BRPI0803326A2

BRPI0803326A2 - perfecting the device for continuous liquid metal temperature measurement using the optical process

Info

Publication number: BRPI0803326A2
Authority: BR
Inventors: Jose Raposo Barbosa; Luis Fernando Marzano; Marlon Odilon Xavier Silva; Aloisio Da Silva Gomes; Fabiano Correa Martins
Original assignee: Minas Gerais Siderurg
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2010-01-19
Also published as: BRPI0803326B1

Abstract

APERFEIÇOAMENTO NO DISPOSITIVO PARA MEDIÇçO CONTÍNUA DE TEMPERATURA DE METAL LÍQUIDO UTILIZANDO PROCESSO àPTICO. O dispositivo desenvolvido para fixação do sensor óptico e centralização da cabeça sensora (32) do dispositivo para medição contínua de temperatura de metal líquido, utilizando processo óptico, é constituído de um anel de alinhamento e fixação do sensor (29) com orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30) e uma lente de proteção (31) para facilitar a leitura da temperatura no tubo cerâmico (13). As vantagens da realização da medição com este dispositivo são: maior proteção da lente de proteção (31) contra impurezas do ar atmosférico, tais como: umidade, poeira e óleo; melhor alinhamento e fixação da cabeça sensora (32); confiabilidade do ponto de leitura no tubo cerâmico (13); redução do tempo de exposição do operador a altas temperaturas; aumento da segurança operacional; redução do custo operacional; redução do custo de manutenção; maior confiabilidade da medição.IMPROVEMENT ON THE DEVICE FOR THE CONTINUOUS MEASUREMENT OF LIQUID METAL TEMPERATURE USING THE APTICAL PROCESS. The device developed for fixing the optical sensor and centering the sensor head (32) of the continuous liquid metal temperature measuring device, using an optical process, consists of a sensor alignment and fixing ring (29) with through-holes. drag and cooling gas (30) and a protective lens (31) for easy reading of the temperature in the ceramic tube (13). The advantages of measuring with this device are: increased protection of the protective lens (31) against atmospheric air impurities such as moisture, dust and oil; better alignment and fixation of the sensor head (32); reliability of the reading point in the ceramic tube (13); reduced operator exposure time at high temperatures; increased operational safety; reduction of operating cost; reduction of maintenance cost; greater measurement reliability.

Description

"APERFEIÇOAMENTO NO DISPOSITIVO PARA MEDIÇÃO CONTÍNUA DE TEMPERATURA DE METAL LÍQUIDO UTILIZANDO PROCESSO ÓPTICO""IMPROVEMENT ON THE DEVICE FOR CONTINUOUS METAL TEMPERATURE MEASUREMENT USING OPTICAL PROCESS"

Como são grandes as dificuldades para se medir asHow great are the difficulties in measuring the

temperaturas durante os processos que envolvem a manipulação de metais líquidos nos convertedores, nas panelas e nos distribuidores do lingotamento contínuo, são utilizadas várias técnicas para monitoramento dessas temperaturas, como por exemplo, termopares especiais de platina, de ligas de metais nobres ou pirômetro óptico. No caso do processo de solidificação no lingotamento contínuo, onde requer uma medida contínua da temperatura, a fim de se obter um melhor controle operacional das máquinas de lingotamento e qualidade das placas produzidas, faz-se necessário a medição precisa da temperatura de forma contínua.In temperatures during processes involving the handling of liquid metals in continuous casting converters, pans and distributors, various techniques are used to monitor these temperatures, such as special platinum, noble metal alloy or optical pyrometer thermocouples. In the case of the continuous casting solidification process, where a continuous temperature measurement is required in order to obtain better operational control of the casting machines and the quality of the produced slabs, it is necessary to continuously measure the temperature continuously.

