A tecnologia de fabricação inteligente é uma ferramenta essencial em tempos de aumento de concorrência entre os fabricantes, sejam eles nacionais ou internacionais.

Este artigo compara os processos de cementação e têmpera por indução, trazendo as vantagens no método por indução quando a aplicação for dedicada às linhas de produção integradas, alta produtividade, eficiência energética, repetitividade e flexibilidade dos materiais.

Fundidos, aquecidos e pré-formados a morno, geralmente não possuem as propriedades microestruturais necessárias para satisfazer as demandas e requisitos operacionais. Diferentes métodos de aquecimento ou tratamento térmico são utilizados para aumentar ou otimizar as propriedades mecânicas do material, sejam elas desgaste, resistência, fadiga, força ou ductilidade.

O tratamento térmico pode ser definido como sendo “uma série de operações em curso”, da qual um material sólido, ferroso ou não ferroso é total ou parcialmente exposto a ciclos térmicos que provocam uma modificação das suas propriedades e/ou estruturas. A composição química do produto poderá eventualmente sofrer alterações durante estas operações. Enquanto a têmpera por indução é um processo basicamente térmico, a cementação poderá ser um processo termoquímico.

Uma pré-condição para o aumento da dureza de um respectivo material é seu teor de carbono correspondente em conjunto aos elementos contidos em sua liga. Além disso, um exame cuidadoso da geometria da peça, especificações de têmpera e os processos de tratamento térmicos são necessários para a escolha do melhor método aplicado.

Cementação

Processos de tratamentos térmicos são utilizados para se prolongar a vida útil de uma peça por meio do aumento da dureza de sua superfície e resistência ao desgaste, mantendo-se o material dúctil, elástico e sem alteração na microestrutura do núcleo. Aços adequados para a cementação possuem um teor de carbono ao redor de 0,1 a 0,3% em peso, insuficientes para se obter uma dureza elevada de, por exemplo, 60HRC, sendo assim, a peça precisará ser “carburada” – que é a absorção do carbono na superfície da peça por difusão.

A carburação ocorre por difusão do carbono na superfície da peça de trabalho sob uma atmosfera de carbono difundido; gás portador e gás aditivo ou cementante constituem a base para o forno de cementação gasosa, onde a fase de endurecimento ocorrerá na próxima fase do processo a temperaturas ao redor de 850°C a 950°C.

Fatores cruciais para a escolha correta do processo de cementação são os parâmetros específicos do material e dureza requerida em conjunto com a composição do gás inerte e atmosfera homogênea do forno.

O aumento da dureza é conseguido com o aquecimento até a temperatura de austenitização durante um período de tempo pré-determinado, seguida da fase de têmpera. O ponto crucial aqui é a difusão do carbono na superfície do aço austenitizado. A quantidade de carbono difundido dependerá da composição do material e estado inicial de sua microestrutura. Períodos muito longos ou temperaturas excessivas durante a fase de austenitização poderão impactar negativamente o processo. Neste processo, o tratamento térmico poderá ser seguido por um período de resfriamento sob temperaturas mais baixas ou diretamente para um processo de revenimento. Ambos resultando numa redução da austenita residual, redução nsa propriedades de distorção e dureza.

O revenido é obtido em faixa de temperaturas inferiores à fase de endurecimento, sendo esta ao redor de 180°C a 250°C para aços de baixa liga; neste ponto quanto mais subirmos a temperatura maior a redução da dureza superficial.

Têmpera por Indução

Na têmpera por indução, uma peça metálica é submetida parcial ou totalmente a um campo eletromagnético alternado através de um indutor para o transporte e transferência da corrente elétrica para a peça por meio da “lei de Faraday”. Correntes parasitas ou “eddy-currents” são geradas na peça em sentido oposto à corrente inicial e, consequentemente, devido à resistência elétrica alta do próprio material/peça gerando calor.

No contexto da têmpera por indução, a expressão “ciclo curto de autenitização” é bastante utilizada, uma vez que em comparação com outros processos a temperatura para esta fase é alcançada em apenas alguns segundos, sendo estas geralmente entre 50°C a 150°C acima das temperaturas atingidas em fornos convencionais. A sequência de etapas durante o processo de têmpera consiste essencialmente no aquecimento, espera, resfriamento e a possibilidade para o revenimento posterior, sendo assim, notamos que o processo de tratamento térmico ou têmpera por indução é sensivelmente mais rápido do que o outros.

