Processo para visualização tridimensional da temperatura dos staves em alto-forno

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0700726-4 A2
  • Data do depósito:
  • 22/02/2007
  • Data da publicação:
  • 01/04/2008
Inventores:
  • Classificação:
  • G05B 19/00
    Sistemas de controle por programas;
    ;
    G05D 23/00
    Controle da temperatura;
    ;
    G05B 11/00
    Controladores autom?ticos;
    ;
    G01K 3/00
    Term?metros que fornecem resultados que n?o o valor moment?neo de temperatura;
    ;

PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO. O principal problema do atual Estado da Técnica relativa à medição da temperatura na superficie dos staves no interior de altos-fornos é que tal mensuração é bastante precária e apenas pontual, embora seja fundamental para a marcha do alto-forno, para o aumento da vida útil do mesmo, para evitar longas paradas e para a segurança do trabalho e das instalações. Os termopares metálicos utilizados para a mensuração da temperatura na superfície dos staves são colocados através de perfurações dos mesmos, o que afeta suas integridades e, por isto, não são colocados em todos os staves, mas apenas em cerca de 20% deles, daí a mensuração real da temperatura dos mesmos ser realmente executada em apenas cerca de 20% deles e facultando aos operadores informações apenas pontuais. Além disto, como os termopares se queimam com alguma facilidade, o processo de monitoramento das temperaturas vai ficando cada vez mais inseguro com o passar do tempo. O "PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO ", objeto desta patente, tem como finalidade principal aumentar a segurança operacional, a vida útil, a produtividade, gerar economia e qualidade de altos-fornos, consistindo num engenhoso sistema de monitoração e disponibilização de informações, automaticamente, para o painel de controle do alto-forno e para o database do PIMS - Plant Information and Management System, de forma que os operadores e o sistema saibam, em tempo real e com grande facilidade, as condições de temperatura da superfície de todos os staves, numa visão global, caracterizado por ser constituído de termopares (2) instalados em staves (1) conectados por cabos (4) ao painel de cQntrole e uma rede multidimensional de interpolação de dados (5) disponibilizada via software específico (6), possuindo ainda uma interface gráfica (7) de visualização tridimensional das temperaturas dos staves e database (8). O "PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM AILTO-FORNO " através de sua interface gráfica fornece ao painel de controle operacional do alto-forno a visualização tridimensional das temperaturas das superfícies dos staves, em cores codificadas.

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Documento

“PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO ”

Campos desta patente:

-    Aumento de Segurança Operacional de altos-fornos.

5    - Produtividade, economia e qualidade em altos-fornos.

-    Aumento da vida útil de altos-fornos.

Estado da Técnica.

Altos-fornos constituem o centro da indústria siderúrgica; é neles que os minérios de óxidos de ferro, granulados ou pré-processados para formar 10 “sínter”, são submetidos ao processo de redução química a quente, tendo carbono como reagente e se transformam numa liga metálica composta de mais de 97% do elemento ferro, liga esta denominada “gusa”.

O ferro gusa, em estado líquido, com temperatura de cerca de 1.500 graus centígrados, que flui dos altos-fornos nas corridas, é levado aos outros 15 equipamentos da planta siderúrgica, que o processarão para o transformar em aço, isto é, em complexa liga de ferro e outros elementos, com os mínimos teores possíveis de enxofre, fósforo e outros contaminantes.

Dizemos que os altos-fornos são o centro da indústria siderúrgica porque fornecem a matéria prima para todos os processos subseqüentes.

20 Os modernos altos-fornos situam-se no centro de um complexo de equipamentos periféricos que são os responsáveis por suas altas produções e qualidade; regenadores aumentam suas economias térmicas, permitindo que a injeção de ar por suas ventaneiras seja feita a cerca de 1.200 graus centígrados, lanças especiais fazem com que os finos de coque ou carvão 25 vegetal sejam injetados através de suas ventaneiras com o fim de aumentar seus desempenhos térmicos, recebem sínter, ao invés de minério granulado, além de uma quantidade estequiométrica de vapor de água, de



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tal forma qúe, por sua geometria, utilize o hidrogênio assim formado como elemento redutor.