Os pedidos de patente depositados no INPI sob os números PI-0104773 e PI-0502779-9, referem-se ao método de medição contínua de temperatura em processos de elevada temperatura, utilizado com pirômetro óptico infravermelho que está baseado na emissão de luz por um material qualquer, tendo um sensor para captar esta luz emitida. A luz é transportada através de fibra óptica até um conversor de sinal (óptico para elétrico). Os valores lidos são processados no conversor de sinal, que é uma unidade eletrônica, e utiliza uma equação matemática para fazer os cálculos e fornecer a temperatura. Este sistema consiste basicamente de umdispositivo de medição, um posicionador articulável, um dispositivo de conversão de sinal e um sistema de controle.Patent applications filed with the INPI under numbers PI-0104773 and PI-0502779-9, refer to the method of continuous temperature measurement in high temperature processes, used with infrared optical pyrometer which is based on light emission by a any material having a sensor to capture this emitted light. Light is transported through optical fiber to a signal converter (optical to electrical). The read values are processed in the signal converter, which is an electronic unit, and uses a mathematical equation to perform the calculations and provide the temperature. This system basically consists of a measuring device, a pivoting positioner, a signal conversion device and a control system.

O dispositivo de medição se interliga mecanicamente ao posicionador articulável e, eletricamente, ao dispositivo de conversão de sinal.The measuring device mechanically interconnects with the swivel positioner and electrically with the signal conversion device.

A unidade óptica, unidade de medição propriamente dita, compreende um sensor óptico, tubo de fixação, mangueira de aço e fibra óptica. Esta leva o sinal do sensor óptico até o dispositivo de conversão de sinal, que o envia, como sinal elétrico, para o sistema de controle.The optical unit, the measuring unit itself, comprises an optical sensor, fixing tube, steel hose and optical fiber. It carries the signal from the optical sensor to the signal conversion device, which sends it as an electrical signal to the control system.

O tubo de medição é um tubo cerâmico que, mergulhado no metal líquido, funciona como campo luminoso de visão para o sensor óptico.The measuring tube is a ceramic tube that, immersed in liquid metal, acts as the light field of view for the optical sensor.

Para se processar a medição, o sistema é manipulado pelo posicionador articulado, de forma a ficar situado sobre o distribuidor e movimentado até que o tubo cerâmico de medição mergulhe no banho de metal líquido até uma profundidade preestabelecida. O ajuste da distância do sensor óptico à extremidade do tubo de medição imersa no metal líquido, aliado ao perfil interno característico desse tubo de medição e o alinhamento do sensor, fazem com que esse sensor focalize o campo de visão desejado.To process the measurement, the system is manipulated by the hinged positioner so that it is positioned over the manifold and moved until the ceramic measuring tube plunges into the liquid metal bath to a preset depth. Adjusting the distance of the optical sensor to the end of the immersed liquid metal measuring tube, coupled with the measuring tube's internal profile and the sensor alignment, makes the sensor focus the desired field of view.

Este método mostrou-se mais vantajoso economicamente em relação ao uso do sensor de platina do tipo B (Termopar), porém, apresentou alguns problemas técnicos e operacionais, tais como: deficiência no alinhamento do sensor com otubo cerâmico; refrigeração ideal para a fibra óptica e o sensor sem comprometer a medição; necessidade de redução da sílica presente no interior do tubo cerâmico; variação da pressão do gás que refrigera o sensor e a fibra óptica; interferência na medição durante a variação do nível de aço líquido; fixação e alinhamento do sensor no tubo de aço inox.This method was more economically advantageous compared to the use of the type B platinum sensor (Thermocouple), however, it presented some technical and operational problems, such as: deficient alignment of the sensor with the ceramic tube; optimal cooling for fiber optics and sensor without compromising measurement; need to reduce the silica present inside the ceramic tube; gas pressure variation that cools the sensor and the optical fiber; interference with measurement during variation of the liquid steel level; sensor fixation and alignment on the stainless steel tube.

