ES2973469T3 - Sistema de control para horno - Google Patents

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ES2973469T3 ES17777341T ES17777341T ES2973469T3 ES 2973469 T3 ES2973469 T3 ES 2973469T3 ES 17777341 T ES17777341 T ES 17777341T ES 17777341 T ES17777341 T ES 17777341T ES 2973469 T3 ES2973469 T3 ES 2973469T3
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Susan Fiona Turner
Neil George Simpson
Mark Ashton Bennett
Peter Drögmöller
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Abstract

Se proporciona un sistema de control para un horno. El sistema de control comprende una cámara termográfica y una unidad de control. La cámara termográfica está configurada para recibir radiación térmica desde una pluralidad de posiciones en un horno y para generar una imagen que incluye información de temperatura para la pluralidad de posiciones en el horno. La unidad de control está configurada para recibir la imagen de la cámara termográfica y generar señales de control para el horno utilizando la imagen. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de control para horno
La presente invención se refiere a un sistema de control para un horno que utiliza una cámara termográfica. En particular, la invención se refiere a técnicas para mejorar el producto producido por el horno y el uso de energía, la eficiencia operativa y la vida útil de ese horno.
El vidrio se fabrica industrialmente añadiendo materia prima en estado granular, denominado normalmente “lote”, a un extremo de un “tanque de fusión” u horno. Se proporcionan quemadores encima del lote con el fin de fundirlo y el producto final sale por el otro extremo del horno. También se usan hornos en la producción industrial de otros productos tales como los metales.
Los quemadores normalmente se ubican en los extremos o lados de un horno, para producir los denominados diseños caldeados por un extremo o caldeados lateralmente, caldeados tanto por aire como por oxígeno. A menudo hay una disposición simétrica o escalonada de los quemadores a lo largo de ambos extremos/lados del horno. En los hornos de aire regenerativo, los quemadores en cada extremo/lado se encienden secuencialmente con una “inversión” aproximadamente cada veinte o treinta minutos.
Los hornos tradicionalmente han tenido termopares u otros dispositivos de medición de temperatura diferenciados para medir temperaturas de un solo punto. Los hornos de alta temperatura y entorno agresivo normalmente tienen termopares que están integrados en paredes refractarias y dan indicaciones de las tendencias de temperatura. También pueden determinarse mediciones puntuales instantáneas dentro del horno usando un pirómetro manual o un dispositivo de temperatura de fibra fija. Estos pueden determinar mediciones de temperatura para una sola posición en el horno, pero solo pueden leerse con poca frecuencia, cuando pueden abrirse las ventanas de acceso o cuando no hay llama presente durante una inversión.
Las mediciones de emisiones del horno normalmente se realizan en el tubo o chimenea de escape. Si bien es posible realizar una medición continua, las mediciones adolecen de un retraso de tiempo significativo debido al gran volumen del horno y a las limitadas velocidades de flujo de gas hacia dentro y fuera del horno.
Recientemente, se han introducido cámaras termográficas y de obtención de imágenes ópticas para monitorizar las condiciones de temperatura dentro de los hornos en tiempo real. Las cámaras termográficas pueden producir mapas térmicos para las condiciones dentro del horno usando radiación infrarroja.
Se ha descubierto que el perfil de temperatura en un horno es importante para la calidad del producto, el uso de energía y la eficiencia operativa. Para el vidrio, la temperatura debe elevarse de manera ideal hasta un máximo en un punto específico a lo largo de la longitud del horno, antes de volver a descender hacia el extremo de descarga. Esto establece corrientes de convección dentro del vidrio de modo que aumenten en el punto de temperatura máxima, pero el lote normalmente se funde en el vidrio en el extremo de carga/fusión del horno. A veces se observan “burbujeos” en los electrodos o en la pared del aliviadero o un cambio en la profundidad en el punto de temperatura máxima donde el vidrio caliente se eleva desde las profundidades a la superficie. La desviación del punto caliente o de las posiciones de fusión de lote indica pérdida de calidad del producto.
También es importante el perfil de temperatura de las paredes y la corona del horno. El estrés térmico conduce a daño en el refractario en torno a puntos fríos o calientes. Pueden condensarse compuestos corrosivos tales como el NaOH en áreas frías del horno, por lo que los puntos fríos también se someten a ataques químicos. Este es un problema particular en hornos que usan oxicombustibles modernos con altas temperaturas de llama que pueden producir hasta 3,5 veces el nivel porcentual de NaOH a partir de mezclas de aire-combustible.
También pueden usarse imágenes térmicas detalladas para identificar áreas donde pueden estar produciéndose reacciones químicas térmicamente dependientes. Por ejemplo, la mayoría del NO<x>producido en aplicaciones de fusión de vidrio es “NO<x>térmico” formado a temperaturas superiores a 1600 °C (2900 °F), aumentando la tasa de producción a medida que la temperatura aumenta adicionalmente. Cuando se comparan imágenes de la cámara termográfica con las mediciones de gases de chimenea procedentes de un analizador de gases de combustión portátil, es evidente que el puerto o lado del horno con áreas aparentemente más grandes de temperatura por encima de 1600 °C tiene la cantidad de NO<x>más alta. Basándose en la teoría del NO<x>térmico, cuanto mayor es la temperatura de la llama, mayor es la tasa de producción de NO<x>. Cuanto mayor es el área de alta temperatura, mayor es la zona de reacción. Por tanto, las imágenes térmicas en tiempo real del horno permiten una rápida identificación de las regiones donde pueden estar produciéndose reacciones químicas térmicamente sensibles, y la temperatura de esas regiones puede proporcionar una indicación de la posible velocidad de reacción.
Existe un problema en los hornos convencionales porque de manera indeseable pueden tardar en responder o reaccionar a los cambios en el funcionamiento. Un objeto de la presente invención es abordar y mitigar este problema.
El documento EP1655570 A1 enseña un horno de fusión de vidrio caldeado transversalmente, es decir, los quemadores están ubicados en paredes laterales opuestas. El funcionamiento del horno se controla usando una cámara sensible a la luz y a la radiación infrarroja.
