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PROCESSAMENTO DE VÍDEO PARA ESTIMAÇÃO DA CURVA DE RESFRIAMENTO EM UMA PLANTA DE SINTERIZAÇÃO

GABRIEL NAZARETH GUEDES ALCOFORADO*, VALTER BARBOSA DE OLIVEIRA JUNIOR*, DOUGLAS ALMONFREY†, KARIN SATIE KOMATI †

*Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica, ArcelorMittal Tubarão Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, 930 - Jardim Limoeiro, 29163-970 - Serra - ES – Brasil

†Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Instituto Federal do Espírito Santo Avenida Vitória, 1729 - Bairro Jucutuquara, 29040-780, Vitória, ES, Brazil

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Abstract - This paper proposes an application of video processing to estimate the thermal cooling curve of sinter material inside the sintering cooler. The rotating cooler is part of the sintering process. The video is taken with a thermographic camera. The methodology includes: preprocessing, segmentation of areas of higher temperature, quantification of the segmented areas, signal processing and correlation between thermal zones. The key point is to identify the cooling curve along the cooling process. With this information, it is possible to assist decision making of operators while maintaining the quality of sintering and power con-sumption optimization.

Keywords - sintering process; thermal video; temperature monitoring; cooling curve; power consumption optimization

Resumo - Este trabalho propõe uma aplicação que utiliza processamento de vídeo para estimar a curva de resfriamento térmico do material de sinter depositado no resfriador rotativo no processo de sinterização. O vídeo é adquirido por meio de uma câmera termográfica e, em seguida, é pré-processado de forma a segmentar as áreas de maior temperatura. Com as regiões de maior temperatura segmentadas, realiza-se o acompanhamento do tamanho das áreas segmentadas ao longo de quatro regiões distintas inseridas nas zonas térmicas do resfriador rotativo. O ponto-chave é identificar a curva de resfriamento ao longo das quatros zo-nas do processo de resfriamento. Com esta informação, é possível ajudar a tomada de decisão de operadores quanto ao resfria-mento do sinter, mantendo a qualidade de sinterização e otimização do consumo de energia. A idéia é que esse auxílio na toma-da de decisão por parte do operador possa ser a entrada de um processo automático de resfriamento.

Palavras-chave - processo de sinterização; imagens térmicas; monitoramento de temperatura; curva de resfriamento; otimiza-ção de consumo de energia.

1 Introdução

A metalurgia é o conjunto de técnicas que permi-tem a extração, a manipulação de metais e a geração de ligas metálicas. A siderurgia é o ramo da metalur-gia que se dedica à fabricação e tratamento de aços e ferros fundidos. O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal. A fabricação do aço pode ser dividida em cinco etapas: preparação da carga, redução, refino, lingotamento e laminação (Instituto Aço Brasil, 2009), conforme mostra Figura 1.

Durante a preparação da carga, grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada, resultando em um produto chamado "sinter". O carvão processado na Coqueria se transforma em "coque". O sinter e o coque são carregados ao alto-forno, onde o coque, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-gusa. No refino, as aciarias são utilizadas para transformar o gusa e a sucata (resíduos descartados) em aço líquido. A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para

produzir semi-acabados, lingotes e blocos. Os produtos resultantes do lingotamento são processados por laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos.

Uma das características do processo tradicional de sinterização é a heterogeneidade térmica e de intensidade de reações ao longo de seu percurso até o alto-forno. Com a redução da heterogeneidade térmica e de reações, tem-se como resultados elevações do rendimento de sinter e produtividade, redução do consumo de combustível sólido e melhoria das propriedades metalúrgicas do sinter produto (E. P. Honorato, 2005).

Figura 1. Fluxo simplificado de produção do aço (Instituto Aço Brasil, 2009).

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo de caso de monitoramento da evolução da temperatura ao longo da região descoberta do resfriador do processo de sinterização e levantar a curva de resfriamento do sinter depositado através de um vídeo termográfico como entrada da informação. Estas ações, por sua vez, permitirão uma tomada de decisão mais eficaz, do ponto de vista operacional, visando minimizar os efeitos da alta temperatura e proporcionará uma otimização do processo tendo em vista que atuara no aumento da qualidade do material e da produtividade, além de melhorar o consumo energético.

