BR112020009548B1 - Monitoramento de condição de forno de cuba - Google Patents

Abstract

Trata-se de um forno de cuba, em particular um alto-forno, que compreende uma jaqueta de metal (11) que define a parede externa do forno e uma camada protetora que protege a superfície interna da dita parede externa. Pelo menos uma sonda de monitoramento de condição (24) é disposta dentro da camada protetora para monitorar a última. A sonda de monitoramento de condição é conectada a um módulo sem fio (62) disposto fora da dita parede externa para transmitir dados de monitoramento de condição. O módulo sem fio (62) está localizado dentro de um invólucro (38) montado na superfície externa da jaqueta de metal (11). A sonda de monitoramento de condição (24) inclui um ou mais circuitos condutores (28) posicionados em profundidades predeterminadas (d1, d2, d3) abaixo da face frontal do corpo da chapa de resfriamento, ou do revestimento refratário, de modo que o desgaste do corpo (12), resp. refratário possa ser detectado pela alteração de uma característica elétrica do circuito (ou circuitos) devido à abrasão.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção geralmente refere-se ao monitoramento de condição em fornos metalúrgicos, a saber, fornos de cuba e altos-fornos. A presente invenção refere-se, em particular, ao monitoramento da condição de elementos de resfriamento após abrasão da camada protetora na frente dos elementos de resfriamento.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Conforme é bem conhecido, um forno de cuba funciona com um reator de contracorrente, em que o fluxo descendente de material de carga está em contato com um fluxo ascendente de gases de combustão quentes, ricos em monóxido de carbono. Os materiais de carga sólida que consistem em materiais ferrosos (minério de ferro, sinterização, e péletes), coque, e materiais de fluxo são carregados de modo gravitante para a parte superior do forno, enquanto o ar normalmente enriquecido com O2, e, às vezes, com combustíveis auxiliares é alimentado através de tubeiras próximas ao fundo do forno. O metal quente líquido e escória líquida são passados por torneira em intervalos regulares através de vários furos de torneira situados no fundo do forno.

[003] Os fornos de cuba, e particularmente os altos-fornos (BF), são operados de forma desejável com alta produtividade e baixa taxa de combustível de uma maneira flexível, estável e eficiente, enquanto têm uma vida útil longa.

[004] O alto-forno foi frequentemente denominado de “caixa preta”. Uma razão parece ser devido à dificuldade de observar ou monitorar o que está acontecendo dentro do forno. De fato, em um BF, três fases de gás, sólido e líquido coexistem; as reações prosseguem na direção radial não uniformemente, o processo é acompanhado por uma variação dependente do tempo, e os parâmetros a serem medidos estão sempre se movendo em atmosfera que contém alta temperatura, alta pressão, e poeira.

[005] Dito isto, as sondas e dispositivos de medição de BF fizeram um grande avanço nas últimas décadas, com base nos desenvolvimentos em eletrônica, óptica e tecnologia de computador. Com o uso de computadores, agora se tornou possível monitorar os diferentes parâmetros do alto-forno de uma maneira melhor, uma vez que os computadores permitem não apenas exibir as variáveis, mas também usar modelos estabelecidos, comparar diferentes variáveis, e construir bases de dados para armazenar as variáveis e sua evolução durante o processo.

[006] Os principais sensores de monitoramento de processo são: Torneiras de pressão, que estão localizadas no cano de agitação para monitorar a pressão de explosão, bem como em diferentes alturas no BF para monitoras a permeabilidade da carga e a localização da zona coesiva.

[007] Termopares instalados no revestimento refratário em vários locais (lareira e eixo) para monitorar a condição das variações de calor refratário e local

[008] Sondas de carga fixa acima para medir a temperatura do gás e determinar os padrões de gás através da carga.

[009] Sondas de carga abaixo inserida para monitorar a temperatura e a composição do gás dentro do eixo do forno.

[010] Sonda de trajetória mede a trajetória da carga que cai da rampa de distribuição durante o processo de carregamento.

[011] Medidor de perfil radial na parte superior mede o perfil da superfície da linha de estoque do material de carga.

[012] Sensores de movimento de estoque para monitorar a descida da carga.

[013] Portanto, hoje, o uso de sondas sofisticadas e dispositivos de medição fornece ao operador do BF informações úteis sobre o estado do processo. Para uma operação confiável do BF, é essencial coletar vários parâmetros operacionais usando esses dispositivos sensores diferentes, de modo que o processo do BF se torne claro para o operador.

[014] Um alto-forno moderno é então equipado com um grande número de sondas, instrumentos e dispositivos de medição que fornecem dados de processo em regime contínuo ao centro de controle do BF.

[015] Além dos parâmetros do processo, é necessário monitorar os parâmetros de condição, que refletem, por exemplo, o estado de desgaste dos componentes adequados do forno. Isso é feito por inspeção e por meio de sensores. Por exemplo, é conhecido o monitoramento da condição dos elementos de resfriamento por meio de sondas de ultrassom.

[016] Nesse sentido, o coração do forno passa por altas temperaturas e um ambiente hostil. Também, a fim de proteger as paredes do forno e limitar a evacuação de calor através dessas paredes, a parede interna do forno é equipada com um revestimento de material refratário. Nos fornos modernos, o material refratário é montado nos elementos de resfriamento denominados de blocos de resfriamento do cadinho.

[017] Originalmente, esses elementos de resfriamento foram placas de ferro fundidas com canos de resfriamento fundidos no mesmo. Como uma alternativa aos blocos de ferro fundidos do cadinho, foram desenvolvidas blocos de cobre do cadinho. Atualmente, os elementos de resfriamento para um forno metalúrgico também são produzidos a partir de cobre, uma liga de cobre ou, mais recentemente, de aço.

