Na maior parte dos casos, o tratamento térmico por indução aplicado em processos de têmpera e revenimento é feito individualmente, ou seja, em ciclos peça a peça (Fig.1, 2, 3).

Deste modo, temos que aplicar um ciclo para cada peça numa sequência de carga, posicionamento, indexação, aquecimento, resfriamento, descarga.

Existem vários tipos de movimentação para atender a esse tipo de ciclo de trabalho, começando com os mais simples, alimentação e descarga manuais, até os mais sofisticados, aplicando robôs e posicionadores com controle CNC (Controle Numérico Computorizado).

Dependendo da aplicação, do tipo de peça e da produção horária necessária, determinamos qual sistema deverá ser utilizado no processo produtivo.

Os tipos mais comuns de automação são:

1. Posição fixa do aquecimento;

2. Lift rotate;

3. Single shot;

4. Walking beam;

5. Scanner horizontal;

Independentemente da automação que se vá utilizar, o objetivo básico é movimentar a peça a ser tratada, colocando-a na bobina de aquecimento para receber a indução magnética que, por sua vez, proporcionará o aquecimento localizado, de forma precisa e repetitiva que garanta um processo homogêneo (Fig.4).

No caso da posição fixa do aquecimento, a peça é colocada ou indexada na bobina de indução manualmente. Um dispositivo ou receptáculo irá prender a peça e garantir seu posicionamento em relação ao indutor. Logo após o ciclo de tratamento térmico, a peça é retirada manualmente e uma nova peça é alimentada na máquina.

Quando o processo permite ou necessita de um certo grau de automação, é preciso escolher a melhor forma de executar essa mesma tarefa de posicionamento da peça no indutor e seus respectivos aquecimento e resfriamento conforme o processo produtivo determinar. Vamos imaginar que a peça obra seja um pequeno eixo que deve ser temperado em uma região específica. Neste caso, o primeiro passo será prover um movimento de rotação da peça para que seja garantida uma camada temperada concêntrica (Fig.5).

Este eixo será posicionado entre dois contrapontos e um sistema de giro irá proporcionar um movimento de rotação controlada e, assim, o aquecimento será homogêneo.

Se a área a ser temperada for localizada e pequena, podemos utilizar o processo chamado de single shot, ou seja, aquecemos essa região de uma só vez, com apenas um movimento de rotação. Contudo, se temos que temperar uma área maior longitudinalmente ou áreas específicas múltiplas, devemos utilizar o sistema de movimentação progressiva ou scanning, que faz com que a peça seja movimentada longitudinalmente em relação ao indutor. Esse tipo de têmpera progressiva pode ser feito no sentido vertical ou horizontal, dependendo da aplicação.

No caso em que necessitamos fazer uma têmpera progressiva em uma peça cilíndrica, mas não podemos colocá-la entre pontas, podemos utilizar um sistema de roletes que além de promover a rotação da peça também faz seu movimento longitudinal. Existem diversas configurações para esse tipo de movimentação chamado de centerless.

Em muitos casos, temos estações de trabalho com movimentos combinados, como no caso da mesa indexadora rotativa. Nela podemos ter diversas posições de acomodação das peças a serem tratadas, proporcionando, assim, em cada movimentação de rotação da mesa um posicionamento das diversas etapas de ciclo, ou seja, carga, aquecimento, resfriamento, descarga, como descrito no início deste artigo.

Do mesmo modo quando necessitamos movimentar a peça através de diferentes pontos de uma estação de trabalho, podemos utilizar movimentos lineares como um pick & place, onde um dispositivo ou pinça coleta a peça num ponto determinado e a alimenta de forma automática em outra ou múltiplas posições dando sequência ao ciclo de produção. Esse tipo de movimentação é normalmente utilizado em operações em linha ou células. Pode-se ainda utilizar um robô ou braço mecânico para fazer esses movimentos (Fig.6, 7, 8).

Existem também as máquinas automáticas dedicadas a uma determinada peça ou produto, como, por exemplo, a têmpera de lâminas de facas industriais, sapatas de freio de caminhão, eixo virabrequim, martelos e alicates, entre outros. É muito importante que todas essas operações sejam previamente estudadas, a fim de se executar toda a sequência do processo de têmpera de modo a obedecer os parâmetros metalúrgicos do processo de forma precisa e repetitiva.