A presente invenção tem por objetivo solucionar esses problemas e viabilizar a aplicação de instrumentos ópticos para a medição contínua de temperatura em processos que envolvem elevadas temperaturas, como no caso do lingotamento contínuo. O dispositivo desenvolvido possibilita a adaptação e a proteção tanto para o tubo de medição quanto para o instrumento óptico.The present invention aims to solve these problems and to enable the application of optical instruments for continuous temperature measurement in processes involving high temperatures, as in the case of continuous casting. The developed device makes it possible to adapt and protect both the measuring tube and the optical instrument.

Este dispositivo é ilustrado nas figuras 1 e 2, onde:This device is illustrated in figures 1 and 2, where:

1. metal líquido1. liquid metal

2. distribuidor2. distributor

3. dispositivo de medição3. measuring device

4. manipulador articulável4. articulable manipulator

5. sistema de controle5. control system

6. braço do manipulador e entrada de gás de refrigeração e arraste6. handler arm and cooling and drag gas inlet

7. fibra óptica7. fiber optics

8. conversor óptico de sinal8. optical signal converter

9. mangueira de aço9. steel hose

10. niple de fixação do sensor óptico10. optical sensor fixing nipple

11. tubo de fixação e refrigeração do sensor óptico12. tubo guia para cerâmica de medição11. optical sensor mounting and cooling tube12. guide tube for measuring ceramics

13. tubo cerâmico13. ceramic tube

14. furos de saída do gás de refrigeração e arraste14. cooling and drag gas outlet holes

15. haste de trava15. lock rod

16. articulações da haste de trava16. lock rod joints

17. porcas borboleta para fixação da haste17. butterfly nuts for stem attachment

18. tampa de acesso para manutenção18. maintenance access cover

19. termopar para monitoramento da temperatura do sensor óptico19. thermocouple for optical sensor temperature monitoring

20. base de assentamento do tubo cerâmico20. ceramic tube seating base

21. controlador de temperatura interna do sensor21. sensor internal temperature controller

22. sinalizador audiovisual22. audiovisual flag

23. indicador local de temperatura contínua23. local continuous temperature indicator

24. controlador lógico programável da máquina de lingotamento24. Programmable Logic Controller of Casting Machine

25. estação supervisória25. supervisory station

26. computador de processo26. process computer

27. jaqueta com refrigeração27. cooling jacket

28. gás de refrigeração e arraste28. cooling gas and drag

29. anel de alinhamento e fixação do sensor29. sensor alignment and mounting ring

30. orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste30. cooling and dragging gas holes

31. lente de proteção31. protective lens

32. cabeça sensora32. sensor head

33. conexão34. base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor.33. connection34. Alignment ring support base and sensor mounting.

O dispositivo, para realizar a medição de temperatura, utiliza uma jaqueta com refrigeração (27), sendo esta refrigerada através de um gás de refrigeração e arraste (28), protegendo a cabeça sensora (32). Esta cabeça sensora (32) é conjugada com uma fibra óptica (7) e um conversor óptico de sinal (8) (óptico para elétrico). A cabeça sensora (32) é focada dentro de um tubo cerâmico (13) em alumina grafitada prensada, com capacidade de promover uma rápida condutividade térmica e luminosa, propiciando assim uma leitura precisa da temperatura do metal líquido (1) no distribuidor (2). A vida útil deste tubo cerâmico (13) depende das características do aço em produção. Em média dura 24h, podendo atingir um tempo maior.The device, for temperature measurement, uses a cooling jacket (27), which is cooled by a cooling gas and drag (28), protecting the sensor head (32). This sensor head (32) is coupled with an optical fiber (7) and an optical signal converter (8) (optical to electrical). The sensor head (32) is focused within a pressed graphite alumina ceramic tube (13) capable of providing rapid thermal and light conductivity, thus providing an accurate reading of the temperature of the liquid metal (1) in the distributor (2) . The service life of this ceramic tube (13) depends on the characteristics of the steel in production. On average it lasts 24 hours and can reach a longer time.