[018] O revestimento de tijolos refratários, o material de projeção refratário ou a camada de acréscimo gerada pelo processo formam uma camada protetora disposta na frente da face quente do corpo em forma de painel. Essa camada protetora é útil para proteger o elemento de resfriamento da deterioração causada pelo ambiente ápero que reina dentro do forno.

[019] Dependendo das condições de operação do BF pelo operador, a camada protetora pode se desgastar, principalmente devido ao atrito de carga da carga descendente (coque, minério, etc.). Na prática, o forno também é, no entanto, ocasionalmente operado sem essa camada protetora, resultando na erosão das nervuras lamelares da face quente.

[020] Para antecipar a operação de manutenção, é, portanto, útil monitorar a condição, isto é, o desgaste, dos elementos de resfriamento. Devido às condições ásperas descritas acima, ainda não é concebível montar um dispositivo sofisticado dentro do forno. Pela mesma razão e como há constantemente material dentro do forno, pode não ser possível verificar visualmente o estado dos elementos de resfriamento.

[021] Soluções já foram propostas na técnica. Por exemplo, o documento JPS61264110 revela um bloco de resfriamento do cadinho que compreende um sistema de monitoramento de condição usando uma sonda ultrassônica em contato com a face traseira do corpo do bloco do cadinho para detectar erosão no mesmo. Isso parece ser uma técnica complicada para ser implementada no ambiente do alto-forno.

[022] Um outro documento WO 2016/023838 revela um bloco de resfriamento do cadinho que compreende um sistema de monitoramento de condição. O bloco do cadinho compreende uma pluralidade de câmaras de pressão fechadas distribuídas em diferentes locais dentro do corpo do bloco de cadinho. Um sensor de pressão é associado com cada câmara de pressão, a fim de detectar um desvio de uma pressão de referência quando uma pressão se abre devido ao desgaste da porção do corpo. Embora a solução descrita neste documento seja tecnicamente satisfatória, ela requer alguma oficina de preparação, que pode resultar em custos.

[023] O documento WO 2013/009824 revela uma construção de bloco do cadinho/tijolo em que monitora o desgaste e/ou termopares são dispostos através ou adjacentes ao bloco do cadinho e/ou a um ou mais dos tijolos. Os cabos de transmissão são anexados às extremidades do termopar e o sistema de monitoramento de desgaste para transmissão a um centro de controle, de modo que as leituras de dados possam ser transmitidas continuamente "em tempo real" durante a operação do forno. A tecnologia de monitoramento de desgaste é bastante complexa, pois depende da refletometria no domínio do tempo.

[024] Também revelado no documento WO 2013/009824 é um sistema de varredura e mapeamento para varrer e mapear automaticamente o interior do forno e rastrear a condição interna de blocos de cadinho e tijolos refratários. O sistema de mapeamento usa ondas de energia, como ondas de luz laser de uma unidade emissora/receptora. A fim de realizar esse mapeamento, será entendido que esse equipamento específico pode ser usado no alto-forno na rara situação em que o alto-forno é desligado e a carga foi diminuída.

[025] O documento US 3.532.797 revela o uso de circuitos condutores para detectar o desgaste do revestimento refratário. Cada circuito é acomodado em um respectivo tudo de óxido de alumínio e os tubos são agrupados em um pacote geralmente cilíndrico, de maneira escalonada. Os circuitos condutores são formados de um fio que tem um ponto de fusão na vizinhança do revestimento do forno, de modo que os circuitos derretam quando o revestimento se liquefizer ou derreter. A disposição escalonada dos circuitos condutores permite detectar o desgaste em várias profundidades. No entanto, o design e instalação do sensor são bastante experimentais e pesados.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[026] Um objetivo da presente invenção é melhorar o monitoramento da condição nos fornos de cuba.

[027] Um objetivo particular da invenção é melhorar o monitoramento da condição de elementos de resfriamento, a saber, sua condição de desgaste.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[028] A presente invenção é derivada de considerações a respeito do monitoramento da condição de fornos de cuba e alto. Conforme discutido acima, vários sensores e sondas são dispostos no BF para monitorar os parâmetros do processo como pressões, temperaturas, distribuição de carga. Isto fornece dados de processo em regime contínuo ao centro de controle do BF, que são necessários para o funcionamento eficiente e confiável do alto-forno.

[029] A instalação dessas sondas e sensores de monitoramento de processo consome tempo e representa uma quantidade substancial de trabalho. Como os sensores são necessários para fornecer dados contínuos para a operação do BF, não é apenas necessário instalar os sensores dentro do forno, mas também passar os cabos pelo forno fora da carcaça até o centro de controle.

[030] A fiação está novamente em questão durante o desligamento da manutenção do BF, em particular ao restaurar a camada refratária ou substituir os blocos de resfriamento do cadinho.

[031] No contexto do monitoramento de condição, os presentes inventores propõem o uso de transmissão sem fio dos dados do sensor, em vez de transmissão com fio. O uso de transmissão sem fio no contexto de fornos de cuba pode parecer inadequado à primeira vista: existem muitas estruturas metálicas cercando o módulo sem fio e as condições de operação são severas (temperatura / poeira / barreira da carcaça do forno). Também, a substituição de baterias durante a operação do forno pode ser um problema.