El documento US2002124598 A1 da a conocer un horno para vidrio similar al del documento EP1655570 A1, pero con la diferencia de que parece ser del tipo caldeado por un extremo. También en un horno de vidrio caldeado por un extremo, los dos quemadores están en dos lados de la cámara de horno, pero ambos en una pared.
Según la invención tal como se define en reivindicación 1 se proporciona un sistema de control de horno, que comprende: una cámara termográfica configurada para recibir radiación térmica desde una pluralidad de posiciones en un horno y para generar una imagen que incluye información de temperatura para la pluralidad de posiciones en el horno; y una unidad de control configurada para recibir la imagen procedente de la cámara termográfica y para generar señales de control para el horno usando la imagen; en el que la unidad de control comprende un módulo de compensación de reflexión configurado para identificar y restar un componente reflejado en la radiación recibida desde una posición en el horno.
La cámara termográfica está dispuesta preferiblemente para generar una imagen de gran angular del interior del horno, que incluye información de temperatura para cientos o miles de posiciones, correspondientes a píxeles dentro de la cámara. Preferiblemente, la cámara termográfica está configurada para obtener imágenes de una pluralidad de regiones del horno. Esto puede incluir cualquiera producto, las paredes y la corona del horno. Las señales de control pueden ser para ajustar diferencialmente la temperatura en múltiples posiciones dentro del horno.
La cámara termográfica puede determinar el perfil de temperatura en el horno en tiempo real. Por tanto, las señales de control pueden ajustar las propiedades del horno en tiempo real. Este control de retroalimentación en tiempo real puede garantizar un producto de alta calidad en todo momento, minimizando el desperdicio de producto y energía. En la técnica se usan otros términos diversos para referirse a una cámara termográfica, tales como “cámara de infrarrojos” y “boroscopio de obtención de imágenes térmicas”.
La cámara termográfica y las señales de control pueden usarse durante cualquiera de las operaciones de calentamiento, enfriamiento y/o reparación (tales como soldadura cerámica de las paredes refractarias), así como durante el funcionamiento continuo del horno.
Puede usarse una pluralidad de cámaras termográficas con el horno para proporcionar redundancia en caso de mal funcionamiento o para proporcionar ángulos de visión para diferentes aspectos del horno. En un caso, puede usarse una cámara termográfica con un intervalo de temperatura más bajo durante el calentamiento del horno cuando el horno es particularmente vulnerable al daño debido a tasas de expansión diferenciales. En otro caso, puede elegirse una cámara termográfica que sea sensible a un intervalo particular de longitudes de onda o bien para obtener imágenes o “ver a través” de los constituyentes de la atmósfera de horno o bien para obtener imágenes de una parte más profunda del producto fundido.
La unidad de control comprende un módulo de compensación de reflexión configurado para identificar y restar un componente reflejado en la radiación recibida desde una posición en el horno. Un producto fundido o parcialmente fundido en la base de un horno puede actuar como un reflector eficaz de la radiación térmica. Restando el componente reflejado puede ser posible determinar un componente radiado, emitido directamente desde el producto. De esta manera, puede ser posible determinar una emisividad y temperatura precisas para el producto. Pueden seleccionarse una pluralidad de posiciones del producto. Puede realizarse el cálculo de la emisividad y la temperatura para cada posición. Alternativamente, el valor de emisividad calculado en una posición puede usarse para calcular la temperatura en otras posiciones donde el producto se encuentra en la misma etapa en el procedimiento y es probable que tenga la misma emisividad.
El módulo de compensación de reflexión puede seleccionar opcionalmente dos posiciones en un producto en el horno, en el que las dos posiciones seleccionadas están sustancialmente a la misma temperatura. Las dos posiciones seleccionadas pueden incluir componentes reflejados que emanan de posiciones respectivas en el horno que están a diferentes temperaturas. Por tanto, los componentes reflejados pueden identificarse porque se recibiría una cantidad diferente de radiación desde las dos posiciones seleccionadas, pese al hecho de que están sustancialmente a la misma temperatura. Esto puede permitir la identificación y resta del componente reflejado, para determinar la temperatura real del producto en las dos posiciones seleccionadas. Esto puede lograrse calculando la emisividad del producto, que puede ser vidrio.
Preferiblemente, la cámara termográfica también recibe radiación térmica irradiada directamente desde las respectivas posiciones en el horno que están a diferentes temperaturas. Esto puede permitir que el módulo de compensación de reflexión reste este flujo radiado de la radiación recibida desde las posiciones seleccionadas en el producto.
Puede proporcionarse un dispositivo de detección de temperatura adicional para recibir radiación desde una sola posición en el horno y determinar una temperatura para esa posición. La unidad de control puede comparar entonces la temperatura determinada para la posición relevante por el dispositivo de detección de temperatura y la cámara termográfica, y calibrar la información de temperatura asociada con la imagen generada por la cámara termográfica. Por tanto, puede aplicarse un ajuste a la temperatura calculada por la cámara termográfica. Esto puede resultar particularmente útil cuando el material ha oscurecido la lente de la cámara y ha reducido la cantidad de radiación recibida, lo que conduce a mediciones de temperatura erróneas. Tal situación no es inusual en el entorno inclemente de un horno.
En una disposición, el dispositivo de detección de temperatura es un pirómetro que está diseñado para determinar una temperatura en una sola posición. El dispositivo de detección de temperatura puede montarse en una posición diferente a la de la cámara termográfica para minimizar la probabilidad de que ambos dispositivos experimenten el mismo tipo de oscurecimiento.
El dispositivo de detección de temperatura puede configurarse para recibir radiación en (al menos) dos longitudes de onda y para determinar una temperatura para la posición relevante basándose en la cantidad relativa de radiación recibida en las dos longitudes de onda. Un pirómetro de doble longitud de onda puede medir la temperatura correctamente a pesar de un oscurecimiento parcial porque el efecto de cualquier oscurecimiento sobre la temperatura es diferente en las diferentes longitudes de onda. El pirómetro de doble longitud de onda puede usarse para calibrar eficazmente la medición de temperatura de la posición relevante dentro de la imagen térmica, y el factor requerido para compensar el oscurecimiento en ese punto también puede aplicarse al resto de la imagen térmica. En determinadas realizaciones, la cámara termográfica puede ser capaz de recibir radiación en más de una longitud de onda, lo que significa que la cámara termográfica puede autocalibrarse, sin necesidad de un dispositivo de detección de temperatura adicional, tal como un pirómetro.
