BRPI0915542B1 - coquilha para fundição de metal e método para medição de temperatura em uma coquilha de uma máquina de lingotamento ou fundição - Google Patents

coquilha para fundição de metal e método para medição de temperatura em uma coquilha de uma máquina de lingotamento ou fundição Download PDF

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Description

(54) Título: COQUILHA PARA FUNDIÇÃO DE METAL E MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA EM UMA COQUILHA DE UMA MÁQUINA DE LINGOTAMENTO OU FUNDIÇÃO (73) Titular: SMS GROUP GMBH, Pessoa Jurídica. Endereço: EDUARD-SCHLOEMANN-STR. 4, DÜSSELDORF, 40237 , ALEMANHA, ALEMANHA(DE), Alemã (72) Inventor: MATTHIAS ARZBERGER; DIRK LIEFTUCHT
Prazo de Validade: 20 (vinte) anos contados a partir de 07/07/2009, observadas as condições legais
Expedida em: 30/10/2018
Assinado digitalmente por:
Liane Elizabeth Caldeira Lage
Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados
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COQUILHA PARA FUNDIÇÃO DE METAL E MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA EM UMA COQUILHA DE UMA MÁQUINA DE
LINGOTAMENTO OU FUNDIÇÃO
Área da Invenção [001] A invenção refere-se a um processo para medição da temperatura em uma coquilha com auxílio de um processo de medição de fibra óptica e uma coquilha
correspondentemente executada. Para tanto , são previstos
condutores de onda luminosa no lado externo de uma
coquilha, pelos quais a luz de laser é conduzida. A
invenção serve para o aperfeiçoamento da resolução local da detecção de temperatura em uma coquilha em comparação com os sistemas de detecção de temperatura conhecidos e permite especialmente uma melhor identificação de trinca e fissura longitudinal.
Estado Atual da Técnica [002] A detecção da temperatura em uma coquilha é um problema crítico, que vem crescendo em importância com instalações de fundição de rápida fundição. Em geral, temperaturas na coquilha são detectadas sobretudo por termopares, que são conduzidos ou por perfurações na placa de cobre da coquilha ou são soldados sobre as placas de cobre da coquilha. Esses processos de medição se baseiam na avaliação de tensões térmicas. O número e o tamanho desses termopares são limitados. Assim, podem ser empregados termopares sem um grande dispêndio de uma conversão frequentemente apenas nas posições dos parafusos de dilatação. Além disso, a um aumento do número dos termopares está vinculado um dispêndio de cabeamento muito elevado. Esses sensores são ainda passíveis de panes por
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2/15 campos eletromagnéticos, que resultam por exemplo por freios eletromagnéticos ou agitadores. Além disso, para proteção dos termopares, incl. de seu cabeamento, devem ser disponibilizados dispendiosos dispositivos protetores. Quando da troca das placas de cobre de uma coquilha, que é realizada regularmente, os sensores térmicos devem receber novo cabeamento, sendo que além do grande dispêndio em trabalho podem ocorrer trocas.
[003] A WO 2004/082869 mostra um processo para determinação da temperatura em uma coquilha de fundição contínua com termopares, que ficam dispostos em uma placa de cobre fora da coquilha e se projetam para dentro por perfurações na coquilha.
[004] DE 3436331 mostra um processo semelhante para medição de temperatura em recipientes metalúrgicos, especialmente em coquilhas de fundição contínua, em que termopares estão dispostos em um grande número de perfurações transversais.
[005] Esses processos conhecidos apresentam as desvantagens mencionadas. Além disso, o procedimento de uma pluralidade de perfurações requer um grande dispêndio financeiro e de tempo. Um número muito grande de termopares assim instalados resulta, infelizmente, em um imenso dispêndio de cabeamento.
[006] Na DE 102 36 033, da área para monitoramento de revestimentos refratários de fornos de fusão, especialmente fornos a indução, é descrito um processo de medição de temperatura com auxílio de filamentos condutores de luz, sendo que os filamentos condutores de luz são aplicados sobre um material contínuo por trás de várias
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3/15 camadas isolantes e empregadas para a medição de retrodispersão de fibra óptica. Todavia, esses sistemas são impróprios nessa forma para a medição de temperatura em uma coquilha e não são projetados para a exata detecção de temperatura local em uma coquilha de fundição.