[032] No entanto, o uso de transmissão sem fio faz sentido para transmitir dados de sensores de monitoramento de condição. Ao contrário dos parâmetros do processo que são continuamente necessários para a operação do forno, parâmetros de condição, como por exemplo, o status de desgaste do revestimento refratário ou de elementos de resfriamento, não exige esse monitoramento contínuo. Parâmetros de condição podem ser verificados seletivamente, ou periodicamente com base no tempo, variando de várias horas a vários dias. Na prática, parâmetros de condição podem ser verificados a cada poucas horas ou uma vez ao dia. Esse curto tempo de operação diário preserva o tempo de bateria e permite semanas, meses de serviço, de modo que a substituição da bateria provavelmente não seja necessária entre os períodos de desligamento.

[033] Por último, mas não menos importante, o uso de módulos sem fio para transmitir os dados de sensores e sondas de monitoramento de condição evitará operações de fiação demoradas e complicadas, e, portanto, reduzirá significativamente o tempo de desligamento do forno de cuba.

[034] De acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção propõe um forno de cuba, em particular um forno de cuba, que compreende: uma jaqueta de metal que define a parede externa do forno; uma camada protetora que protege (pelo menos parcialmente) a superfície interna da dita parede externa; pelo menos uma sonda de monitoramento de condição disposta dentro da dita parede externa e dentro da camada protetora para monitorar a última; em que a pelo menos uma sonda de monitoramento de condição é conectada a um módulo de detecção (34) conectado operativamente a um módulo sem fio, que são alimentados por bateria e dispostos fora da parede externa para transmitir dados de monitoramento de condição; em que a dita parede externa compreende uma abertura para conexão com fio entre a sonda (ou sondas) de monitoramento de condição e o módulo sem fio, um invólucro que é montado na superfície externa da dita jaqueta de metal de maneira estanque a gás para cobrir a abertura.

[035] Como é evidente a partir da técnica anterior acima citada, o senso comum na técnica é usar sensores de monitoramento de desgaste e sensores de sensores de monitoramento de processo (termopares). A presente invenção supera, assim, um preconceito técnico ao usar módulos sem fio para sondas de monitoramento de condição.

[036] A invenção reside na percepção de que os módulos sem fio operados por bateria são viáveis para transmitir dados de sensores de condição/ desgaste, porque a frequência de medição é baixa em comparação aos sensores de monitoramento de processo, e uma vez que suas leituras não são necessárias para fins de produção.

[037] O uso de sondas de desgaste combinadas com módulos sem fio simplifica muito a instalação de sensores de desgaste, e em particular, ao modernizar altos-fornos existentes. Como será entendido, é suficiente tirar vantagem de uma abertura na carcaça do forno para puxar o fio do sensor para fora e se conectar ao módulo sem fio/detecção.

[038] O uso de módulos sem fio para transmitir os dados de sensores e sondas de monitoramento da condição evitará operações de fiação demoradas, complicadas e de alto custo, e, portanto, reduzirá significativamente o tempo de desligamento do forno de cuba. Nas modalidades, o módulo de detecção é configurado para avaliar a condição por meio da dita sonda (ou sondas) de monitoramento de condição em intervalos de tempo predeterminados, mas não mais do que uma ou duas vezes ao dia.

[039] Vantajosamente, o módulo sem fio, o módulo de detecção e a bateria estão localizados dentro do invólucro. Para melhorar a comunicação, a antena do módulo sem fio pode se estender para fora do invólucro. O módulo de detecção sem fio é, então, protegido do ambiente severo do BF, mas acessível de tempos em tempos ao abrir o invólucro. Apesar do fato que o módulo de detecção sem fio está localizado em um invólucro metálico fechado, a transmissão sem fio é ativada, pois a antena é guiada para fora do invólucro.

[040] Mas modalidades, o invólucro compreende uma peça de cano de aço, uma extremidade da qual é posicionada para cerca a abertura na jaqueta de metal e é soldada à superfície externa da dita jaqueta de metal; a extremidade oposta da peça de cano é firmemente fechada por uma cobertura.

[041] Em geral, a camada protetora pode compreender elementos de resfriamento e/ou revestimento refratário. As sondas de monitoramento de condição podem ser incorporadas nos elementos de resfriamento e/ou no revestimento refratário. O termo “elemento de resfriamento” é usado no presente documento para abranger qualquer dispositivo de resfriamento que possa ser usado em um forno de cuba ou alto-forno adequado, incluindo as bem conhecidas placas de resfriamento e blocos de resfriamento do cadinho.

[042] O monitoramento da condição dos elementos de resfriamento é vantajosamente alcançado por meio do projeto descrito na reivindicação 7. A sonda de monitoramento de condição inclui um ou mais circuitos condutores posicionados em profundidades predeterminadas abaixo da face frontal do corpo da chapa de resfriamento, sendo que cada circuito é conectado a um par de terminais na face traseira do corpo, de modo que o desgaste dos circuitos condutores possa ser detectado por uma alteração de uma característica elétrica do circuito (ou circuitos) devido à abrasão. Esse projeto de sonda de monitoramento de condição também pode ser denominado de sonda de detecção de desgaste.

[043] Uma sonda de monitoramento de condição com esses circuitos condutores pode ser avaliada por um módulo de detecção conectado aos terminais com base em uma variedade de princípios elétricos: alteração de tensão, corrente ou resistência.

[044] De preferência, o módulo de detecção é configurado para avaliar uma condição de circuito fechado elétrico de cada circuito condutor. Essa avaliação pode ser facilmente implementada, pois não requer calibração prévia e não está sujeira a variações de temperatura.

[045] As modalidades citas acima e outras são recitadas nas reivindicações dependentes anexas.

[046] De acordo com um outro aspecto, a presente invenção diz respeito a uma placa de resfriamento para um forno metalúrgico ou forno de cuba conforme recitado na reivindicação 10. Ela compreende um corpo com uma face frontal e uma face traseira oposta, em que um uso a dita face frontal é virada em direção ao interior do forno. O corpo includes pelo menos um canal de refrigeração no mesmo, para circular um fluido refrigerante, por exemplo, água. O lado frontal, de preferência, compreende nervuras e sulcos alternados.

