Aquecimento por indução

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1 Aquecimento por indução 1. INTRODUÇÃO Os princípios físicos do processo de aquecimento indutivo, são conhecidos há mais de cem anos e foram disponibilizados para o uso prático no início deste século. As técnicas do aquecimento indutivo atualmente contribuem com quase todas as indústrias de manufatura, desde a preparação de pastilhas de silício puro para componentes microeletrônicos até o processamento de chapas de aço pesando 25 toneladas ou mais. O uso destas técnicas indubitavelmente crescerá com a demanda do uso mais eficiente da energia elétrica e com outros recursos de produção associados com a necessidade de um melhor ambiente de trabalho. 2. RECORDANDO O AQUECIMENTO INDUTIVO O processo de aquecimento indutivo atualmente está difundido e implatado em diversas aplicações, sobre uma ampla faixa de processos industriais. A sua atuação varia de acordo com a aplicação à qual se destina. De maneira geral os benefícios que recomendam a sua utilização, partem das seguintes condições construtivas: Elevadas densidades de potência e também o aquecimento rápido que pode ser obtido. O preciso controle da temperatura. A possibilidade de aquecer regiões selecionadas e determinadas de um componente. A facilidade para colocar a peça em uma câmara fechada e independente, por exemplo, sistema de vácuo ou atmosfera inerte que é usada isolada da bobina de aquecimento indutivo. 3. TEORIA Quando uma peça de metal é colocada no interior de uma bobina indutiva, que esta alimenta por Corrente Alternada (C A), as duas peças são interligadas por um campo eletro magnético alternado, desta forma, o campo magnético que é absorvido pela peça transforma se em campo elétrico, que por sua vez gera a corrente induzida a qual irá aquecer a peça. Normalmente a bobina indutora é refrigerada por água e mantém - se fria (veja a Figura 2.1).

2 A densidade da corrente induzida na superfície da peça é elevada, e diminui conforme aumentada a distância em relação à superfície. Este fenômeno é conhecido como efeito pelicular (SKIN EFFECT). A profundidade do efeito pelicular, ou simplesmente, a profundidade de penetração é um conceito conveniente de matemática. A profundidade de penetração é de extrema importância para a engenharia de aquecimento indutivo, pois é através da profundidade de penetração que aproximadamente 90% da energia total é induzida na peça ou região a ser aquecida. O valor da profundidade de penetração (d) depende da resistividade do material [r (em ohm metro)] e da permeabilidade relativa (m r) e da freqüência da corrente de aquecimento [f (em Hertz Hz)]. Para a maioria das aplicações práticas, a profundidade da penetração poderá ser calculada pela expressão: Sendo: δ = Profundidade de penetração, em (metro); ρ = Resistividade ôhmica do material, em (Ohm.metro); μr = Permeabilidade relativa do material, adimensional; f = Frequência nominal do Gerador de Indução, em (Hertz). Os materiais não magnéticos e os aços magnéticos quando são aquecidos acima da temperatura de mudança de magnético para não magnético que é o ponto denominado de ponto Curie, ou seja, aproximadamente 750 ºC e com m r =1. Para os aços magnéticos aquecidos abaixo do ponto Curie o valor de mr depende da densidade de potência que é aplicada.

