BR112020023705B1 - Detecção de defeitos do ânodo por um método não destrutivo de célula de redução de alumínio - Google Patents

Abstract

vimos pelo presente oferecer um método de ensaio não destrutivo do ânodo de uma célula de redução de alumínio, que inclui a construção de um estimado modelo do ânodo (ou a utilização do modelo determinado) com certos dados sobre a geometria e a resistência elétrica específica do ânodo, a geometria e as coordenadas de defeitos internos; tambem fazem uma série de cálculos de processos cíclicos, mostram os resultados dos cálculos na forma de uma matriz 3d das amplitudes e dos sentidos dos vetores de estimada resistividade ou indução do campo eletromagnético em pontos de amostragem junto a superfície externa do ânodo, colocam em superfícies exteriores do ânodo inspetado, pelo menos, um par de contatos condutores, que passam através do ânodo um valor especificado da corrente elétrica, colocam junto a superfície externa do ânodo inspetado, pelo menos, um sensor e medem a magnitude e o sentido dos vetores de tensão ou de indução do campo magnético, e apresentam-nos na forma de uma matriz 3d de medidos vetores de de tensão ou de indução do campo magnético, comparam as matrizes 3d dos estimados e medidos vetores de tensão ou de indução do campo magnético nos mesmos pontos de amostragem junto a superfície externa do ânodo, e segundo os resultados observam os tamanhos e as coordenadas de defeitos internos. o resultado é mais detalhada localização de defeitos, mais amplas possibilidades tecnológicas do método através da redução da instabilidade de resistências superficiais da área do contato em soquetes roscados do ânodo, aumenta a credibilidade e a confiabilidade da detecção de falha através da medição de vetores de tensão do campo magnético com transdutores de proximidade.

Description

Área de engenharia

[001] A invenção refere-se a uma área de detecção de falhas (controle não-destrutivo) do ânodo de uma célula de redução de alumínio e pode ser usada em metalurgia de metais não-ferrosos, onde utilizam-se os eletrodos condutores.

O nível de tecnologia

[002] O processo de produção do alumínio primário produzido por eletrólise consome uma quantidade significativa de ânodos pré-cozidos de carbono. Para assegurar um funcionamento dos ânodos de uma maneira eficiente e confiável, é importante para que os ânodos em blocos de carbono tenham a menor resistência elétrica possivel e não tenham internas fissuras, cavidades, e irregularidades na resistência elétrica. Também é importante, como para a produtora de alumínio, tanto para a produtora de ânodos, para controlar a qualidade do ânodo no que se refere a irregularidades na resistência elétrica do ânodo, fissuras, e cavidades, até o momento em que o ânodo começa a funcionar em uma celula de redução. Assim, a detecção de defeitos nos ânodos de célula de redução de alumínio é uma tarefa importante.

[003] Os métodos e dispositivos para a detecção (controle) de defeitos e da heterogeneidade de resistência elétrica, o princípio de funcionamento dos quais é baseado no uso da lei de Ohm, segundo descrito em tais obras, como M. J. Chollier-Brym, D. Laroche, A. Alexandre, etc., New MIREA method for measurement of representative anode electrical resistance // Light Metals, 2012, pp.1299-1302; a patente US 3735253 Edward J. Seger, etc., ALCOA, Method and means for measuring electrode resistance, de 1971; a patente US 7576534 Daniel Andet, etc. Universite Du Quebec, System and method to forecast the electrical conductivity of anodes for aluminium production antes do cozimento, 2009; Nedeltcho Kandev, Hugues Fortin, Sylvain Chenard, et al., New apparatus for characterizing electrical contact resistance and thermal contact conductance // Light Metals, 2011, pp.1003-1008; Susann Beier, John J. J. Chen, Hugues Fortin, et al., FEM analysis if the anode connection in aluminium reduction cells // Light Metals, 2011, pp.979 984; Mark A. Cooksey, William Yang, PIV measurements on physical models of aluminium reduction cells // Light Metals, 2006, pp.359-365; a patente US 3735253 Edward J. Seger, etc., ALCOA, Method and means for measuring electrode resistance, 1971.

[004] Na patente da empresa ALCOA, Estados Unidos (US 3735253 Edward J. Seger, etc., ALCOA, Method and means for measuring electrode resistance, 1971) revela-se um método e aparelho para medir a resistência elétrica do eletrodo de carbono. O dispositivo contém vários cabos de entrada e sensores para medir a voltagem da superfície do eletrodo em contato elétrico com eles. A corrente passa através de um eletrodo ao longo de múltiplas vias entre os cabos de entrada e muitos sensores. A corrente residual de cada via, e a queda de voltagem no eletrodo são medidos para saber a resistência elétrica do eletrodo entre a posição na superfície de contato do cabo e a posição na superfície do eletrodo em contato com sensores. Fica demonstrado que, desta forma, é possível medir a resistência elétrica do eletrodo em temperaturas de até 960 °C.