Foi desenvolvido um sistema de refrigeração daA cooling system of the

fibra óptica (7) e da cabeça sensora (32) com o objetivo também de fazer o arraste das partículas de sílica no interior do tubo cerâmico (13). Foi adaptado à cabeça sensora (32) um anel de alinhamento e fixação do sensor (29), a fim de garantir a centralização da cabeça sensora (32) e o ponto de leitura no tubo cerâmico (13).optical fiber (7) and the sensor head (32) also with the purpose of dragging the silica particles inside the ceramic tube (13). A sensor alignment and fixing ring (29) has been fitted to the sensor head (32) to ensure the centering of the sensor head (32) and the reading point on the ceramic tube (13).

Ao longo do anel de alinhamento e fixação do sensor (29), foram feitos orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30).Along the alignment and fixing ring of the sensor (29), cooling gas and drag holes (30) have been drilled.

O gás de refrigeração e arraste (28), ao passar pelos orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30), forma umacortina de proteção da lente de proteção (31), impedindo que impurezas do ar atmosférico, tais como: umidade, poeira e óleo, venham prejudicar a eficiência da leitura da cabeça sensora (32), mantendo a lente de proteção (31) limpa. A lente de proteção (31), que pode ser de safira,Coolant and carrier gas (28), as it passes through the coolant and carrier gas passages (30), form a protective curtain of the protective lens (31), preventing atmospheric air impurities such as moisture, dust and oil will impair the efficiency of the sensor head reading (32) by keeping the protective lens (31) clean. The sapphire protective lens (31)

quartzo ou outro material, tem por finalidade proteger a cabeça sensora (32) contra acidentes operacionais.quartz or other material, its purpose is to protect the sensor head (32) against operational accidents.

O anel de alinhamento e fixação do sensor (29), com orifícios de passagem de gás de refrigeração e arraste (30), tem por finalidade fixar e centralizar a cabeça sensora (32), apoiando-se na base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor (34).The sensor alignment and mounting ring (29), with cooling and drag gas passage holes (30), is intended to secure and center the sensor head (32), resting on the support ring of the alignment ring and sensor attachment (34).

A cabeça sensora (32) é conectada ao anel de alinhamento e fixação do sensor (29) e este, à lente de proteção (31).The sensor head (32) is connected to the sensor alignment and mounting ring (29) and the sensor lens (31).

Estando conectados a cabeça sensora (32) no anel de alinhamento e fixação do sensor (29) e este, à lente de proteção (31), o conjunto é posicionado na base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor (34).When the sensor head (32) is connected to the sensor alignment and mounting ring (29) and the sensor lens (31), the assembly is positioned at the base of the sensor alignment and mounting ring (34).

A conexão (33) exerce a função de fixar o anel de alinhamento e fixação do sensor (29) na base de apoio do anel de alinhamento e fixação do sensor (34) e ao tubo de fixação e refrigeração do sensor óptico (11).The fitting (33) functions to secure the sensor alignment and mounting ring (29) to the sensor alignment and mounting ring support base (34) and to the optical sensor mounting and cooling tube (11).

O princípio básico de funcionamento da cabeça sensora (32) consiste na leitura da radiação luminosa emitida por um material qualquer. A luz irradiada é lida pela cabeça sensora (32) e 25 transportada através de uma fibra óptica (7) até um conversor ópticode sinal (8), que converte o sinal óptico para elétrico (saída de 4 a 20mA). A cabeça sensora (32) possui dois sensores que fazem as leituras simultaneamente. Os valores lidos são processados no conversor óptico de sinal (8), que é uma unidade eletrônica, e utilizaThe basic principle of operation of the sensor head 32 is to read the light radiation emitted by any material. The irradiated light is read by the sensor head 32 and carried through an optical fiber (7) to an optical signal converter (8), which converts the optical signal to electrical (4 to 20mA output). The sensor head (32) has two sensors that read simultaneously. The read values are processed in the optical signal converter (8), which is an electronic unit, and uses

uma equação matemática para fazer os cálculos e fornecer a saída de temperatura do processo, que é proporcional à temperatura do tubo cerâmico (13). O resultado dessa equação independe da emissividade do tubo cerâmico (13), dependendo apenas do comprimento de onda gerado no interior do tubo cerâmico (13) aquecido, que é proporcionala mathematical equation to perform the calculations and provide the process temperature output, which is proportional to the temperature of the ceramic tube (13). The result of this equation is independent of the emissivity of the ceramic tube (13), depending only on the wavelength generated inside the heated ceramic tube (13), which is proportional to

à temperatura que ele está submetido.at the temperature it is subjected to.

