TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico 17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

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1 ESTRATÉGIAS DE CONTROLE PARA FORNO DE TRATAMENTO TÉRMICO A. A. Alcantara E. A. Tannuri (3) (1), (2) (1) Sun Metais Ltda. Rua Brasiliense, 79 Santo Amaro CEP São Paulo - SP - (2) Programa de Educação Continuada em Engenharia - PECE/USP, Automação Industrial, MBA (3) Departamento de Eng. Mecatrônica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo - USP Estudou-se, através de experimentos, o comportamento da temperatura da câmara de um forno de tratamento térmico e as temperaturas da superfície e núcleo de amostras confeccionadas em aço SAE O objetivo do estudo foi avaliar a melhor estratégia de controle a fim de se obter uniformidade entre a temperatura do núcleo e da superfície da peça com a temperatura desejada do tratamento. Palavras-chaves: Controle de temperatura. Forno. Tratamento térmico. 1 INTRODUÇÃO A necessidade de alterar as características mecânicas do aço para sua melhor utilização, nas suas diversas aplicações, ocorre desde sua descoberta. Surgiram daí os diversos processos denominados tratamentos térmicos. O controle preciso da temperatura na peça a ser tratada termicamente é fundamental para se atingir os resultados metalúrgicos projetados e desejados. Os processos de tratamentos térmicos são realizados em fornos industriais e em sua grande maioria o sensor de 482

2 controle de temperatura do processo é localizado na câmara quente de trabalho do forno, onde o foco de controle é atuar na câmara do forno. A motivação deste trabalho partiu em avaliar novas estratégias de controle utilizando diferentes posicionamentos do termopar de controle, tendo como foco a homogeneidade da temperatura entre as temperaturas do núcleo e superficial da peca a ser tratada. Para tanto, utilizaram-se experimentos práticos com corpos de provas confeccionadas em aço SAE 8640 de diferentes tamanhos, durante o processo de recozimento de alívio de tensões. A temperatura foi controlada e monitorada em diversos pontos, tanto pelo modo convencional, que é o controle realizado pelo sensor de temperatura da câmara quente do forno, como do controle com o sensor de temperatura posicionado em pontos localizados diretamente na peça a ser tratada termicamente. Com os resultados dos experimentos, o trabalho mostra que no esquema convencional de controle há problemas de homogeneidade de temperatura e apresenta o posicionamento do sensor de temperatura que obteve os melhores resultados para homogeneização entre a temperatura do núcleo e superfície da peça com a temperatura desejada no processo. 2 Materiais e métodos O material utilizado para confecção dos corpos de provas foi o aço SAE 8640, conforme figura 1, com as seguintes dimensões: a) Diâmetro de 50,8 mm x 110 mm de comprimento (peça menor); b) Diâmetro de 101,6 mm x 210 mm de comprimento (peça média); c) Diâmetro de 152,4 mm x 320 mm de comprimento (peça grande). Nos corpos de provas foram usinados dois furos com diâmetro de 6 mm cada, um furo no centro de cada peça com profundidade até o meio do comprimento da peça e o segundo furo bem próximo a superfície da peça até 1/4 do comprimento da peça, para melhor compreensão ver a figura

3 Figura 1 Foto das furações dos termopares em dois corpos de provas Os termopares e cabo de compensação utilizados nos experimentos foram do tipo K. Para o monitoramento da temperatura do núcleo e da superfície dos corpos de provas utilizou-se dois termopares modelo vareta com diâmetro de 6 mm por 2 m de comprimento. Para o monitoramento da câmara do forno utilizou-se um termopar com proteção cerâmica com 500 mm de comprimento. Um croqui do conjunto montado esta na figura 2. Figura 2 Croqui montagem termopares, cabo de compensação e forno O forno utilizado para os experimentos foi um forno câmara de pequeno porte sem recirculação de ar modelo KOE 40/25/65. As dimensões utéis da câmara são de 400 mm de largura, 250 mm de altura e 650 mm de comprimento. A tensão de linha utilizada nos experimentos foi de 380 VAC e o esquema de ligação das resistências elétricas do forno foi do tipo triângulo. O painel elétrico de controle utilizado nos experimentos foi montado no ínicio do projeto, para o controle de potência sobre as cargas resistivas utilizou-se um conversor de potência com sistema de disparo trem de impulsos da Therma módelo TH Neste sistema o conversor modula a potência da carga através do envio de pulsos de senóide com intervalos, esta modulação e linear de 0% a 100% da potência e controlada por um sinal de disparo de 4~20 ma do conversor, no painel elétrico utilizado este sinal é proveniente de um controlador microprocessado 484

