certo comprimento.

O fluxo de fótons entre a fonte e cada detector é atenuado por um fator:

e-dx μχ

em que μχ é o coeficiente de amortecimento do material através do qual os fótons passam, com pa para ar, μρ para um pó específico e μιτι para um certo metal em fusão, e dx é a espessura do respectivo material. Devido às propriedades físicas do ar, pó e metal em fusão pa Φ μρ Φ pm.

Como resultado, cada detector (os detectores/meios de cintila- ção estão dispostos lado a lado ao longo de certo comprimento) receberá um sinal diferente da fonte de radiação linearmente orientada, na medida em 10 que esses detectores estejam mascarados de forma diferente pelo metal em fusão e/ou escória entre eles. Em outras palavras, o arranjo da invenção permite receber verticalmente sinais independentes por cada detector, de- pendendo da posição de cada detector com relação ao metal em fusão e/ou qualquer camada de pó/escória.

Isso será adicionalmente descrito com relação às figuras anexas.

Por comparação dos respectivos dados de radiação recebidos pelos vários detectores e avaliação desses dados por componentes detecto- res associados, como semicondutores, assim como um algoritmo correspon- dente, o nível exato do metal em fusão e da escória podem ser respectiva- mente extraídos por uma calibração correspondente (algoritmo, software).

Isso é conseqüência da atenuação variável causada pelo metal em fusão e pela escória, respectivamente. O metal em fusão e a escória têm diferentes poderes de mascaramento, relacionados a sua densidade e com- posição diferentes. Essas são as únicas variáveis relevantes no sistema, 25 pois o tipo de fonte (por exemplo, cobalto 60 ou césio 137), a espessura da parede (incluindo a caixa de água que envolve o molde) e o trajeto da radia- ção (entre a fonte e cada detector respectivo) são constantes.

Está claro que as correspondentes medições têm de ser efetua- das regularmente para receber informação imediata de qualquer variação na altura dos respectivos níveis durante a função. Portanto, essas medições podem ser feitas continuamente ou a curtos intervalos de tempo. De acordo com uma modalidade, recomenda-se uma frequência de relógio entre 10 ms e 1 s. Além disso, um resultado confiável só é conseguido se as medições em todos os detectores forem feitas ao mesmo tempo para evitar que dife- rentes níveis do metal em fusão sejam comparados pela análise dos dados do detector.

Pela comparação dos sinais de cada detector em um momento

definido, é possível extrair, por assim dizer, simultaneamente e com alta re- solução o nível do metal em fusão e a espessura de qualquer outro material depositado sobre ele (a espessura da "escória"). O novo arranjo permite uma resolução de até 3 ou mesmo 1 mm.

De acordo com o novo aparelho, o tamanho (comprimento) de

cada detector não está mais diretamente relacionado aos dados de medição e a sua imprecisão, tornando possível, dessa forma, usar detectores de ta- manho razoável em um número limitado, por exemplo, 3 a 15, alternativa- mente um mínimo de 4 ou 5 e um máximo de 6, 7, 8 ou 10, embora muitos 15 mais possam ser usado (entre outros, dependendo de seu tamanho para cobrir a dita extensão linear).

Esse número relativamente pequeno de detectores e o pequeno tamanho do cristal permitem projetar um circuito eletrônico de leitura inte- grado adequado, factível eeconômico.

Em um sistema típico de fundição contínua, o nível do metal em

fusão e/ou escória pode variar em uma faixa de 100 a 300 mm. Isso leva a comprimentos lineares tanto da fonte de radiação, quanto da fileira de detec- tores em uma faixa correspondente, começando, de acordo com uma moda- lidade da invenção, com 50 mm, de preferência 100 mm, e terminando em 25 cerca de 400 mm, tipicamente entre 100 e 250 mm. De acordo com modali- dades adicionais, o comprimento axial (longitudinal) da fonte de radiação é maior que ou igual ao comprimento axial da fileira de detectores.

Meios de fótons à base de semicondutores, como multiplicado- res de fótons de silício (SiPM) ou contadores de fótons de multipixels (MPPC), podem ser usados em combinação com os detectores e um circuito eletrônico correspondente de leitura para avaliar os sinais/dados dos cristais detectores. Particularmente, o SiPM e o MPPC são de desenho muito pe- queno e permitem uma instalação extremamente próxima do próprio molde ou de um cartucho de molde. Na medida em que a distância entre a fonte de radiação e os detectores pode ser minimizada, ao mesmo tempo, a energia de radiação pode ser reduzida sem perda de precisão na medição. Eles Ie- 5 em os meios de cintilação e enviam esses dados para o circuito eletrônico (processador de dados).