[047] Deve ser apreciado que pelo menos uma sonda de detecção de desgaste é embutida no corpo para detectar o desgaste da mesma. A sonda de detecção de desgaste inclui uma pluralidade de circuitos condutores posicionados em profundidades predeterminadas abaixo da face frontal do dito corpo e são isolados eletricamente a partir daí, sendo que cada circuito é conectado a um par de terminais na face traseira do corpo, de modo que o desgaste corpo possa ser detectado por uma alteração de uma característica elétrica do circuito (ou circuitos) devido à abrasão. A placa de resfriamento é adicionalmente caracterizada por: Os circuitos condutores são formados por linhas condutoras em uma chapa; cada circuito condutor descreve uma forma geralmente em U, e os circuitos são aninhados um com o outro; Os circuitos condutores geralmente se estendem do lado traseiro em uma direção de espessura do corpo, de modo que uma seção de extremidade, que forma uma seção desgastável, de cada circuito esteja localizada na distância predeterminada (d1, d2, d3) da face frontal; a sonda é disposta em um orifício passante ou orifício cego no dito corpo; a sonda compreende um alojamento cilíndrico que cerca a dita chapa com os circuitos condutores, o alojamento cilíndrico que tem uma forma correspondente ao orifício; e o alojamento cilíndrico é produzido a partir do mesmo material que o corpo da chapa de resfriamento.

[048] Outras modalidades dessa placa de resfriamento são recitadas nas reivindicações anexas 11 a 14.

[049] De acordo com um aspecto adicional, a invenção diz respeito a uma sonda de detecção de desgaste conforme recitado na reinvindicação 15.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[050] A presente invenção será agora descrita, a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, em que: é uma vista em corte transversal de uma modalidade da presente placa de resfriamento equipada com sensores de monitoramento da condição, montados contra uma parede externa do alto-forno; é uma vista esquemática de uma sonda de detecção de desgaste embutida em uma placa de resfriamento não usada; é uma vista esquemática de uma sonda de detecção de desgaste embutida em uma placa de resfriamento parcialmente desgastada; é uma vista em perspectiva em corte transversal que ilustra a montagem de uma sonda de detecção de desgaste com alojamento modificado; é uma vista explodida da sonda de detecção de desgaste da Figura 1; é uma vista explodida de uma outra modalidade da sonda de detecção de desgaste; e é um detalhe da Figura 1 sobre o invólucro que hospeda o módulo de detecção; e é uma vista em corte transversal de uma placa de resfriamento retroajustada com a presente sonda de detecção de desgaste.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA MODALIDADE PREFERIDA

[051] Conforme discutido anteriormente no presente documento, a operação moderna do alto-forno é tipicamente com base nos dados processados obtidos por sensores e sondas de monitoramento de processo e dispostos em vários locais no forno.

[052] Além do monitoramento do processo, são necessários sensores de monitoramento de condição para avaliar o estado de desgaste dos componentes do BF. No contexto da presente invenção, o monitoramento da condição no BF será agora descrito em relação a uma aplicação que diz respeito à detecção de desgaste nos elementos de resfriamento, a saber, nas placas de resfriamento. A instalação e design de uma sonda de detecção de desgaste primeiro serão descritos, seguidos pelo acoplamento operacional a um módulo sem fio para transmitir os dados para, por exemplo, um centro de controle ou para um sistema de armazenamento e/ou processamento de dados, ou no local da planta ou na nuvem.

[053] Uma modalidade preferida de uma placa de resfriamento 10 equipada para monitoramento da condição é mostrada na Figura 1. A placa de resfriamento 10 é montada na parede externa 11 (ou carcaça) de um alto-forno. Essa parede externa é convencionalmente formada por uma jaqueta de metal vertical, tipicamente aço, (mostrada apenas em parte) que é fornecida na sua superfície interna 11.2 com um revestimento refratário que cobre a parede externa e o fundo (na Figura 1, para uma questão de clareza, apenas parte do revestimento refratário é mostrada e designada 15). As placas de resfriamento são dispostas entre a parede da carcaça 11 e o revestimento refratário 15 para fins de resfriamento; são fixados por meios de ancoragem 11.1.

[054] A Figura 1 mostra apenas uma parte da placa de resfriamento 10. Conforme é conhecido na técnica, a placa de resfriamento 10 compreende um corpo 12 que é tipicamente formado a partir de uma laje, isto é, produzida a partir de um corpo fundido ou forjado de cobre, liga de cobre, ferro fundido ou aço. O corpo 12 tem pelo menos um canal de refrigeração convencional 14 embutido no mesmo, a fim de fornecer uma tela de proteção de evacuação de calor entre o interior do forno 11.2 e a parede do forno 11. O fluido refrigerante (tipicamente água) é circulado nos canais de refrigeração 14 por meio de conectores apropriados 14.1 dispostos através da parede 11.

[055] O corpo 12 tem uma face frontal 16, que é virada em direção ao interior do forno, e uma face traseira oposta 18, que em uso, está voltada para a parede do forno 11.

[056] Conforme mostrado na Figura 1, a face frontal 16 do corpo 12 vantajosamente, tem uma superfície estruturada, em particular com nervuras lamelares alternadas 20 e sulcos 22. Quando a placa de resfriamento 10 é montada no forno, os sulcos 22 e as nervuras 20 geralmente são dispostos horizontalmente a fim de fornecer um meio de ancoragem para o revestimento de tijolo refratário.