Nesse sistema, para garantir a continuidade da medição, substitui-se apenas o tubo cerâmico (13) a cada troca do distribuidor (2), não sendo necessário trocar a cabeça sensora (32). Esta substituição é rápida e fácil.In this system, to ensure continuity of measurement, only the ceramic tube (13) is replaced with each distributor change (2), and it is not necessary to change the sensor head (32). This replacement is quick and easy.

As vantagens da realização da medição com esteThe advantages of performing measurement with this

dispositivo são: maior proteção e eficiência na limpeza da lente de proteção (31), evitando impurezas do ambiente de medição, tais como: umidade, poeira e óleo; melhor alinhamento e garantia da centralização da cabeça sensora (32); confiabilidade do ponto deDevice are: increased protection and cleaning efficiency of the protective lens (31), avoiding impurities from the measurement environment, such as: moisture, dust and oil; better alignment and guaranteeing the centering of the sensor head (32); point reliability

leitura no tubo cerâmico (13); redução do tempo de exposição do operador a altas temperaturas; aumento da segurança operacional; redução do custo operacional; redução do custo de manutenção; maior confiabilidade da medição.reading in the ceramic tube (13); reduced operator exposure time at high temperatures; increased operational safety; reduction of operating cost; reduction of maintenance cost; greater measurement reliability.

O dispositivo está isento das interferências doThe device is free from interference from the

operador no que diz respeito à medição e ao manuseio durante asubstituição do tubo cerâmico (13), pois a cabeça sensora (32) foi montada de tal forma que os impactos externos não causam nenhum dano no momento da troca do tubo cerâmico (13).operator regarding measurement and handling during replacement of the ceramic tube (13) as the sensor head (32) has been mounted such that external impacts do not cause any damage at the time of replacement of the ceramic tube (13).

Claims

CLAIM

1. "IMPROVEMENT OF THE METHOD OF CONTINUOUS METAL TEMPERATURE MEASUREMENT USING OPTICAL PROCESS", intended to solve problems and enable the application of optical instruments for continuous temperature measurement in high temperature processes, characterized by a system for sensor head alignment and mounting (32), consisting of a sensor alignment and mounting ring (29), containing drag and cooling gas through holes (30), fitting (33), a sensor head (32), and protective lens (31).

2. "IMPROVEMENT OF THE NET DEMETAL TEMPERATURE MEASURING DEVICE USING OPTICAL PROCESS" according to claim 1, characterized in that the sensor alignment and fixing ring (29) is connected at its upper end to the sensor head (32) and at the lower end supported and fixed to the support base of the sensor alignment and mounting ring (34).

3. "IMPROVEMENT IN THE METHOD OF CONTINUOUS METAL TEMPERATURE MEASUREMENT USING OPTICAL PROCESS" according to claim 1, characterized in that the sensor alignment and fixing ring (29) is composed of cooling gas through-holes and drag (30), distributed equidistantly.

4 "IMPROVEMENT OF THE METHOD OF CONTINUOUS METAL TEMPERATURE MEASUREMENT USING OPTICAL PROCESS" according to claim 1, characterized in that the protective lens (31) is fitted at the lower end of the sensor alignment and mounting ring (29) .

5 "IMPROVEMENT OF THE NET DEMETAL TEMPERATURE MEASURING DEVICE USING OPTICAL PROCESS" according to claim 1, characterized in that the cooling gas and drag (28), when passing through the cooling gas and orifices (30 ) forms a protective curtain on the sensor head (32).