La unidad de control puede configurarse para comparar la imagen con una imagen recogida previamente para detectar un cambio en la temperatura o la posición. Las imágenes pueden generarse en puntos sucesivos en el tiempo y las imágenes pueden compararse con imágenes anteriores mediante el sistema de control para determinar cualquiera de los cambios de movimiento, velocidad, temperatura y tasas de cambio. Ventajosamente, esto permite compilar con fines de calidad un historial de las condiciones experimentadas por el producto durante la formación. Permite identificar tasas de cambio anómalas y la degradación lenta de materiales o instrumentación tal como termopares. Pueden usarse imágenes de puntos sucesivos en el tiempo para registrar condiciones o identificar cambios anómalos de temperatura durante el funcionamiento continuo, durante el calentamiento o enfriamiento del horno, o durante las operaciones de mantenimiento.
Los puntos sucesivos en el tiempo pueden estar en cualquier intervalo desde el intervalo entre imágenes sucesivas hasta un intervalo de un año. Podrían tomarse mediciones regulares a intervalos de tiempo fijos o según los eventos del horno. Por ejemplo, para un horno de vidrio regenerativo sería posible registrar la imagen de temperatura en las dos primeras inversiones después de la medianoche de cada día. En algunos aspectos, pueden recogerse más de 300.000 puntos de datos de temperatura en cada punto de tiempo sucesivo.
El uso de una cámara termográfica significa que un horno puede monitorizarse durante periodos de tiempo prolongados. Por tanto, la unidad de control puede configurarse para generar señales de control que cambian el funcionamiento del horno durante períodos de tiempo prolongados. El uso de estas señales de control puede prolongar la vida útil del horno o puede usarse para proporcionar un mejor momento del mantenimiento.
Según aún otro aspecto de la invención tal como se define en reivindicación 14 se proporciona un método de control de un horno, comprendiendo el método las etapas de: recibir radiación térmica en una cámara termográfica desde una pluralidad de posiciones en un horno; generar una imagen que incluye información de temperatura de la pluralidad de posiciones en el horno; identificar y restar un componente reflejado en la radiación recibida desde una posición en el horno, en un módulo de compensación de reflexión de una unidad de control; y generar señales de control para el horno en la unidad de control usando la imagen.
De este modo, el horno puede controlarse según la temperatura en la pluralidad de posiciones. Pueden realizarse ajustes en las propiedades del horno, tal como en los quemadores y/o la tasa de rendimiento. Esto puede mejorar la calidad del producto final y la tasa de producción, maximizar la vida útil del horno y minimizar el uso de energía y las emisiones.
Preferiblemente, las señales de control son para ajustar la temperatura en el horno. La temperatura en el horno puede ajustarse controlando la longitud de la llama y/o la mezcla de combustible/oxígeno o aire. Las llamas también pueden controlarse para lograr un control preciso de la temperatura en diferentes posiciones en el horno. El control preciso del perfil de temperatura puede ser importante para optimizar la calidad del producto, así como el uso de energía, la eficiencia operativa y la vida útil de ese horno.
En algunas realizaciones, la unidad de control está configurada además para identificar posiciones donde la temperatura supera (alta o baja) un valor predeterminado. Esto puede indicar un estado en el que puede producirse daño en la infraestructura o pérdida de calidad del producto. La señal de control puede usarse para suministrar más o menos calentamiento según sea necesario.
Las señales de control pueden usarse para controlar la inversión de los quemadores. Por tanto, la inversión de los quemadores puede producirse en el momento más adecuado según el estado en tiempo real del horno, en lugar de simplemente a intervalos de tiempo regulares. La inversión de los quemadores puede señalizarse por la unidad de control cuando la cámara termográfica indica que la temperatura en una posición particular o en una pluralidad de posiciones ha alcanzado un valor predeterminado o un valor máximo, o cuando la proporción de posiciones por encima de ese valor predeterminado ha alcanzado un umbral predeterminado.
La posición particular puede relacionarse con cualquier área o múltiples áreas de la imagen para activar la inversión basándose en las temperaturas de la pared, la corona, el producto y/o la llama.
Las señales de control pueden ser para ajustar la tasa de introducción del producto de partida, denominado normalmente “lote”. Se ha descubierto que el control en tiempo real del rendimiento del producto es importante para optimizar la calidad del producto, el uso de energía y la eficiencia operativa. En algunos aspectos, el método puede comprender además identificar regiones del lote en la imagen y rastrear el movimiento del lote basándose en la información de temperatura.
La unidad de control puede comprender un módulo de identificación de lote configurado para identificar el lote en la imagen procedente de la cámara termográfica. De este modo, puede determinarse una temperatura para el lote. El módulo de identificación de lote puede identificar posiciones en la imagen donde hay lote y evitar el uso de datos de estas posiciones en la generación de señales de control relacionadas con la temperatura del vidrio fundido.
Preferiblemente, el módulo de identificación de lote puede configurarse para determinar la velocidad del lote identificado. La cámara termográfica puede generar imágenes en puntos sucesivos en el tiempo, de manera que la información de temperatura obtenida en los puntos sucesivos en el tiempo pueda integrarse para rastrear el movimiento del lote. Esto puede usarse para determinar su velocidad.
Rastrear el movimiento del lote puede implicar predecir el movimiento del lote. La predicción del movimiento del lote puede basarse en información de temperatura en una pluralidad de posiciones. Las señales de control pueden usarse para ajustar la temperatura en una o más posiciones en el horno para controlar el movimiento del lote. Alternativamente o además, pueden usarse para controlar la introducción del lote.
A partir del análisis de la distribución de temperatura del producto, pueden identificarse corrientes de convección como trayectorias desde regiones más calientes a más frías. Estas corrientes de convección definen el movimiento en tiempo real del lote. Esto puede usarse para controlar el cargador de lotes, tal como se mencionó anteriormente, para dirigir el lote hacia la corriente convectiva óptima para maximizar el mezclado, el tiempo de residencia y de ese modo la calidad del producto.