[057] Durante o curso de operação do alto-forno, o revestimento de tijolo refratário se desgasta devido ao material de carga descendente, deixando as placas de resfriamento desprotegidas e enfrentando o ambiente severo dentro do alto-forno.

[058] Como resultado, dependendo das condições de operação do BF, pode ocorrer abrasão das placas de resfriamento e é desejável monitorar o status de desgaste das placas de resfriamento.

[059] Para monitorar a condição dessas placas de resfriamento, uma pluralidade de sondas de detecção de desgaste é embutida nas mesmas.

[060] Consequentemente, nessa modalidade o corpo 12 compreende uma pluralidade de orifícios passante 26 que são perfurados em uma direção perpendicular à face frontal 16 do corpo 12. O diâmetro dos orifícios 26 é dimensionado para receber as sondas de detecção de desgaste 24 no mesmo.

[061] O projeto da sonda de detecção de desgaste 24 será mais bem entendido a partir das vistas esquemáticas das Figuras 2 e 3, que correspondem a um estado de placa de resfriamento não usado e a um estado de placa de resfriamento parcialmente desgastado, respectivamente.

[062] A sonda 24 compreende um número de circuitos condutores 28, aqui três.

[063] Cada circuito condutor 28 é conectado a um par de terminais 30 organizado, em uso, na face traseira 18 do corpo 12. Cada circuito condutor 28 geralmente se estende na direção de espessura do corpo para alcançar uma profundidade predeterminada abaixo da face frontal 16. Mais especificamente, a seção de extremidade de cada circuito 28 está localizada a uma respectiva distância predeterminada d1, d2, d3, da face frontal 16. Essa seção de extremidade forma uma seção desgastável 32 projetado para ser alterado e/ou eliminado pela abrasão, à medida que a face frontal da placa de resfriamento se desgaste. Na prática, os circuitos condutores 28 são combinados com uma placa ou chapa de suporte, separadas e isoladas uma da outra.

[064] A forma geral dos circuitos condutores 28 não é uma característica critica da sonda de detecção de desgaste 24, desde que as seções desgastáveis 32 alcancem as respectivas distâncias predeterminadas da face frontal 16. Na modalidade da Figura 2, os circuitos 28 têm uma forma em U com duas linhas paralelas que se estendem dos terminais 30 na face traseira 18, reunidas por uma terceira linha transversal, que forma a seção desgastável 32 a uma certa distância da face frontal 16. Os três circuitos 28 são colocados em uma chapa transportadora 42, são aninhados um no outro, e isolados um do outro.

[065] Uma sonda desse tipo que tem circuitos condutores em uma chapa transportadora 42 pode, por exemplo, ser facilmente fabricada como uma chapa de circuito impresso.

[066] Na Figura 2, a placa de resfriamento 10 não está desgastada. A sonda 24 se estende entre a face frontal 16 e a face traseira 18 da placa de resfriamento 10.

[067] Em operação, o material dentro do forno bate e esfrega contra as placas de resfriamento 10; o efeito de alta abrasão rasga pedaços das placas de resfriamento. Os sinais de desgaste aparecem no corpo da chapa de resfriamento 12, conforme mostrado pela linha pontilhada na Figura 3. A sonda de detecção de desgaste 24 é desgastada junto com o corpo 12 da placa 10. Quando o perfile de desgaste alcança a profundidade correspondente à distância d1, a seção desgastável do circuito condutor externo 32 é interrompida e nenhuma corrente é capaz de circular na mesma.

[068] À medida que o desgaste avança, ele alcança as seções desgastáveis dos outros circuitos condutores (d2 e depois d3), com seções desgastáveis sendo interrompidas apenas se a placa de resfriamento estiver desgastada em seu local específico.

[069] Ao verificar a integridade de todos os circuitos condutores 28, é então possível deduzir a espessura residual da placa de resfriamento (conhecendo as posições d1, d2 etc. dos diferentes circuitos condutores).

[070] Os terminais 30 dos circuitos 28 podem ser conectados a um módulo de detecção 34 por meio de fios 36. Nas modalidades, o módulo de detecção pode ser diretamente conectado aos terminais, ou pode haver outros componentes entre o módulo de detecção e os terminais.

[071] O módulo de detecção 34 é vantajosamente configurado para avaliar uma condição de circuito fechado elétrico de cada circuito 28. Se um circuito condutor 28 verificar a condição de circuito fechado, então a corrente aplicada nos respectivos terminais pode circular pelo mesmo. Isso confirma a integridade do circuito. Pode, assim, ser deduzido que a placa de resfriamento não está danificada ou desgastada na profundidade correspondente.

[072] O módulo de detecção 34 pode ser configurado para realizar a avaliação para os respectivos circuitos condutores em intervalos de tempo predeterminado, por exemplo, a cada poucas horas ou, de preferência, uma vez ao dia para economizar energia.

[073] O módulo de detecção 34 é instalado na face traseira da placa de resfriamento ou mais longe dela, conforme será discutido mais abaixo. Na Figura 1, o módulo de detecção 34 é acomodado em um invólucro vedado 38 fora da parede do forno 11. O módulo de detecção 34 é aqui conectado às três sondas 24 por meio de fios 36 que passam através de uma abertura na parede do forno 11.

[074] Voltando agora à Figura 5, é mostrado um possível projeto da sonda de detecção de desgaste 24 usado na Figura 1. Conforme indicado acima, os circuitos condutores 28 são tipicamente suportados por um transportador substancialmente rígido, como uma chapa 42 ou placa. Pode ser prontamente fabricado usando a tecnologia de circuito impresso, por exemplo, por gravação úmida ou seca de uma chapa banhada a cobre. A chapa 42 pode ser produzida a partir de uma resina de epóxi ou outro material apropriado. A tecnologia de impressão também pode ser usada para formar os circuitos/faixas condutores. A superfície exposta das faixas condutoras pode ser isolada por revestimento com um material eletricamente isolante (aplicado por pulverização, pintura ou laminação). Quando desejável, estruturas multicamadas podem ser fabricadas, em que diferentes circuitos condutores são construídos em cima de outros.