[005] Dispositivo para medir a resistência elétrica da superfície de uma amostra com um sensor de 8 pontos (patente US 3611125, Meyer Sharon, Apparatus for measuring electrical resistance, 1969.) permite melhorar a precisão da medição da resistência na zona próxima às nervuras do tronco do ânodo e a outros irregularidades da amostra. No entanto, o resultado da medição é a unidade de resistência [Ohm/m2], que pode apenas indiretamente e integralmente caracterizar a resistividade elétrica específica dentro do volume de ânodo.

[006] Na obra de Guillaume Léonard, Ameline Bernard, Yann El Ghaoui, Marc Gagnon, Patrick Coulombe, Gontran Bourque and Stéphane Gourmaud. MIREA - An on-line real time solution to check the quality of electrical anodes // Proceedings of 33rd International ICSOBA Conference, em 2015, pp.455-466, apresenta uma maneira de determinar a qualidade de anodos com o aparelho de MIREA - "Instantânea medida da resistência elétrica anódica"). O sistema é baseado em medida não destrutiva da resistência elétrica anódica ao simular a distribuição da corrente no ânodo durante a eletrólise.

[007] Ao contrário da seleção tradicional de amostras de núcleo visando determinar a resistência elétrica de ânodos, que não leva em conta a heterogeneidade da estrutura do ânodo e a distribuição da corrente na zona do soquete roscado de anodo, o uso do MIREA para o controle de qualidade de anodos permite medir a resistência elétrica em tempo real, não destrói a estrutura do ânodo e facilita a identificação dos ânodos com graves defeitos causando as falhas prematuras de anodos em células de redução ou um consumo excessivo de energia. Assim, pode-se rejeitar tais anodos defeituosos.

[008] Na fábrica Alouette no Canadá o dispositivo MIREA foi instalado na saída de ânodos dos fornos de cozimento. Após o resfriamento e posterior diagnóstico, os ânodos de boa qualidade usam-se para o diagnóstico do processo de eletrolise e os ânodos com defeito rejeitam-se para reciclagem.

[009] O fluxograma do processo de medição inclui as etapas consequentes: colocando um ânodo no aparelho, introduzindo os contatos no soquete roscado do ânodo, medindo a queda de tensão no ânodo, extraindo os contatos do aparelho do soquete roscado do ânodo, retirando o ânodo do MIREA. Na fábrica Alouette Smelter o MIREA é capaz de fazer uma medição em 60 a 66 segundos. O aparelho de MIREA é totalmente automatizado e requer o mínimo de manutenção. O aparelho de MIREA toma em conta um impacto significativo da zona do soquete roscado do ânodo sobre a resistência elétrica do anodo, pois o principal elemento de medição de MIREA é o bujão do soquete, imitando um suporte ordinário do ânodo, através do qual o ânodo passa a corrente. O aparelho pode ser usado também no caso de uma forma incomum do soquete. Com um voltímetro pode-se obter o mapa de queda de voltagem entre as superfícies do ânodo. A queda de de voltagem mede-se entre o ponto de partida na parte superior do ânodo e certas pré-disposições sobre a superfície do ânodo (modelo). O modelo significa a realização de medidas em pontos localizados em quatro colunas ao longo de ambos os lados na superfície do ânodo e em 7 níveis de altura do ânodo, essas colunas sendo colocadas entre os soquetes do ânodo. No total, em cada ânodo fazem 28 medidas.

[010] A classificação base em qualidade de anodos é arbitrária, contando com a análise das médias, i. e. com o desvio da queda de tensão no ânodo medido de uma média de queda de tensão num lote de ânodos.

[011] No entanto, existe uma abordagem comum e simples para a distribuição de anodos segundo sua qualidade, que é usar análises multifatoriais (K. Esbensen. Multivariate Data Analysis: In Practice: An Introduction to Multivariate Data Analysis and Experimental Design. 5a Edição, CAMO, Norway, 2004, pp. 598), tais como o método de componentes principais (PCA) com a distância de Mahalanobis para fins de classificação do ânodo em várias categorias de qualidade.

[012] A distância de Mahalanobis é a distância entre o ponto de dados que representa o valor da diferença de potenciais do ânodo e o ponto médio em um espaço multidimensional (o valor médio do lote de ânodos). Esta distância é usada para identificar o abandono de indicadores. Aumento da distância de Mahalanobis para um ânodo específico significa maior valores de tensão [mV] deste ânodo relativo a um valor médio do lote. Portanto, é um indicador da diferença do ânodo específico de um ânodo médio no lote. Os ânodos com alta distância de Mahalanobis podem ser considerados como defeitosos.