Todo o processo é devidamente controlado por sistemas de monitoramento, permitindo, desta forma, que os resultados sejam reproduzidos de maneira confiável. As propriedades de microestruturas poderão ser pré-definidas, profundidade da camada e níveis de carbono poderão variar de acordo com um simples ajuste de frequência ou energia aplicada, a distância entre o indutor e a peça, bem como a fase de resfriamento (tempo e meio), também são passíveis de ajuste. O método de aquecimento é determinado basicamente pela geometria da peça e os parâmetros de têmpera (Fig. 2). Peças cilíndricas, por exemplo, poderão ser temperadas por indutores tipo “scanner” ou pelo método denominado “single-shot”, no qual a peça é aquecida de uma só vez (Fig. 3). Dentes de engrenagens, dependendo da aplicação, poderão ser temperados apenas no vale, crista, laterais ou em todo seu contorno, pelo método de “single-shot” rotativo, estacionário ou pelo método de dente por dente tipo “scanner”.

Na Fig. 2 poderemos reparar que a superfície se tornou dura e o núcleo continua maleável por razões mecânicas de aplicação.

Vantagens da Têmpera por Indução

Os benefícios técnicos e econômicos pelo processo de têmpera por indução são significantes, particularmente no aspecto de eficiência energética. Se por um lado temos a possibilidade de adaptar a máquina aos requisitos específicos de cada cliente e integrá-la a suas linhas de produção em série, por outro existe a opção para máquinas de trabalho totalmente independentes.

Máquinas de têmpera por indução modernas são caracterizadas por uma maior flexibilidade a mudanças constantes nos tipos de dimensões de peças a serem tratadas, tendo como critérios relevantes:

• Tempo de ciclo reduzido;

• Integração direta a linhas de produção;

• Precisão e reprodutibilidade – graças a indutores de alta eficiência e “design” dedicado;

• Custo baixo de usinagem posterior, endireitamento-distorções.

Como opção, estas máquinas poderão ser equipadas e personalizadas com sistemas e funções adicionais conforme a necessidade específica de cada cliente, por exemplo:

• Estações de trabalho modulares;

• Carregamento automático ou manual;

• Aquecimento total “single-shot” ou “scanner” progressivo;

• Possibilidades individuais de combinações para a têmpera e revenimento;

• Integração de etapas intermediárias de trabalho (pós-resfriamento; endireitamento, etc);

• Projeto customizado de indutores, por exemplo: câmara de gás inerte integrada etc.

O processo de têmpera por indução é geralmente seguido pelo processo de revenimento, sendo este responsável por aliviar ou reduzir as tensões internas causadas pelo crescimento do volume dos materiais em sua microestrutura durante a formação da martensita. Além disso, ele permite que a dureza após a têmpera da peça seja atingida conforme as especificações do cliente, sendo revenimento conseguido de diversas maneiras:

• Revenimento a partir de calor residual;

• Revenimento por indução;

• Revenimento em forno convencional.

O revenimento por indução pode ser realizado e integrado ao processo de têmpera pelo uso de máquinas de duplo fuso; isto permitirá a têmpera seguida de revenimento por indução para uma ampla gama de diferentes geometrias das peças. O conceito adequado para a máquina de têmpera, bem como os componentes periféricos para uma parametrização exata de todo o processo (por exemplo, tecnologia do inversor, unidades de controle ou transformadores de alimentação, refrigeração dos circuitos elétricos, refrigeração dos sistemas de ducha etc), são essenciais para se atingir as principais demandas como:

• Reação rápida para os ciclos de aquecimento extremamente curtos;

• Operação contínua sob carga;

• Frequência variável;

• Circuitos de proteção confiáveis contra surtos de corrente e voltagem;

• Modo de espera (desligamento automático das unidades auxiliares);

• Acessibilidade e facilidade de manutenção;

• Espaço reduzido para a instalação.

Exemplo de Aplicação: Comparação de Custos

O cálculo exemplificativo refere-se apenas ao consumo de energia necessária para o processo de tratamento térmico definido e descrito. Outros custos, como aquisição dos equipamentos e máquinas, sendo fornos, máquina por indução, sistemas de carregamento e descarregamento das peças a serem tratadas, bem como custos com novas etapas de trabalho, endireitamento, pessoal etc, não estão inclusos neste estudo. Em contrapartida, a eliminação ou redução de custos como pré-usinagem, aquisição de material, jateamento, pós-usinagem de peças oferece um potencial de redução de custos em comparação ao processo de cementação. Ainda, com relação ao desgaste de um forno convencional por batelada e sistemas de carregamento, custos adicionais poderão ser experimentados, como o aumento de custos de manutenção.