[075] Esses são apenas exemplos; qualquer tecnologia apropriada pode ser usada para formar faixas condutoras em uma chapa transportadora.

[076] Conforme será entendido a partir da Figura 5, a sonda de detecção de desgaste 24 vantajosamente compreende um alojamento cilíndrico que cerca a chapa de circuito 42. O alojamento cilíndrico tem uma forma externa correspondente à forma do orifício 26 no corpo 12.

[077] O alojamento cilíndrico compreende duas partes de meio cilindro 44 entre as quais a chapa de circuito 42 é ensanduichada. As duas partes de meio cilindro 44 são pressionadas juntas, fixando a chapa de circuito 42 no meio, de modo a formar um encaixe em forma de cilindro dentro do orifício 26. As duas partes de meio cilindro 44 podem ser mantidas juntas usando qualquer meio de fixação adequado, por exemplo, parafusos ou cola, não mostrado. Aparafusar ou colar, no entanto, não é necessário. Pode ser suficiente simplesmente montar as duas partes cilíndricas com a chapa de circuito intermediária, e introduzir no orifício do corpo da chapa de resfriamento. Nas modalidades, uma camada de pasta termicamente condutora pode, por exemplo, ser fornecida na parte do alojamento de interfaces/chapa de circuito.

[078] A fim de garantir um bom resfriamento e não influenciar o padrão de desgaste, as partes do alojamento 44 são, de preferência, produzidas a partir do mesmo material que o corpo da chapa de resfriamento 12. As partes do alojamento 44 podem, a saber, ser produzidas a partir de cobre ou liga de cobre. Em geral, as partes do alojamento podem ser produzidas a partir de materiais que exibirão velocidade/comportamento de desgaste iguais ou comparáveis. Material mais duro do que o material do corpo são, de preferência, evitados. Materiais mais macios podem ser usados quando o orifício 26 é bastante estreito.

[079] Para fins de posicionamento, cada parte de meio cilindro 44 pode compreender um ressalto 46 na extremidade situada na traseira do corpo 12 (mesma extremidade dos terminais 30). Os ressaltos 46 formam uma seção de diâmetro maior, que entra em apoio contra uma superfície radial complementar 48 (Figura 4) em uma seção 48 do orifício de montagem 26 fornecida no corpo 12. Os ressaltos 46 e a superfície de apoio 48 definem a posição da sonda 24 na direção de espessura do corpo 12.

[080] Pode-se observar que na Figura 4, a face traseira 18 compreende um recesso 50 no qual o furo 26 é perfurado. Esse recesso 50 fornece espaço para acomodar, por exemplo, um módulo de detecção ou outro componente. Esse recesso 50 não é necessário e é, de fato, omitido na modalidade da Figura 1, em que os terminais 30 são substancialmente alinhados com a face traseira do corpo 12.

[081] Ainda na Figura 4, um meio de travamento opcional é ilustrado, que compreende um parafuso 52 e uma anilha 53 inserida dentro de um furo rosqueado 54 próximo à sonda 24. A extremidade livre da seção maior é usinada para fornecer uma ou duas extensões axialmente planas, revelando respectivas superfícies radiais 56. Conforme ilustrado na Figura 4, após a instalação, a anilha 53 (e possivelmente a cabeça do parafuso) se sobrepõe com a superfície radial 56, bloqueando a sonda 24 no lugar. Por meio desse projeto, o parafuso 52 impede o movimento axial e rotacional do alojamento da sonda 24.

[082] Um projeto alternativo da sonda de detecção de desgaste, indicado 124, é mostrado na Figura 6. Elementos idênticos ou semelhantes são indicados pelos mesmos sinais de referência, aumentados em 100. Comparada à sonda 24, uma primeira diferença reside na colocação das linhas condutoras. A chapa de circuito impressa 142 compreende um número predeterminado de circuitos condutores em forma de U 128, a saber, três, aninhados um no outro. Os circuitos condutores 128 não são eletricamente independentes, mas compartilham o mesmo terminal de aterramento 157, reduzindo o número total de terminais 130.

[083] Uma outra diferença é que as partes de meio cilindro 144 compreendem um recesso que se estende axialmente 158, abrindo na extremidade do terminal, dimensionado para acomodar a chapa de circuito 142.

[084] Nas modalidades acima, a sonda de detecção de desgaste 24, 124 é mostrada estendendo-se por toda a espessura do corpo 12, sendo assim, montada em um orifício passante 26. Mas a sonda de detecção de desgaste pode ter um comprimento mais curto e ser inserida em um orifício cego.

[085] Em outras modalidades, não mostradas, a sonda de detecção de desgaste pode ser disposta no corpo da chapa de resfriamento sem alojamento, mas fundida em material de enchimento. Por exemplo, um orifício cego pode ser perfurado da face traseira da placa de resfriamento, e subsequentemente preenchido com um material de enchimento, por exemplo, concrete. A sonda de detecção de desgaste consiste em uma chapa que transporta os circuitos condutores é então introduzida no orifício cego. Nessa modalidade, a chapa é, de preferência, posicionada para estar, em uso, em um plano vertical. Em contraste, quando a chapa 42 com circuitos condutores é fornecida em um alojamento, conforme na Figura 4, a sonda é, de preferência, orientada de modo que a chapa 42 esteja, em uso, em um plano horizontal.