4 Therma módelo TH 91 com ação de controle on-off e PID (Proporcional Integral Derivativo), com autotuning (ajuste automático do PID) e com sistema de comunicação serial RS 485 com protocolo MODBUS RTU. Para segurança do painel elétrico utilizou-se um disjuntor de 63A de corrente máxima, com isto o conversor de potência através do potenciômetro de limitação de corrente, foi ajustado para trabalhar com 60A de corrente máxima. Para os experimentos a corrente de 60A foi considerada como 100% de potência, em alguns experimentos utilizou-se 58% e 79% da potência, representando os seguintes valores (ver tabela 1): Tabela 1 Potência e amperagem do forno utilizadas nos experimentos O monitoramento dos experimentos foi realizado atráves do software gratuito de registro de variáveis Infotherm v.0.5.0/31 da Therma. Todo o esquema de ligação com todos os acessórios podem ser vistos na figura 3. Figura 3 Esquema de ligação utilizado nos experimentos com todos os acessórios Tratamento Térmico O aço utilizado nos experimentos, conforme já mencionado, foi o aço SAE Na tabela 2, tem-se a descricão de alguns tratamentos térmicos com suas típicas temperaturas de processo para o aço SAE

5 Tabela 2 Temperaturas típicas de alguns tratamentos térmicos para o aço SAE 8640 Fonte: (1) O tratamento térmico escolhido para o monitoramento da rampa de aquecimento nos corpos de provas confeccionados em aço SAE 8640 foi o tratamento térmico de alívio de tensões. A escolha deste tratamento se deve pelo fato de ser realizado em uma temperatura intermediária, comparado aos demais tratamentos térmicos. Como seria necessária a realização de vários experimentos, o tratamento térmico de alívio de tensões provocaria menos danos precoces no equipamento utilizado, como por exemplo: danificar os termopares, resistênsias, etc. Esquema de ligação de controle Para o controle e monitoramento dos experimentos, foram utilizados três tipos de ligações. Os primeiros experimentos foram realizados com o controlador ligado no termopar da câmara do forno, onde o sinal de controle é enviado para o conversor de potência. Os outros dois controladores foram utilizados somente como indicador, ou seja, não enviam sinal de controle, somente registram a temperatura do núcleo da peça como da superfície da peça. O esquema desta ligação pode ser visto na figura 4. Figura 4 Esquema de ligação com controlador no termopar do forno 486

6 O segundo esquema de ligação de controle utilizado nos experimentos foi com alteração dos controladores. Neste segundo esquema, o controlador do processo está ligado no termopar do núcleo da peça, controlador este que envia o sinal de controle para o conversor de potência. Os outros dois controladores estão ligados no termopar da superfície e do forno atuam somente como indicadores, registrando as temperaturas da câmara do forno e da superfície da peça. O terceiro esquema de ligação de controle utilizado foi com o controlador ligado na superfície da peça, enviando o sinal de controle para o conversor de potência, neste esquema os controladores ligados aos termopares da câmara do forno e do núcleo da peça atuam somente como indicadores, registrando as temperaturas da câmara do forno e do núcleo da peça. 3 Resultados Inicialmente, realizou-se o controle da temperatura da câmara do forno, com registros das temperaturas do núcleo e superfície das peças. Para os primeiros experimentos a temperatura de set point do controlador da câmara do forno para todas as peças foi ajustada para 650 C. No gráfico 1 tem-se um exemplo de monitoramento, para a peça menor em modo on-off. Pode-se ver que a temperatura máxima do núcleo para peça menor ficou em 629 C e a temperatura da superfície ficou em 625 C. Para as peças média e grande, esta diferença de temperatura foi ainda mais significativa, e nenhuma das temperaturas do núcleo e da superfície atingiram a temperatura de set point desejada. Gráfico 1 Rampa de aquecimento na peça menor, controlador no forno em modo on-off 487