[007] 0 objetivo técnico, que assim se coloca, é possibilitar uma medição de temperatura aperfeiçoada, isto é, especialmente de maior resolução local, em uma coquilha, que além disso acarrete um dispêndio de instalação tão pequeno quanto possível para, inclusive, melhorar a identificação de fissura longitudinal e/ou trincas na coquilha.
Descrição da Invenção [008] 0 objetivo técnico acima mencionado é alcançado pela invenção descrita a seguir, especialmente apresentando a invenção um processo para medição de temperatura em uma coquilha de uma máquina de lingotamento ou fundição, sendo que sensores para medição da temperatura são empregados em ao menos uma placa de cobre da coquilha e unidos com um sistema de detecção de temperatura, caracterizado pelo fato de que como sensor é empregado ao menos um filamento condutor de onda luminosa, pela qual a luz de laser é conduzida, sendo que no lado externo da placa de cobre da coquilha são moldadas ranhuras, em que está disposto ao menos um filamento condutor de onda luminosa.
[009] A detecção de temperatura por meio de filamentos condutores de luz possibilita um dispêndio de cabeamento essencialmente menor do que o emprego de termopares na coquilha. Além disso, é requerido dispêndio
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4/15 de trabalho e de custo essencialmente menor para instalação dos filamentos na placa de cobre da coquilha. 0 emprego dos condutores de onda luminosa pelo processo acima possibilita, ainda, uma resolução local consideravelmente maior do que a medição de temperatura pelos sistemas descritos com emprego de termopares em perfurações. Um conduto de filamentos de vidro pode então, por exemplo, substituir mais de uma centena de termopares juntamente com cabos. Mas tampouco devem mais ser disponibilizados dispositivos protetores dispendiosos para os termopares juntamente com cabeamento.
[010] Em outra forma preferida, o processo apresenta ao menos um filamento condutor de onda luminosa, que é disposta em forma de meandro nas ranhuras no lado externo da placa de cobre de coquilha.
[011] Em outra forma de execução preferida, o processo apresenta ao menos dois filamentos condutores de onda luminosa defasadas longitudinalmente, as quais são dispostas respectivamente em uma ranhura. Assim, a resolução local da medição de temperatura pode ser ainda mais aperfeiçoada.
[012] Em outra forma de execução preferida, o processo apresenta ranhuras entre canais de resfriamento, que são dispostos no lado externo da placa de cobre da coquilha.
[013] Em outra forma de execução preferida, o processo apresenta filamentos condutores de onda luminosa, que são dispostas respectivamente no lado fixo, no lado solto e de preferência respectivamente em ambos os lados estreitos da coquilha.
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5/15 [014] Em outra forma de execução, os condutores de onda luminosa de cada lado individual são ligados respectivamente por um acoplamento e por respectivamente um outro condutor de onda luminosa separado com o sistema de detecção de temperatura.
[015] Em outra forma de execução preferida, os condutores de onda luminosa de cada lado individual são unidos entre si em ligação em série através de acoplamentos e com o sistema de detecção de temperatura por um outro acoplamento.
[016] Em outra forma de execução preferida do processo, a luz de laser é guiada por ao menos um acoplamento para a coquilha, pelo qual os canais de vários filamentos condutores de onda luminosa são simultaneamente transmitidos .
[017] Em outra forma de execução preferida do processo, os acoplamentos são acoplamentos de lente.
[018] Em outra forma de execução preferida do processo, dados do sistema de detecção de temperatura são encaminhados a um calculador de processo, que processa esses dados e por eles controla a operação de fundição.
[019] Além disso, a invenção consiste em uma coquilha para fundição de metal, que apresenta ao menos uma placa de cobre e é caracterizada pelo fato de que no lado externo da placa de cobre da coquilha estão previstas ranhuras, em que estão dispostos filamentos condutores de onda luminosa para medição da temperatura.
[020] Em outra forma de execução preferida da coquilha, os filamentos condutores de onda luminosa são dispostas em forma de meandro nas ranhuras.