[086] Vamos agora abordar a fiação das sondas 24. Conforme explicado acima, uma pluralidade de sondas 24 é tipicamente embutida em uma placa de resfriamento 12, em vários locais, ou correspondentes uma ranhura ou a uma nervura (consultar, por exemplo, Figura 1). A avaliação da integridade dos circuitos 28 é tipicamente realizada por um módulo de detecção 34 separado da própria sonda. Um módulo de detecção 34 pode ser associado a uma ou mais sondas, dependendo da escolha da tecnologia. O módulo de detecção 34 tipicamente inclui um cartão de aquisição que tem um certo número de terminais I/O, que determina o número de conexões aos circuitos condutores. O módulo de detecção, de preferência, inclui uma unidade processadora configurada para realizar a avaliação de cada circuito condutor 28. No entanto, isso não é necessário e o módulo de detecção poderia simplesmente servir como uma interface, sendo que a avaliação é feita no centro de controle do BF.

[087] Na modalidade da Figura 1, as sondas 24 de uma mesma placa de resfriamento são conectadas a um módulo de detecção comum 34 (os fios 35 passam das respectivas sondas para o módulo de detecção 34). O próprio módulo de detecção 34 está localizado no invólucro 38 fora da carcaça do forno 11. Isso é ilustrado em mais detalhes na Figura 7.

[088] O invólucro 38 compreende uma peça de cano de aço 38.1, uma extremidade da qual é posicionada para cercar a abertura 40 na jaqueta metálica 11 e é soldada de maneira estanque ao ar para a superfície externa da jaqueta de metal 11. A extremidade oposta da peça de cano 38.1 é firmemente fechada por uma cobertura 38.2. Aqui, a cobertura 38.2 é aparafusada a um flange radial 38.3 soldada à peça de cano 38.1. Uma junta anular 38.4 é interposta voltada às superfícies da cobertura e do flange. O invólucro 38, assim, fornece uma porta de acesso ao forno por meio da abertura, mas é fechado de forma vedada quando o BF estiver em operação para evitar vazamentos de pressão.

[089] Pode observar que esse invólucro 38 é conhecido na técnica, em particular por acessar termopares. O sinal de referência 60 na Figura 7 designa um termopar convencionalmente encaixado no lado traseiro da placa de resfriamento para monitorar sua temperatura. O termopar se estende para o invólucro, para facilitar sua manipulação e substituição, quando necessário.

[090] Deve ser observado que o módulo de detecção 34 é operacionalmente conectado a um módulo sem fio 62 a fim de transmitir para centro de controle do BF dados de condição sobre a placa de resfriamento 12, conforme determinado pelas sondas de detecção de desgaste 24. O módulo de detecção 34 e o módulo sem fio 62 são alimentados por uma bateria 64. A antena 66 do módulo sem fio é, de preferência, passada através do invólucro 38 para se estender para fora do invólucro 38 (e parede do forno 11). Na modalidade mostrada, uma caixa de caixa de empanque 65 é fornecida em um orifício 38.5 na cobertura 38.2 e a antena 66 é guiada através do dito orifício 38.5. O fio (não mostrado) do termopar 60 também passa tipicamente através desse orifício 38.5.

[091] A invenção aqui tira vantagem de portas de acesso existentes, isto é, invólucros 38, na carcaça do BF para instalar as sondas de monitoramento de condição. O módulo de detecção 34 é instalado no invólucro 38, fora da parede do forno e os fios 36 podem ser convencionalmente passados através da abertura 40.

[092] O uso de um módulo sem fio 62 evita informações de fiação longas e caras para conectar os módulos de detecção individuais 34 com o centro de controle. Isso fornece uma vantagem significativa ao reduzir o tempo de inatividade de manutenção do forno.

[093] O módulo sem fio 62 pode ser com base em qualquer tecnologia/padrões sem fio apropriados, por exemplo, WIFI, Bluetooth, 3G, 4G, LTE, Laura, etc.

[094] Ao contrário das sondas de monitoramento de processo, o uso de módulos alimentados por bateria faz sentido aqui para o monitoramento da condição, uma vez que não é necessária alimentação contínua. O módulo de detecção é programado para avaliar a condição/desgaste da placa de resfriamento uma ou duas vezes por dia. Esse baixo tempo das sondas de detecção de desgaste permite operação longa nas baterias. A bateria pode ser com base em qualquer tecnologia apropriada.

[095] Voltando finalmente à Figura 8, é mostrada uma modalidade que ilustra a eficiência da invenção ou adaptação de altos-fornos existentes. Os mesmos sinais de referência ilustram elementos idênticos ou semelhantes como na Figura 7. A fim de monitorar o desgaste de uma placa de resfriamento 10, basta para perfurar uma abertura 40 na carcaça do forno 11 e através da camada isolante 13 entre a carcaça 11 e a placa de resfriamento 10. Em seguida, um furo de passagem 26 é perfurado no corpo da chapa de resfriamento na sua direção de espessura, do lado traseiro para o lado frontal. Obviamente o furo de passagem é perfurado em um local conhecido para evitar abertura de um canal de resfriamento interno. Também se reconhecerá aqui o invólucro 38 que fornece uma porta de acesso vedável para abertura 40.

[096] Uma sonda de desgaste 24, conforme apresentado nas Figuras 7 e 6, é então inserida no furo de passagem. O diâmetro interno do furo de passagem 26 e o diâmetro externo da sonda 24 são adaptados de modo que se ajustem com um pequeno ajuste. Um fio 35’ conectado em uma extremidade para o PCB da sonda é puxado através da abertura 40 e através da parede do invólucro 38. Aqui, o fio 35’ passa através de um furo 38.5 na cobertura 38.2, que é vedado por uma caixa de empanque 65.