7 Com isto, tomando como referência a temperatura do núcleo das peças registradas, os próximos experimentos foram realizados com a temperatura de setpoint de 650 C mais a diferença de temperatura entre set-point e núcleo das peças registradas nos experimentos anteriores, as novas temperaturas propostas de setpoint podem ser vistas na tabela 3. Para estes experimentos foi utilizado o controlador em modo autotuning ativado na temperatura ambiente. Tabela 3 Set-point proposto O gráfico 2 apresenta o resultado obtido para a peça menor. Pode-se observar que mesmo acrescentando a diferença de temperatura, e aumentando a temperatura de set-point, a temperatura do núcleo e da superfície da peça não atingiram a temperatura desejada de 650 C. A temperatura máxima obtida no núcleo da peça menor foi de 636 C e na superfície da peça foi de 632 C. Logo, esta estratégia não se configura uma boa solução, em face à complexidade e nãolinearidades envolvidas no processo térmico em questão. Gráfico 2 Rampa de aquecimento na peça menor, controlador no forno em modo autotuning 488

8 No gráfico 3 tem-se a comparação entre as rampas de aquecimento com dados do termopar da câmera do forno, do núcleo e da superfície, em modo on-off e modo autotuning do início do aquecimento. Pode-se verificar que as variações finais de temperatura para o núcleo e superfície das peças são muito pequenas. O que se notou foi uma resposta mais rápida no modo on-off para o termopar da câmera do forno e para o núcleo e superfície. Esta resposta mais rápida foi devido ao fato de que no modo on-off o controlador aciona 100% da potência durante todo o aquecimento, e no modo autotuning notou-se ao ligá-lo, automaticamente a potência do forno se reduziu aproximadamente 20% da potência total, devido à lógica de PID utilizada. Gráfico 3 Comparação da rampa de aquecimento do termopar do forno em modo on-off e autotuning Os experimentos seguintes foram realizados com controlador no termopar do núcleo e da superfície das peças. Nos experimentos utilizando o modo autotuning, seguiu-se uma das observações do manual do controlador, que recomenda ativá-lo aproximadamente a 40% abaixo da temperatura de set-point. No gráfico 4, tem-se o monitoramento da rampa de aquecimento na peça menor com o controlador utilizando o termopar no núcleo da peça (em modo on-off e autotuning). A temperatura na câmara do forno fica em torno de 687 C, e no núcleo é mantida controlada próxima ao set-point de 650 C. Observa-se um maior sobresinal e oscilações no modo on-off. 489

9 No gráfico 5, tem-se o monitoramento da rampa de aquecimento na peça menor com o controlador utilizando o termopar da superfície da peça (em modo onoff e autotuning). A temperatura na câmara do forno fica em torno de 696 C, e no núcleo é mantida próxima a 652 C e na superfície próxima ao set-point de 650 C. Novamente, observa-se um maior sobresinal e oscilações no modo on-off. Gráfico 4 Rampa de aquecimento na peça menor, controlador no núcleo em modo on-off e autotuning Gráfico 5 Rampa de aquecimento na peça menor, controlador na superfície em modo on-off e autotuning 490