Alternativamente, la unidad de control puede ajustar o conmutar entre quemadores para cambiar el patrón de flujo convectivo y dirigir el movimiento del lote.
Identificar y controlar las corrientes convectivas puede resultar útil para reducir el daño, así como para determinar las propiedades del producto. Debido al efecto Marangoni, se produce el desgaste continuo del refractario de contacto del vidrio del baño de vidrio del horno. También se ha descubierto que las regiones de enfriamiento excesivo pueden provocar un desgaste aumentado. Poder rastrear el movimiento del lote y controlar el flujo convectivo puede ayudar a reducir este efecto no deseado.
Según otro aspecto de la invención tal como se define en reivindicación 12, se proporciona un horno para recibir y fundir lotes para formar un producto, comprendiendo el horno: una cámara; un dispensador de lotes para introducir lotes en la cámara; al menos un quemador para fundir el lote introducido en la cámara; y el sistema de control de la invención tal como se define en las reivindicaciones 1-11.
Preferiblemente, el horno comprende un primer quemador o disposición de quemadores a lo largo de un primer lado de la cámara y un segundo quemador o disposición de quemadores a lo largo del segundo lado del quemador. Las señales de control pueden conmutar preferiblemente entre el funcionamiento del primer lado y el segundo lado de los quemadores, basándose en la imagen recibida desde la cámara termográfica. De este modo, puede controlarse la inversión del horno de manera dinámica según las condiciones térmicas en tiempo real.
La unidad de control puede conmutar entre el funcionamiento de los quemadores del primer y el segundo lados cuando la temperatura en una posición en el horno alcanza un valor predeterminado, o un valor máximo. La posición puede ser una posición predeterminada. La posición predeterminada puede ser cualquier región del horno o regenerador. La detección de esta condición puede provocar la inversión del horno para garantizar la calidad óptima del producto, el uso de energía, las emisiones, y la vida útil de los activos.
En algunos casos, las señales de control pueden conmutar y controlar adicionalmente el perfil de combustible de quemadores individuales. Esto puede estar dentro de un amplio conjunto de quemadores. De este modo, es posible realizar ajustes más precisos en el perfil de temperatura dentro del horno.
En algunos aspectos, la inversión o el ajuste individual de los controles del quemador puede ser para controlar el movimiento del lote dentro del horno en tiempo real. Por ejemplo, cuando se detecta una región fría, puede encenderse el quemador más cerca de la región fría para garantizar que el lote se aleje de la región fría.
El método puede comprender además identificar las posiciones o el número o la proporción de posiciones dentro de una región donde la temperatura supera un valor predeterminado. Muchas reacciones químicas son térmicamente sensibles (dependientes), por lo que su volumen de reacción potencial puede observarse dentro de una imagen térmica. La reacción química puede implicar la formación de compuestos deseables o la formación de subproductos no deseados tales como NO<x>.
En un caso, pueden usarse posiciones con temperaturas por encima de un valor predeterminado de al menos 1600 °C, y normalmente por encima de 1800 °C, como indicador en tiempo real de la tasa de formación de NO<x>. En este caso, las señales de control pueden usarse para conmutar entre los quemadores del primer y el segundo lados, o para reducir la temperatura o la longitud de la llama de uno o más quemadores individuales mediante el ajuste del perfil de combustible o la velocidad para ese quemador.
Según un aspecto no reivindicado, se proporciona un sistema de control para un horno, que comprende: una cámara termográfica configurada para recibir radiación térmica desde una pluralidad de posiciones en un horno, para para generar imágenes que incluyen información de temperatura para la pluralidad de posiciones en el horno; una unidad de control configurada para analizar la información de temperatura para determinar posiciones que muestran temperatura anómala y para generar señales de control para provocar una alarma para indicar que se ha detectado la temperatura anómala.
Aún en un aspecto no reivindicado, se proporciona un producto de programa informático que comprende instrucciones ejecutables por ordenador que, cuando se ejecutan por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo etapas que incluyen: recibir radiación térmica en una cámara termográfica desde una pluralidad de posiciones en un horno; generar una imagen que incluye información de temperatura para la pluralidad de posiciones en el horno; analizar la información de temperatura para determinar posiciones que muestran temperatura anómala; y generar señales de control para provocar una alarma para indicar que se ha detectado la temperatura anómala.
Ventajosamente, esto permite la detección de regiones que funcionan a una temperatura fuera del intervalo normalmente deseado. Esto puede permitir al operador emprender una acción adecuada. La temperatura anómala en algunos aspectos puede indicar problemas de calidad del producto y en otros puede indicar daño o posibilidad de daño al horno. Las acciones apropiadas pueden incluir cualquiera de ajuste a las condiciones de funcionamiento del horno (tal como la configuración del quemador), enviar el producto actual para cuarentena e inspección de calidad en una etapa posterior, y actividades de mantenimiento del horno. El sistema de alarma puede usarse durante el funcionamiento continuo, durante el calentamiento o enfriamiento del horno o durante el trabajo de reparación.
La alarma puede ser cualquiera de una alarma de temperatura baja, una alarma de temperatura alta o una alarma de temperatura para indicar que la temperatura o bien está dentro o bien no está dentro de intervalos predeterminados. Las alarmas pueden activarse mediante la comparación de la temperatura en una posición con valores máximos, mínimos o intervalos de umbral predeterminados. Las alarmas también pueden activarse por diferencias de temperatura entre posiciones dentro de la imagen, o por diferencias de temperatura entre posiciones en la imagen y fuentes alternativas de medición de temperatura, tal como termopares. Puede haber diferentes alarmas para indicar diferentes regímenes de temperatura detectados.
Ahora se describen realizaciones de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los que:
La figura 1 es una vista esquemática de un horno y un sistema de control en una realización de la presente invención;
La figura 2 es una vista en perspectiva de una cámara termográfica para su uso en una realización de la presente invención;
La figura 3 es un ejemplo de una imagen de un horno caldeado por un extremo generada por una cámara termográfica para su uso en una realización de la presente invención.