Um trabalho com objetivo similar ao proposto neste artigo foi desenvolvido em Litzinger e Childress (Litzinger, Childress, 2011). No referido trabalho, foram projetadas peças cerâmicas que são colocadas na esteira junto com o sinter e armazenam as informações de temperatura. Ao final do processo, retira-se estas peças, e extrai-se as medições de temperatura. Uma desvantagem da abordagem proposta em Litzinger e Childress, é a necessidade de interferência direta no processo devido a inserção do material cerâmico, fato que é evitado neste presente arigo por meio da utilização da câmera termográfica. Da mesma forma que a solução apresentada no trabalho de Litzinger e Childress, o objetivo não é o de substituir os pirômetros, mas sim, ter mais uma fonte de informação para controle.

Este artigo encontra-se organizado em seis se-ções. A Seção 2 descreve o processo de sinterização, que abrange o resfriador. A Seção 3 apresenta o tra-balho desenvolvido e os resultados obtidos são apre-sentados na Seção 4. Por fim, a Seção 5 apresenta as considerações finais e as sugestões de trabalhos futu-ros.

2 O processo de Sinterização

O processo de sinterização, isto é, de aglomera-ção de partículas, é crucial para o êxito da produção de aço via alto-forno, dada às limitações que este tipo de reator apresenta em relação à presença de material fino (A. R. Starling, 2012). A elevada quantidade de material fino no alto-forno reduz a permeabilidade do gás dentro do reator, a velocidade das reações de redução e a velocidade de produção do gusa. Este processo é detalhado na Figura 2, iniciando-se na parte superior direita da figura, mostrando as maté-rias-primas utilizadas: minério, lama, coque e finos de minério.

A mistura das matérias primas segue numa cor-reia transportadora, formando o "blend" ou mistura de sinterização. O blend é misturado em um tambor rotativo, chamado de tambor de mistura, de forma a se obter uma mistura homogênea das matérias-primas. Em seguida, ele segue por um silo até chegar ao forno de ignição, onde a mistura homogênea é acessa. A máquina de sinter funciona como um cigar-ro, depois de acesa, as caixas de vento localizadas

abaixo da esteira mantém a queima do material. A Figura 3 mostra uma máquina de sínter, com o forno de ignição no início, onde a mistura sobre a esteira possui de 400 a 900 mm de altura.

Fig. 2. Processo de Sinterização, retirado e traduzido de

(Eurotherm, 2008).

Fig. 3. Máquina de sinter, retirada de (Shenyang Yate, 2012).

Durante a ignição, a temperatura na parte superi-or da camada de sinter varia entre 1200ºC a 1400ºC. Após um período curto de ignição, o calor do topo da mistura de sinterização inicia o movimento descen-dente ao longo da camada de mistura. Antes da ca-mada da zona de combustão, ocorre a evaporação da água e componentes voláteis, removendo as impure-zas prejudiciais a partir do minério, como o enxofre e fósforo. Já na zona de combustão, área final de quei-ma, ocorrem as reações de aglomeração entre as par-tículas da mistura e aglomerados resistentes são for-mados. A maioria do calor presente na zona de com-bustão é absorvida pela secagem, calcinação e aque-cimento das camadas inferiores do leito. Quando a zona de combustão atinge o fundo do leito da mistura de sinterização, o processo é finalizado. O sinter ob-tido é grosseiramente quebrado por um britador. Após o resfriamento, o sinter é peneirado e o restante é enviado para os silos do alto-forno.

2.1 Resfriamento

O resfriador é um dos equipamentos que compõe a planta de sinterização. Na Figura 2, o resfriador está representado por uma linha tracejada vermelha, a Figura 4 mostra uma foto da vista superior oblíqua de


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um sistema de resfriamento rotativo, a Figura 5 mos-tra um desenho esquemático da vista superior e a Figura 6 mostra as zonas de temperatura do resfria-dor.

Fig. 4. Equipamento resfriador rotativo (Sinter Plant, 2012).