3 Valores típicos de mr para aplicações em aquecimento total variam entre O valor próximo da unidade poderá ser obtido para algumas densidades de potência elevadas que estão associadas com determinadas aplicações de têmpera superficial por indução. Consegue-se obter alguma vantagem com pequena profundidade de penetração, a qual poderá ser obtida com média ou alta freqüência para aplicações em têmpera superficial por indução. O aquecimento indutivo é limitado às camadas superficiais que são condições solicitadas pelo processo de tratamento térmico, sendo que o núcleo da peça deve continuar sem alterações. Esta condição apresenta vantagens ambas na conservação da energia e na distorção reduzida que é encontrada quando é comparada com as técnicas que aquecem a peça totalmente. No caso de materiais que necessitam de aquecimento total para forjamento, extrusão, etc... Deverá ser concedido o tempo necessário para condução da temperatura das camadas superficiais até o centro da peça. A diferença de temperatura entre a superfície e o centro da peça dependerá do tempo de aquecimento e ela deverá ser dimensionada para ser aceita pelo processo de deformação. O aquecimento indutivo apresenta vantagem sobre as técnicas convencionais, pois o aquecimento é gerado no próprio material, enquanto que nos métodos que utilizam queimador a óleo ou resistências depende da temperatura que inicia radiada ou somente por convenção na superfície da peça. Nestes casos, o tempo necessário para o aquecimento por condução até o centro da peça é muito maior que o tempo do aquecimento indutivo, além da formação de óxido (denominado como carepa ). De uma maneira simplificada, entretanto, a energia gerada por unidade de volume da peça a ser aquecida é diretamente proporcional à freqüência de ressonância, à permeabilidade magnética do material e ao quadrado da intensidade do campo magnético na superfície da peça. A potência também depende das dimensões da peça em relação à profundidade de penetração da corrente induzida. Este fator fornece a extensão da faixa das freqüências de funcionamento que serão usadas para cada processo industrial. A seleção da freqüência de funcionamento para cada processo industrial é apresentada com maiores detalhes no capítulo denominado tratamento térmico, todavia a Figura 2.2, indica a freqüência para a eficiência ótima para vários diâmetros de peças, quando é realizado o aquecimento total de metais não ferrosos até a temperatura típica para a realização do trabalho à quente (forjamento, extrusão, etc...).

4 Na Figura 2.3, a linha a indica a freqüência para a eficiência ótima com tarugo de aço não magnético de secção sólida. Estes valores também são aplicáveis a outros materiais com alta resistividade, tais como, aço inoxidável e níquel. No caso de aço não magnético, a linha a corresponde a uma eficiência elétrica ótima, da ordem de 70 a 75%. Na prática, a freqüência ideal nem sempre representa a seleção com o melhor custo benefício. A seleção da freqüência de funcionamento e da potência é influenciada por outros fatores tais como a extensão da faixa das várias secções transversais a serem aquecidas e da proporção que elas representam no total do volume produzido. Também, a freqüência mais baixa que a freqüência ideal poderá permitir a seleção de 01 (um) Gerador ou Conversor de Indução, mais barato. Na Figura 2.3, a linha b indica as freqüências para a baixa eficiência elétrica da bobina indutora, que é economicamente aceitável pelo processo, ou seja, em torno de 50%. Em algumas aplicações, freqüências menores que as indicadas pela linha b da Figura 2.3, podem ser utilizadas, por exemplo quando são aquecidos aços magnéticos abaixo de 750 ºC. A freqüência selecionada depende sobre tudo da permeabilidade magnética, a qual por sua vez depende exclusivamente da densidade de potência que se faz necessária.

5 A energia em corrente alternada (C A), para aplicação em aquecimento indutivo é fornecida por várias fontes, dependendo da freqüência e da potência que são necessárias. Estas fontes de potência estão relacionadas na tabela abaixo, em conjunto com a faixa de freqüência em que podem funcionar. ITÉM DENOMINAÇÃO FAIXA DE FREQUÊNCIA A Freqüência de rede 60 Hz B Multiplicador Magnético de Freqüência (transformadores com núcleo saturado) * Entre 180 Hz e 540 Hz C Moto gerador (motor assíncrono em 3600 rpm, tendo o Gerador em corrente alternada (CA) montado em seu eixo, com alto número de pólos, para gerar a média freqüência necessária MF) (*) Entre 960 Hz e Hz D Gerador Tiristorizado Até 20 khz, existe a possibilidade de trabalhar com freqüências mais altas em aplicações específicas, com baixa potência. E Gerador Transistorizado Atualmente existem 02 (duas) possibilidades:

