BR102012015769A2 - Sistema para detecção de vazamentos em dutos refrigerados. - Google Patents

Abstract

SISTEMA PARA DETECÇÃO DE VAZAMENTOS EM DUTOS REFRIGERADOS, refere-se a presente invenção para monitoramento e detecção de vazamentos de água aplicado em painéis refrigerados, compreendendo sensores piezelétricos (101) instalados nos painéis refrigerados, sendo os sinais gerados por tais sensores enviados para um equipamento (hardware) de recepção de dados (104) onde um software instalado permite analisar os dados recebidos e efetuar o monitoramento contínuo e armazenagem de todos os dados, mesmo durante os períodos de interrupções e entre as corridas dos fornos elétricos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção “SISTEMA PARA DETECÇÃO DE VAZAMENTOS EM DUTOS REFRIGERADOS” A presente invenção refere-se a um sistema para detecção de vazamentos em dutos refrigerados utilizando sensor piezelétrico, especialmente instalado no sentido do fluxo de um líquido, que interligado a um sistema de análise de dados permite detectar vazamentos de líquidos, mais especificamente, refere-se a um sistema para detecção de vazamento de água em painéis refrigerados utilizados em Fornos Elétricos a Arco (FEA) e afins. A presente invenção tem sua utilização destinada a processos que possuam equipamentos refrigerados a água nos quais vazamentos representem riscos de acidentes, notadamente, explosões devido ao contato da água com metal líquido. A presença de água no interior dos fornos elétricos, por exemplo, durante o processo de fabricação do aço propicia condições de alto risco, que potencialmente podem ser danosos a vida de operadores e a integridade dos demais equipamentos. A presente invenção pode ser aplicada para outros reatores que utilizam painéis refrigerados para as mais diversas finalidades.

Estado da Técnica O forno elétrico a arco foi patenteado por P. L. T. Heroult, na França, em 1899 e tornou-se um equipamento universal para produção de aço. O forno tem um invólucro metálico, a carcaça, que é dividida em duas partes: carcaça superior e carcaça inferior. A carcaça superior tem a forma de um cilindro vazado. Painéis refrigerados, em geral, fabricados em tubos metálicos, são montados nas paredes da carcaça superior, formando um anel. A carcaça inferior possui forma de um cilindro vazado com um fundo esférico. A carcaça inferior possui em sua região inferior (soleira) e laterais (rampa e paredes). A câmara de reação do forno é coberta com uma abóbada removível refrigerada a água, porém em alguns casos ainda se utilizam abóbadas de material refratário. O forno elétrico dispõe de uma porta para remoção de escória, tomadas de amostras e adições de insumos e um canal ou bica para vazamento de aço. É alimentado com corrente trifásica alternada e tem três eletrodos seguros por placas de contato às quais estão conectados por luvas com a estrutura móvel do elétrodo. A movimentação dos eletrodos é independente sendo uma função do comprimento de arco em relação à carga. A corrente é suprida via cabos flexíveis de cobre e tubos de cobre refrigerados a água. O forno apóia-se sobre dois setores suportes, os quais podem girar sobre sua base para incliná-lo no sentido da porta de carregamento e no sentido do canal de vazamento de aço, sendo o movimento de inclinação efetuado por meto de um sistema hidráulico ou eletromecânico. O fomo elétrico a arco é carregado pelo topo por meio de “cestões”. Para o carregamento do forno, o conjunto abóbada e eletrodos são elevados e deslocados. O deslocamento permite o posicionamento dos cestões que abrem o fundo transferindo a sucata para sola do fomo elétrico. Em seguida, o conjunto abóbada e eletrodos são posicionados e abaixados. Os eletrodos têm descida até uma determinada distância da sucata quando o arco elétrico é aberto e inicia o processo de fusão. O processo de fusão pode ser auxiliado por queimadores oxi-combustível que tem a função de elevar a temperatura da carga. A segunda etapa do processo é denominada de refino. Nesta fase são empregados injetares com o objetivo de oxidar os elementos do banho e alguns casos injetares de carvão para tratar a escória e com a vantagem de proteger os arcos através da emulsão formada.

Inicialmente, os painéis refrigerados foram instalados nas paredes laterais dos fornos elétricos a arco, em substituição aos revestimentos refratários, com a finalidade de diminuir o tempo de paralisação dos fornos para reparos. Os excelentes resultados alcançados induziram à ampliação da substituição para toda a parede e até mesmo para as abóbadas, região externa em volta do miolo.

Os primeiros painéis refrigerados eram feitos de chapa de aço especial com um sistema interno de chicanas para o direcionamento do fluxo de água. Estes painéis refrigerados também são conhecidos com painéis “tipo caixa”. Os modernos painéis refrigerados podem ser fabricados em tubos de aço ou cobre, submetidos a um fluxo forçado de água de refrigeração, com vazão entre 100 a 150 l/m2/min e a pressões que variam de 1,5 a 3,0 bar. A água de refrigeração, em seu trajeto, sofre uma elevação de temperatura entre 10 e 35°C. A utilização de painéis tubulares possibilita uma redução no volume de água circulante. A vazão de água é regulada para manter o controle da temperatura de saída. O aumento das perdas térmicas com a utilização dos painéis é altamente compensado pela maior utilização do forno e economia de refratário.

