CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um sistema e um método para medição contínua da espessura de paredes refratárias durante operação em ambientes de altas temperaturas, particularmente, para medição de paredes de concreto de canais de corrida de altos-fomos. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um sensor unidirecional de fluxo, induzido por uma camisa isolante de refratário.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Para realizar a medição de paredes de refratário de acordo com estado da técnica, é necessário interromper o processo de operação para que os revestimentos do refratário sejam avaliados e, então, a operação pode ser retomada. Este tipo de procedimento acaba apresentando altos custos relacionados ao tempo de interrupção, gastos de materiais e, por vezes, provocando também emissões indesejadas para o ambiente, se tomando inviável em determinados momentos.

[003] Por questões de segurança, a operação dos equipamentos relacionados deve ser interrompida muito antes de sua vida útil potencial, o que aumenta o consumo de materiais refratários e diminui a produtividade de equipamentos.

[004] De maneira a tentar a tentar solucionar os problemas acima, o estado da técnica apresentam algumas soluções relacionadas à medição de da espessura de refratários.

[005] O documento JP2017227350A refere-se a um dispositivo e sistema para monitoramento da camada refratária de um alto forno a arco elétrico. O monitoramento da camada refratária é feita por meio de termopares e o fluxo de calor na superfície interna da camada. Os termopares são linhas retas ortogonais em relação ao eixo central do forno elétrico e que passam através dos eixos centrais dos eletrodos de arco.

[006] O documento JP2016221537A refere-se a um dispositivo e método para gerenciar a temperatura de um reservatório de metal líquido e a espessura da parede refratária do reservatório. O método compreende medição de temperatura ou fluxo de calor em pelo menos dois pontos na direção da espessura com uso de sensores de temperatura. As medições de temperatura são feitas em intervalos regulares e os dados são inseridos no mecanismo de temperatura.

[007] O documento US3512413A refere-se a dispositivo para medir a temperatura de uma parede de forno de alta temperatura. O dispositivo é feito de um corpo alongado resistente ao calor inserido na parede com vários condutores metálicos ligados a diferentes pontos de termoelementos para medir a temperatura e a espessura da parede. A medição da temperatura pode ser feita durante toda a vida útil do forno.

[008] O documento US5158366A refere-se a um sensor de temperatura para monitoramento de refratário e dispositivo de medição de localização de erosão refratária, isto é, determinação da alteração na espessura, que pode ser reutilizado e usado continuamente em fomos e recipientes para transporte de metal fundido. US5158366A apresenta um dispositivo com um par de elementos e um meio isolante, um resistor e fios individualmente conectados para medir a erosão de um refratário. O documento US5158366A revela um sistema formado por dois eletrodos dispostos em paralelo e preenchidos com um material isolante. partir dos eletrodos, a resistividade do material isolante é medida de maneira a fim de determinar uma variação na resistividade. O desgaste do material isolante provoca uma variação alta na temperatura que é detectada pelos eletrodos.

[009] O documento JP2008063593A refere-se a um método para estimar a espessura de uma parede de um reservatório/reator, por exemplo, alto forno ou recipientes para transporte de ferro fundido. O método de estimativa da espessura da parede do reservatório estima a espessura da parede pela diferença de temperatura entre a superfície da parede interna e a superfície da parede externa. No entanto, JP2008063593A mostra que apenas a superfície externa do forno é medida.

[0010] O documento CN101343676B apresenta um sistema de medição de temperatura interna de um forno, em particular, um alto-fomo. O sistema de CN101343676B compreende um dispositivo formado por uma haste metálica, cujo comprimento corresponde à espessura do forno, que se estende da parte externa do forno até a parte interna, atravessando todo o revestimento. Complementarmente, o sistema compreende um sensor de distância, em particular, um sensor de ultrassom para medir ondas sonoras através da haste e retorna o sinal. Dessa forma, CN101343676B, ensina a utilização de medição da velocidade do som e o tempo de medição para determinar a distância da haste e, consequentemente, a espessura do forno a ser medida. Nota-se que em CN101343676B, a haste metálica se desgasta conforme o desgaste do forno.

[0011] Contudo, o estado da técnica não compreende uma alternativa para medição contínua da espessura de paredes de refratários e que seja economicamente viável. Assim, a medição da espessura remanescente de paredes de refratário é realizada a partir da utilização de equipamentos de forma pontual. Além disso, os equipamentos utilizados apresentam alto custo para implementação. Desta forma, se faz necessário um aparelho ou método que possibilite a medição de paredes de refratário enquanto os equipamentos estão operando ao mesmo tempo reduzindo os custos de implementação. Dessa forma, obter uma medição mais barata e contínua sendo ainda vantajosa em termos de segurança e performance.

