A parte I deste artigo cobriu os aspectos críticos do modelamento computacional dos processos de aquecimento por indução. Foram abordadas as suposições erradas comuns, bem como as respostas sobre o uso da análise por elementos finitos e por que alguns softwares comerciais de modelagem têm limitações. Este fascículo final continua a fornecer sugestões sobre o modelamento computacional para aquecimento por indução
Em uma economia global acelerada, a capacidade dos fabricantes que utilizam o aquecimento por indução de minimizar o tempo entre o pedido de um cliente para um orçamento e um orçamento elaborado com base em um modelamento computacional eficiente é fundamental para o sucesso de uma empresa. Um ambiente industrial competitivo não oferece o luxo de vários dias de espera para se obter os resultados de um modelamento computacional. Em vez disso, são necessários resultados de modelamento confiáveis dentro de algumas horas.
Reconhecendo a importância do modelamento computacional e o que deve ser feito para melhorar a eficácia do processo para determinar as sequênicas de processo mais adequadas, a ASM International (American Society for Metals, ou Sociedade Americana de Metais, uma organização profissional composta por cientistas e engenheiros de materiais) publicou recentemente dois volumes completos sobre modelamento, os quais são aplicados à simulação computacional de diferentes tecnologias de processamento dos metais. As informações contidas nestes livros foram apresentadas por especialistas de universidades de ponta, laboratórios de pesquisas nacionais e corporações industriais de 13 países. Esta compilação está agora disponível em um novo conjunto de dois volumes publicados como parte da série ASM Handbook. A primeira parte, Volume 22A, Fundamentals of Modeling for Metals Processing (Fundamentos de Modelagem para o Processamento de Metais), foi publicada em 2009. A segunda parte, Volume 22B, Metals Process Simulation (Simulação dos Processos Metalúrgicos), o seguiu um ano depois.
Os volumes cobrem uma gama de assuntos relacionados com o modelamento dos processos metálicos, incluindo conformações a quente e a morno, laminação, fundição, forjamento, revestimentos, usinagem e muitos outros. Entre outras informações úteis, o Volume 22B contém dois artigos que são exclusivamente dedicados ao modelamento computacional de tecnologias térmicas de indução: “Simulation of Induction Heating Prior to Hot Working” (Simulação do Aquecimento por Indução Antes do Trabalho a Quente) e “Coating and Simulation of Induction Heat Treating” (Revestimentos e Simulação dos Tratamentos Térmicos por Indução).
Aquecimento por Indução de Extremidades de Barras
Muitas barras, tarugos ou varas produzidos hoje são submetidos a processos em que peças inteiras são aquecidas e alimentadas em um laminador ou outro equipamento de conformação. Em alguns casos, entretanto, somente é necessário conformar a quente uma parte da peça de trabalho (a sua extremidade, por exemplo). Alguns exemplos desses tipos de peças são hastes de bombeio para produtos OCTG (Oil Country Tubular Goods – Produtos tubulares e acessórios para a indústria petrolífera) ou ligações estruturais em que detalhes devem ser adicionados a uma ou ambas as extremidades da barra.
O aquecimento da extremidade da barra consiste em colocá-la dentro de um indutor e aquecê-la por um período de tempo especificado. Várias extremidades de barras podem ser aquecidas em bobinas individuais, ovais (Fig.1) ou em bobinas do tipo canal (Fig.2). Ao deixar a bobina, as extremidades da barra estão na temperatura desejada e a barra é movida para a operação de forjamento. Para altas taxas de produção (1.800 peças por hora ou mais), tanto os indutores ovais como os de canal são as opções mais adequadas e são frequentemente utilizados com uma manipulação totalmente automatizada ou semiautomatizada.
Modelagem Computacional do Aquecimento da Extremidade
Um processo no qual a barra é inserida parcialmente na bobina de aquecimento não se presta facilmente à maioria dos métodos de análise computacional. Isto acontece porque estes métodos baseiam-se nas hipóteses de uma bobina infinitamente longa e de uma peça de trabalho simetricamente localizada. A maioria dos pacotes de software comerciais utilizados para a modelagem de processos de aquecimento por indução são programas desenvolvidos para todos os fins e que foram desenvolvidos para outras aplicações e, mais tarde, adaptados para o aquecimento por indução. Eles apresentam dificuldades em considerar certas características do aquecimento por indução de extremidades de barras. Entre essas características estão:
• Várias peças movendo-se progressivamente lado a lado dentro do indutor;
• A presença de refratários térmicos e a necessidade de se considerar fatores da radiação;
• A distribuição de temperatura inicial pode não ser uniforme;
• Presença de extremidades de placas, perfilados, guias, fixadores, forros, etc.