[013] Acima mencionados métodos de controle de qualidade do ânodo, com base na utilização da lei de Ohm, têm as seguintes desvantagens:

[014] - baixa precisão de localização de defeitos, pois o método MIREA faz possível apenas a definição de essencialidade do desvio da resistência elétrica relativa, por exemplo, a da metade do ânodo do lado direito da metade do ânodo do lado esquerdo, pois a questão sobre a mais exata definição do tamanho e da localização de um defeito (a heterogeneidade da resistência elétrica, rachaduras, cavidades) continua a ser problemática hoje em dia;

[015] - a desvantagem do método MIREA é o problema de instabilidade transitória de resistência de área de superfície no soquete roscado do ânodo, onde passa corrente determinado, pois deve-se assegurar uma vasta área de contato elétrico no soquete roscado do ânodo, que deve ser igual em todos os soquetes do ânodo;

[016] - a desvantagem é o problema do desgaste acelerado de contatos de sensores (que medem potenciais elétricos em superfícies laterais do ânodo), bem como a instabilidade do funcionamento dos últimos, assim reduzindo a confiabilidade geral do sistema.

[017] Também existem métodos e dispositivos da detecção (controle) de falha de uma resistência elétrica usando a indução eletromagnética (IEM).

[018] Na patente US 7576534, Adler et al., System and method to forecast the electrical conductivity of anodes for aluminium production antes do cozimento, 2004, são descritos um método e aparelho para determinar a condutividade elétrica do ânodo de alumínio da célula de redução antes de cozer. No seu dispositivo, pelo menos, uma bobina receptora indutivamente fica emparelhada com o campo eletromagnético gerado pelo bloco. Bruto ânodo, ou parte dele, passa dentro da bobina receptora. O sensor é conectado com a bobina receptora e emite um sinal de saída, induzindo a variação de campo eletromagnético, resultante desta bobina. O valor da condutividade elétrica do ânodo, em seguida, calcula-se, usando o sinal do sensor e os sinais, obtidos previamente com o uso de ânodos exemplares. A patente também mostra as dependências de condutividade (1/(uOhm-cm), a partir do percentual de peca no ânodo, a condutividade (uOhm^cm)-1 da amplitude de variação do sinal em termos relativos.

[019] Na patente US 5473248, Paul R. Haldemann et.al., Method and apparatus for non-destructively detection flaws in a carbon anode, 1995, revela-se o princípio e o método de controle automático de qualidade do ânodo de carbono no fluxo. Quando isso ocorre, tem lugar a medição de perdas por correntes de Foucault e cavidades internas no ânodo de carbono, e a definição da resistência interna/ aparente do ânodo. A qualidade do ânodo de carbono pode ser determinada de acordo com a medida de perdas por correntes de Foucault e a medida de resistência.

[020] Vale notar que os métodos tradicionais de medida de resistência elétrica específica na superfície do ânodo criam problemas relacionados com a irregularidade de resistências superficiais de pontos de contato. É sabido que muitos (milhares) de heterogeneidades dentro do ânodo criam muitas irregularidades na resistência DC. Em consequência, a variabilidade da resistência DC não é a maneira exata de medir as cavidades no ânodo. O desgaste de contatos bem como a manobra de corrente e da capacidade de contatos com pó de carbono criam mais problemas que causam a falta de sensibilidade desse método. Um caso particular do método proposto é a utilização de uma frequência eletromagnética de 2000 Hz+/- 200 Hz.

[021] Apesar de sua aparente simplicidade e baixo custo do método proposto, não há a prática de confirmação de sua eficiência e pode-se supor somente a possibilidade de avaliação integrada (total) da heterogeneidade do ânodo, i. e. segundo o princípio de detecção do desvio substancial da resistência elétrica específica, por exemplo, entre a metade esquerda do ânodo e a metade direita do ânodo.

[022] Na patente US 7123004, Masumi Saka, et al., Method of non-destructive inspection of rear surface flaws and material characteristics using electromagnetic technique and apparatus thereof, 2004, descreve-se a maneira não destrutiva de localizar os defeitos (cavidades) e as características da resistência elétrica do material, usando as ondas eletromagnéticas, que faz-se assim: passam as correntes por um condutor (ânodo) e avaliam o defeito (cavidades) na superfície de trás e na superfície adjacente do condutor (ânodo). Neste caso, é utilizado o método de medida de potencial elétrico de corrente contínua, e a sensibilidade do método foi melhorada através de alterações na distribuição da resistência elétrica dentro do condutor (ânodo) pelo aquecimento local da superfície frontal da peça inspetada. Portanto, o aumento da resistência elétrica específica na superfície próxima em comparação com a resistência elétrica na superfície de trás, leva ao aumento da corrente na superfície de trás.