[0012] As tecnologias já conhecidas pelo estado da técnica visam detectar a espessura de refratários, porém não apresentam uma solução simples e menos custosa para realizar tal medição. [0013] Portanto, o estado da técnica carece de uma solução capaz de proporcionar uma medição contínua da espessura de paredes de refratários e que se seja de instalação prática e que possa ser realizada sem interromper a operação.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0014] E um objetivo da presente invenção prover um sistema e método para medir a espessura de refratário a partir da medição de fluxo de calor, visando melhorar realizar a medição de forma mais simples e contínua, sem interrupção da operação.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[0015] De forma a alcançar os objetivos acima, a presente invenção provê um dispositivo para medição contínua da espessura de paredes refratárias, o dispositivo, inserido na parede de refratário a ser monitorada, compreendendo um corpo de medição revestimento com isolamento, em que em duas faces opostas compreendem, cada uma, um ponto de medição de temperatura. A temperatura nestes pontos é medida de maneira a determinar o fluxo de calor entre as duas face opostas. A espessura da parede é calculada com base nos dados coletados pelos pontos de medição tendo em consideração as propriedades dos materiais da parede e do corpo de medição. BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0016] A FIGURA 1, mostra um dispositivo de medição de fluxo de calor de acordo com a presente invenção.

[0017] A FIGURA 2, mostra uma vista explodida do dispositivo de medição de fluxo de calor da FIGURA 1.

[0018] A FIGURA 3, ilustra um dispositivo de medição de calor instalado em uma parede de refratário de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0019] A FIGURA 4, ilustra um dispositivo de medição de calor instalado em uma parede de refratário de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0020] A descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção, aplicada a um sistema e um método para medição da espessura de refratários durante operação por meio da medição de fluxo de calor por um aparelho como termofluxímetro. Entretanto, como ficará evidente para um técnico no assunto, a invenção não está limitada a uma modalidade particular, e tampouco a um dispositivo sistema ou métodos específicos.

[0021] A Figura 1 ilustra um dispositivo para medição de fluxo de calor 10 que é formado por um núcleo 11 envolvido por uma camisa termicamente isolante 12. O núcleo 11 é posicionado no interior da camisa 12 de maneira a ficar isolado termicamente em duas direções e permanecendo exposto na terceira direção para medir o fluxo de calor que passa através do núcleo. A Figura 2 mostra ilustra o núcleo 11 e a camisa 12 separadamente. Preferencialmente, o núcleo 11 possui formato cilíndrico, cujo eixo longitudinal corresponde à direção que permanece exposta.

[0022] Como ficará evidente para um técnico no assunto, o núcleo 11 pode possuir qualquer forma que possibilite a determinação do fluxo de calor a partir do gradiente de temperatura que ocorre entre as suas extremidades. Assim, o núcleo utilizado pode possuir um formato de haste, barra ou cubo.

[0023] Com relação ao material, observa-se que é necessário utilizar um material uniforme para possibilitar a obtenção de diferença de temperatura e, assim, permitir o cálculo de fluxo de calor. Para tanto, o material interno que forma o núcleo 11 deverá ser o mais homogêneo possível e, preferencialmente, o núcleo é formado por materiais fundidos, de baixa porosidade como aço inox ou alumínio. Altemativamente, o núcleo 11 pode ser de cerâmicas de baixa porosidade como alumina ou sílica, sendo preferencialmente de alumina de baixa porosidade. Assim, sabendo o material escolhido as propriedades do material poderão ser previamente determinadas. [0024] A Figura 3 mostra um diagrama para medição do fluxo de calor na parede do refratário 30 a ser medido, o dispositivo de fluxo de calor 10 é posicionado no interior da parede do refratário como ilustrado. Para tanto, um furo deve ser realizado na parede do refratário para o posicionamento do dispositivo de medição de fluxo de calor 10 ou a parede pode ser construída visando o posicionamento de tal dispositivo.

[0025] A parede do refratário 30 possui uma face interna 32 que é a face quente, pois está mais próxima das altas temperaturas do forno, estando exposta ao fluido térmico, e uma face externa 31 que é a face fria pois está voltada para o exterior do forno.

[0026] O dispositivo de medição de fluxo de calor 10 é posicionado de maneira que uma face 11a do núcleo 11 fica próxima à face fria 31 da parede 30 enquanto a outra face 11b do núcleo 11 está mais próxima da face quente 32 da parede. Dessa forma, é necessário que o dispositivo de medição de fluxo fique posicionado de forma perpendicular às faces da parede 30. Assim, o núcleo 11 conduz, entre a primeira 11a e a segunda 11b faces, calor da face quente do refratário para a face fria do refratário.