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6/15 [021] Em outra forma de execução preferida da coquilha, ao menos dois filamentos condutores de onda luminosa, defasadas longitudinalmente, estão dispostas em respectivamente uma ranhura.
[022] Em outra forma de execução preferida da coquilha as ranhuras estão dispostas entre canais de resfriamento no lado externo da placa de cobre da coquilha.
Breve Descrição das Figuras [023] Figura 1 - mostra, esquematicamente, uma vista bidimensional do lado externo de uma placa de cobre de uma coquilha com ranhuras e filamentos condutores luminosos aí dispostos.
[024] Figura 2 - mostra uma seção transversal de um lado largo de coquilha com fendas de resfriamento e os condutores luminosos dispostos entre as fendas de resfriamento. A representação bastante simplificada não mostra as corretas proporções de tamanho.
[025] Figura 3 - mostra um esquema para a disposição de condutores de onda luminosa nos diversos lados de uma coquilha bem como sua ligação para uma unidade de detecção de temperatura e um calculador de processo.
[026] Figura 4 - mostra um outro esquema para disposição de condutores de onda luminosa nos diversos lados de uma coquilha bem como sua união em ligação em série e a ligação dos condutores de onda luminosa conectados sucessivamente com uma unidade de detecção de temperatura e um calculador de processo.
[027] Figura 5 - mostra esquematicamente a seção transversal por um acoplamento de lente.
Descrição Detalhada dos Exemplos de Execução
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7/15 [028] Na figura 1 está mostrado um exemplo de execução da invenção, em que um filamento condutor de onda luminosa 2 está assentado em forma de meandro entre os canais de resfriamento 6 no lado traseiro de uma placa de cobre 1 de uma coquilha em ranhuras 4. No exemplo de execução é selecionado para melhor representação um condutor de onda luminosa 2, que contém apenas poucos locais de medição 3. Naturalmente podem ser previstos essencialmente mais locais de medição 3. Além disso, nesse exemplo de execução podem ser vistos parafusos de dilatação 5, em que por exemplo estavam dispostos ou podem estar dispostos termopares. Nesse exemplo de execução se pode identificar que a resolução perpendicularmente à direção de fusão é multiplicada, por exemplo duplicada, em comparação com uma exclusiva disposição de termopares nos parafusos de dilatação 5. Graças a essa disposição vantajosa e ao emprego dos filamentos condutores de onda luminosa 2, pode ser melhor monitorado precisamente o surgimento de fissuras longitudinais. Essa melhoria da resolução pode até mesmo ser determinante, pois as distâncias dos parafusos de dilatação 5 em geral é maior do que o radio de detecção de temperatura dos termopares. Assim, com uma mera disposição dos termopares nos parafusos de dilatação 5 na placa de cobre estão presentes regiões, que não são monitoradas com auxílio dos termopares. A disposição dos filamentos condutores luminosos 2, como mostrado na figura 1, supera esse problema e garante um monitoramento da temperatura na placa de cobre da coquilha 1 cobrindo a superfície.
[029] Independentemente desse exemplo de execução é possível, por exemplo, fundir os filamentos condutores de
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8/15 onda luminosa 2 nas ranhuras 4 por meio de resina de fundição, mas também podem ser fixadas com outros processos usuais nas ranhuras 4.
[030] É ainda possível que os filamentos condutores de onda luminosa 2 possuam um invólucro de aço nobre para efeito de uma melhor proteção contra influências exteriores. Ademais, em geral vários desses filamentos condutores luminosos 2 podem ser dispostos dentro de um invólucro de aço nobre ou de um envoltório de aço nobre, de modo que mesmo com defeitos de um filamento 2, que raramente ocorrem, um outro filamento 2, que já está depositado no invólucro, pode continuar sendo empregado. Além disso, é concebível que dentro de um invólucro sejam dispostos vários filamentos 2 para medição, com o que a medição ganha ainda mais precisão, pois assim pode ser selecionada tão estreita quanto se queira a distância dos locais de medição 3.