Essa compensação tem sido comprovada por usinas que citam um consumo médio de energia da ordem 545 kWh/t. Os painéis têm sido uma utilização particularmente importante em fornos que utilizam carga de pré-reduzidos. Nesse caso, não só o calor do arco, como também aquele proveniente da escória e metal superaquecidos são facilmente absorvidos.

Os painéis são instalados a cerca de 350 mm acima do nível do banho de aço líquido e a conexão com o sistema de refrigeração é feita pela parte traseira do painel por tubos flexíveis, para permitir o movimento do forno. As vantagens dos painéis refrigerados são: a) Aumento de produtividade; b) Elimina a necessidade de reduzir a potência durante o período de banho plano; c) Encurta em 50% o tempo de reparo com material refratário; d) Economiza tempo para montagem de um novo forno, pois reduz a área para refratamento; e) Economiza refratários, sendo uma importante vantagem econômica; f) Possibilita aumentar o nível de potência específica porque o forno com a refrigeração forçada do painel pode resistir aos impactos térmicos do arco mais que os fornos convencionais; A utilização de painéis refrigerados foi estendida também para as abóbadas do FEA visando diminuir o tempo de reparo da mesma. Nessa nova concepção de abóbada, a parte central ou miolo, região em torno dos eletrodos, é intercambiável e continua sendo fabricada com refratários, enquanto a parte restante da abóbada ou região periférica tornou-se também intercambiável, porém composta de painéis refrigerados fabricados com tubos metálicos. A área refrigerada corresponde a aproximadamente 90% da área da abóbada e pode ser constituída de mais de um painel para facilitar manutenções, bem como velocidade para eventuais correções.

As vantagens da utilização de painéis refrigerados na abóbada refrigerada são: a) Pesa 30% menos que abóbadas refratadas; b) Possibilita uma economia de 60 - 90% em refratários; c) Aumenta a vida do miolo que pode ser facilmente trocado; d) Trabalha com temperaturas mais baixas, em torno de 60°C; e) Aumenta a vida da abóbada para entre 1500 a 3000 corridas;

Apesar das grandes vantagens introduzidas pelo uso dos painéis refrigerados, riscos consideráveis também surgiram com a eventual falha destes. Os atuais controles dos painéis refrigerados, via de regra, são compostos por medidores de vazão e pressão e normalmente com objetivo de controlar o funcionamento das bombas. Medidas de temperatura também são retiradas, mas somente na entrada e saída de uma extensa rede de dutos composta peta interligação de mais de um painel além dos grandes dutos de distribuição de água fria e coleta de água quente. Enfim, do ponto de vista de segurança operacional, os painéis refrigerados ainda não possuem um sistema efetivo para detecção de vazamentos. Por tratarem de medições de grandes volumes, estes controles são incapazes de detectar pequenos vazamentos de água, mas que tem potencialmente condições de reagir com banho metálico. É comum relatos de acidentes desta natureza durante a produção de aço líquido. A descrição das ocorrências geralmente tem a mesma seqüência de fatos. Começa com um vazamento de pequenas proporções que não provocam perda de pressão, vazão e temperatura para os atuais equipamentos de controle. Em baixas quantidades, nada é observado durante a fabricação de uma batelada de metal, porém durante os preparativos para a próxima batelada, o vazamento contínuo é superior a velocidade de ebulição e uma poça de água fervente é acumulada em uma região do forno. Qualquer meio que provoque a mistura do material líquido incandescente com a poça de água fervente, normalmente basculamento do forno ou carregamento de nova batelada de metal líquido, irá deflagrar a explosão.

Isto ocorre, porque quando a poça fervente é “coberta” por material líquido incandescente dois fenômenos químicos ocorrem: o primeiro é o aumento da velocidade de ebulição da água formando vapor, em paralelo, ocorre também a dissociação do hidrogênio da água, ambas provocam uma expansão volumétrica que rapidamente é pressurizada no interior desta cobertura. O rompimento significa uma explosão sem qualquer aviso prévio de sua ocorrência, dada a velocidade das reações.

Em caso de suspeita de vazamentos, atualmente, os operadores são expostos ao risco, pois é necessário exposição frente ao forno com o objetivo de tentar localizar os possíveis vazamentos. Normalmente, os vazamentos são detectados a olho nu, devido à “mancha” escura formada em contraste com brilho característico dos reatores.

Existem regiões do Forno Elétrico de difícil inspeção visual, especialmente próximo à porta de escória e na região do vazamento do forno, aumentado o potencial de risco através do uso continuado do equipamento. Em muitos casos, nem mesmo inspeções preditivas e preventivas são capazes de detectar vazamentos nestas regiões.