[0027] Adicionalmente, o sistema de acordo com a presente invenção compreende um aparelho de medição 20 compreendendo meios para realizar a medição das temperaturas nos pontos desejados.

[0028] A medição das temperaturas de cada face pode ser realizada por dispositivos sensores como termopares posicionados em cada ponto de medição. Como ficará evidente para um técnico no assunto, a presente invenção não é limitada à utilização de termopares, uma vez que dispositivos equivalentes poderiam ser implementados para alcançar os mesmos efeitos.

[0029] Além disso, o aparelho de medição 20 possui meios para computar as medições realizadas continuamente e armazenar as grandezas medidas. Dessa forma, o aparelho de medição 20 pode compreender uma memória e um processador ou pode ser conectado a um computador. O aparelho de medição também armazena informações das propriedades originais da parede do refratário e do dispositivo de medição de fluxo de calor para possibilitar a comparação entre os valores medidos e os valores iniciais do sistema.

[0030] Além disso, o aparelho de medição 20 também pode compreender estar conectado a um termopar para medir a temperatura no interior do refratário. Altemativamente, se esta temperatura for conhecida ela pode ser inserida no aparelho de medição 20.

[0031] Mediante a medição do fluxo de calor e conhecendo as propriedades do material refratário da parede, e da temperatura de face quente desta, é possível medir a espessura da parede.

[0032] As temperaturas das duas faces expostas deste núcleo são medidas continuamente e armazenadas através dos sensores de temperatura. A direção exposta deve estar alinhada com o fluxo de calor predominante no meio em que este está inserido, e consequentemente alinhada à espessura da parede que se deseja medir.

[0033] Na presente invenção, é proposta a utilização de um método de medição da condutividade térmica do material refratário para determinar a espessura do material refratário.

[0034] No entanto, a condutividade térmica é uma propriedade que varia entre os diferentes materiais refratários, em geral cerâmicos que apresentam irregularidades como poros, trincas ou heterogeneidade. Assim, a condutividade térmica de um material não representa uma propriedade confiável para realização de operações de monitoramento ou análises. Isto porque a condutividade térmica de um material representa um valor fixo, seja obtido por meio literatura relacionada ou por meio de uma medição da condutividade térmica, referente a um concreto padrão de referência, e assim, não é possível garantir que este valor será aplicável para caracterizar propriedades de todos materiais do mesmo tipo.

[0035] De maneira a contornar este problema e possibilitar a utilização das características de condutividade térmica, é proposta a determinação e utilização de um parâmetro de condutividade térmica equivalente para um dado material.

[0036] Se as características de um material forem conhecidas, é possível utilizar estes valores de referência para monitoramento do material. Para análise de variação de espessura do material, é necessário saber qual a espessura original, ou seja, do refratário novo.

[0037] A partir desta característica, pode-se realizar o cálculo inverso para determinar um valor de condutividade equivalente. A condutividade equivalente pode ser utilizada por toda a vida do material refratário para determinar sua espessura conforme varia.

[0038] A condutividade térmica pode ser calculada por meio da seguinte equação: q&x k ⁼ (ri - Ti) (i) onde k é a condutividade medida, Ax é a espessura original do refratário, q é o fluxo de calor medido, 7} é a temperatura da primeira face do núcleo, T ₂ é a temperatura do dispositivo de medição de fluxo de calor.

[0039] Como o material refratário no início de operação apresenta uma curva de aquecimento específica, é possível obter diversas temperaturas de referência. Para cada temperatura, o material refratário terá um valor de condutividade térmica equivalente, k. Dessa maneira, através de regressão matemática, haverá uma equação que apresentará o valor de condutividade térmica equivalente para da temperatura do material refratário.

[0040] A seguir será descrito um exemplo do cálculo realizado pelo aparelho de medição 20 para a obtenção dos valores de condutividade térmica. [0041] O fluido térmico que está no interior do material refratário, como uma panela de aço, por exemplo, fica em uma faixa de temperatura de aproximadamente 1000°C a 1600°C. O fluido térmico pode ser um material fluido como gusa, aço, alumínio, gases quentes, etc. Parte do calor do fluido térmico é transferido para dentro da parede do refratário. A transferência de calor de dá por meio de condução térmica.

[0042] O fluxo de calor, que representa a taxa de energia transferida por unidade de tempo, é definido pela Lei de Fourier, apresentada na Equação (2): onde qfiuido representa o fluxo de calor gerado pelo fluido térmico, k _M é condutividade térmica do material refratário, A é a área passante do fluxo de calor, AT é a variação de temperatura entre a face quente 7 / e a face fria T ₂ da parede do refratário, e Ax é a distância entre os dois pontos observados.