Atualmente considera-se que, apoiados pelos avanços tecnológicos dos últimos 50 anos e pelo aporte informático recente, os altos-fornos encontram-se próximos do limite máximo de evolução, isto é, melhorias do processo industrial de redução dos minérios de ferro, oxidados, só com radicais mudanças de paradigma.

Por questões econômicas ligadas à produtividade e à redução de custos, altos-fornos têm que ter capacidades de produção cada vez maiores, da ordem de milhões de tonelada/ano.

Os índices operacionais atuais são de produção em cerca de 99% do tempo e as altas produtividades alcançadas devem-se, também, aos milhões de dólares investidos em automação e informatização dos altos-fornos.

Um alto-forno com produção de 2.800.000 toneladas, por ano, produz 7.670 toneladas por dia ou 320 toneladas por hora.

Aos preços atuais de US$250.00 por tonelada de gusa, tem-se uma perda de produção - teórica - de US$80.000 por hora parada.

Considerando-se produtos acabados de cerca de US$500 por tonelada, a perda de produção, por hora parada, é de US$160.000.

Há que se levar em conta também que, quando se interrompe a marcha de um alto-forno, isto não é feito abruptamente, mas sim lentamente, diminuindo-se, antes, a produção por várias horas e tempos semelhantes são necessários para o retorno às condições de marcha em produção máxima.

Isto significa uma perda de produção básica - sem levar em conta as outras perdas sistêmicas - de cerca de US$200.000 por hora parada.

Significa também que, em função de significação econômica tão relevante, dos altos fornos se busca obter a maior produção possível sem abrir mão da conformidade aos padrões desejados para os processos seguintes e para os produtos finais.

Altos-fornos são sujeitos a duas espécies de interrupções de funcionamento. O primeiro tipo corresponde às paradas programadas, para manutenção de seus equipamentos internos ou dos periféricos, quando a programação diminui ao máximo possível o tempo fora de operação e o faz de forma que 5 as unidades seguintes aproveitem o tempo do alto forno parado e também façam suas manutenções preventivas, ou que, no caso da laminação ou trefilaria, suas atividades não se interrompam.

As interrupções do segundo tipo de interrupção de marcha são mais problemáticas; aparentemente imprevisíveis, exigem a parada imediata e 10 são causadoras de grandes perdas econômicas.

Manter os altos-fornos em produção contínua corresponde à posse e operação de um leque enorme de competências.

Num alto-forno convivem ferro líquido - a temperaturas, em certas zonas do forno, próximas aos 2.500°C - e carbono em combustão, em suma, um 15 ambiente extremamente agressivo, aquecido e sob pressão de cerca de 3,5 Kg por centímetro quadrado.

A isolação térmica entre o conteúdo fundido - ou em processo de fusão —e as paredes do equipamento, de custo próximo ao bilhão de dólares americanos e de tempo de construção próximo de 2 anos, que era feito, na 20 década passada, por tijolos refratários, atualmente é feita por placas de cobre eletrolítico, de altíssima condução térmica, refrigeradas por canais internos, nos quais passa água fria, sob alta pressão, placas estas denominadas “staves cooletJ\ termo-sem correspondente em português.

Ora, se pensarmos num equipamento sensível, staves são o melhor 25 exemplo: - de um lado temperaturas de cerca de 1.500 °C e do outro uma película de cobre, de ponto de fusão muito mais baixo e água sob pressão...

A química industrial nos diz que água lançada sobre ferro e carbono ao rubro se decompõe imediatamente em hidrogênio e oxigênio que imediatamente se voltam a combinar em forma explosiva.


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Em suma, com a integridade dos staves não se pode descuidar um instante sequer, pois falhas significam alto risco de explosões, com possíveis perdas de vida e de patrimônio.

Dado à diferença de temperatura entre a superfície dos staves e a massa 5 plástica do interior do alto-forno, várias substâncias, como escória, ferro, composto de ferro e carbono tendem a se solidificar e ficarem aderidos à superfície, prejudicando a movimentação da carga no interior do alto-forno. À medida que estas incrustações crescem, por vários motivos, dentre os quais serem atingidas pela carga de minério e carvão alimentadas por 10 gravidade à partir do topo do alto-forno, acontece o súbito descolamento das mesmas, que eventualmente atingem os staves inferiores.