6 IGBT com freqüência de funcionamento entre 500 Hz e Hz, (150 khz). MOSFET com freqüência de funcionamento entre Hz e Hz (500 khz). F Gerador com válvula Osciladora Termo iônica - Normalmente possui freqüência de funcionamento entre Hz (200 khz) e Hz (500 khz), todavia pode funcionar em média freqüência, ou então, em extra - alta freqüência, por exemplo, Hz (1.7 MHz). Nota: (*) Atualmente não estão disponíveis como equipamentos novos, contudo muitas instalações estão funcionando com estes equipamentos antigos. As altas correntes envolvidas no processo do aquecimento indutivo normalmente necessitam de água tratada para resfriamento dos componentes de potência que constituem o Gerador de Indução. A bobina de aquecimento e o sistema de resfriamento, corretamente dimensionados são essenciais para garantir o melhor desempenho, rendimento e a vida útil programada para todas as instalações de aquecimento por indução. 4. APLICAÇÕES E TÉCNICAS TRATAMENTO TÉRMICO O mais importante processo de utilização do aquecimento indutivo é a têmpera superficial de peças automotivas construídas em aço. Também podem ser realizados através do aquecimento indutivo os processos de deformação a quente, recozimento, alivio de tensões e o revenimento. Embora cada processo seja avaliado e analisado separadamente, as vantagens abaixo são de maneira geral comuns a todos eles ECONOMIA DE ENERGIA Quando é usado um forno de tratamento com aquecimento convencional, um lote de peças é colocado no interior do forno, provavelmente em uma bandeja ou em um cesto, e toda a carga é aquecida até a temperatura necessária. Utilizando-se as técnicas do aquecimento indutivo, somente as regiões que necessitam de tratamento são aquecidas. Não existe o longo ciclo de espera para o aquecimento do forno, bem como, não existe o consumo de energia para o aquecer as bandejas ou as esteiras e a cesta de transporte. Desta forma é possível constatar que haverá uma economia substancial de energia térmica quando é usado o aquecimento indutivo MELHORA DO MEIO AMBIENTE

7 O processo de aquecimento indutivo é inerentemente limpo. Alguma nevoa, a qual pode surgir em função de queima dos elementos existentes na superfície da peça ou dos polímeros especiais, que são utilizados para realizar o choque térmico. Todavia, esta nevoa é facilmente removida por um exaustor com filtro, que é silencioso durante o seu funcionamento AUTOMAÇÃO E PRODUÇÃO EM LINHA O equipamento de aquecimento por indução possui dimensões reduzidas, portanto é adequado para a produção em linha, condição que permite a sua automação. O equipamento de aquecimento por indução funciona com alta densidade de potência, todavia o equipamento possui dimensões menores que um forno convencional. Geralmente não são necessárias fundações especiais ou poços como no caso dos fornos convencionais. A quantidade de energia aplicada é controlada tendo por base a potência e o ciclo de aquecimento e assim permitindo que a qualidade do aço permaneça inalterada e que seja obtido o aquecimento uniforme e repetitivo obtendo-se tratamento térmico consistente. Na condição acima qualquer desvio na qualidade que foi previamente estabelecida e é aceitável será rapidamente detectada pelo controle de qualidade e poderá ser facilmente corrigida. Somente uma pequena quantidade de peças será rejeitada ao invés do lote completo como pode acontecer quando é usado um forno convencional. Finalmente, como o tempo e a potência são pré ajustados para cada tipo de peça, não é necessário que o operador possua conhecimento específico. 5. DUREZA Embora seja usado para obter uma dureza superficial específica, o processo também pode ser usado para aumentar a resistência e melhorar as propriedades de torção, por exemplo, de um eixo. A dureza superficial inicialmente é função direta da quantidade de carbono (C) contida na composição química da liga. O aço carbono simples pode ser facilmente temperado, usando o aquecimento indutivo, oferecendo uma alternativa de baixo custo para muitas aplicações. A tabela abaixo apresenta exemplos de aços que podem ser temperados por indução, com sucesso: Percentagem de carbono no aço (%) Temperatura para têmpera (ºC) Meio de resfriamento(*) Dureza mínima em Rockwell C (HRC) 0,30 890/930 Água 50 0,40 870/890 Água 55