[0043] O fluxo de calor gerado pelo fluido térmico, atinge o termofluxímetro. Dessa forma, o primeiro cálculo a ser realizado se refere a determinar o fluxo de valor que passa através do termofluxímetro. Para tanto, admite-se que o mesmo fluxo de valor gerado pelo fluido térmico na parede refratário passa pelo termofluxímetro.

[0044] O fluxo de calor do termofluxímetro é dado pela equação (3): onde: QTMFX é o fluxo de calor que flui através do termofluxímetro, L é o comprimento do termofluxímetro e TTMFX é a condutividade térmica do termofluxímetro.

[0045] Como as propriedades do termofluxímetro são conhecidas, e as temperaturas da faces quente e fria são medidas, é possível determinar o fluxo de calor que atravessa o termofluxímetro.

[0046] Então, para determinar a espessura da parede de refratário, pode-se realizar o cálculo a partir da variação equação (2), onde a distância é isolada: onde Ax é a espessura do refratário, k _M é a condutividade térmica do material refratário, e T _o é a temperatura na face quente do refratário.

[0047] A condutividade é determinada por meio de experimentos em equipamentos específicos chamados condutivímetro. No entanto, existem diversas referências na literatura que apresentam as variações de condutividade pela variação na temperatura de um mesmo material.

[0048] Como já mencionado, é proposta a utilização de um valor de condutividade térmica equivalente, onde já se considera a variação de condutividade para um dado material, neste caso, concreto refratário. Dependendo do processo de produção durante operação, o material refratário pode sofrer defeitos, como aumento de porosidade, por exemplo. Tais defeitos modificam as propriedades térmicas do material. Ou seja, o valor de condutividade térmica, k, do material, obtido por meio de medição direta ou tido como referência em literatura, não pode ser utilizado de forma fixa. Dessa forma, a presente invenção é vantajosa por contornar este problema de variação da condutividade térmica do material refratário durante a utilização.

[0049] De acordo com o exemplo descrito, na primeira utilização do refratário, são obtidas informações das propriedades térmicas do material e a sua espessura é determinada. Por exemplo, um refratário após ser desmoldado pode apresentar uma parede com espessura de 600 mm antes da aplicação de qualquer metal líquido. Essas informações das propriedades do material são inseridas e armazenadas no aparelho de medição 20. [0050] A partir da introdução do fluido térmico, haverá um fluxo de calor no termofluxímetro como explicado anteriormente. Assim, durante a operação e no próprio local, é possível determinar a condutividade térmica a partir da equação (5):

[0051] Assim, é obtido um primeiro valor de condutividade térmica equivalente. Esse valor é então registrado pelo termofluxímetro.

[0052] Considerando que durante diferentes corridas de fluido térmico haverá variação no fluxo de valor, diferentes valores de condutividade podem ser determinados a cada instante e armazenados apropriadamente. A partir dos valores de condutividade térmica equivalentes registrados para cada temperatura de fluido térmico, é possível estabelecer o comportamento ou função de condutividade térmica equivalente para o material analisado.

[0053] Adicionalmente, a partir de pelo menos três pontos medidos, é possível utilizar regressão matemática para determinar a equação que representará a variação da condutividade térmica pela temperatura.

[0054] De forma geral, a equação que representa a variação da condutividade térmica pela temperatura que será calculada poderá ser apresentada na forma: onde a e b são constantes determinadas empiricamente durante os cálculos.

[0055] Dessa forma, essa equação pode ser utilizada para determinar a condutividade térmica em cada utilização do material refratário.

[0056] No primeiro exemplo, consideramos uma parede de cerâmica de alumina, cuja condutividade térmica é dada através da equação:

(T) = -11.24 In T + 83,49 onde T é a temperatura média aritmética entre as temperaturas da face quente Ti e da face fria T ₂ do termofluxímetro.

[0057] Considerando que a temperatura Ti seja de 300°C, a temperatura T ₂ é de 250°C e, substituindo na equação (7), determina-se que a condutividade térmica é de 20,4 W/mK.

[0058] Como pode ser verificado acima, a presente invenção proporciona um método capaz de determinar de forma simples a espessura de materiais refratários a partir da medição do fluxo de calor.

[0059] Considerando que o comprimento do termofluxímetro é de

0,039 mm, o fluxo de valor pode ser calculado a partir da Equação (3):

20,4 - (300 - 250)

QTMFX — = 26154 W

0,039

[0060] Assim, o fluxo de calor que passa pelo termofluxímetro é de 26154 W. A próxima etapa é o cálculo da espessura do refratário.