La figura 1 es una vista esquemática de un horno 10 y una unidad de control 12. El horno 10 incluye cargadores de lotes 14 para cargar o dispensar lotes, o producto de partida, en un extremo del horno. Se proporcionan quemadores laterales 16, 18 a ambos lados del horno 10. Los quemadores laterales 16 de un lado del horno 10 están diseñados para estar encendidos durante unos veinte minutos, después de lo cual se produce una inversión y se encienden los quemadores laterales 18 en el otro lado. Se proporciona una salida de producto 20 en el extremo opuesto del horno 10 a los cargadores de lotes 14. En uso, el lote se introduce mediante los cargadores de lotes y se funde mediante los quemadores laterales 16, 18. Los quemadores laterales 16, 18 se controlan para crear un perfil de temperatura deseado en el horno 10 que normalmente alcanza la temperatura máxima en el 75- 80 % del recorrido a lo largo de un horno de contención. Otros hornos para vidrio de mayor calidad tendrán una temperatura máxima más cerca de los cargadores 14. El perfil de temperatura disminuye entonces desde su máximo hacia la salida de producto 20.
El horno 10 incluye una cámara termográfica 22 situada en una pared de extremo, opuesta a los cargadores de lotes 14. En la figura 2 se muestra una cámara termográfica 22 de ejemplo. Esta cámara se conoce comercialmente como Boroscopio NIR, producido por Land Instruments International Ltd. La cámara termográfica 22 está diseñada para producir una imagen de alta resolución del interior del horno 10, con más de 300.000 píxeles y un campo de visión de 90°. La imagen de alta resolución producida por la cámara termográfica incluye información de temperatura para cada píxel, correspondiente a posiciones individuales dentro del horno 10.
En la realización de la figura 1 hay una única cámara con una vista longitudinal hacia los cargadores 14 con el fin de monitorizar la línea de lotes. En otras realizaciones, la cámara puede instalarse en otras paredes o dentro de la corona de horno, o pueden usarse múltiples cámaras. Es posible que el campo de visión no siempre sea de 90° y que el instrumento no esté necesariamente alineado perpendicular a su montaje. En algunas realizaciones, la cámara termográfica puede ser móvil. La disposición de las cámaras termográficas puede ser de manera que pueda medirse la temperatura en todo el horno según sea necesario.
El horno 10 también incluye un pirómetro de doble longitud de onda 24 que también está situado en la pared de extremo, opuesto a los cargadores de lote 14, pero desplazado de la cámara termográfica 22. El pirómetro de doble longitud de onda 24 está dispuesto para apuntar a una posición específica en el horno 10, que puede ser el producto en la base del horno 10, o una de las paredes. El pirómetro de doble longitud de onda 24 puede usarse para determinar la temperatura en el horno analizando la razón de radiación recibida en las dos longitudes de onda. Por tanto, la temperatura determinada por el pirómetro de doble longitud de onda 24 no se ve afectada en gran medida por cualquier oscurecimiento que pueda desarrollarse en el dispositivo.
Los cargadores de lotes 14, los quemadores laterales 16, 18, la cámara termográfica 22 y el pirómetro de doble longitud de onda 24 están conectados a la unidad de control 12. En uso, la cámara termográfica 22 genera una imagen térmica de alta resolución en tiempo real del interior del horno 10, que incluye información de temperatura para cada punto en la imagen, y envía esto a la unidad de control 12. La unidad de control 12 procesa la imagen usando uno o más procesadores comparándola con un perfil de temperatura ideal. La unidad de control 12 determina las diferencias entre los perfiles de temperatura reales en el horno 10 detectados por la cámara termográfica 22 y el perfil de temperatura ideal y genera señales de control para el horno 10. Las señales de control pueden enviarse a los quemadores laterales 16, 18 con el fin de alterar las condiciones en el horno 10 y reducir las diferencias entre el perfil de temperatura real y el perfil de temperatura ideal.
Se lleva a cabo un procedimiento iterativo en tiempo real hasta que el perfil de temperatura real coincide estrechamente con el perfil de temperatura ideal.
La unidad de control 12 se muestra separada de la cámara termográfica 22. En algunas realizaciones, la unidad de control 12 puede estar integrada dentro de la cámara termográfica 22. La unidad de control 12 puede implementarse en un ordenador o en cualquier otro dispositivo informático local o remoto. La unidad de control 12 puede usarse para registrar imágenes térmicas y comparar esas imágenes con imágenes anteriores para deducir movimiento, la velocidad, los cambios de temperatura y tasa de cambio. La unidad de control 12 genera las señales para controlar el horno y alarmas para advertir al personal de posibles problemas.
El pirómetro de doble longitud de onda 24 puede usarse para calibrar las mediciones de temperatura mediante la cámara termográfica 22. Se ha descubierto que la cámara termográfica 22 puede quedar oscurecida por los materiales en el horno 10. La unidad de control 12 puede comparar la temperatura determinada por el pirómetro de doble longitud de onda 24 para una posición específica y la temperatura para la misma posición determinada por la cámara termográfica 22. La unidad de control 12 puede aplicar entonces un factor de calibración a todas las mediciones de la cámara termográfica 22 para corregir cualquier efecto de oscurecimiento adverso.
En otras realizaciones, puede usarse un pirómetro de una sola longitud de onda. Para que sea eficaz, es necesario que el pirómetro de una sola longitud de onda se monte por separado de la cámara termográfica 22 en una posición en la que sea improbable que se produzca oscurecimiento. Aún en otra realización, la propia cámara termográfica puede ser capaz de detectar radiación en dos longitudes de onda térmica; esto puede permitir que la cámara termográfica 22 se autocalibre con el fin de disminuir o eliminar los efectos negativos del oscurecimiento.
Se compila una imagen térmica a partir de una serie de mediciones de radiación infrarroja recogidas por los píxeles individuales del detector. La temperatura de cada píxel se determina a partir de la radiación recogida mediante la aplicación de la Ley de Planck, que define la radiación del cuerpo negro en función de la longitud de onda y la temperatura. Para la mayoría de los objetos reales, la emisión es menos eficiente que la de un cuerpo negro, y la radiación emitida se reduce a escala en un factor conocido como emisividad de superficie. Para mediciones de temperatura precisas, la emisividad de la superficie debe conocerse o calcularse dentro de la cámara termográfica 22 o la unidad de control 12.