Para isso, temos que utilizar um controle eletrônico da máquina através de um painel elétrico de acionamento comandado por programadores lógicos, tais como: NC (Controle Numérico), PLC (Controlador Lógico Programável), CNC, ou ainda, uma combinação CNC/PLC. Esses controles fazem, na verdade, a sequência de movimentos e operações de forma sequencial obedecendo os tempos determinados no processo. No caso do CNC, temos, ainda, a condição de determinar parâmetros de posicionamento inicial da peça, assim como sua posição ao longo do processo até o descarregamento final. Este sistema permite a programação dos ciclos de tratamento térmico para cada tipo de peça e seu armazenamento para futuras operações e rastreabilidade.

A combinação CNC/PLC/PC (Computador Pessoal) permite o controle e monitoramento de posição e movimentação da peça, sequência de ciclo e temporização e o armazenamento do programa de têmpera, assim como os parâmetros de cada ciclo de operação para controle e registro de qualidade.

Pode ainda ser integrado a esse controle um monitor de energia que é utilizado para medir a potência em KW/s aplicada a peça durante o tempo de aquecimento. Dessa forma, o sistema automaticamente compara esse parâmetro dinâmico do processo com um padrão preestabelecido e informa o grau de variação atingido. Nesse caso, um alarme ou desligamento do equipamento pode ser introduzido de forma a identificar falhas de processo, evitando, assim, a produção de peças fora de especificação. De acordo com a tolerância exigida no processo é estabelecida uma janela de variação possível para o monitoramento constante peça a peça.

Esse sistema permite ainda a gravação sequencial de um número de série para peças que exigem controle de processo individual.

Concluímos que existem diversos modos de aplicar a têmpera por indução e que é necessário um estudo detalhado de cada situação. Muito embora na prática se utilizem máquinas padrão, como os scanners ou de têmpera vertical progressiva, os parâmetros e especificações de cada peça, tais como camada de têmpera, perfil, localização e produção horária são o que vão determinar o tipo correto de equipamento. Hoje, com a maior competitividade no mercado, temos que avaliar criteriosamente o processo produtivo para que se obtenha o melhor resultado com o menor consumo de energia e insumos. O aquecimento por indução não é um processo complexo, contudo, exige conhecimento teórico e prático para se atingir resultados otimizados. Por isso, deve-se dar a mesma importância a esse processo como se dá nos casos de forjamento, usinagem e outros.

Na próxima edição, trataremos dos sistemas de água de refrigeração dos conversores e bobinas, assim como da água de ducha.

O post Aquecimento por indução – Parte III apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

1. Conversor estático de frequência;

2. Bobina de indução;

3. Sistema de controle eletrônico (PLC/CNC);

4. Sistema de posicionamento e movimentação da peça obra;

5. Sistema de recirculação da água de resfriamento.

Neste artigo, iremos tratar do item 2, ou seja, das bobinas de indução ou indutores, como são chamados popularmente. Muito embora sejam considerados como elementos secundários, eles, no entanto, são igualmente importantes e muitas vezes decisivos no sucesso de um tratamento térmico superficial por indução.

O indutor ou bobina de indução, em sua essência, é um elemento feito com material bom condutor de corrente elétrica, no caso cobre eletrolítico.

A partir da corrente elétrica aplicada, ele irá gerar um campo magnético, que por sua vez irá gerar calor na peça obra ou peça a ser aquecida. Por isso, o nome indutor, aquele que induz o campo magnético.

Os indutores são, normalmente, feitos com tubo de cobre eletrolítico e enrolados em formato helicoidal na sua maioria.

Seus terminais elétricos são conectados à fonte de energia controlada ou conversor estático e esses mesmos terminais conduzem a água necessária ao seu resfriamento.

A água de resfriamento é necessária, pois quando do processo de aquecimento é indutivo, o indutor sofre perdas por condução elétrica que provoca o aquecimento do cobre e que, aliado ao calor irradiado pela peça obra, provoca um aumento de temperatura no cobre, que precisa ser compensado através de resfriamento a água.

Nos processos de aquecimento localizado, temos que utilizar indutores com perfil especial, enrolados de acordo com a superfície da peça a ser aquecida e, em muitos casos, temos que usinar esses indutores em cobre maciço, chegando ao perfil desejado.

De qualquer modo, os indutores usinados integram a área de condução da corrente elétrica, a câmara de circulação de água de resfriamento e, em alguns casos, uma câmara integrada para a água de ducha.

Atualmente, com os métodos avançados de modelagem digital do campo magnético, podemos projetar indutores mais eficientes e precisos, e com essas ferramentas podem ser desenvolvidos desenhos em 3D dos indutores, quer sejam de tubo de cobre ou usinados em cobre maciço.