Tais descolamentos podem ser propositalmente provocados pelo direcionamento da calha de alimentação, que distribui a carga no interior do alto forno, em direção a zonas específicas.

15 Assim, a monitoração da temperatura dos staves é um recurso operacional engenhoso e eficiente dos altos-fornos.

Em suma, staves são foco de vários maus funcionamentos, todos eles de extremo perigo.

Pelo atual Estado da Técnica, monitora-se a temperatura dos staves, 20 através da indicação de suas temperaturas, colhidas por termopares e que são exibidas no painel de controle do alto forno, sendo que a automatização básica prevê que aconteçam alarmes em caso de medição de temperaturas anormais.

Os relatórios operacionais mostram as temperaturas medidas ao passar do 25 tempo, sendo fonte de demoradas análises sobre o estado operacional do alto-forno e dos staves.

Problemas do atual Estado da Técnica que o “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO”, objeto desta patente vem resolver.

Os termopares utilizados para a mensuração da temperatura na superfície dos staves são colocados através de perfurações dos mesmos, o que afeta suas integridades e, por isto, não são colocados em todos os staves, mas apenas em cerca de 20% deles.

Assim, um alto-forno com cerca de 400 staves possui aproximadamente 80 termopares em operação.

Por isto medem temperaturas apenas nos pontos onde estão instalados e em apenas 20 por cento da área a ser monitorada.

Além disto, são sujeitos também a queimas freqüentes e, embora a troca dos termopares seja feita pela a partir do exterior do alto-forno, a marcha do mesmo deve ser interrompida, o que, por questões econômicas, como mostrado acima, é raro.

Este é o principal problema do atual Estado da Técnica: - embora constitua o núcleo de uma planta siderúrgica, a monitoração da temperatura na superfície dos staves é bastante precária é apenas pontual, embora seja fundamental para a marcha do alto-forno, para o aumento da vida útil do mesmo, para evitar longas paradas e para a segurança do trabalho e das instalações.

Avanços ao atual Estado da Técnica trazidos pelo “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO”, objeto desta patente.

O “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO” consiste num engenhoso sistema de monitoração e disponibilização de informações, automaticamente, para o painel de controle do alto forno e para o database do PIMS - Plant Information and Management System, de forma que os operadores e o sistema saibam, em tempo real e com grande facilidade, as condições de temperatura da superfície de todos os staves, numa visão global.

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Para o painel de controle são fornecidas informações através de uma interface gráfica colorida, na mesma forma do alto forno, na qual, as cores são indicativas das temperaturas, de forma que basta um lance de olhar dos operadores para conhecerem as condições operacionais do alto-forno no que toca às temperaturas na superfície de todos staves de todo o forno.

Para o PIMS, os dados fornecidos vêm compor o know-how da planta e fornecem elementos decisórios, não só operacionais mas também de previsão de paradas, estudos de duração do alto-forno, melhoria da distribuição de carga e várias outras informações processadas em relatórios de saída de grande valor tecnológico.

Descrição e funcionamento do “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO”, objeto desta patente.

Esta patente baseia-se num software específico, com suas interfaces gráficas e de dados e um database que, por interpolação dos dados fornecidos pelos termopares, dados estes devidamente expurgados de erros, calcula a temperatura real entre os termopares, fornecendo assim, com baixíssimo índice de erro, a temperatura real na superfície de todos os staves e, por conseqüência, do interior do alto-forno, constituindo-se assim em valiosa ferramenta de informação e controle da operação, da segurança e da preservação e ampliação da vida útil do alto-forno. '

A Figura 1 é uma vista em corte vertical, esquemática, da região na qual são instalados os staves, assinalando aqueles munidos de termo-pares, onde se vê os staves (1), os termo-pares (2) e a parede (3) do alto forno.