8 0,50 860/880 Água 60 0,60 840/860 Água 64 0,60 840/860 Óleo 62 (*) NOTA: Em algumas aplicações, dependendo da forma construtiva e das dimensões da peça, talvez seja necessário adicionar polímero para evitar o resfriamento rápido e agressivo da região a ser termicamente tratada. Aços especiais necessitarão permanecer mais tempo na temperatura, ou então de temperaturas mais altas que as indicadas na tabela para que a dureza e as demais propriedades sejam obtidas satisfatoriamente. Ferro fundido poderá ser tratado termicamente por indução, desde que a estrutura de sua matriz metálica seja perlítica. Assim a maioria dos tipos de ferro fundido cinzento, desde o tipo nodular, exceto os tipos ferriticos, e os perliticos maleáveis, podem ser termicamente tratados por indução. O tratamento térmico prévio afeta o perfil da dureza. Por exemplo, a têmpera por cementação e o revenimento antes da têmpera superficial por indução será suficiente para apresentar um resultado diferenciado, processo normalmente utilizado para aços com baixo teor de carbono e com camada transformada de até 0,75 mm podendo ser obtida dureza superficial de até 62 Rockwell C (HRC). 6. PROFUNDIDADE DA CAMADA TRANSFORMADA Enquanto a dureza superficial obtida está diretamente ligada à quantidade de carbono contida na composição da liga, a profundidade da camada transformada é função direta da freqüência de ressonância do Gerador de Indução selecionado para a aplicação, da densidade de potência e do tempo de aquecimento, conforme a tabela abaixo: Profundidade da camada (mm) Tempo de aquecimento (seg) e freqüência Densidade de potência superficial (MW/m2) 450 khz 10 khz 3 khz 450 khz 10 khz 3 khz 0,5 0,1 70 1,0 0,6 32 1,5 1,5 0, ,0 0,3 50 4,0 3,0 20 6,0 1,0 70 8,0 3,5 40

9 10,0 10,0 25 Constata-se que para uma determinada densidade de potência e tempo de aquecimento, para camadas com pequena profundidade necessita-se de altas freqüências e para uma determinada freqüência, camadas com pequena profundidade são obtidas com pequenos tempos de aquecimento e com altas densidades de potência. O ábaco da Figura 2.4 complementa as informações acima. 7. TÉCNICAS O processo de têmpera superficial por indução, pode ser realizado de duas maneiras principais: Estática ( Single Shot ) com ou sem giro da peça; Deslocamento progressivo ( Progressive Scanning ) normalmente com giro da peça; O processo de aquecimento do tipo estático, significa que o indutor aquece simultaneamente toda a área a ser termicamente tratada. A dimensão da peça é limitada em função da potência disponível. O processo de aquecimento com movimentação do tipo Deslocamento Progressivo ( Progressive Scanning ), pode ser horizontal ou vertical, com a peça movendo-se em relação ao indutor ou então com o indutor movendo-se em relação à peça. Geralmente as estações de trabalho são dimensionadas para carga e descarga manual sendo que as demais operações são automáticas, condição que