Nos processos de aquecimento por indução para revenimento ou alívio de tensões, não é necessário o uso de duchas de resfriamento, porém, no caso de têmpera temos que utilizar água ou outro meio de resfriamento rápido nas peças aquecidas para que se obtenha a transformação metalúrgica desejada, que provoca o aumento da dureza superficial de modo controlado.

As duchas, por sua vez, são câmaras onde é circulado um grande volume de líquido que é expelido sob pressão através de um crivo ou popularmente chamado de chuveiro. Existem diversos tipos e modelos que são aplicados ao redor do indutor.

Contudo, em alguns casos construímos essas duchas de forma conjugada aos indutores.

Em qualquer modelo de indutor devemos prestar muita atenção a fatores básicos como:

1. Área de condução da corrente;

2. Refrigeração do cobre;

3. Contato elétrico dos terminais;

4. Conexão adequada da água de resfriamento;

5. Soldagem das uniões e emendas.

Um indutor, em sua maioria, é muito simples e fácil de ser construído. Porém, como ele é utilizado de forma contínua para produzir uma grande quantidade de peças, temos que tomar cuidado com os detalhes acima que irão determinar sua vida útil e sua eficácia. Vejamos então:

Como utilizamos um tubo de cobre para conduzir a corrente elétrica, devemos calcular qual a área necessária para a condução de corrente com menores perdas.

Devido à alta frequência utilizada, a corrente elétrica irá circular superficialmente no perfil do cobre pelo efeito pelicular, com isto reduzindo ainda mais a área de circulação da corrente. Esse efeito torna a condução de corrente mais periférica quanto maior for a frequência utilizada. Assim, temos que calcular também o efeito pelicular para determinar a parede correta do tubo de cobre. Já a refrigeração do cobre é calculada levando-se em conta as perdas elétricas que irão ocorrer no cobre do indutor e mais o calor irradiado pela peça obra, chegando-se a uma vazão determinada da água que deverá estar a uma temperatura baixa, conforme a especificação de cada sistema.

Os contatos elétricos devem ser perfeitos para evitar perdas elevadas causadas por mau contato ou restrição da passagem de corrente. É importante lembrar que, normalmente, esses indutores trabalham com correntes elevadas chegando a milhares de amperes. Como exemplo, se utilizarmos um indutor de duas espiras numa potência de 100kW a 100Volts nos terminais, teremos uma corrente de 500 amperes. A corrente estará elevada e exigirá uma boa área de condução e um resfriamento adequado, portanto, um contato perfeito dos terminais para evitar qualquer falha de condução da corrente elétrica.

A água de resfriamento, por sua vez, é conectada nos indutores através dos próprios terminais elétricos ou por conexão externa com engate rápido.

Por fim, temos que garantir que qualquer junção do cobre com outra parte, quer seja de cobre, latão ou aço, seja feita com material adequado, ou seja, solda à base de prata de alto teor, devido a sua excelente capacidade condutiva de corrente e a perfeita união do cobre com outros metais, garantindo rigidez mecânica também. Pela sua importância e custo, os indutores devem ser tratados como ferramental e, portanto, devidamente manuseados, mantidos e armazenados. Sua integridade irá proporcionar a precisão do aquecimento desejado. Recomenda-se o uso de gabaritos e estojos para a armazenagem adequada, assim como sua correta identificação e registro de rastreabilidade.

No próximo capítulo iremos tratar dos demais componentes do aquecimento por indução de tratamento térmico.

O post Aquecimento por indução – Parte II apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

1. Conversor estático de frequência;

2. Bobina de indução ou indutor;

3. Sistema de controle eletrônico (PLC /CNC);

4. Sistema de posicionamento e movimentação da peça obra;

5. Sistema de recirculação da água de resfriamento.

Vamos tratar neste artigo do principal elemento, que é o conversor estático de frequência ou gerador de potência, como é popularmente conhecido.

Com a invenção dos componentes semicondutores foi possível a criação de geradores estáticos de frequência que transformam a energia elétrica da rede, de tensão e frequência fixas em uma potencia controlada e de maior frequência, como veremos a seguir. Abaixo, temos um circuito elétrico básico que mostra um conversor típico em que a tensão de entrada em frequência de rede de 60Hz é primeiramente retificada através de uma ponte de diodos ou tiristores, em corrente contínua e, em seguida, novamente alternada através de um oscilador a tiristores (SCR) ou transistores (IGBT/Mof-Fet) para uma frequência mais alta em níveis que desejamos, de acordo com o processo de aquecimento no qual será aplicada. Normalmente, são utilizados transformadores isoladores para se ter um separação entre a rede elétrica e o indutor onde se produz o aquecimento para maior segurança.