[023] Apesar de aparente simplicidade e baixo custo de métodos de detecção (controle) de falha da resistência elétrica acima mencionados usando a indução eletromagnética, faltam os exemplos do seu uso industrial em massa na fabricação de anodos cozidos de células de redução de alumínio. Parece duvidosa a aplicabilidade destes métodos para tal peça de grande porte, como um ânodo de carbono devido a uma série de peculiaridades e complexidade tecnológica de sua aplicação.

[024] Também, como nos mesmos métodos, com base na lei de Ohm, a desvantagem é a baixa precisão de localização de defeitos, pois é possível a definição apenas de essencialidade do desvio da resistência específica, por exemplo, entre a metade direita do ânodo e a metade esquerda do ânodo, pois a questão sobre a mais exata definição do tamanho e a localização do defeito (irregularidades na resistência elétrica, rachaduras, cavidades) continua a ser um problema atualmente.

[025] Assim, entre os métodos de detecção de falha (controle de qualidade) do ânodo, o mais próximo protótipo foi selecionado o método de MIREA (Guillaume Léonard, Ameline Bernard, Yann El Ghaoui, Marc Gagnon, Patrick Coulombe, Gontran Bourque and Stéphane Gourmaud. MIREA - An on-line real time solution to check the quality of electrical anodes // Proceedings of 33rd International ICSOBA Conference, em 2015, pp.455-466), baseado no uso da lei de Ohm, que é simples, de baixo custo, altamente produtivo (pode chegar a cerca de 60 anodos/hora).

[026] No entanto, famosos semelhantes inventos, bem como o protótipo de MIREA se referem a uma medida de valores escalares elétricas que caracterizam a resistência elétrica do bloco de ânodo e do próprio ânodo, o que diminui o valor informativo de medidas.

[027] Além disso, o método de MIREA tem as seguintes desvantagens:

[028] baixa precisão de localização de defeitos, pois o método proporciona somente a definição da essencialidade do desvio da relativa resistência elétrica, por exemplo, entre a metade direita do ânodo e a metade esquerda do ânodo;

[029] a instabilidade de resistências superficiais de área de contato em soquetes do ânodo, onde passa a corrente determinada, pois precisa-se manter uma vasta área de contato do condutor no soquete roscado do ânodo, esse valor sendo igual em todos os soquetes, o que reduz as possibilidades tecnológicas do método;

[030] o desgaste acelerado de contatos de sensores (que medem potenciais elétricos nas superfícies laterais do ânodo), a instabilidade do funcionamento dos últimos, que reduz a confiabilidade geral do sistema.

[031] Um problema técnico na detecção de defeitos de modo eletromagnético num bloco anódico cozido numa célula de redução é a falta de informação de medidas, baixa precisão de localização de defeitos, redução de capacidades tecnológicas, bem como a redução da confiabilidade do método, que determina a falta de precisão na detecção de falha e a determinação da qualidade do bloco anódico.

A divulgação da invenção

[032] A tarefa da invenção é a criação de um método de ensaio não destrutivo do ânodo de célula de redução de alumínio com a exceção dos defeitos acima mencionados, incluindo: 1. Proporcionando mais informação e precisão na definição de localização de defeitos e/ou tamanhos de defeitos (irregularidade de resistência elétrica, rachaduras, cavidades), usando as medidas não de valores escalares mas de valores vetoriais do campo eletromagnético gerado pela corrente, que passa através do ânodo de carbono. 2. Aumento da confiabilidade do equipamento, através da resolução de problemas de instabilidade de resistências superficiais nos pontos de contato de sensores com a superfície do ânodo de carbono. 3. Redução de custos operacionais.

[033] O resultado técnico da invenção é a solução para a tarefa especificada, a prestação da informação mais detalhada na definição de localização de defeitos, devido, em primeiro lugar, a medida da intensidade do campo magnético, a quantidade e as coordenadas de localização de condutores, bem como o número de coordenadas e os valores de coordenadas de localização de sensores corresponde a matriz das coordenadas dos pontos de amostragem da superfície da face superior do bloco anódico operacional; em segundo lugar, através da comparação do valor de medição em 3D num sistema ortogonal de coordenadas de valores vetoriais de intensidade do campo magnético (ou de indução magnética) do bloco anódico operacional e um modelo computadorizado padrão, o que, no final, contribui para o aumento da precisão da detecção de falha e a determinação da qualidade do bloco anódico.

[034] O resultado técnico da invenção é também a extensão de possibilidades tecnológicas do método através da redução da instabilidade de resistências superficiais na área de contato nos soquetes do ânodo, pois no método proposto falta a necessidade de proporcionar uma extensa e igual em todos os soquetes área de contato de cada condutor.

[035] O resultado técnico é também a maior validade e a confiabilidade da detecção de falha através da medição de vetores do campo magnético por sensores sem contato.