Fig. 5. Desenho esquemático do resfriador, vista superior

Fig. 6. Zonas Térmicas do Resfriador

Como pode-se observar, o resfriador é composto por uma estrutura metálica circular e possui uma entrada do sinter proveniente da máquina de sinter e uma saída para o alto-forno. A região representada pelo corte A-B da Figura 5 é a parte coberta do resfriador, enquanto que a outra área fica exposta ao tempo. Desta forma, as zonas 1 e 2 são cobertas.

O sinter chega à etapa de resfriamento com uma temperatura aproximada de 800ºC. Ventiladores são utilizados ao longo do resfriador, promovendo uma troca de calor do ar, à temperatura ambiente, com o sinter produto. Para mensurar a eficiência desta refrigeração forçada, a temperatura é monitorada de forma pontual por um pirômetro óptico com uma área

de medição de apenas 100 mm de diâmetro, a partir do ponto de nº 3 da Figura 5. Este monitoramento ocorre nas três zonas que antecedem o local destinado à saída do sinter, após este percorrer todo o resfriador.

O objetivo deste monitoramento da temperatura é permitir que o operador da planta avalie o resfriamento do produto, subdividindo-se em três possíveis cenários:

1. Operação normal: O material está com seu resfriamento normal, respeitando-se as características do processo e a situação atual de produção.

2. Emergência: Mesmo com todos os ventiladores ligados, a temperatura do sinter ainda está elevada. Nesse caso, aciona-se a água de emergência para auxiliar o resfriamento. Esse processo ocasiona perda na qualidade do sinter e pode ocasionar perdas na produção.

3. Otimização energética: Em função das condições do processo, com os cinco ventiladores ligados o sinter está resfriando além do necessário. Nesse caso, pode-se avaliar o desligamento de um ou mais ventiladores.

O sinter é enviado para o alto-forno por meio de correias transportadoras. Caso a temperatura esteja acima do suportado pelas correias, estas serão danificadas acarretando um custo significativo, não apenas pelo custo da correia, da ordem de centenas de milhares de reais, mas também pelo tempo de parada do processo de sinterização. Assim, percebe-se a importância de um controle rígido desta temperatura.

A proposta desse artigo consiste em utilizar câmeras termográficas direcionadas para nas zonas térmicas 3, 4 e 5, de forma a aumentar a área de medição em relação aos pirômetros ópticos, calcular o gradiente de temperatura entre as zonas e obter a curva de resfriamento do sinter por meio da Lei de Resfriamento de Newton. Assim, com base nas informações geradas a partir do vídeo termográfico do processo, a equipe de operação promoverá correções na curva de resfriamento do sinter, quando necessário, de forma mais eficaz, possuindo informação suficiente para desligar um ou mais ventiladores, contribuindo para a redução do consumo de energia elétrica da planta.

3 Solução Proposta

As etapas empregadas para detecção de possíveis áreas com alta temperatura são apresentadas nas subseções a seguir. O fluxograma para análise de uma zona é mostrado na Figura 7. Os algoritmos foram implementados no ambiente MATLAB instalado em plataforma Windows XP.

Utilizando uma câmera termográfica e focando a zona 4 como objeto de estudo, foram gravados períodos de 20min do processo de resfriamento em


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funcionamento. À partir do vídeo, a análise é realizada frame a frame (ver Figura 8), sendo que cada frame é subdividido em quarto regiões, conforme mostrado na Figura 9. Na seqüência, em cada região, segmentam-se os pontos de maior temperatura por meio da segmentação dos pontos vermelhos. Em seguida, para cada região, calcula-se o valor percentual da área de maior temperatura em relação a área total da região. Após armazenar uma quantidade de valores que corresponda a largura em pixels de uma região, defini-se uma janela de dados atuais nas regiões 3, 2 e 1 e inicia-se então o processo de rastreamento dessa janela nas regiões imediatamente anteriores (3→4 / 2→3 /1→2). À partir das variações entre as janelas correspondentes, obtém-se as curvas de temperatura. Por fim, compara-se essa curva de temperatura com a curva estimada por meio de leis da física.