10 permite aquecer pequenas áreas em tempos pré determinados. Este tipo de estação é usado, por exemplo, para têmpera de eixos ou dente de engrenagens e permite a utilização de um Gerador de Indução com baixa potência para atender uma determinada faixa de peças, de dimensões variáveis. 8. DUCHA A ducha para realização do choque térmico, é um elemento crítico do processo de têmpera. A ducha pode ser por imersão, na qual a peça aquecida é imersa no líquido de têmpera ou do tipo chuveiro ( spray ) na qual somente a região aquecida é resfriada. Uma ducha fraca ou incorreta poderá resultar em dureza irregular e o auto revenimento poderá causar uma camada temperada com baixa dureza. O tipo de ducha e o tipo de líquido de têmpera, a ser utilizado, dependem do tipo e da composição química do aço, da profundidade especificada para a camada, da forma construtiva da peça (geometria e dimensões). A água é conveniente, pois em situações particulares, a água também pode ser utilizada para resfriamento do indutor. Utiliza se a ducha e o resfriamento com polímero ou óleo, quando o resfriamento rápido com água poderá causar trincas ou distorção na peça. Alguns aços especiais ou aços ferramenta devem utilizar sistemas de resfriamento com ar. Devido ao risco de incêndio, que os óleos para choque térmico podem causar, atualmente a prática está usando polímeros dissolvidos em água. Estes polímeros têm composição química que permitem sua total solubilidade em água, esta condição elimina os riscos de incêndio e apresentam a vantagem de permitir que a concentração seja modificada para obtenção da taxa ótima de choque térmico e velocidade crítica do resfriamento controlada. 9. ALIVIO DE TENSÃO RESIDUAL O controle preciso dos sistemas de aquecimento por indução, permite que eles sejam utilizados para a técnica de alívio de tensão residual. O efeito da pequena profundidade da penetração obtido com um Gerador de Alta Freqüência poderá ser utilizado para realizar o alívio de tensão superficial em um eixo temperado, enquanto um Gerador de Baixa Freqüência poderá ser usado para fornecer uma estrutura uniformemente tratada em uma barra comercial que foi totalmente temperada. Em função da faixa de freqüência, potência e do tempo de ciclo que são utilizados para alívio de tensão residual, é de extrema importância buscar a orientação de um profissional desta área. Produtos tais como laminas, chapas e placas, que são finas em comparação com o seu comprimento e largura, o aquecimento indutivo pode ser realizado com fluxo magnético do tipo transverso, no qual a freqüência usada é baixa e a eficiência do equipamento é elevada quando comparado com os equipamentos e indutores convencionais. A aplicação para o alívio da tensão tem por objetivo tornar o material dúctil, para melhorar a usinagem, para melhorar as propriedades do trabalho a frio ou então para obter se a microestrutura desejada.quando uma microestrutura especifica é solicitada, é necessário produzir amostras, na condição de testes de desenvolvimento.

11 A manutenção de longos ciclos de temperatura pode tornar o processo de alívio de tensão residual por indução, antieconômico. No entanto, existem aplicações nas quais o aquecimento indutivo, decididamente tem melhorado a micro-estrutura, tipicamente pode se citar a aplicação nos cartuchos de latão e bronze. A faixa de processos industriais que utilizam o aquecimento indutivo para alivio de tensão, inclui: Alivio de tensão em agulhas cirúrgicas; Alivio de tensão em extremo (nariz) de moldes tipo cone; Alivio de tensão em roscas e componentes que foram temperados; Alivio de tensão em estágio intermediário de materiais prensados, trefilados, etc... Alivio de tensão local em cilindros de gás; Alivio de tensão em linha continua de chapas, barras, tubos e fios. 10. ALIVIO DE TENSÃO APÓS A SOLDA Após o processo de solda, muitas estruturas fabricadas em aço carbono necessitam de alivio de tensão, normalmente para prevenir futuras trincas. Com a vantagem e a facilidade do aquecimento indutivo ser localizado consegue-se realizar um processo econômico, desta forma o aquecimento é restrito a uma área mínima, especialmente nas aplicações em cordões de solda de tubos em linhas continuas. Em algumas circunstâncias os componentes são posicionados no interior da bobina, mas no caso de linhas de tubo e grandes estruturas, as bobinas indutoras são montadas em campo, em torno dos componentes e são desmontadas após a conclusão do processo. Estas bobinas indutoras temporárias, normalmente são construídas com cabos flexíveis com isolação elétrica e térmica ou então com tubo de cobre recozido refrigerado por água. Os principais componentes tratados por este processo são: Junta ou união de tubos em linha continua; Cordão de solda de tubos soldados em linha continua; Eixos veiculares traseiros soldados; Vasos de pressão e caldeiras; Extremidades de trocadores de calor, tipo casco/tubo; 11. REVENIMENTO O processo de revenimento de metais ferrosos é análogo ao processo de alivio de tensão, porém este processo é suave e lento e ele normalmente utiliza temperatura abaixo de 600 ºC. No processo tradicional, através do controle preciso do tempo e da temperatura, quase sempre uma camada de grande dureza é produzida, pois esta é uma