[036] O resultado técnico é obtido graças ao método proposto. É proposto um método de detecção não destrutiva de falha de ânodo de célula de redução de alumínio, que inclui a construção de um modelo do ânodo calculado baseando-se em dados conhecidos sobre a geometria e resistividade do ânodo, a geometria e as coordenadas dos defeitos internos: 1) usa-se o modelo do ânodo calculado com os critérios selecionados ou dados conhecidos, pelo menos, sobre a geometria, a resistência elétrica específica do ânodo, e também sobre a geometria e coordenadas de localização de um defeito interno em forma de irregularidade de resistividade, fendas ou cavidades dentro do ânodo; calculam por um método numérico o valor do fluxo espacial de corrente através do ânodo, bem como a amplitude e a direção dos vetores de tensão (ou de indução) do campo magnético na superfície externa do ânodo, em condições- limite de localização em superfícies externas do ânodo de, pelo menos, um par de contatos condutores, que passam através do ânodo um valor especificado de corrente elétrica; 2) realiza-se uma série de cálculos de processos cíclicos na fase 1) em condições limite de localização em superfícies exteriores do ânodo de, pelo menos, um par de contatos condutores, a condição de mover os contatos com o passo de amostragem menor ou igual a, pelo menos, duplo comprimento do alegado defeito; 3) apresentam os resultados do cálculo de fase 2) na forma tridimensional (3D) da matriz das amplitudes e das direções dos vetores de voltagens (ou induções) do campo eletromagnético em pontos de amostragem tem na superfície externa do ânodo; 4) colocam em superfícies exteriores do ânodo inspetado por falhas, pelo menos, um par de contatos condutores, que passam através do ânodo um valor especificado da corrente elétrica; 5) colocam junto a superfície externa do ânodo inspetado, pelo menos, um sensor e medem a magnitude e a direção dos vetores de tensão (ou de indução) do campo magnético para os mesmos pontos de amostragem, que nas fases de 1) a 3), e mostram-nos como uma matriz tridimensional de medidos vetores de tensão (ou de indução) do campo magnético; 6) comparam matrizes tridimensionais (3D) de vetores estimativas e medidas de tensão (ou de indução) do campo magnético em idênticos pontos de amostragem junto a superfície externa do ânodo;

[037] Neste caso, quando houver um desvio permitido dos valores medidos e estimativos de amplitude e direção dos vetores nos mesmos pontos de amostragem próximos à superfície do ânodo, o ânodo é considerado bom, e no caso de um desvio significativo, o ânodo é considerado mau.

[038] No ramo do proposto método é apropriado usar a distância de Mahalanobis para revelar os ânodos de defeito, i. e. a distância entre o ponto de dados que representa os valores do vetor de tensão (ou de indução) do campo eletromagnético no ponto de amostragem do ânodo e o ponto médio no espaço multidimensional (o valor médio do lote de ânodos), e com aumento da distância de Mahalanobis para um determinado ânodo aumentam os valores de tensão (ou de indução) do campo eletromagnético desse ânodo comparado com a média de valores do lote; assim que os ânodos com grande distância de Mahalanobis consideram-se defeituosos.

[039] Pode ser usada a corrente contínua, bem como corrente alternada.

[040] No caso de utilização da corrente alternada a comparação de medidos e estimativos valores de voltagem ou indução do campo eletromagnético de corrente tem lugar em idênticos pontos de amostragem da superfície do ânodo, dadas a mesma amplitude, a forma e o ângulo de fase do valor especificado de corrente alternada.

[041] Para medir a amplitude e a direção dos vetores de tensão ou de indução do campo magnético, normalmente, utilizam um sensor combinado com três ortogonalmente localizados sensores Hall, em particular, para medir a amplitude e a direção dos vetores de tensão ou de indução do campo eletromagnético variável usam, pelo menos, um sensor combinado com três enrolamentos ortogonais indutivos, que abrangem um espaço com o centro no ponto de amostragem junto a superfície externa do ânodo.

[042] Também foi proposto um método alternativo de ensaio não destrutivo do ânodo da célula de redução de alumínio, base em modelagem de ânodo, com certos dados sobre a geometria e a resistência especifica do ânodo, a geometria e as coordenadas de defeitos internos, segundo o qual para operações nos passos 1), 2), 3), usam pré obtidos valores estimados na forma da matriz tridimensional das amplitudes e dos sentidos dos estimados vetores de voltagem ou indução do campo eletromagnético em pontos de amostragem junto a superfície externa do ânodo. Trata-se de especificações, como, por exemplo, feitas com base em um conjunto de dados experimentais.