Fig. 7. Etapas da solução proposta

3.1 Vídeo de Entrada

A inspeção termográfica é a técnica de inspeção não intrusiva (sem contato direto) realizada com a utilização de sistemas infravermelhos para a medição de temperaturas ou observação de padrões diferenciais de distribuição de calor. Por sua vez, termovisores são sistemas imageadores dotados de recursos para a análise e medição de distribuições térmicas. As imagens são geradas em branco e preto, podendo ser convertidas em imagens coloridas pela substituição da escala de cinza por uma escala de cores (J. C. B. Nogueira, 2010 e S. L. Lima,2010 ). O vídeo manipulado neste artigo foi obtido por meio de uma câmera termovisora infravermelha para aplicação até 1200ºC, de alta sensibilidade, modelo T440, da marca FLIR (FLIR Systems, 2012). Um exemplo das imagens obtidas por meio desta câmera é apresentado na Figura 8.

Fig. 8. Vídeo – Quadros (frames) evidenciando o deslocamento de massa a alta temperatura

3.2 Divisão em Regiões

Como o principal objetivo é conhecer a curva de resfriamento dentro de cada zona térmica, a imagem de cada zona será dividida conforme demonstrado para a zona 4 na Figura 9. Para realizar estas divisões, a largura da imagem foi divida igualmente por quatro. Dessa forma, mantendo-se a padronização de formatação e características das imagens (foco, distância, zoom e intensidade), é possível aproximar as regiões de interesse (área efetiva do material sobre o resfriador) de forma uniforme para cada região da zona térmica.

Fig. 9. Subregiões da Zona 4

3.3 Segmentação das Areas de Interesse

Em cada sub-região segmentam-se as áreas de maior temperatura localizando-se pixels na cor vermelha e branca, de forma a respeitar o mapa de cores utilizado pela câmera termográfica (Rainbow), conforme escala presente na lateral direita da imagem da Figura 10, onde a temperatura é expressa em °C. A segmentação é realizada utilizando o espaço de cores RGB, conforme descrito em (N. Otsu, 1979).


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Fig. 10. Escala de Cor proveniente da Câmera Termográfica

Uma vez que as imagens são registradas sempre utilizando o mesmo mapa de cores da câmera termográfica, os tons vermelhos e brancos sempre indicarão as regiões de maior temperatura. Determinadas as cores de interesse, as mesmas são identificados em cada sub-região e posteriormente marcados em cor preta para facilitar a visualização. O resultado pode ser visto na Figura 11.

Este resultado é binarizado conforme limiarização selecionada pelo método de Otsu (N. Otsu, 1979) conforme resultado mostrado na Figura 12. As cavidades dos elementos são preenchidas através de operações de morfologia matemática (R. C. Gonzalez, 2001) conforme resultado mostrado na Figura 13. Em seguida, delimita-se a fronteira de cada região 8-conectada, conforme mostra Figura 14, extraindo a característica da área de alta temperatura de cada região.

Fig. 11. Zona Térmica 4, onde os pixels em nuances de vermelho e branco estão marcados na cor preta.

Fig. 12. Figura 11 após a binarização

Fig. 13. Figura 12 após a reconstrução

Fig. 14. Figura 13 após identificação de cada área quente

3.4 Totalização das Áreas Quentes

Uma vez identificadas as áreas quentes, em cada região, elas são totalizadas e o valor armazenado. Essa identificação por região é realizada conforme representado pela Figura 15.

Fig. 15. Áreas identificadas das Regiões 1,2,3 e 4 / Zona 4

Para cada região, o percentual de área quente em relação a área total da região é calculado e armazenado em vetores. Essas informações serão a base de comparação temporal para identificar a curva de resfriamento a medida que as áreas quentes se deslocam por toda a Zona.

A Figura 16 representa a informação armazenada nesses vetores ao longo do tempo.

Fig. 16. Valores de preenchimento armazenados das Regiões 1,2,3 e 4 / Zona 4

3.5 Definição da Janela de Amostras Atual

Em cada frame ou atualização do percentual de área quente em relação a área da região, para cada região, estipula-se uma janela ou um vetor de n posi-ções com os últimos dados armazenados, onde n cor-responde a largura em pixels de uma região.