12 propriedade inerente dos aços. O processo de revenimento por indução tem flexibilidade similar, mas os resultados normalmente são obtidos com um pequeno aumento na temperatura e uma redução considerável no ciclo de processo. O critério para selecionar o nível da potência e a freqüência com melhor eficiência não são os usados para outros processos, pois a peça normalmente mantém suas propriedades magnéticas à temperatura de revenimento. O uso de temperatura mais alta que as temperaturas usadas para o alivio de tensão residual por indução podem apresentar grandes vantagens. Por exemplo, na maioria das aplicações é possível ajustar o sistema indutivo para obter-se a mesma dureza superficial que a obtida através do processo convencional com uma considerável diminuição da tensão mecânica residual. Revenimento indutivo local em áreas com alta tensão mecânica residual, em peças temperadas, poderá resultar no início do aumento para o dobro da dureza. 12. AUTO REVENIMENTO Quando uma peça é temperada por indução, com processo estático ou progressivo, em alguns casos é possível reter energia térmica suficiente no núcleo da peça temperada superficialmente, para realizar o auto revenimento da camada temperada, se necessário. O controle deste tipo de processo exige alto grau de especialização, bem como, total controle das operações antecedentes. 13. MANIPULADOR A condição operacional ideal para a qual o equipamento de aquecimento por indução foi projetado, é o tratamento térmico de grandes lotes de peças similares, esta situação normalmente é utilizada para o processo de tempera superficial de componentes automotivos. Para obter-se alta produção horária torna-se necessária a máxima utilização do equipamento de aquecimento por indução. Geralmente isto significa que a proposta e o projeto de dispositivos mecânicos para os movimentos de carga e descarga das peças do indutor de aquecimento, façam parte integrante do equipamento. Em outros casos, particularmente para os prestadores de serviço de tratamento térmico, grande flexibilidade é obtida através de um mecanismo universal para set-up, o qual concorda com a variedade de componentes e movimentos. Na maioria das aplicações, algum mecanismo de manipulação é essencial para manter a repetibilidade e a confiabilidade do processo. No processo de têmpera progressiva vertical para eixos, a ducha do tipo anelar, deve seguir o deslocamento vertical e progressivo do indutor, durante o percurso do comprimento do eixo. Desta forma, inerentemente, para a mudança de referência de peça é suficiente a troca de uma simples ferramenta da máquina. Quando é utilizado o processo de aquecimento indutivo a distorção dimensional da peça é relativamente baixa, pois somente a superfície da peça foi aquecida. Todavia, quando são temperados eixos longos, recomenda se a utilização de roletes de apoio para minimizar a distorção. Nos processos em que as peças possuem áreas distintas de têmpera, um padrão aceitável e preciso da peça deverá ser providenciado para o correto posicionamento da região a ser aquecida no interior do indutor. Em muitos casos, para garantir o aquecimento uniforme de peças redondas, e providenciado mecanismo com velocidade controlada para giro da peça durante o processo de têmpera.

13 Bibliografia 1. Davies, EJ, Simpson, PG, 1979 Induction Heating Handbook (McGravv-Hill Maiden Head) 2. Urquiza, Julio Astigarra & Ormaza, José Luis A Hornos Industriales de Induccion, McGraw Hill I de Espanha SA, Semiatin, S Induction Heat Treat of Steel ASM 1987.