Exemplo 1: Cementação de Aço 16MnCr5

Neste exemplo, utilizou-se um forno de cementação tipo poço. A camada requerida foi de 2 mm e dureza de 57-62 HRC, dimensões do eixo a ser tratado 30 x 500 mm com 3 kg de peso; para uma carga de 8 toneladas foram necessárias 46 horas e um custo aproximado de $ 1.353,00 USD.

Exemplo 2: Têmpera e Revenimento por Indução de Aço 42CrMO4

Camada requerida de 2 mm a uma dureza de 57-62 HRC, as dimensões dos eixos são as mesmas que as utilizadas no exemplo 1, (30x500mm), porém, utilizamos uma máquina de têmpera tipo “single-shot”; o peso da peça também é o mesmo e uma carga de 8000 kg corresponde a 2667 eixos, o tempo de ciclo é, neste caso, de 20 segundos (consistindo o mesmo em aquecimento, têmpera e revenimento). Sendo necessários 0,56 Kw por eixo, teremos 1492 Kw/hr para 8 toneladas, multiplicado pelo custo do Kwhr teremos um total aproximado de $150USD em aproximadamente 15 horas.

A comparação direta e pura da energia aplicada mostra a vantagem do processo indutivo para o caso de têmpera e revenimento para peças específicas e que adequadas a este tipo de aplicação, nos exemplos utilizados, notamos que o tempo do processo indutivo é ao redor de 1/3 do tempo para o processo por batelada.

Conclusão

Processos de tratamento térmico como a têmpera por indução e cementação, entre outros, são necessários para se atender às enormes exigências industriais de qualidade para cada peça ou componente. Como, por exemplo, a resistência às altas vibrações do material poderão ser otimizadas por ambos os métodos, proporcionando que tais peças ou componentes sejam capazes de suportar elevadas cargas dinâmicas.

A grande variedade dos processos convencionais de têmpera e seus diferentes campos de aplicação não são questionados. A criação de microestruturas individuais, principalmente no aço com elementos de ligas específicas, torna-se possível devido a processos cuidadosamente equilibrados e tratamento térmico em fornos convencionais. Em muitos casos, no entanto, uma solução de indução é muito mais rápida e muito mais econômica para se alcançar os parâmetros de dureza de superfície específicos e/ou propriedades microestruturais. Os fabricantes de máquinas de têmpera por indução estão prontos para compartilhar este conhecimento e “know-how”, o que apenas, por meio do cálculo de energia, já mostra uma diferença significativa em favor do método indutivo; os elevados custos de investimento para os fornos convencionais em contraste com os valores relativamente mais baixos se comparados às instalações de aquecimento indutivo; a facilidade de integração de uma máquina de têmpera por indução em uma linha de produção contínua também comprova suas vantagens nestes tipos de aplicações e indústrias, garantindo, assim, uma opção rentável.

Para mais informações: Contate José Machado Júnior, General Manager SMS Elotherm Brasil, Alameda Rio Negro 1030 cjto 803, tel: (11) 4191-8181; e-mail: j.machado@sms-elotherm.com.br.

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Conceitos de miniusinas integradas ou “mini-mills” para a produção de tiras ou chapas de aço a quente estão em operação bem-sucedida há alguns anos.

Todos os componentes da planta, desde a máquina de lingotamento contínuo vertical, forno de reaquecimento até a secção do laminador são instalados em linha permitindo um processo de produção ininterrupta, desde a fase do aço líquido até as bobinas como produto final.

Devido ao constante aumento das exigências de produtividade e qualidade dos produtos laminados, a integração de unidades de indução intermediárias ao processo possibilitou às indústrias siderúrgicas e de laminação não somente cumprirem tais exigências, mas também proporcionar uma redução no consumo de energia e emissão de CO2 para o meio ambiente.

Aumento da Competitividade

Com o aumento na demanda e produção mundial, basicamente nos Países emergentes, a busca por novos conceitos estão impulsionando o mercado ao desenvolvimento de novos processos, como:

• Aumento na demanda de até 4 milhões de t / a com dois veios em operação;
• Maior estabilidade na produção das chapas, em que consideramos chapas finas as com espessura menor ou igual a 1 mm em substituição ao processo de laminação a frio (laminadores Steckel);
• Aumento na resistência mecânica na produção de chapas criogênicas aplicadas na produção de tubos com espessuras entre 12,5 mm a 25,4 mm.

Uma das vantagens do aquecimento por indução é a possibilidade de se aplicar uma grande quantidade de energia em um determinado tipo de metal, dentro de um espaço de tempo muito curto, o que vai de encontro às necessidades destas novas usinas ou “mini-mills” de se aumentar a temperatura do metal em pontos específicos e estratégicos, proporcionando uma redução do esforço aplicado nas cadeiras dos laminadores e consequente redução nos custos de manutenção, produção e emissão de CO2, refletindo diretamente em uma melhor qualidade do produto e de forma sustentável.