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A Figura 17 representa a Janela de Amostras Atual da Região 1, incluindo o último valor medido.

Fig. 17. Janela de Amostras Atual da Região 1 / Zona 4

3.6 Rastreamento da Janela Deslocada no Tempo

Quando as áreas quentes se deslocam sobre as zonas térmicas, elas provocam variações no preen-chimento das regiões. Essa variações se repetem a medida que as áreas quentes passam de uma região para outra. Entretanto, na medida em que se deslo-cam, o processo de resfriamento atenua essas oscila-ções. Dessa maneira, identificando-se a variação do preenchimento atual de uma determinada região (ja-nela de amostras atuais), pode-se pesquisar esse mesmo comportamento no vetor de valores de preen-chimento armazenados da região imediatamente ante-rior. Essa pesquisa ou rastreamento, se dá deslocando a janela sobre o vetor ao mesmo tempo em que se calcula o erro quadrático médio entre os respectivos valores. No ponto onde o erro for mínimo, será o ponto com maior probabilidade de correspondência entre as duas formas de onda, conforme Figura 18.

Fig. 18. Janela da Região 2 correspondente ao erro quadrático

médio mínimo

A Figura 19 demonstra a propagação das varia-ções de preenchimento entre as regiões e a equação 1 apresenta o cálculo do erro quadrático médio.

( ) ( )1n

1ii

rJanelaVetoi

lJanelaAtuan

12

ticoMédioErroQuadrá ∑=

−=

Uma vez determinada a janela correspondente a

atual, na região imediatamente anterior, ou seja, as que possuem o menor erro, a média da simples dife-rença entre os vetores percentuais de áreas quentes totalizadas de cada janela será considerada como o valor de variação de área quente percentual entre as regiões. Nesse caso, considerando a natureza do pro-cesso, essa diferença pode ser traduzida como resfri-amento ou aquecimento do material, conforme de-monstrado pela equação 2.

( ) ( )2n

1iirJanelaVeto

ilJanelaAtua

n

1∑=

−=Variação

Fig. 19. Propogação da variação de preenchimento entre as

regiões

3.7 Aproximação da Curva de Resfriamento

É possível verificar as curvas de resfriamento de uma zona e de cada região fazendo uma aproximação por meio da Lei do Resfriamento de Newton (W. P. da Silva, 2003), que é uma derivada com relação ao tempo, conforme equação a seguir:

( ) ( )3mTTkdt

dT −−=


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Onde:

T - Temperatura do material do instante t

Tm - Temperatura constante do meio ambiente

k - coeficiente de proporcionalidade

Simplificando a equação diferencial chegamos à solução abaixo, onde C é uma constante:

)4()( ktm CeTtT −=−

Resolvendo a solução para o valor inicial de temperatura do material em T(0) = T0 teremos:

( )5)0( 0 CTTT m +==

( ) ( )6)( 0kt

mm eTTTtT −−+=

Desse modo, a curva de resfriamento do material que está passando pelo resfriador e trocando calor com o meio ambiente será regida por uma equação exponencial. Analogamente, pode-se aproximar a curva de variação das áreas quentes através da curva da equação 2 de variação de temperatura.

( )7)( kzBezA −=

Onde:

A - Percentual de áreas quentes

B - Ganho do processo de resfriamento

z - Região do resfriador

O valor de k é definido por:

)8(

ln

fi

i

f

zz

A

A

k−

=

Onde:

Af - Área quente final

Ai - Área inicial

zi - Região de diferença inicial (Entre Regiões 3 e 4)

zf – Região de diferença final (Entre Regiões 1 e 2)

E e são respectivamente as regiões de diferenças 3 e 1. E o ganho B é definido por:

)9(ln5,1

−

=i

f

A

A

i

e

AB

4 Estudo de Caso, Resultados e Discussão

Nesta seção, será apresentado um estudo de caso, através de um vídeo termográfico de entrada das Regiões 4, 3, 2 e 1, da Zona 4.

