Estimação de estados em um alto forno usando o filtro de Kalman.

Abstract

O processo siderúrgico consiste em todas as etapas necessárias para a obtenção do aço, desde a extração de recursos minerais no meio natural até a laminação e obtenção do produto final. Dentre essas etapas, encontra-se o processo de redução que realiza a transformação físico-química do coque e de cargas metálicas para a obtenção de ferro gusa. Esse processo utiliza o equipamento denominado alto forno. Em meio ao funcionamento cíclico (corrida) do alto forno, ocorre o processo de regeneração que restabelece os índices térmicos necessários para a realização de uma nova corrida, após a perda da carga térmica no interior do alto forno. O controle adequado do processo de regeneração depende das medições das variáveis envolvidas nesse processo, cuja leitura é realizada por meio de sensores. Como consequência do ambiente hostil desse processo, é possível a indisponibilidade momentânea de um sensor devido a falhas ou remoção para manutenção ou calibração. Dessa forma, quando o sensor se torna indisponível ocorre perda de informação relevante tanto no monitoramento quanto no controle das variáveis envolvidas. Consequentemente, o processo de regeneração e de fusão poderão operar de forma inadequada, levando a uma queda na produção de aço. Neste trabalho, investigam-se dois problemas relacionados à estimação de estados no processo de produção de ferro gusa. Primeiro, trata-se o problema de estimação do sinal de vazão no trocador de calor HE-3. Devido à umidade presente no gás de alto forno, é comum a ocorrência de indisponibilidades por parte do sensor, prejudicando o controle e monitoramento do processo. Em segundo lugar, considera-se o problema de estimação do sinal de temperatura de ferro gusa no alto forno. Devido às condições extremas do processo, o sensor de temperatura pode permanecer indisponível por alguns instantes de tempo. Além disso, variações indesejadas de temperatura afetam diretamente no produto final do alto forno que será utilizado nas etapas seguintes do processo siderúrgico. A metodologia proposta consiste em duas etapas. Na primeira etapa, são obtidos os modelos Autorregressivo com Entradas Exógenas (ARX) que descrevem a dinâmica do sistema do trocador de calor HE-3 e do alto forno para diferentes regimes de operação do processo. Na segunda etapa, é obtida a estimativa dos sinais de vazão de gás de combustão e temperatura de ferro gusa utilizando o filtro de Kalman a partir dos modelos ARX identificados e diferentes conjuntos de medições. Os resultados obtidos sugerem que o filtro de Kalman é um método promissor para tratar problemas de estimação de estados em processo siderúrgico.