[043] Desde que a distribuição espacial das correntes dentro do ânodo, obviamente, deve ser correlada com a distribuição espacial de tais defeitos como irregularidades na resistência elétrica, fissuras, cavidades, portanto, vai ser possível a criação de um dispositivo e um método para um ensaio não destrutivo (controle de qualidade) dos ânodos, baseado na medição de vetores de tensão (ou vetores de indução) do campo magnético.

[044] Para o caso, quando a fonte do campo magnético são correntes distribuídas, caracterizadas pelo campo do vetor da densidade de corrente j, a fórmula da lei Biot-Savart adquire o aspeto seguinte (em sistema SI):

[045] onde j = j(r), dV — um elemento de volume, e a integração é feita em todo o espaço (ou em todas as suas áreas, onde j*0), r — corresponde ao ponto atual na integração (posição do elemento dV).

[046] Instrumentos para medição da indução magnética e a intensidade do campo magnético (CM) são chamados de teslâmetros (TM).

[047] Os dispositivos mais comuns para medir a indução e a intensidade do campo magnético são: teslâmetros (TM) com transdutores Hall, um teslâmetro de ferromodulação e um teslâmetro de ressonância nuclear.

[048] Teslâmetros com conversor Hall usam-se para medir os parametros de campos magnéticos (CM) médios (de 10-5 a 10-1 T) e fortes (de 10-1 a 102 T). O princípio de funcionamento de tais teslâmetros baseia-se em força eletromotriz induzida em semicondutores, colocados em área de influência do campo magnético.

[049] Nesse caso, o vetor da indução magnética do campo magnético requerido (B) deve ser perpendicular à placa de semicondutor 1 (fig. 1).

[050] Através do corpo do semicondutor 1 flui uma corrente elétrica I. O resultado é que em faces laterais da placa é formada a diferença de potencial - Efeito Hall (Ex). FEM induzida é definida por detecção de nulo ou por um milivoltímetro 2, passando através de um amplificador (A). O milivoltímetro tem a escala graduada em teslas. Na prática, FEM Hall depende de parâmetros de placa de semicondutor (fator C), da amperagem e da indução magnética: i. Ех=С•I•B (2)

[051] Sabendo amperagem I, o fator C e o valor Ex, o instrumento é graduado em unidades de medida do campo magnetico, desde que a força atual seja constante.

[052] Teslâmetros com conversor Hall são simples de usar, tem um tamanho pequeno, o que permite aplicar suas medidas em pequenas diferenças. Com a sua ajuda, determinam as definições de constantes, variáveis e de campos pulsantes.

[053] Os limites de medição com um instrumento convencional de 2-10-3 até 2 T, com a relativa incerteza de ±1,5-2,5%.

[054] As operações do método ficam explicadas na fig. 2, onde usa-se o modelo teórico de ânodo de carbono 1 com os dados conhecidos sobre a geometria, a resistividade elétrica específica do ânodo, e também sobre a geometria e as coordenadas de localização de um defeito interno 2 na forma de cavidade ou fissura, ou irregularidades na resistência específica dentro do ânodo; usam o método de elementos finitos para fazer estimativa de dispersão da corrente volumétrica (I) através do ânodo 1, bem como da amplitude e do sentido dos vetores de tensão (H1, H2 etc.) ou da indução do campo magnético junto a superfície externa do ânodo 1, na condição limite de localização nas superfícies externas do ânodo 1 de, pelo menos, um par de contatos condutores 3, que conduzem através do ânodo 1 certa corrente elétrica constante (I).

[055] Colocam sobre a superfície externa do testado ânodo 1, pelo menos, um sensor 4 e medem a magnitude e a direção dos vetores de tensão ou de indução do campo magnético para os mesmos pontos de amostragem, que nos pp. 1.1-1.3, e memorizam os resultados na forma de matriz 3D de medidos vetores da intensidade do campo magnético.

[056] Comparam-se as matrizes 3D calculadas e medidas de vetores da intensidade ou da indução do campo magnético nos mesmos pontos de amostragem (T1 e T2) junto a superfície externa do ânodo 1.

[057] De acordo com o padrão nacional GOST R 8.736-2011, as medidas de valores da amplitude e da direção dos vetores tomam em conta um erro de medição. Sensor Hall tem uma relativa margem de erro de medição de até 2,5%, a variação de parâmetros de resistência elétrica do ânodo, que são regulamentados pela tecnologia da linha de produção, pode causar um erro relativo de medição de até 12%; o erro de posicionamento de sensores Hall com a configuração automática da matriz de sensores medidores introduz um erro relativo adicional de até 2.5 %; a qualidade do contato na passagem da corrente pode causar relativa incerteza de medição de até 3%. Como resultado, o valor máximo do erro relativo da medida pode ser de 20%, respectivamente qualquer desvio de valores medidos e calculados da amplitude e da direção dos vetores nos mesmos pontos de amostragem na superfície do ânodo, que é menos de 20%, não é uma consequência de um defeito, e neste caso, o ânodo considera-se bom. Assim, no caso de um desvio desprezável (menos de 20%) entre os valores medidos os valores nominais da amplitude e da direção de vetores (H1, H2 etc.) da tensão ou da indução nos mesmos pontos de amostragem junto a superfície do ânodo 1, o ânodo considera-se bom. Em caso de um desvio significativo (mais de 20%) entre os valores reais e os valores ideais da amplitude e da direção de vetores (H1, H2 etc.) nos mesmos pontos de amostragem junto a superfície do ânodo 1, o ânodo considera-se mau e deve ser rejeitado.