La unidad de control 12 incluye un módulo de compensación de reflexión 26 que puede identificar y restar un componente reflejado en la radiación recibida del producto en la base del horno 10. La figura 3 es un ejemplo de una imagen de un horno caldeado por un extremo producida por la cámara termográfica 22 que muestra el interior del horno 10. En este ejemplo, el horno se caldea por un extremo y los quemadores 16 están posicionados por debajo de los puertos que proporcionan aire precalentado y escape. Se proporciona vidrio fundido 11 en la base del horno 10.
La cámara termográfica 22 recibe radiación térmica desde una primera área 1 y una segunda área 2 sobre la superficie del vidrio fundido 11. Además, la cámara termográfica 22 recibe radiación térmica desde una tercera área 3 en una pared de extremo del horno 10 y una cuarta área 4 en la pared objetivo del regenerador de lado de escape. La geometría del horno 10 es tal que la radiación desde la tercera área 3 se recibe en la cámara termográfica 22 tanto directa como indirectamente a través de reflexión. La radiación desde la tercera área 3 se refleja en la primera área 1 y luego se recibe en la cámara termográfica 22. Por tanto, la radiación recibida en la cámara termográfica 22 desde la primera área 1 incluye un componente irradiado del vidrio fundido 11 y un componente reflejado que procede originalmente de la tercera área 3. Asimismo, la radiación recibida en la cámara termográfica 22 desde la segunda área 2 incluye un componente irradiado del vidrio fundido 11 y un componente reflejado que es originalmente de la cuarta área 4. Las proporciones relativas de los componentes reflejados y radiados pueden determinarse basándose en la emisividad £g y la reflectividad rg del vidrio.
Las áreas primera y segunda 1, 2 están en el mismo punto a lo largo de la longitud del horno 10 y están lo suficientemente cerca como para que su temperatura Tg y su emisividad £g sean prácticamente idénticas. Un píxel que visualice un punto dentro de la primera área 1 recibiría radiación R1 donde
donde la funciónf(T) se basa en la aplicación de la ley de Planck para modelar la radiación desde una superficie a una temperatura T, pero también incluye parámetros específicos de instrumento que limitan la cantidad de esa radiación que recoge ese píxel de la cámara termográfica. 22. Generalmente, se aplica como una tabla de consulta dentro de la cámara 22 en lugar de una ecuación.
Un píxel que visualice un punto dentro de la segunda área 2 recibiría radiación R2 donde
R2 = eg.f(Tg) ( l - e g). f(T4) (2 )
Por tanto, la emisividad del vidrio puede calcularse mediante el módulo de compensación de reflexión 26 restando la ecuación (2) de (1) y reorganizándola para dar:
T3 y T4 se conocen a partir de mediciones directas de la tercera y cuarta áreas 3, 4. Las áreas tercera y cuarta 3, 4 se seleccionan específicamente como áreas que es poco probable que tengan la misma temperatura. En este ejemplo, es probable que la temperatura del cargador de lotes 14 en la cuarta área 4 sea menor que la temperatura de la tercera área 3 en una pared de extremo del horno.
La emisividad del vidrio puede calcularse según la ecuación (3). La temperatura real del vidrio puede entonces derivarse mediante el módulo de compensación de reflexión 26 en la unidad de control 12 sustituyendo la emisividad del vidrio nuevamente en las ecuaciones (1) o (2).
La imagen procedente de la cámara termográfica 22 incluye una quinta área 5 que está dentro de una llama generada por un quemador 16 y una sexta área 6 que está sobre una superficie del vidrio fundido, cerca del quemador 16. La propia llama podría usarse como el área caliente reflejada en el vidrio junto con un área más fría de la pared reflejada en el vidrio para calcular la emisividad y la temperatura del vidrio mediante el método explicado anteriormente, en lugar de usar un área más caliente y más fría de la pared.
El cálculo de la temperatura usando el valor de emisividad calculado para múltiples puntos en el vidrio permite derivar un perfil de temperatura unidimensional o un mapa térmico bidimensional. Las corrientes convectivas en la superficie del vidrio pueden identificarse como trayectorias desde áreas de alta temperatura a áreas de baja temperatura. Estas, a su vez, pueden usarse para predecir el flujo del lote tal como se describe a continuación.
El punto de burbujeo puede detectarse por la unidad de control 12 como un punto caliente o bien en el perfil de temperatura a lo largo del techo o las paredes refractarias, o bien (usando el valor de emisividad del vidrio) a lo largo de la longitud del vidrio. Si las mediciones de temperatura se realizan mediante la cámara termográfica 22 en el punto de burbujeo sobre la superficie del vidrio, estas serán del vidrio que ha subido recientemente debido a las corrientes convectivas dentro del vidrio, y por tanto indicarán la temperatura del vidrio en el fondo del horno 10.
Las señales de control pueden implementarse en el horno 10 ajustando la distribución de combustible y, opcionalmente, la longitud de la llama de los quemadores 16, 18, la sincronización de la llama y/o la mezcla de combustible/oxígeno. Las llamas de los quemadores individuales también pueden controlarse para cambiar la temperatura en diferentes posiciones en el horno 10. Las temperaturas de la llama en el horno 10 pueden controlarse de esta manera con el fin de reducir las emisiones de NO<x>y controlar las reacciones químicas térmicamente dependientes, tal como se describe a continuación. Además, las señales de control pueden usarse para controlar la inversión de los quemadores 16, 18 según el estado real del horno 10 medido por la cámara termográfica 22. La inversión de los quemadores 16, 18 puede llevarse a cabo cuando la temperatura en una posición predeterminada en el horno 10 alcanza un valor predeterminado o un valor máximo.
La unidad de control 12 puede usarse para determinar problemas en el horno 10 que pueden requerir atención o mantenimiento. Por ejemplo, la cámara termográfica 22 puede detectar áreas de sobrecalentamiento donde existe riesgo de daño en el refractario. Igualmente, la cámara termográfica 22 puede detectar una posición en la imagen que sea constantemente más fría de lo esperado; esto puede ser indicativo de un defecto en la pared del horno 10 en este punto, lo que puede requerir cambios en las condiciones de funcionamiento, la generación de una alarma y/o mantenimiento.