[0061] O fluxo de calor é fornecido por um fluido térmico com uma temperatura de 1000 °C.

[0062] A condutividade térmica do concreto é obtida por meio de regressão aplicada em dados de literatura de referência. A regressão matemática é um método estatístico que permite obter a relação entre a variável dependente, no caso, a condutividade térmica, com a variável de independente, dada pela temperatura. A técnica implementada de acordo com a presente invenção é a de mínimos quadrados. No entanto, outros métodos estatísticos de regressão podem ser implementados para determinar a relação entre a condutividade térmica e a temperatura.

[0063] Dessa maneira, a condutividade térmica que será calculada poderá ser expressa por uma equação da forma:

K(T)=aT ² +bT+c (8) onde a, b e c são constantes determinadas empiricamente durante os cálculos

[0064] Assim, a condutividade térmica, k, pode ser expressa como:

K = ~0,0Q00Q103x(T ² ') + 0,003215x(T) + 2,75 [0065] A temperatura T utilizada na Equação (9) é a média aritmética entre a face quente do material refratário e a face quente do termofluxímetro Ti. No entanto, como será evidente para um técnico no assunto, pode-se utilizar um perfil térmico ao invés da utilização da média aritmética, uma vez que a última pode apresentar um erro maior. Um exemplo de método que pode ser utilizado é o de elementos finitos. Esta técnica utiliza relações matemáticas de aproximação para resolver equações diferenciais que representa o fluxo de calor. Ou seja, informando as condições de contorno do sistema (entradas e saídas), é possível obter de forma estratificada a temperatura em cada ponto ao longo do comprimento do refratário. Logo, a média de todos os pontos dará um valor mais real do que pegar o valor de temperatura em dois pontos (início e final do refratário), desconsiderando os valores intermediários.

[0066] A temperatura média, neste caso é de 634°C. Assim, substituindo na Equação (9), obtemos um valor de condutividade térmica igual a 4,37 W/mK.

[0067] Tendo o valor da condutividade para este ponto, então, a espessura pode ser determinada substituindo o valor de Z na Equação (4): 4,34(1000 - 300) A = - - = 117 mm

26154

[0068] Dessa forma, a partir da determinação da condutividade para cada momento de operação, tendo fluidos térmicos com diferentes temperaturas, a presente invenção possibilita determinar a espessura da parede de material refratário.

[0069] Esse processo de cálculo e determinação da espessura pode ser determinado continuamente pelo dispositivo de medição. A medição contínua possibilita detectar possíveis variações da espessura ao longo da vida do material analisado.

[0070] Adicionalmente, será apresentado um segundo exemplo de implementação da presente invenção com um termofluxímetro com características semelhantes e a mesma temperatura de fluido térmico, porém com uma peça de espessura diferente.

[0071 ] Neste caso, o termofluxímetro é implementado em uma parede de maneira que a sua face quente está a uma temperatura Ti igual a 273 °C, a face fria a uma temperatura T ₂ de 251 °C. Assim a média entre as temperaturas Ti e T ₂ é de 262°C. Considerando a relação expressa pela Equação (7), tem-se:

K -11,24 Zn(262) 4- 83,49 = 20,9 W/mK

[0072] Para um termofluxímetro de mesmo comprimento do exemplo anterior, temos o fluxo de calor que passante: 20,9(273 - 251)

[0073] Os valores de condutividade térmica inicial são os mesmos considerados para o primeiro exemplo e, portanto, a relação entre as condutividades equivalentes também será dada pela Equação (9).

[0074] No entanto, como a temperatura na face quente é 273°C, a temperatura média considerada será de 662°C. Substituindo na Equação (9), obtemos uma espessura de 272 mm.

[0075] Dessa forma, é possível verificar a partir dos dois exemplos apresentados como determinar a espessura da parede um material refratário de uma maneira simples e prática a partir da utilização de um dispositivo de medição de fluxo de calor.

[0076] Para determinar a variação da espessura no refratário, os valores obtidos por meio do método acima podem ser comparados. Com referência à Figura 4, que ilustra duas paredes de refratários, a primeira com uma primeira espessura A e a segunda com uma espessura B.

[0077] Contudo, a presente invenção é capaz de efetuar somente a medição em um ponto específico devido às caraterísticas de sua instalação. Dessa forma, preferencialmente, deve-se determinar a partir de dados históricos pontos estratégicos e que apresentam os piores desgastes para monitoramento. [0078] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção da presente invenção são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações ou concretizações particulares acima descritas.