Para cada região aplicou-se a solução proposta, extraindo-se a área preenchida por pontos quentes em pixels. Com este resultado quantitativo, foi possível computar a área quente total em termos percentuais

em relação a área de cada região de uma determinada zona da imagem. Os resultados encontram-se na Figura 20, onde para cada região mostra-se o percentual instantâneo de áreas quentes e as diferenças entre as regiões.

Desse gráfico, é possível verificar que o preenchimento de cada região realmente diminui a medida que o material percorre a zona em questão. Essa diminuição está diretamente relacionada a redução de temperatura, levantando então a possibilidade de uma curva de resfriamento estimada, baseada na equação 7 e conforme exemplificado na Figura 21.

Através da Figura 21, percebe-se que entre as regiões 2 e 3, o coeficiente de redução das áreas quentes ou da temperatura é menor, ou seja, o resfriamento é menos eficiente nesse intervalo. Esse fato pode estar relacionado a fatores como: existir uma menor vazão de ar entre os ventiladores e conseqüentemente uma má distribuição do ar soprado em todo o resfriador, reacendimento do sinter ou até mesmo variação na captação térmica da imagem. No entanto, entre as região 3 e 4 e 1 e 2 mostrou-se uma variação negativa, demonstrando no percurso total pela Zona Térmica 4 o efetivo resfriamento do sinter.

Fig. 20. Percentual instantâneo de áreas quentes e diferenças entre as regiões

Os gráficos da Figura 20 são lidos da seguinte forma: em a, o eixo y representa a área percentual calculada de pontos quentes em relação à área total da região, em b representa a diferença computada pelo método de rastreamento descrito na Seção 3.6; em a, o eixo x representa a região, em b, representa o intervalo entre as mesmas. Os círculos na Figura 21 representam os valores médios de variação das áreas quentes entre as regiões, sendo no ponto 1 a diferença entre as regiões 4 e 3, no ponto 2 as diferenças entre as regiões 4 e 3 e 3 e 2 somadas, e


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no ponto 3 todas as diferenças somadas incluindo a diferença entre as regiões 2 e 1. A linha tracejada representa uma interpolação entre os três valores e a curva vermelha representa a curva exponencial estimada conforme as equações da teoria demonstrada da Seção 3.6.

Fig. 21. Curvas de resfriamento

5 Considerações Finais

Esse trabalho abordou um estudo de caso para uma solução proposta para o monitoramento automático da evolução da temperatura do sinter ao longo da região descoberta do resfriador do processo de sinterização, usando imagens adquiridas por meio de um vídeo capturado por uma câmera termográfica. Este objetivo foi alcançado, pois conseguiu-se traçar a curva de resfriamento do sinter depositado no resfriador. Com isso, o operador da planta terá à sua disposição, em tempo real, mais uma fonte de informação para auxiliá-lo na tomada de decisões eficazes do ponto de vista operacional. Antes da solução proposta neste trabalho, o operador possuía apenas a informação pontual de sensores pirômetros ópticos. Os pirômetros realizam o monitoramento pontual da temperatura do sinter, com um foco de apenas 100 mm de raio ao longo de toda a seção transversal do resfriador. A solução com câmeras termográficas possibilita o monitoramento de toda a seção transversal do resfriador, com um custo de implantação viável para a empresa siderúrgica.

Além do âmbito operacional, uma vez que a curva de resfriamento é conhecida, será possível identificar a possibilidade de desligar um dos ventiladores caso a temperatura esteja abaixo do desejado (otimização energética) ou acionar a injeção de água de emergência caso a temperatura esteja acima do permitido. Como proposta de trabalhos futuros, pode-se implantar essas tomadas de decisão, sobre desligamento de ventiladores ou injeção de água, por meio da análise automática das curvas obtidas com a solução proposta neste trabalho e até mesmo prever

cenários operacionais integrando outras variáveis através de processamento neural. Isto significa a possibilidade de realização de alterações no estado de funcionamento da planta sem a intervenção do operador e a criação de um ambiente de simulação do processo de resfriamento.

6 Agradecimentos

Agradecemos ao IFES pelo apoio ao trabalho, a empresa ArcelorMittal Brasil por todas as informações prestadas e a professora Karin S. Komati pelos ensinamentos fundamentais para a realização desse trabalho.

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