O Princípio do Aquecimento Indutivo para Laminadores a Quente

O efeito indutivo é gerado quando uma corrente elétrica é conduzida através de um material condutor elétrico, sendo a polaridade do campo magnético determinada pela polaridade do fluxo da corrente elétrica. (Fig. 1 e 2).

Quando um condutor elétrico é construído em um formato pré-determinado e comprimento adequado o mesmo proporcionará o aparecimento de linhas de força mutuamente acopladas, e um forte campo magnético surgirá. O formato típico de um indutor é o helicoidal, porém para aplicações como o aquecimento de placas/chapas ou tiras de aço em linha de laminação a quente diferentes formatos poderão ser utilizados.

Ainda na Fig. 1, a corrente de Foucault (eddy current) está ilustrada no sentido horário e o fluxo magnético gerado no sentido vertical de baixo para cima, através do material, o que consequentemente irá gerar calor ou o aquecimento pelo efeito “Joule”, diretamente proporcional à resistência do material, através da potência e frequência da corrente aplicadas, o controle de temperatura se torna bastante acurado. Um sistema de indução para laminadores a quente é constituído basicamente de um transformador de alimentação; conversor de frequência EloHeat™ – Elomat; circuito oscilante ou tanque formado por capacitores, transformador de acoplamento, indutores e finalmente a carga ou material a ser aquecido (Fig. 3).

Indicaríamos então um indutor helicoidal para a equalização da temperatura na entrada ou logo após a saída do material do forno de reaquecimento, bem como na entrada do rolo de desbaste, onde a tira de aço possui espessura suficiente para a aplicação da indução sob frequências mais baixas, e indutores transversais nos pontos intermediários às cadeiras de laminadores, onde as tiras se apresentam com espessuras reduzidas, sendo necessária a aplicação de frequências elevadas o que também previne o efeito de cancelamento do campo magnético; A profundidade/espessura da camada de penetração da corrente elétrica, pode ser representada pela fórmula: d = 3160 . √ p/Mf, onde:

d = camada, espessura em polegadas
ohm-polegada
M = permeabilidade magnética
f = frequência aplicada
p = resistividade elétrica do metal

Além das vantagens magnéticas, o indutor transversal ainda é facilmente incluído ou retirado automaticamente da linha, possibilitando uma utilização e otimização do processo e tornando o mesmo bastante flexível, pois não é necessária a interrupção da produção.

Em resumo, por meio do aquecimento por indução teremos:

• Consumo de energia durante a produção efetiva;
• Alta densidade de potência em um espaço físico bastante reduzido;
• Preço competitivo (investimentos, manutenção e etc.);
• Independente de gás e de petróleo como combustível;
• Aquecimento rápido e uniforme – transversal e longitudinal;
• Redução no aparecimento de carepa.

Aquecimento por indução em laminadores a quente

CSP® flex

Nas linhas de laminação a quente CSP® flex “Compact Strip Production”, a placa ou tira solidificada após a passagem através da primeira cadeira de laminação chega ao forno de reaquecimento com uma temperatura de entrada ao redor de 1000oC e tem sua temperatura elevada para 1150oC; em aplicações especiais, como aço silício e ligas especiais de aços leves, temperaturas mais elevadas são necessárias e, para isto, aplica-se o aquecimento indutivo logo em seguida ao forno de reaquecimento melhorando, elevando e regulando-se a temperatura em até 200oC Delta T para a continuidade do processo e entrada do material nas cadeiras de laminadores a quente, onde, por sua vez, é iniciada a redução de espessura (Fig. 4).

Devido à possibilidade de se trabalhar com o forno de reaquecimento a temperaturas de encharque reduzidas, experimentamos ainda uma redução sensível nos custos de manutenção, maior vida útil do refratário do forno, redução nos níveis de carepa e, consequentemente, dos rolos de transporte, pois a carepa é, por sua vez, bastante abrasiva.

Outra aplicação seria a utilização do aquecimento indutivo antes do forno de reaquecimento, proporcionando uma sensível redução do tamanho físico do mesmo, eliminando a zona ativa, reduzindo o consumo de gás e, consequentemente, diminuindo a emissão de CO2 para o meio ambiente.