La cámara termográfica 22 puede usarse durante el calentamiento inicial del horno 10. Durante el calentamiento es importante garantizar que las diferentes regiones del horno 10 se calienten a la misma tasa. En caso contrario, es posible que las tensiones térmicas puedan provocar daños. La unidad de control 12 puede hacerse funcionar para comparar el calentamiento en tiempo real del horno 10 con un mapa de calor ideal para generar señales de control para los quemadores 16, 18 que optimicen el funcionamiento.
La cámara termográfica 22 puede instalarse antes de que el horno haya alcanzado inicialmente su temperatura de funcionamiento. En algunos casos, puede instalarse una cámara termográfica especial con un intervalo de temperatura más bajo que puede medir la temperatura a partir de las condiciones ambientales. Por ejemplo, este podría ser un generador de imágenes de arco disponible comercialmente en Land Instruments Ltd. El intervalo de temperatura de la cámara de baja temperatura puede estar entre 0 y 500 °C, o entre 100 °C y 1000 °C. Esta cámara de baja temperatura puede retirarse cuando la temperatura del horno alcanza su intervalo de temperatura más alto. El intervalo de temperatura de la cámara termográfica usada en el horno durante el funcionamiento puede tener un régimen de temperatura de funcionamiento más alto dependiendo de las temperaturas del procedimiento. Para hornos de fusión de vidrio y otros hornos calentados por llama, son deseables regímenes de temperatura de hasta al menos 1600 °C o más preferiblemente hasta al menos 1800 °C.
La unidad de control 12 puede determinar cuándo la temperatura en una o más posiciones en la pared o la corona del horno está por debajo del punto de condensación de compuestos volátiles tales como el hidróxido de sodio, NaOH, presente en la atmósfera del horno. Asegurarse de que la temperatura no baje de este punto de condensación volátil puede ayudar a prevenir el daño en el refractario.
La unidad de control 12 también puede usarse para identificar regiones requeridas para la reparación por soldadura de cerámica y para confirmar posteriormente la finalización y/o integridad de la reparación. Ventajosamente, la imagen térmica puede usarse durante el procedimiento de soldadura, donde la atmósfera podría oscurecer una imagen óptica en estas condiciones.
El sistema de control 12 puede usarse para determinar cuándo se ha visto comprometida la calidad del vidrio. Por ejemplo, la temperatura de fusión puede ser demasiado alta o demasiado fría para una formación de vidrio ideal. Es posible que el perfil térmico se haya movido o que la línea de lote haya superado un punto crítico. Es posible que se active una alarma para indicar que la calidad del producto puede haberse visto comprometida. Ventajosamente, esto permite movilizar equipos de inspección u operadores para resolver los problemas y/o permite ajustar automáticamente las condiciones de funcionamiento. Esto también puede conducir a que el producto en particular se ponga en cuarentena para una inspección adicional.
La unidad de control 12 puede usarse para indicar la velocidad de reacción de reacciones químicas térmicamente sensibles. La unidad de control 12 puede identificar posiciones donde la temperatura está por encima de una temperatura umbral predeterminada. Puede calcular además el número o la proporción de tales posiciones dentro de una o más regiones dentro de la imagen o dentro de toda la imagen. Si el valor umbral predeterminado es la temperatura por encima de la cual se produce una reacción química, entonces el número o la proporción de posiciones por encima de esta temperatura indica el volumen de reacción potencial. Usando el conocimiento de la reacción y las concentraciones de los reactivos, o a partir de la calibración previa, puede calcularse una tasa de producción probable para los productos de la reacción química. La unidad de control 12 también puede realizar un análisis más detallado, en el que se tienen en cuenta la temperatura de cada posición y las diversas velocidades de reacción a diferentes temperaturas. En este caso, puede que no se requiera un valor umbral inicial, o puede usarse sólo para reducir el número de píxeles implicados en el cálculo.
Las velocidades de reacción térmicamente dependientes podrían estimarse dentro de una banda de temperatura o por debajo de un umbral de temperatura, por ejemplo, en el caso en que la concentración del reactivo pueda agotarse debido a reacciones a temperaturas más altas. En algunas realizaciones, la velocidad de reacción se usaría para indicar la tasa de producción de productos deseables de una reacción química. En otras realizaciones, la velocidad de reacción se usaría para indicar la tasa de producción de subproductos no deseados, tales como NO<x>. En este caso, la temperatura umbral sería de al menos 1600 °C.
La unidad de control 12 también comprende un módulo de identificación de lote 28. El módulo de identificación de lote 28 está configurado para identificar regiones sólidas de lote en la superficie del producto fundido 11. El lote sólido está a una temperatura más baja que el producto fundido 11 y, por tanto, la unidad de control puede descontar estas regiones al generar señales de control para el horno 10.
El módulo de identificación de lote está configurado para comprobar que la fusión del lote se produce en condiciones aceptables. Por ejemplo, si se identifica un lote sólido en posiciones no deseadas dentro del horno, pueden generarse señales de control del horno y pueden activarse alarmas.
El módulo de identificación de lote 28 también está configurado para rastrear el movimiento del lote, calcular su velocidad, dirección de movimiento y aceleración basándose en el cambio de posición desde las imágenes anteriores y predecir el movimiento futuro. La predicción del movimiento futuro usa el parámetro de movimiento actual del lote y las corrientes convectivas dentro del vidrio y el horno calculadas tal como se describió anteriormente. En el cálculo también pueden tenerse en cuenta los ajustes actuales y previstos del horno. Si el movimiento previsto indica un movimiento de lote más allá de los límites requeridos, o una fusión o mezclado subóptimo, pueden generarse señales de control para ajustar el perfil de temperatura y de ese modo las corrientes de convección y la fusión del lote en el horno.