[058] O método explica-se com exemplos, onde os resultados de dados experimentais ficam apresentados em forma de gráficos (matrizes 3D) (fig. 3, 4, 5, 6).

[059] Na fig. 3, 4 mostram-se os valores da densidade de corrente J [A/m2] dentro de uma amostra de um ânodo de carbono sem defeitos internos e com um defeito particular, por exemplo, na forma de uma fissura/cavidade horizontal 200x200x10 (fig. 4). Se houver um defeito, a corrente passa ao redor do defeito (por via da menor resistência) e fica mais perto da superfície lateral do bloco anódico, assim fazendo a distorção da imagem de vetores de indução (ou de tensão) do campo magnético B [T], aumentando a amplitude desses vetores em pontos localizados mais perto à superfície lateral do ânodo, como mostrado na fig. 5, 6. Na fig. 5, 6 ficam apresentadas dez linhas verticais na superfície lateral do ânodo, ao longo das quais, em pontos equidistantes, aparecem as estimativas dos vetores da indução magnética do campo. Na fig. 5, 6 os vetores mostram a direção, e a amplitude do vetor tem a cor de vetor. Comparando as cores de dois vetores da indução magnética do campo no mesmo ponto da superfície lateral do ânodo, dadas as outras condições iguais, fica claro que, por exemplo, no ponto [400;0;0] a cor do vetor da indução magnética do ânodo com um defeito interior parece mais brilhante que neste mesmo ponto de um ânodo sem defeito, i. e. o vetor do campo do ânodo com defeito mudou de direção, e adquiriu um incremento em magnitude absoluta.

[060] Assim pode-se concluir que a presença de um defeito (na forma de uma fissura horizontal (200x200x10 mm) dentro do ânodo causa uma redistribuição do fluxo de corrente dentro do ânodo, em consequência do qual a corrente tende a contornar um obstáculo, assim, aproximando-se da superfície lateral externa do ânodo. Neste caso, varia (aumenta), não só a amplitude da densidade de corrente mais próximo à superfície lateral do ânodo, mas a direção de vetores de tensão. Devido a isso, alteram-se a amplitude e o sentido do vetor de tensão ou de indução magnética do campo, o que se reflete por correspondentes projeções do vetor de tensão ou de indução magnética no sistema de coordenadas ortogonais X-Y-Z.

[061] Considerando que a diferença entre as projeções da amplitude e a direção dos vetores de tensão ou da indução magnética no eixo de coordenadas pode chegar a valores significativos, por exemplo, de 20 a 100% em relação ao vetor original sem defeito dentro do ânodo, é óbvio que esse método de detecção de falha do ânodo facilita a rejeição de anodos defeituosos, segundo o nível determinado de desvio das projeções das amplitudes e da direção dos vetores de tensão ou da indução magnética do campo.

[062] Limites inferiores e superiores do intervalo de desvios de projeções de amplitudes e os sentidos dos vetores de tensão ou de indução magnética podem ser definidas a partir dos estudos de viabilidade do processo de produção, que asseguram um equilíbrio rentável entre a quantidade e o preço de rejeitados anodos e a vantagem econômica de sua não utilização no seguimento de processos tecnológicos.

[063] A invenção proporciona as seguintes vantagens:

[064] Assegura-se uma precisão mais alta de localização de defeitos, pois o método não apenas faz possivel medir uma diferença significativa da resistência elétrica entre a metade direita do ânodo e a metade esquerda do ânodo, como no método MIREA, mas também proporciona uma precisão mais alta na medida do tamanho e da localização do defeito (irregularidades na resistência elétrica, rachaduras, cavidades), com a precisão absoluta, pelo menos, com o tamanho não inferior a duplo comprimento do defeito [prováveis dimensões do defeito podem variar entre 20 mm e 250 mm].

[065] Diminui o problema de instabilidade de resistências superficiais de área de contato nos soquetes roscados do ânodo, onde passa certa corrente elétrica segundo o método MIREA, pois segundo o método proposto não é necessário ter vasta área de contato de um condutor no soquete roscado do ânodo, sendo a mesma em todos os soquetes roscados do ânodo.