[031] Os filamentos condutores de onda luminosa 2 podem possuir, de preferência, um diâmetro entre 0,1 mm e 0,2 mm ou demais diâmetros usuais. O diâmetro de um invólucro, feito p.ex. de aço nobre, pode variar entre 0,5 mm e 6 mm. O diâmetro das ranhuras 4 pode se situar, de preferência, entre 1 mm e 10 mm ou, dependendo da aplicação, ser também de vários cm.
[032] É ainda possível, para melhorar a resolução local, dispor vários filamentos condutores de onda luminosa dentro de uma ranhura 4. Assim, o número de locais de medição 3 pode ser bastante ampliado. Com isso a resolução em direção dos canais de resfriamento 6, isto é, direção de fundição, pode ser multiplicada à vontade, por exemplo
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9/15 duplicada ou quadruplicada, em comparação com a figura.
[033] Em geral, pelo emprego de um até seis condutos de fibra de vidro ou filamentos condutores de onda luminosa podem sem substituídos 60 a 120 termopares juntamente com cabeamento. O número de locais de medição é em princípio limitado apenas pela capacidade de cálculo do sistema de detecção de temperatura 10 empregado. Assim, é possível com um correspondente sistema de detecção de temperatura 10 aumentar ainda essencialmente o número dos locais de medição, de modo que também por filamentos condutores de onda luminosa 2 podem ser obtidos mais de 500 locais de medição. Graças a esse número de locais de medição essencialmente mais denso pode ser ainda mais multiplicada a resolução local.
[034] A figura 2 mostra uma seção transversal de uma placa de cobre de coquilha 1' de um lado largo de uma coquilha segundo um outro exemplo de execução. Embaixo na figura se pode ver o lado interno da coquilha. No lado externo da placa de cobre de coquilha V (acima) se encontram canais de resfriamento 6' , entre os quais se encontram as fendas ou ranhuras 4' , em que condutores de onda luminosa 2 estão dispostos em contato com a placa de cobre de coquilha. Os condutores de onda luminosa 2 possuem, nesse exemplo de execução, um invólucro de aço nobre 7, mas também podem ser previstos sem invólucro no sistema. Além disso, podem estar dispostos vários condutores de onda luminosa ou filamentos condutores de onda luminosa 2 dentro de um tal invólucro 7. Além disso, os condutores de onda luminosa 2, nesse exemplo, são de preferência fundidos com resina de fundição nas ranhuras
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4'. A representação na figura 2 não mostra as proporções de tamanho reais entre ranhuras 4', canais de resfriamento 6', condutores de onda luminosa 2 e placa de cobre de coquilha 1' . O tamanho das ranhuras 4', dos condutores de onda luminosa 2 e dos canais de resfriamento 6' depende da coquilha especificamente empregada e podem se situar em ordens de grandeza como também mencionadas na descrição da figura 1.
[035] A figura 3 mostra um esquema de conexão a título de exemplo dos condutores de onda luminosa 2 conectados com o sistema de detecção de temperatura 10. Nesse exemplo de execução, filamentos condutores de onda luminosa 2 estão dispostos no lado fixo 11, no lado solto 13 e em ambos os lados estreitos 12, 14 da coquilha. Esses condutores de onda luminosa dos distintos lados estão respectivamente conectados por cabos condutores de onda luminosa ou outros condutores de onda luminosa com a unidade de avaliação 10. Para a conexão de cada filamento condutor de onda luminosa 2 individual com o sistema de detecção de temperatura 10 estão previstos assim chamados acoplamentos de lente 9. Opcionalmente, podem ainda ser previstos essencialmente mais acoplamentos de lente (ou nenhum) entre a unidade de avaliação e as fibras na coquilha, o que não influencia de modo digno de nota a qualidade do sinal. Também é possível prever várias fibras 2 por lado de coquilha 11, 12, 13, 14 e acoplá-las igualmente com o sistema de detecção de temperatura 10.
Ademais, é também possível prever a detecção de temperatura apenas em um, em dois ou três dos lados de coquilha 11, 12,
13, 14.