10 Para a peça média, obtiveram-se resultados semelhantes, conforme apresenta-se na tabela 4. Novamente, com o controle utilizando o termopar do núcleo da peça, obtém-se um valor da temperatura bastante próximo ao requerido (650 ) nesta posição da peça, e bem próximo a este valor na superfície da peça. Deve-se atentar ao maior sobressinal verificado no forno, que alcança 889 C para o controle PID. Tabela 4 Resultados para peça média No gráfico 6, tem-se o monitoramento da rampa de aquecimento na peça grande com o controlador utilizando o termopar no núcleo da peça (em modo on-off e autotuning). A temperatura na câmara do forno é bastante oscilatória e com sobressinal elevado. No núcleo, a temperatura é mantida controlada próxima ao setpoint de 650 C e na superfície atinge aproximadamente 626 C (controle PID). Ou seja, não se obtém boa homogeneidade de temperatura na peça. A tabela 5 apresenta o resultado para o controlador utilizando o termopar da superfície da peça. Pode-se verificar que há novamente uma não homogeneidade da temperatura entre o núcleo e a superfície. Gráfico 6 Rampa de aquecimento na peça grande, controlador no núcleo em modo on-off e autotuning Fonte : Autor 491

11 Tabela 5 Resultados para peça grande e controle na superfície 4 Conclusões O esquema de ligação de controle que propiciou a melhor uniformidade entre a temperatura do núcleo e a temperatura superficial na peça menor e média, com o valor desejado de set-point, foi o sistema de controle com o controlador ligado no termopar do núcleo da peça. Para a peça menor, a variação ficou em 1 C do valor desejado, para peça média a variação ficou entre 1 a 2 C. Seu esquema pode ser visto na figura 5. Figura 5 Esquema de ligação de controle com os melhores resultados Fonte : Autor Para a peça grande, o melhor resultado foi com o controlador no núcleo, onde a variação de temperatura do núcleo em relação a temperatura desejada ficou em 1 C, mas a temperatura superficial ficou 25 C abaixo da temperatura desejada. A temperatura da câmara do forno ficou entre 695 e 714 C. A proposta para homogeneizar a temperatura do núcleo e superficial da peça é de melhorar a convecção do forno utilizando um circulador, no qual seu motor ficará ligado há um inversor de frequência para controlar sua velocidade. A variação de uniformidade da câmara do forno pode ser controlada pela circulação de ar interna na câmara do forno. Todo o sistema estará ligado ao um PAC (Programmable Automation Controller) e a um sistema supervisório, a escolha do PAC apesar de ainda terem 492

12 um alto custo é devido a sua maior capacidade de processamento (em relação aos CLP s), o PAC será responsável em controlar a temperatura do núcleo da peça através dos tiristores (conversor de potência) e também controlar a temperatura superficial utilizando a velocidade do circulador, controlada pelo inversor de frequência. Todos os equipamentos serão integrados em um sistema supervisório, facilitando o monitoramento, registro e controle do processo. Na figura 6, tem-se um esquema geral da proposta apresentada. Figura 6 Esquema de ligação proposto para peças grandes Fonte: Autor A aplicação na prática do sistema de controle utilizando o sensor no núcleo do material a ser tratado, pode ser realizada através de uma peça teste acompanhando todo o ciclo da carga a ser tratada termicamente. O importante é que a peça de sacrifício utilizada para o controle tenha a mesma dimensão ou uma massa muito próxima da carga a ser tratada, o que proporcionará um controle real dos processos de transferência de calor que ocorrem no sistema. Um estudo mais profundo e rigoroso sobre transferência de calor, com aplicação de métodos de resoluções numéricas e técnicas computacionais, pode ser uma linha de estudos para se desenvolver novas formas e meios de controle para os processos de tratamentos térmicos. Referência (1) ASM HANDBOOK. Heat treating. United States: ASM International, v

13 STRATEGIES FOR CONTROL OF HEAT TREATMENT FURNACE ABSTRACT The behavior of temperature in the chamber of a furnace heat treatment and surface temperatures and core samples made of steel SAE 8640 was studied by means of experiments,. The objective is to evaluate the best control strategy in order to achieve uniformity between the temperature of the core and the surface of the part with the desired temperature of treatment. Keywords: Temperature control. Furnace. Heat treatment. 494

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