É importante estar ciente de que algumas características críticas do aquecimento de extremidades de barras podem ser fatores limitantes para a aplicação de software para todos os fins, o que pode afetar a capacidade de se obter resultados adequados e com precisão. Embora o software comercial possa ser utilizado para uma checagem, nós também utilizamos vários programas de nossa propriedade orientados para as aplicações que nos permitem selecionar a técnica de modelamento mais adequada, levando em consideração as especificidades e sutilezas importantes do processo.
Como um exemplo, a Fig.3 mostra uma simulação computacional da dinâmica sequencial de aquecimento de extremidades de barras de aço carbono, utilizando uma bobina de forma oval. O diâmetro externo da barra é de 50 mm e o comprimento de aquecimento necessário é de 130 mm, com um volume de 112 barras por hora. Cinco barras foram aquecidas progressivamente lado a lado em um indutor oval, com uma frequência de 3 kHz. É mostrada a variação da temperatura em quatro pontos críticos. A Fig.4 mostra a variação da potência da bobina durante o arranque a frio e os estágios do processamento em estado estacionário e de retirada da barra da bobina, assumindo uma bobina com corrente constante. Para evitar a alta demanda de energia durante a fase de arranque a frio, a bobina é normalmente carregada parcialmente com as barras.
Dicas Cruciais que os Executivos Devem Saber
Dica 1: É importante lembrar que qualquer análise computacional pode, no máximo produzir resultados que são derivados do modelo teórico definido. Portanto, antes de contratar alguém para fazer simulações computacionais, assegure-se de que o analista tenha um entendimento claro das especificidades do processo, além de uma educação adequada na área para a qual ele está sendo contratado. Quando você viaja de avião, precisa de um piloto; quando está doente, precisa de um médico. Aplique este mesmo princípio quando estiver escolhendo uma empresa para fazer simulações computacionais. Do contrário, você pode ter gráficos bonitos, mas com resultados errados e inadequados aos quais se seguirão desculpas a respeito de porque a análise não coincide com os dados práticos. A devida diligência é necessária no momento de decidir qual modelo aplicar e quem deve aplicá-lo;
Dica 2: Assegure-se de que as propriedades físicas dos materiais a serem aquecidos estão definidas adequadamente. A experiência demonstra que propriedades do material mal definidas são responsáveis por uma proporção significativa de erros de simulação;
Dica 3: A fim de minimizar o risco, faz todo o sentido trabalhar com empresas que são responsáveis por todas as etapas de P&D (incluindo o modelamento computacional), projeto, fabricação, teste, start-up de equipamento e suporte pós-venda (Fig.5, direita), em vez de lidar com uma série de empresas com vagas responsabilidades sobre o processo global (Fig.5, esquerda);
Dica 4: É importante entender que o uso de métodos de modelamento com softwares numéricos modernos (incluindo elementos finitos, elementos de contorno, diferenças finitas, elementos de borda, etc) não garante por si só a geração de resultados de simulação perfeitamente corretas. Em vez disso, essas técnicas devem ser utilizadas em conjunto com experiência em cálculos numéricos e a formação adequada e experiência daqueles que interpretarão os resultados analíticos. Isso é especialmente verdade porque, mesmo em programas de software comercial, independentemente da quantidade de testes e verificações, eles nunca podem ter todos os seus possíveis erros detectados. Consequentemente, o analista deve se proteger contra vários tipos de possíveis erros. Quanto mais poderoso o software, mais complexo ele é, aumentando o potencial para erros. Esteja ciente de que imagens atraentes geradas por computador podem ser enganosas se forem obtidas por um novato no processo. É senso comum que a engenharia do “pressentimento” e a formação avançada na área de modelamento são sempre os assistentes úteis do analista.
Revisão de tradução gentilmente realizada por Inductotherm Group Brasil, (19) 3885-6800, www.inductothermgroup.com.br