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11/15 [036] O sistema de detecção de temperatura 10 está conectado com um calculador de processo 20. Com auxílio desse sistema de detecção de temperatura 10 ou opcionalmente também um outro sistema externo, é gerada luz de laser que é alimentada no condutor de onda luminosa 2. Os dados coletados pelos filamentos condutores de onda luminosa 2 são convertidos por meio do sistema de detecção de temperatura em temperaturas e associados aos diversos locais da coquilha. A avaliação pode ocorrer p.ex. pelo conhecido processo Faser-Bragg-Gitter (Processo FBG). Nesse processo são empregados condutores de onda luminosas apropriados, que recebem locais de medição gravados com uma variação periódica do índice de refração ou grade com tais variações. Essa variação periódica do índice de refração faz com que o condutor de onda luminosa em função da periodicidade apresente um nível dielétrico para determinados comprimentos de onda nos locais de medição. Por uma alteração de temperatura em um ponto é alterado o comprimento de onda Bragg, sendo que o mesmo é precisamente refletido. Luz, que não satisfaz a condição Bragg, não é essencialmente influenciada pela grade Bragg. Os diversos sinais dos distintos locais de medição podem então, devido a diferenças de tempo de curso, ser distintos entre si. A estrutura detalhada dessa Faser-Bragg-Gitter bem como das correspondentes unidades de avaliação, são em geral conhecidas. A precisão da resolução local é dada pelo número dos locais de medição gravados. O tamanho de um local de medição pode se situar por exemplo na faixa de 1 mm a 5 mm.
[037] Alternativamente, para a medição da
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12/15 temperatura pode também ser empregado o processo OpticalFrequency-Domain-Reflectrometry (Processo OFDR) ou o processo Optical-Time-Domain-Reflectrometry (Processo OTDR) . Esses dois processos se baseiam no princípio da redispersão Raman de fibra óptica, aproveitando-se o fato de que uma alteração de temperatura no ponto de um condutor luminoso produz uma alteração da redispersão Raman do material condutor de onda luminosa. Com auxílio da unidade de avaliação, por exemplo um refletômetro Raman, podem então ser determinados os valores de temperatura ao longo de uma fibra com resolução local, sendo que nesse processo a determinação é feita por um determinado comprimento do condutor. Esse comprimento importa então em alguns centímetros. Os diferentes locais de medição são, por sua vez, separados entre si por diferenças de tempo de curso. A estrutura desses sistemas para avaliação pelos processos mencionados é em geral conhecida, assim como os lasers necessários para produção da luz de laser dentro dos filamentos condutores de onda luminosa 2.
[038] Os dados de temperatura de resolução local, obtidos pela unidade de detecção de temperatura 10 são então, de preferência, encaminhados a um calculador de processo 20, que em correspondência à distribuição de temperatura na coquilha pode regular os parâmetros de fundição, como por exemplo a velocidade de fundição ou o resfriamento e/ou outros parâmetros correntes.
[039] A figura 4 mostra um esquema de ligação esquemático de uma disposição de filamentos condutores de onda luminosa 2 nas paredes laterais de uma coquilha. Em oposição à figura 3, todavia, os filamentos condutores de
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13/15 onda luminosa 2 nas distintas paredes laterais da coquilha estão conectados entre si então por uma ligação em série. Isto significa nesse caso que um filamento condutor de onda luminosa 2 do primeiro lado estreito 12 está conectado por um acoplamento de lente 9 e com um filamento condutor de onda luminosa 2 do lado solto 13 e o filamento condutor de onda luminosa 2 do lado solto 13 está conectado por um acoplamento de lente 9 com um filamento condutor de onda luminosa 2 do segundo lado estreito 14 e o filamento condutor de onda luminosa 2 do segundo lado estreito 14 está conectado por um acoplamento de lente 9 com um filamento condutor de onda luminosa 2 do lado fixo 11 e o filamento condutor de onda luminosa 2 do lado fixo 11 está conectado por um acoplamento de lente 9 com o sistema de detecção de temperatura 10. É claro que a ordem de sequência dos sensores dos quatro lados, caso desejado, pode também ser selecionada diferente à vontade. Graças a esse tipo de uma ligação em série, no entanto, é nitidamente reduzido o dispêndio com cabeamento. Também é possível empregar vários filamentos 2 por lado de coquilha 11, 12, 13, 14 e acoplá-los igualmente em ligação em série. Ademais, também é possível prever a detecção da temperatura em apenas um, dois ou três dos lados de coquilha 11, 12, 13, 14.
processo FBG, o figura 2. Além geral outros a curva de transversal a [040] Para avaliação vêm ao caso o processo OTDR ou o processo OFDR como na disso, podem também ser empregados em processos apropriados, para determinar temperatura ao longo dos filamentos.