En algunas realizaciones, la unidad de control 12 puede estar configurada para corregir la vista en perspectiva de la cámara termográfica 22 de modo que la distancia, la velocidad, la aceleración, el tamaño, el volumen, los perfiles térmicos y los mapas calculados como se describió anteriormente estén en coordenadas del mundo real en lugar de en coordenadas de imagen. En este caso, es necesario conocer la posición de montaje y la forma del horno.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Sistema de control de horno, que comprende:
    una cámara termográfica (22) configurada para recibir radiación térmica desde una pluralidad de posiciones en un horno y para generar una imagen que incluye información de temperatura para la pluralidad de posiciones en el horno; y
    una unidad de control (12) configurada para recibir la imagen procedente de la cámara termográfica (22) y para generar señales de control para el horno usando la imagen;
    en el que la unidad de control (12) comprende un módulo de compensación de reflexión (26) configurado para identificar y restar un componente reflejado en la radiación recibida desde una posición en el horno.
  2. 2. Sistema de control según la reivindicación 1, en el que las señales de control comprenden instrucciones para ajustar la temperatura en el horno, y/o comprenden instrucciones para ajustar diferencialmente la temperatura en una o más posiciones dentro del horno, y/o comprenden instrucciones para ajustar la introducción del lote.
  3. 3. Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de control (12) está configurada para comparar la imagen con una imagen recogida previamente para detectar un cambio en la temperatura o la posición.
  4. 4. Sistema de control según cualquier reivindicación anterior, en el que el módulo de compensación de reflexión (26) está configurado para seleccionar dos posiciones en un producto en el horno, en el que las dos posiciones seleccionadas están sustancialmente a la misma temperatura, y en el que las dos posiciones seleccionadas incluyen componentes reflejados que emanan de posiciones respectivas en el horno que están a diferentes temperaturas.
  5. 5. Sistema de control según la reivindicación 4, en el que el módulo de compensación de reflexión (26) está configurado para calcular la emisividad del producto, y preferiblemente el módulo de compensación de reflexión (26) está configurado para usar la emisividad del producto para calcular la temperatura del producto.
  6. 6. Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo de detección de temperatura adicional configurado para recibir radiación desde una sola posición en el horno y para determinar una temperatura para esa posición, en el que la unidad de control (12) está configurada para comparar la temperatura determinada para la posición relevante por el dispositivo de detección de temperatura y la cámara termográfica (22), y para calibrar la información de temperatura asociada con la imagen generada por la cámara termográfica (22), y opcionalmente el dispositivo de detección de temperatura está configurado para recibir radiación en (al menos) dos longitudes de onda, y para determinar una temperatura para la posición relevante basándose en la cantidad de radiación recibida en las (al menos) dos longitudes de onda.
  7. 7. Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de control (12) comprende un módulo de identificación de lote (28) configurado para identificar el lote en la imagen procedente de la cámara termográfica, y preferiblemente el módulo de identificación de lote (28) está configurado para determinar la velocidad del lote identificado, y/o rastrear el movimiento del lote, en el que rastrear el movimiento del lote implica preferiblemente predecir el movimiento del lote, y preferiblemente en el que la predicción del movimiento del lote se basa en información de temperatura en una pluralidad de posiciones.
  8. 8. Sistema de control según la reivindicación 7, en el que las señales de control son para ajustar la temperatura en una o más posiciones en el horno para controlar el movimiento del lote o para controlar la introducción del lote.
  9. 9. Sistema de control según la reivindicación 7, en el que la unidad de control (12) está configurada para identificar temperaturas o ubicaciones anómalas de lote y para generar señales de control para resaltar problemas de calidad con el lote.
  10. 10. Sistema de control según cualquier reivindicación anterior, en el que la unidad de control (12) está configurada para identificar temperaturas y diferenciales de temperatura anómalos en el horno, siendo las temperaturas y diferenciales de temperatura anómalos indicativos de tensiones térmicas, daño o probabilidad aumentada de daño, y preferiblemente las señales de control se generan para cambiar el perfil de temperatura en el horno o alertar a los operadores para prevenir o mitigar el daño durante el funcionamiento del horno o durante las actividades de calentamiento y/o mantenimiento del horno.
    Sistema de control según cualquier reivindicación anterior, en el que la unidad de control (12) está configurada además para identificar una posición o pluralidad de posiciones donde la temperatura alcanza un valor predeterminado que indica la posibilidad de una reacción química térmicamente dependiente; en el que preferiblemente la unidad de control (12) está configurada para predecir la tasa de producción de la reacción química a partir del número de posiciones donde la temperatura supera el valor predeterminado;
    en el que preferiblemente la predicción se basa en la temperatura de cada posición y el conocimiento de la velocidad de reacción en función de la temperatura;
    en el que preferiblemente la reacción química es la formación de un subproducto no deseado;
    en el que preferiblemente la reacción química es la producción de NO<x>y el valor predeterminado es al menos 1600 °C;
    en el que preferiblemente las señales de control son para ajustar la temperatura en el horno, basándose en las posiciones identificadas donde la temperatura supera el valor predeterminado.
    Horno (10) para recibir y fundir lotes para formar un producto, comprendiendo el horno (10):
    una cámara;
    un dispensador de lotes para introducir lotes en la cámara;
    al menos un quemador (16, 18) para fundir el lote introducido en la cámara; y
    el sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
    Horno (10) según la reivindicación 12, que comprende un primer quemador (16) o disposición de quemadores en un primer lado de la cámara y un segundo quemador (18) o disposición de quemadores en el segundo lado del quemador, en el que las señales de control comprenden instrucciones para conmutar entre los quemadores del primer lado y del segundo lado, basándose en la imagen recibida desde la cámara termográfica (22), y preferiblemente las señales de control comprenden instrucciones para conmutar entre los quemadores del primer (16) lado y el segundo (18) lado cuando la temperatura en una posición predeterminada o pluralidad de posiciones alcanza un valor predeterminado, o comprenden instrucciones para controlar el perfil de combustible y oxígeno para al menos uno de los quemadores (16, 18) cuando la temperatura en una posición predeterminada o pluralidad de posiciones alcanza un valor predeterminado.
    Método de control de un horno, comprendiendo el método las etapas de:
    recibir radiación térmica en una cámara termográfica (22) desde una pluralidad de posiciones en un horno (10);
    generar una imagen que incluye información de temperatura de la pluralidad de posiciones en el horno (10);
    identificar y restar un componente reflejado en la radiación recibida desde una posición en el horno (10), en un módulo de compensación de reflexión (26) de una unidad de control (12); y
    generar señales de control para el horno (10) en la unidad de control (12) usando la imagen.
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