[066] Corrige um problema de intenso desgaste de contatos de sensores (que medem os potenciais elétricos em superfícies laterais do ânodo), a instabilidade do funcionamento dos últimos, reduzindo a confiabilidade geral do sistema, pois usam os sensores de proximidade vetores de intensidade do campo magnético segundo o princípio de sensores ortogonais Hall, ou ortogonalmente localizados enrolamentos de indução (de corrente alternada).

Claims (7)

1. Método de ensaio não destrutivo do ânodo de uma célula de redução de alumínio caracterizado por incluir a construção de liquidação, o modelo do ânodo ou a utilização de determinado com os dados conhecidos sobre a geometria e a resistência elétrica especifica do ânodo, a geometria e as coordenadas de defeitos internos, caracterizado com o seguinte: i. base num modelo estimativo do ânodo com os dados conhecidos sobre a geometria, a resistência elétrica específica do ânodo, e também da geometria e coordenadas de localização interna de um defeito em forma de irregularidades de resistividade, as fissuras ou cavidades dentro do ânodo, usam o método numérico para a definição espacial do fluxo de corrente através do ânodo, bem como a amplitude e o sentido dos vetores de tensão ou de indução do campo magnético junto a superfície externa do ânodo, a condição limite das superfícies externas do ânodo, pelo menos, um par de contatos condutores, que passam através do ânodo um valor especificado de corrente elétrica; ii. realiza-se uma série de cálculos de processos cíclicos na fase i a condições limite de localização em superfícies exteriores do ânodo de, pelo menos, um par de contatos condutores, a condição de mover os contatos com o passo de amostragem, menor ou igual a, pelo menos, duplo comprimento do alegado defeito; iii. apresentam os resultados do cálculo de fase ii na forma da matriz 3D das amplitudes e dos sentidos dos vetores da estamada voltagem ou indução do campo eletromagnético em pontos de amostragem junto a superfície externa do ânodo; iv. colocam em superfícies exteriores do ânodo inspetado por falhas, pelo menos, um par de contatos condutores, que passam através do ânodo um valor especificado da corrente elétrica; v. colocam junto a superfície externa do ânodo inspetado, pelo menos, um sensor e medem a magnitude e o sentido dos vetores da tensão ou da indução do campo magnético para os mesmos pontos de amostragem, que nas fases i-iii, e exibem-nos na forma da matriz 3D de medidos vetores de tensão ou de indução do campo magnético; vi. comparam as matrizes 3D dos estimados e medidos vetores de tensão ou de indução do campo magnético nos mesmos pontos de amostragem junto a superfície externa do ânodo; sendo assim, no caso do limite de tolerância (menos de 20%) de medidos e estimados valores da amplitude e do sentido dos vetores nos mesmos pontos de amostragem na superfície do ânodo, o ânodo considera-se bom e, em caso de um desvio significativo (mais de 20%) dos medidos e estimados valores da amplitude e do sentido dos vetores nos mesmos pontos de amostragem na superfície do ânodo, então o ânodo considera-se defeituoso.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar a distância de Mahalanobis para identificar os ânodos defeituosos, pois a distância entre o ponto de dados que representa os valores do vetor de tensão ou de indução do campo eletromagnético no ponto de amostragem do ânodo e o ponto médio no espaço multidimensional (o valor médio do lote de ânodos); quanto maior a distância de Mahalanobis para um determinado ânodo, o maior valor de tensão ou de indução do campo eletromagnético desse ânodo vs. a média de valores do lote; os ânodos com grande distância de Mahalanobis consideram-se defeituosos.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por usar corrente contínua.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por usar corrente alternada; então a comparação de medida e calculada voltagem ou indução do campo eletromagnético da corrente tem lugar em idênticos pontos de amostragem na superfície do ânodo, dada a mesma amplitude, a forma e o angulo de fase de um determinado valor da corrente alternada.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por medir a amplitude e o sentido dos vetores de tensão ou de indução do campo magnético utilizam um sensor combinado com três ortogonalmente localizados sensores Hall.

6. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por para medir a amplitude e o sentido dos vetores de tensão ou de indução do campo eletromagnético variável usam, pelo menos, um combinado sensor com três ortogonais enrolamentos indutivos, abrangendo um espaço com o centro no ponto de amostragem junto a superfície externa do ânodo.

7. Método de ensaio não destrutivo do ânodo de célula de redução de alumínio, que inclui a construção de um modelo do ânodo com certos dados sobre a geometria e a resistência elétrica específica do ânodo, a geometria e as coordenadas de defeitos internos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por para as operações em passos i, ii, iii usam pré obtidos valores estimativos na forma de uma matriz 3D das amplitudes e dos sentidos dos vetores de estimativas de voltagem ou de indução do campo eletromagnético em pontos de amostragem tem a superfície externa do ânodo.