Sumário da Invenção A presente invenção refere-se a um sistema para monitoramento e detecção de vazamentos de água aplicado em painéis refrigerados. O sistema ora proposto compreende sensores piezelétricos instalados nos painéis refrigerados, sendo os sinais gerados por tais sensores enviados para um equipamento (hardware) de recepção de dados onde um software instalado permite analisar os dados recebidos e efetuar o monitoramento contínuo e armazenagem de todos os dados, mesmo durante os períodos de interrupções e entre as corridas dos fomos elétricos. Após as devidas aferições e calibrações em campo, o sistema é capaz de comparar os padrões de sinais dos sensores piezelétricos para detectar de forma precisa a existência de vazamentos de água nos painéis refrigerados, mesmo os vazamentos muito pequenos oriundos de furos com diâmetros em tomo de 5 mm.

Uma vez detectado a presença de vazamento, um sinal de alarme surgirá na teta do equipamento onde os dados são analisados com o emprego do software desenvolvido para a realização da análise dos dados. Os sinais de alarme, bem como seus níveis (atenção, bloqueio, emergência, etc.) podem ser configurados manualmente através do equipamento de recepção e análise de dados. As configurações de alarme podem, ainda, ser feitas de forma individual e customizada para cada posição de painel refrigerado do FEA.

Além de indicação do alarme na tela do próprio equipamento de recepção e análise de dados, pode-se também configurar o envio de um sinal digital de, por exemplo, 3,3 Vcc, que pode ser utilizado como entrada no próprio sistema supervisório do FEA, permitindo que este sinal seja tratado intemamente no equipamento PLC da própria usina. Uma vez enviado o sinal de alarme, ações preventivas, corretivas e emergenciais podem ser tomadas automaticamente via equipamento PLC da usina. O sistema objeto da presente invenção pode vir integrado a um único painel refrigerado ou também monitorar um conjunto de painéis refrigerados (carcaça completa, por exemplo). O sistema também pode ser utilizado para monitorar quaisquer outros tipos de painéis refrigerados que desempenhe a função de trocador de calor, como por exemplo, dutos refrigerados de despoeiramento. Um exemplo de aplicação da presente invenção pode ser o monitoramento dos sistemas de entrada e saída de água de refrigeração de um conjunto formado por painel refrigerado, bloco refrigerado e um injetor oxi-combustível.

Figuras A Figura 1 apresenta um esquema de fluxo de dados e informações e montagem do sistema de detecção ora proposto. A Figura 2 mostra um esquema de montagem do sensor no tubo refrigerado do painel refrigerado.

Descrição da Invenção Conforme pode ser visto na Figura 1, para aplicação em um painel refrigerado, o sistema objeto da presente invenção compreende um sensor piezelétrico (101) dispondo de pré amplificador (102) e filtro de bandas (103) acoplados, utilizados no monitoramento do comportamento da turbulência da água que alimenta o duto refrigerado (106), sendo os sinais recebidos em um equipamento para processamento e armazenagem de dados (104), que dispõe de um software específico para análise dos dados recebidos, e sendo os sinais que saem do equipamento (104) conduzidos para o sistema de lógica e alarmes (105) para emissão dos sinais de alarme nos níveis determinados.

Os sinais sonoros captados passam diretamente pelo pré-amplificador (102) acoplado ao sensor piezelétrico (101) e posteriormente são enviados ao equipamento (104) para alimentação do software de análise de dados. A amplificação dos sinais sonoros captados permite que os mesmos sejam tratados de forma mais precisa e confiável pelo software. Antes do start up do sistema, qualquer que seja a aplicação, é necessário que seja feito o levantamento detalhado do padrão do comportamento sonoro do processo ao longo de suas etapas. O conhecimento de tal comportamento será fator decisivo para as configurações básicas do software, bem como as configurações dos níveis de alarme da planta.

Ao detectar alguma alteração no padrão de comportamento sonoro do processo, o software automaticamente fará a análise do distúrbio detectado, verificando se este distúrbio é proveniente de um vazamento de água no sistema. Assim como quatquer processo, vazamentos de água também possuem um padrão de comportamento sonoro, comportamento este que já é conhecido pelo sistema e por isso o mesmo consegue, através de comparação, detectar vazamentos com alto índice de precisão. A figura 2 mostra o sensor piezelétrico (101) montado no interior do duto refrigerado (106) que faz parte do painel refrigerado. Esta forma construtiva tem por objetivo reduzir interferências de ruídos externos evitando a ocorrências de alarmes falsos.

Claims (4)

1. SISTEMA DE CONTROLE INTEGRADO PARA DETECÇÃO DE VAZAMENTOS EM DUTOS REFRIGERADOS caracterizado por compreender o uso de um sensor piezelétrico (101) dispondo de pré amplificador (102) e filtro de bandas (103), para o monitoramento do comportamento da turbulência da água que alimenta um duto refrigerado, e equipamento para processamento e armazenagem de dados (104) onde os sinais e dados recebidos são analisados por um software específico, sendo os sinais após serem analisados no equipamento (104) conduzidos para o sistema de lógica e alarmes (105).

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser integrado ao painel refrigerado e instalado em trecho apropriado do duto refrigerado.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de funcionar de forma continua monitorando variações de sinais detectadas no sensor piezelétrico (101).

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos medidores serem integrados a um processador de dados (104) a distância das fontes de emissão dos sinais.