[097] Pode-se observar que a sonda 24 é mantida no lugar por uma mola de compressão 72 alinhada com o eixo da sonda 24 e contém em uma extremidade no lado traseiro do alojamento de sonda, e na outra extremidade do lado interno da cobertura 38.2. Isso garante que a sonda 24 permanece totalmente inserida no orifício, de modo que as extremidades dos circuitos condutores estejam em uma posição conhecida. Em comparação com outros meios de fixação como parafusos, o uso de uma mola 72 tem a vantagem que não requer usinagem ou preparação adicional da placa de resfriamento. Uma luva de guia 74 pode ser inserida na mola 72, se desejado, na parte da distância coberta pela última.

[098] O fio 35’ é conectado, fora do forno, a uma unidade 70 que compreende o módulo de detecção 34, módulo sem fio 62 e bateria 64, disposta em um alojamento metálico 70.1. O módulo sem fio 62 é conectado a uma antena 66’ fora do alojamento 70.1.

Claims (12)

1. Forno de cuba, em particular, um alto-forno caracterizado por compreender: uma jaqueta de metal (11) que define a parede externa do forno; uma camada protetora que protege a superfície interna da dita parede externa; pelo menos uma sonda de monitoramento de condição (24) disposta dentro da parede externa e dentro da dita camada protetora para monitorar a última; em que a dita pelo menos uma sonda de monitoramento de condição é conectada a um módulo de detecção (34) operativamente conectado a um módulo sem fio (62), que são alimentados por bateria e dispostos fora da dita parede externa para transmitir dados de monitoramento de condição; e em que a dita parede externa (11) compreende uma abertura (40) para conexão com fio entre a dita pelo menos uma sonda de monitoramento de condição (24) e o dito módulo sem fio (62), em que um invólucro (38) é montado na superfície externa da dita jaqueta de metal (11) de maneira estanque a gás para cobrir a dita abertura (40).

2. Forno de cuba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito módulo de detecção (34) ser configurado para avaliar a condição por meio da dita pelo menos uma sonda de monitoramento de condição em intervalos de tempo predeterminados, mas não mais de uma ou duas vezes ao dia.

3. Forno de cuba, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o dito módulo sem fio (62), o dito módulo de detecção (62) e a dita bateria estarem localizados dentro do dito invólucro (38); e uma antena (66) do dito módulo sem fio (62) se estender para fora do invólucro (38).

4. Forno de cuba, de acordo com a reivindicação 1,2 ou 3, caracterizado por o dito invólucro (38) compreender uma peça de cano de aço (38.1), uma extremidade que está posicionada para cercar a dita abertura (40) e é soldada à superfície externa da dita jaqueta de metal; em que a extremidade oposta da dita peça de cano (38.1) é firmemente fechada por uma cobertura (38.2).

5. Forno de cuba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a dita camada protetora compreender elementos de resfriamento (10) e/ou revestimento refratário (15); e em que sondas de monitoramento de condição (24) são incorporadas dentro dos ditos elementos de resfriamento e/ou do dito revestimento refratário.

6. Forno de cuba, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os ditos elementos de resfriamento (24) serem fixados contra a superfície interna da parede externa (11) e por as sondas de monitoramento de condição (24) serem incorporadas em um corpo (12) dos elementos de resfriamento.

7. Forno de cuba, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a dita sonda de monitoramento de condição (24) incluir uma pluralidade de circuitos condutores (28) posicionados em profundidades predeterminadas abaixo da face frontal do dito corpo e ser isolada eletricamente a partir daí, sendo que cada circuito é conectado a um par de terminais (30) na face traseira do dito corpo, de modo que o desgaste do dito corpo possa ser detectado por uma alteração de uma característica elétrica do dito circuito (ou ditos circuitos) devido à abrasão; em que os ditos circuitos condutores são formados por linhas condutoras em uma chapa (42) cada circuito condutor (28) descreve uma forma geralmente em U, e os circuitos são aninhados um dentro do outro, os ditos circuitos condutores (28) geralmente se estendem do lado traseiro em uma direção de espessura do dito corpo, de modo que uma seção de extremidade, que forma uma seção desgastável, de cada circuito esteja localizada em uma distância predeterminada (d1, d2, d3) da dita face frontal; a dita sonda (24) é disposta em um orifício passante (26) ou orifício cego no dito corpo; a dita sonda (24) compreende um alojamento cilíndrico que cerca a dita chapa com os ditos circuitos condutores, o dito alojamento cilíndrico tem uma forma correspondente com a forma do dito orifício; e o dito alojamento cilíndrico é produzido a partir do mesmo material que um corpo (12) da dita placa de resfriamento (12).

8. Forno de cuba, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o dito módulo de detecção (34) ser conectado aos ditos terminais (30) e configurado para avaliar a dita característica elétrica de cada circuito (28), em particular uma dentre uma tensão, corrente ou resistência de cada circuito.

9. Forno de cuba, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o dito módulo de detecção (34) ser configurado para avaliar uma condição de circuito fechado elétrico de cada circuito condutor (28) com base na medição da resistência.

10. Forno de cuba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado por o alojamento cilíndrico compreender duas partes de meio cilindro (44) e a placa com o circuito condutor ser mantida entre as duas partes de meio cilindro.

11. Forno de cuba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado por a dita sonda (24) ser pré-carregada no dito orifício (26), em particular por um elemento de mola (72) apoiado em uma extremidade traseira do dito alojamento da sonda e em uma parede do dito invólucro (38).

12. Forno de cuba, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizado por o dito alojamento ser feito de cobre ou liga de cobre.

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