A combinação ideal entre o forno de reaquecimento e um sistema de indução de alta eficiência energética, como verificado acima, permitirá que o forno de reaquecimento trabalhe com temperaturas reduzidas até, por ex, 1120oC, quando, por sua vez, não será necessária a utilização de rolos refrigerados, pois os mesmos operam em temperaturas mais baixas. Trabalhando-se a temperaturas reduzidas e com menor tempo de exposição ao oxigênio do meio ambiente, uma sensível redução na oxidação do material é experimentada (redução dos níveis de aparecimento de carepa). Graças a este conjunto e novo conceito, o forno de reaquecimento – sem refrigeração e aquecimento indutivo -, até 10% do consumo de energia poderá ser salvo, dependendo da configuração da linha, material e gama de produtos.

Aquecimento por Indução em Laminadores “Vario”

Aqui, o aquecimento por indução é aplicado entre as cadeiras de laminação 1 e 2. Trata-se de uma tecnologia inovadora para a fabricação de tipos de aço microligados com qualidade API para a indústria de fabricação de tubos de alta qualidade. (ex.: API X70 até 20 mm de espessura).

O aquecimento por indução garante a manutenção do nível ideal e uniforme da temperatura entre as duas cadeiras de laminação, obtendo-se, assim, uma maior redução de espessura relativa. Através do alto nível de temperatura podem ser atingidos também graus de conformação mais elevados, conseguindo-se uma microestrutura muito homogênea graças à recristalização, eliminando-se completa do material. Na Fig. 6 temos como exemplo um sistema de indução SMS Elotherm de 9MW com unidades retráteis cada uma de 4,5 MW de potência em um espaço físico de 600 mm apenas (Fig. 5).

Aquecimento por Indução em Laminadores a Frio “Steckel”

No processo de laminação contínuo, na secção dos laminadores tipo “Steckel” adequado para tiras finas < 1 mm, em que a velocidade é limitada a 8 metros/segundo, poderemos utilizar em alguns casos o aquecimento indutivo para compensar o alto nível de perda de temperatura, aplicando o mesmo por exemplo entre as últimas duas ou três cadeiras intermediárias de laminação.

A temperatura nesta secção originalmente está reduzida para algo ao redor de 700oC. Pela inclusão de módulos ou sistemas de indução intermediários entre as últimas cadeiras da linha, ou cadeiras de acabamento, poderemos atingir temperaturas de até 950oC,  a qual é recomendada para esta secção no processo de laminação, tanto para o fator metalúrgico do material como para o processo continuo. No exemplo foram instalados sistemas de indução SMS Elotherm com potência de 3,2 MW/cada, em um espaço físico de 550 mm, com indutores de fluxo transversal e atuação retrátil, possibilitando a inclusão e retirada automática dos mesmos na linha (Fig.6).

Resumo

O aquecimento por indução possui um elevado fator de potência e eficiência energética pela possibilidade de se aplicar elevados níveis de densidade/potência em espaços físicos bastante reduzidos ao longo do processo, permitindo, assim, serem integrados ou ainda adaptados em inovadoras e modernas linhas de laminação tipo “mini-mills” ou miniusinas.

As principais vantagens seriam:

• Aumento na vida útil do refratário dos fornos de reaquecimento e a não necessidade de refrigeração dos rolos dos mesmos;
• Sensível redução da emissão de CO2 para o meio ambiente devido à redução do consumo de combustíveis fósseis;
• Controle preciso da temperatura na entrada do laminador;
• Níveis de temperaturas elevados;
• Recristalização estrutural do material;
• Manutenção da temperatura na secção de acabamento para tiras finas.

Este novo conceito e aplicação para o aquecimento indutivo proporciona um aumento bastante interessante na qualidade do produto final e permite o produtor de perfis de aços planos e longos se tornar especialmente competitivo sob conceitos sustentáveis.

Para mais informações, contate: Bbadm. Eng. José Machado Junior, Diretor da SMS Elotherm Brasil; Telefone: (11) 4191-8181; e-mail: j.machado@sms-elotherm.com.br; www.sms-elotherm.com. Dipl.-Ing. Anis Abdurahman é Gerente de Vendas e Projetos da SMS Elotherm GmbH. Ele pode ser contatado em: a.abdurahman@sms-elotherm.de. Dipl.-Wirt.-Ing. Dirk M. Schibisch é Vice-Presidente de Vendas/Marketing da SMS Elotherm GmbH. Ele pode ser contatado em: d.schibisch@sms-elotherm.de.

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[1]  Boletim Metec edição especial jun 2011;
[2] Desenvolvimento e avaliação de conceitos de reaquecimento indutivo no laminador a quente [Vogt: Elotherm; Master thesis 2011] Elotherm.

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