Esse processador de dados (incluindo um algoritmo adequado) calcula os dados/sinais de maneira dependente do tempo e, desse cálculo, deriva o respectivo nível de metal em fusão e/ou da camada de escória as- sociada, de acordo com os sinais/dados coletados em um momento especí- fico.

Está dentro do âmbito desta invenção instalar mais de uma co- luna (fileira) de detectores, por exemplo, duas fileiras paralelas e com uma distância entre elas, permitindo, dessa forma, medir as flutuações tanto do menisco de aço líquido (metal em fusão), quanto da camada de escória. Ti- picamente, ambos não são perfeitamente planos, mas ondulados.

Conforme já mencionado, a fonte e/ou os detectores podem es- tar instalados em qualquer lugar fora da área de passagem do metal em fu- são, incluindo o invólucro metálico externo (feito principalmente de cobre) do molde, qualquer caixa de água que envolva o molde, etc.

A fonte é tipicamente instalada em uma blindagem (por razões de segurança, para evitar escape não intencional de radiação). Os detecto- res (meios de cintilação/cristais) podem ser montados dentro e fora da cami- sa de água mencionada.

Características adicionais são descritas nas reivindicações de-

pendentes e outros documentos do pedido, incluindo a seguinte descrição de uma modalidade específica, mostrada esquematicamente na:

figura 1: instalação de um aparelho em um molde corresponden- te de um processo de fundição contínua;

figuras 2a-2d: uma situação exemplificativa de medição.

Na figura 1, uma panela intermediária é simbolizada por 10, um bocal associado por 12. A extremidade inferior livre do bocal 12 entre por uma extremidade superior aberta do molde 14. Um pó lubrificante é periodi- camente fornecido ao molde, formando uma cobertura do tipo escória sobre o menisco do metal em fusão dentro do molde 14. O molde 14 está posicio- nado dentro de uma camisa resfriada a água 16. Isso tudo é tecnologia co- mum e não é adicionalmente descrito.

Dentro da dita camisa resfriada á água 16, uma fonte de radia- ção estendendo-se linearmente como uma haste 20, a saber, uma fonte de césio 137 de radiação gama, é disposta em uma direção vertical (seta V; correspondendo à direção de fluxo principal (seta M) do metal em fusão da 10 panela intermediária 10 para o molde 14 e daí para frente) de um lado do molde 14. O comprimento axial (na direção longitudinal, veja a seta V) é de 200 mm. A radiação é emitida por todo o comprimento da haste. Uma caixa para a dita fonte 20, para evitar radiação em qualquer outra direção que não através do molde 14, é obrigatória, mas comum e, consequentemente, não 15 mostrada.

Oito detectores 30.1 a 30.8 estão dispostos equidistantemente da fonte de emissão gama 20 ao longo de uma fileira, essa fileira estenden- do-se paralela (isto é, também em uma direção vertical) à fonte em forma de haste 20 de um lado oposto do molde 14. Cada detector (cristal) 30.1 a 30.8 20 tem um comprimento (na direção V, isto é, na direção longitudinal da dita coluna detectora) de 25 mm, somando, dessa forma, um comprimento total da dita coluna de 200 mm. Contrariamente à figura esquemática, não há ne- nhum espaço entre detectores adjacentes, mas cada detector é independen- te e pode receber qualquer sinal independentemente. Os términos (extremi- 25 dades) T1, T2 tanto da fonte 20, quanto da coluna de detectores 30.1 a 30.8 estão dispostos acima dos níveis mínimo e máximo esperados do metal em fusão e da escória.

Todas as figuras 2a a 2d caracterizam uma situação específica, em um momento específico, durante o processo de fundição, com um nível de metal em fusão simbolizado por ML, e um nível de escória por SL.

Nesse momento, a energia de fóton recebida por cada um dos oito detectores é medida e registrada. Pode-se ver, por comparação da figura 2a com a 2d, que dife- rentes detectores recebem diferentes sinais, causados pela diferente atenu- ação dos fótons gama recebidos.