A Figura 2 mostra esquematicamente alguns staves (1), os pontos nos quais estão instalados os termopares (2) e a rede multidimensional de interpolação de dados (5) que dará origem, no painel de controle do alto-forno, da visualização tridimensional e codificada em cores das temperaturas dos staves; devendo-se considerar que a rede

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multidimensional de interpolação de dados (5) é virtual e residente no software e é mostrada nesta Figura 2 para ilustrar o seu aspecto funcional.

A Figura 3 é o fluxograma do “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO”, onde se vê a representação de um stave (1), com o termopar (2), a parede (3) do alto-forno, os cabos de ligação (4) para conexão ao painel de controle, o software específico (6), contendo a rede multidimensional de interpolação de dados (5), a interface gráfica (7) para visualização tridimensional das temperaturas dos staves e o database (8).

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REIVINDICAÇÕES

1.    “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNÓ”, que tem como finalidade principal aumentar a segurança operacional, a vida útil, a produtividade, gerar economia e qualidade de altos-fornos, consistindo num engenhoso sistema de monitoração e disponibilização de informações, automaticamente, para o painel de controle do alto-forno e para o database do PIMS - Plant Information and Management System, de forma que os operadores e o sistema saibam, em tempo real e com grande facilidade, as condições de temperatura da superfície de todos os staves, numa visão global, caracterizado por ser constituído de termopares (2) instalados em staves (1) conectados por cabos (4) ao painel de controle e uma rede multidimensional de interpolação de dados (5) disponibilizada via software específico (6), possuindo ainda uma interface gráfica (7) de visualização tridimensional das temperaturas dos staves em cores codificadas e database (8).

2.    “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO”; de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo software específico (6), possuir interfaces gráficas e dados de um database, dito software específico (6) sendo responsável pelo cálculo da temperatura real entre os termo-pares.

3.    “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO”; de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelos dados que foram levados ao software específico (6) terem sido devidamente expurgados de erros para a realização por interpolação dos dados fornecidos pelos termo-pares para a realização do cálculo da temperatura real entre os termo-pares.

4.    PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO”, de acordo com a reivindicações 2 e 3, caracterizado pelo software específico (6) ser uma ferramenta de informação e controle da operação, da segurança e da

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preservação e ampliação da vida útil do alto forno fornecendo a temperatura real na superfície de todos os staves e do interior do alto forno.

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Figura 1



Figura 2


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RESUMO

“PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO ”

O principal problema do atual Estado da Técnica relativa à medição da temperatura na superfície dos staves no interior de altos-fornos é que tal mensuração é bastante precária e apenas pontual, embora seja fundamental para a marcha do alto-forno, para o aumento da vida útil do mesmo, para evitar longas paradas e para a segurança do trabalho e das instalações.

Os termopares metálicos utilizados para a mensuração da temperatura na superfície dos staves são colocados através de perfurações dos mesmos, o que afeta suas integridades e, por isto, não são colocados em todos os staves, mas apenas em cerca de 20% deles, daí a mensuração real da temperatura dos mesmos ser realmente executada em apenas cerca de 20% deles e facultando aos operadores informações apenas pontuais.

Além disto, como os termopares se queimam com alguma facilidade, o processo de monitoramento das temperaturas vai ficando cada vez mais inseguro com o passar do tempo.

O “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO ”, objeto desta patente, tem como finalidade principal aumentar a segurança operacional, a vida útil, a produtividade, gerar economia e qualidade de altos-fornos, consistindo num engenhoso sistema de monitoração e disponibilização de informações, automaticamente, para o painel de controle do alto-forno e para o database do PIMS - Plant Information and Management System, de forma que os operadores e o sistema saibam, em tempo real e com grande facilidade, as condições de temperatura da superfície de todos os staves, numa visão global, caracterizado por ser constituído de termopares (2) instalados em staves (1) conectados por cabos (4) ao painel de co.ntrole e uma rede multidimensional de interpolação de dados (5) disponibilizada via software

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específico (6), possuindo ainda uma interface gráfica (7) de visualização tridimensional das temperaturas dos staves e database (8).

O “PROCESSO PARA VISUALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA TEMPERATURA DOS STAVES EM ALTO-FORNO ” através de sua interface gráfica fornece ao painel de controle operacional do alto-fomo a visualização tridimensional das temperaturas das superfícies dos staves, em cores codificadas.