Essa conversão de energia é feita de modo controlado, hoje através de sistemas microprocessados, obtendo-se dessa forma uma variação de tensão e potência de saída desde 10% a 100%, de forma contínua, ajustável e regulada mesmo sob variação da tensão da rede.

Esses conversores estáticos têm várias configurações, sendo principalmente o conversor tipo série e o tipo paralelo. Cada um deles tem suas vantagens e desvantagens dependendo da aplicação. Portanto, antes de se especificar um conversor deve-se primeiramente determinar as condições de uso e processo, de forma a se escolher a melhor opção que proporcionará um ótimo controle de processo e uma maior eficiência energética.

Os equipamentos mais modernos têm um rendimento de conversão de energia bastante elevado da ordem de 95% e, quando utilizados de forma correta, em conjunto com os indutores, têm um alto rendimento, diminuindo os custos de operação.

Atualmente, os conversores estáticos de frequência têm potência desde 1kW até 20MW, e dependendo da potência e frequência em que irão operar utilizam componentes eletrônicos distintos.

Nos conversores de baixa frequência, ou seja, de 60Hz até 10kHz, ainda são utilizados os tiristores (SCR) com vantagem econômica, porém, com o aperfeiçoamento dos módulos IGBT esses passaram a ser largamente utilizados.

Nas frequências acima de 10kHz e até 100kHz se utilizam os módulos IGBT devido à sua capacidade de chaveamento em altas frequências.

Nas frequências superiores são utilizados transistores Mos-Fet que permitem chaveamento a frequências de 450kHz ou superiores e este é o limite nas aplicações mais comuns de aquecimento por indução.

Frequências acima de 450kHz e na faixa de MHz são utilizadas em casos especiais onde a corrente de penetração tem que ser muito pequena, ou seja, aquecimento extrassuperficial, contudo os conversores estáticos para essas frequências ainda têm custo muito elevado, não se justificando para aplicações simples de tratamento térmico. Nesse caso, ainda são utilizados geradores a válvula termo iônica que permitem frequências de até 5MHz. Ao lado (Fig. 6) temos um circuito elétrico básico que mostra um conversor típico onde a tensão de entrada em frequência de rede de 60Hz é primeiramente retificada através de uma ponte.

A Fig. 9 mostra o uso dos diversos tipos de componentes eletrônicos para chaveamento de acordo com a frequência do conversor, contudo, devido ao crescente avanço nas tecnologias de desenvolvimento e fabricação desses componentes há uma mudança progressiva nessa tabela.

Nos processos de têmpera e revenimento por indução mais comuns são utilizadas potências que variam normalmente entre 15kW e 350kW e frequências entre 3kHz e 450kHz. Nessa faixa se concentram 80% dos casos. Muitos são os fabricantes desses conversores e cada um possui sua própria técnica e especialidade, porém, os preceitos físicos básicos são válidos para todos e devem ser conhecidos e explorados antes de se fazer a escolha.

Vamos imaginar uma aplicação de aquecimento para têmpera de um eixo cilíndrico onde se quer fazer o processo com aquecimento do comprimento total e com determinada profundidade de camada tratada. Nesse caso se encontrou, através de cálculos prévios, a necessidade de 100kW de potência na peça e uma frequência de 50kHz. Devemos, então, adicionar agora todas as possíveis perdas no indutor e na transmissão de potência até a saída do conversor estático, chegando-se na potência nominal necessária. Usualmente se determina esse cálculo a uma condição de utilização de 80 a 85%, de capacidade total, de forma que sempre tenhamos uma folga para casos extremos de necessidade.

No caso de considerarmos 100kW na peça e um rendimento da bobina indutora de 80%, uma perda de transmissão do conversor até a bobina da ordem de 10% e o coeficiente de utilização de 85% devemos escolher um conversor estático de 163kW de potência máxima ou o modelo mais próximo dessa especificação.