Com referência à figura 2a, a linha A simboliza o trajeto dos fó- 5 tons da fonte 20 para o detector 30.1 atravessando apenas ar, sendo, por- tanto, atenuados pelo fator pa. O mesmo ocorre para fótons transportados ao longo da linha B. Os fótons que se deslocam ao longo da linha C primeiro passam pelo ar, então, pela camada de escória e, finalmente, por ar de no- vo, portanto, a atenuação correspondente é causada pelos fatores pa e μρ, 10 de acordo com suas respectivas participações ao longo do trajeto da radia- ção (distância entre a fonte e o detector). A linha D simboliza o trajeto de fótons que atravessam ar, metal em fusão e ar.

Como o fator de atenuação do metal em fusão, pm, é diferente do da escória (μρ), e ambos são diferentes de μθ (relacionado ao ar), e tam- 15 bém os respectivos comprimentos da passagem de ar, a passagem no metal em fusão e a passagem na escória são diferentes para fótons transmitidos ao longo das linhas A, B, C e D, e os sinais recebidos dos ditos fótons que passaram ao longo dos ditos diferentes trajetos da fonte 20 para o detector 30.1 são diferentes. No fim, o detector 30.1 recebe um sinal total específico 20 de acordo com a posição real do metal em fusão e da escória (durante a medição).

Medições correspondentes são feitas em cada detector. As figu- ras 2b a 2d ilustram trajetos de transição correspondentes dos fótons da fon- te 20 para os detectores adicionais 30.6, 30.4 e 30.2.

Assim, cada detector 30.1 a 30.8 recebe um sinal total (somado)

diferente. Quanto mais detectores forem usados, mas dados podem ser co- letados, e mais confiável é o cálculo da posição exata do nível de metal em fusão ML e do nível de escória SL, conforme por fim calculados por um pro- grama de algoritmo correspondente em um aparelho de processamento de 30 dados associado. Demonstrou-se, durante os testes, que 3 a 8 detectores é um número adequado para conseguir um resultado muito bom, com uma precisão de ± 1 - 2 mm, para calcular os níveis exatos.

Claims

1. Aparelho que simultaneamente detecta e exibe níveis variá- veis de um metal em fusão e de uma camada de escória associada em um molde de fundição contínua, compreendendo: pelo menos uma fonte de radiação (20), disposto de um lado do molde (14) ao longo de um primeiro comprimento distinto, em uma direção longitudinal, e emitindo fótons de radiação na direção do lado oposto do molde (14), pelo menos uma série de detectores sensíveis (30.1 a 30.8), dispostos um adjacente ao outro ao longo de um segundo comprimento dis- tinto na dita direção longitudinal, no dito lado oposto do molde (14), cada detector (30.1 a 30.8) estando disposto a fim de receber fó- tons incidentes emitidos por todo o primeiro comprimento pela dita fonte de radiação (20).

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com 3 a 15 detec- tores (30.1 a 30.8) estando instalados ao longo do dito segundo comprimen- to distinto.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com um primeiro comprimento distinto de mais de 5 cm, e um segundo comprimento distinto de mais de 5 cm.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com um primeiro comprimento distinto de mais de 10 cm, e um segundo comprimento distinto de mais de 10 cm.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com o dito primei- ro comprimento distinto correspondendo ao dito segundo comprimento dis- tinto.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com o dito primei- ro comprimento distinto sendo maior que ao dito segundo comprimento dis- tinto.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com cada detector (30.1 a 30.8) possuindo um comprimento, na direção longitudinal, de 0,2 a 3 cm.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com cada detector (30.1 a 30.8) possuindo um comprimento, na direção longitudinal, de 0,5 a 1,5 cm.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, com términos (T1, T2) dos ditos primeiro e segundo comprimentos distintos, estando dispostos acima e abaixo de um nível máximo e mínimo estimado a ser detectado.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo meios para avaliação e envio de sinais recebidos dos detectores (30.1 a 30.8) a um processador de dados, coleta dos sinais variáveis, recebidos por cada detector (30.1 a 30.8), de maneira dependente do tempo, e cálculo do respectivo nível do metal em fusão e da camada de escória associada, res- pectivamente, de acordo com os sinais coletados em um momento específi- co.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, em que a coleta de sinais e o cálculo dos respectivos níveis do metal em fusão e da camada de escória associada são efetuados continuamente.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, em que a coleta de sinais e o cálculo dos respectivos níveis do metal em fusão e da camada de escória associada são efetuados de maneira cíclica com uma frequência de relógio de 0,01 a 2 segundos.