[041] A figura 5 mostra uma seção
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14/15 título de exemplo por um acoplamento de lente 9 como mostrado nas figuras 3 e 4. 0 acoplamento 9 consiste em duas metades, que estão acopladas entre si em suas duas extremidades com respectivamente um condutor de onda luminosa 2 cada. Esses acoplamentos dispõem de um sistema de lente interno, em que o raio laser a ser transmitidos quando da saída do filamento é compartimentado e novamente enfeixado no outro lado de acoplamento. Entre as duas metades de acoplamento o raio é guiado em paralelo. Em um tal acoplamento vários canais condutores de onda luminosa podem ser simultaneamente transmitidos. Os acoplamentos de lente podem também ser executados em forma de assim chamados conectores Outdoor-EBC (Extended Beam Connector). Esses acoplamentos são muito robustos e insensíveis contra eventuais poluições.
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LISTA DE REFERÊNCIAS
1. 1' . placa de cobre de coquilha
2. filamento condutor de onda luminosa
3. local de medição
4. 4' . ranhura
5. parafuso de dilatação
6. 6'. canal de resfriamento
7. invólucro de aço nobre
9. acoplamento de lente
10. sistema de detecção de temperatura
11. lado fixo . primeiro lado estreito
13. lado solto
14. segundo lado estreito
20. calculador de processo
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Claims (3)

REIVINDICAÇÕES
1/4
I
1. Coquilha para fundição de metal, que apresenta ao menos uma coquilha de placa de cobre (1, 1'), em que no lado externo da placa de cobre da coquilha (1, 1') estão previstas ranhuras (4, 4' ) , em que estão dispostos filamentos condutores de onda luminosa (2) para medição da temperatura, os filamentos sendo conectados com um sistema (10) de detecção de temperatura, em que os filamentos condutores de onda luminosa (2) são dispostos em forma de meandro nas ranhuras (4, 4') caracterizada pelo fato de que as ranhuras (4, 4') estão dispostas entre canais de resfriamento (6, 6') no lado externo da placa de cobre da coquilha (1, 1')·
2/4
Fig,2
2/2
5. Coquilha, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os filamentos condutores de onda luminosa (2) de cada lado (11, 12, 13, 14) individual são unidos entre si em ligação em série através de acoplamentos (9) e com o sistema de detecção de temperatura (10) por um outro acoplamento (9).
6. Coquilha, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado pelo fato de que a luz de laser é guiada por ao menos um acoplamento (9) para a coquilha, pelo qual os canais de vários filamentos condutores de onda luminosa (2) são simultaneamente transmitidos.
7. Coquilha, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizado pelo fato de que os acoplamentos (9) são acoplamentos de lente.
8. Método para medição de temperatura em uma coquilha de uma máquina de lingotamento ou fundição, caracterizado pelo fato de compreender uma coquilha conforme definida nas reivindicações 1 a 7.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que dados do sistema (10) de detecção de temperatura são encaminhados a um calculador de processo (20), que processa esses dados e por eles controla a operação de fundição.
Petição 870180047263, de 04/06/2018, pág. 8/26
2. Coquilha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que ao menos dois filamentos condutores de onda luminosa (2), defasados longitudinalmente, estão dispostos em respectivamente uma ranhura (4, 4')·
3. Coquilha, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os filamentos condutores de onda luminosa (2) são dispostos respectivamente em um lado fixo (11) , um lado solto (13) e em ambos os lados estreitos (12, 14) da coquilha.
4. Coquilha, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os filamentos condutores de onda luminosa (2) de cada lado (11, 12, 13, 14) individual são ligados respectivamente por um acoplamento (9) e por respectivamente um outro filamento condutor de onda luminosa (2) separado com o sistema (10) de detecção de temperatura.
Petição 870180047263, de 04/06/2018, pág. 7/26
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