Pmáxima= Potência necessária na peças

rendimento bobina x utilização x perdas transmissão

Pmáxima = 100/ 0.85 x 0.80 x 0.90 = 163 kW

Uma vez escolhido o conversor correto, podemos passar para os outros itens de nosso sistema, e um dos fatores mais importantes para a operação e manutenção dos conversores estáticos de frequência é o seu resfriamento, que é necessário para eliminar o calor gerado nos componentes eletroeletrônicos internos. Principalmente em locais com temperatura ambiente elevada temos que prever um sistema de refrigeração adequado para o equipamento escolhido. Esse resfriamento também será utilizado para o circuito tanque e em alguns casos para a própria bobina de aquecimento. Esse dimensionamento deve obedecer determinadas regras básicas que trataremos em outra oportunidade.

Os demais elementos do sistema de aquecimento por indução para Tratamento Térmico são igualmente importantes e requerem cuidados em seu dimensionamento. Serão, portanto, descritos e explicados na segunda parte deste artigo para a próxima edição da revista.

O post Componentes do aquecimento por indução de TT – Parte I apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

Somente a partir dos anos 50 se tornou mais intensamente utilizado com a criação dos Motogeradores e Conversores de Frequência a Válvula Termo Iônica.

A partir dos anos 60, com a criação dos semicondutores, é que se iniciou a substituição dos meios anteriores pelos chamados Geradores Estáticos a Estado Sólido (Solid State Power Supply). Estes conversores de energia tornaram possível o controle preciso da potência utilizada e da variação de frequência da corrente elétrica, melhorando o processo de aquecimento com mais eficiência energética e possibilitando o uso desse processo em linhas automatizadas de produção.

Hoje, o aquecimento indutivo é utilizado em processos de fusão, forjamento, têmpera, revenimento, alívio de tensões, dilatação para montagem por interferência, solda de tubos, inserção de elementos metálicos em peças plásticas injetadas, recobrimento de tubos, chapas e arames com polímeros, esterilização de instrumentos cirúrgicos, selagem de frascos plásticos, dobra e conformação a quente, brasagem e recentemente na pesquisa de cura de doenças por meio de nanopartículas.

Nesta coluna vamos nos ater mais aos processos de tratamento térmico por indução, seus efeitos, vantagens, desvantagens, as novas tecnologias utilizadas, os processos, os controles e aspectos de manutenção e cuidados de operação e segurança.

Apesar do processo de aquecimento por indução ter mais de 100 anos, ainda é tratado com muito cuidado e, muitas vezes, evitado pela sua complexidade. Isso se dá ao fato de que o calor gerado nesse processo não é visível e não é gerado externamente à peça a ser aquecida, ao contrário, é gerado na peça, com uma eficiência alta comparado a outros métodos de aquecimento, tais como chama, resistência elétrica, dentre outros.

Logicamente, o aquecimento por indução não pode ser aplicado a qualquer processo e nem substituir totalmente os outros meios de aquecimento. Mas nos casos onde se faz necessário temperar superficialmente em áreas restritas sem afetar as áreas adjacentes somente o aquecimento indutivo pode ser aplicado.

Uma das aplicações mais utilizadas e mais próprias é a têmpera localizada de peças usinadas e acabadas. Sua utilização na indústria de peças para automóveis, caminhões, tratores, implementos agrícolas e motocicletas, tem sido intensificada, pois permite que se aumente a resistência das peças , utilizando-se materiais inferiores com ganho de custos e produtividade.

A maior dificuldade que enfrentamos é na especificação do equipamento correto para cada aplicação. Sendo assim, temos sempre que determinar os parâmetros do processo tais como:

– Tipo da peça a ser tratada;

– Material utilizado;

– Características do tratamento térmico;

– Ciclo de produção.

Uma vez de posse desses dados, partimos para o cálculo efetivo da potência necessária para aquecer a peça, a frequência correta para a aplicação e o tipo de automação para que a peça seja submetida ao aquecimento no tempo determinado.

Tendo selecionado o tipo de máquina e o gerador necessário para a aplicação, passamos a especificar os equipamentos periféricos, tais como sistema de resfriamento do gerador estático, sistema de resfriamento da água de ducha, sistema de bombeamento, transformadores para adaptação da energia elétrica da fábrica e toda a interligação elétrica e hidráulica, entre os componentes.

Nos processos mais sofisticados tornam-se ainda necessários equipamentos acessórios para controle e monitoramento com possibilidade de rastreamento peça a peça.

Estaremos tratando de casos específicos nas próximas edições.Vamos abordar aspectos do correto dimensionamento de um equipamento, aspectos de operação e cuidados de manutenção preventiva. Discutiremos também os problemas mais comuns no processo de aquecimento por indução, assim como a solução para esses problemas, enfim, tentaremos desmistificar essa que tem sido a mais importante tecnologia para o tratamento térmico superficial em geral.

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