O modelamento computacional para tratamento térmico por indução veio para ficar

O modelamento computacional para tratamento térmico por indução veio para ficar

Fig. 1. Resultados de um modelamento computacional utilizando MEF no estágio inicial de uma têmpera progressiva por indução de um eixo de aço médio carbono, com diâmetro externo de 64 mm e interno de 25 mm, utilizando um indutor com duas espiras. A frequência é de 1 kHz

Em uma economia global acelerada, a capacidade dos fabricantes de aquecimento por indução a fim de minimizar o tempo entre o pedido de um cliente e a elaboração do orçamento com base em um modelamento computacional eficiente é fundamental para o sucesso de seus clientes

Um ambiente industrial competitivo não oferece o luxo de alguns meses, semanas ou mesmo dias de espera, a fim de provar a viabilidade de certos processos por meio de tentativa e erro. As demandas do mercado pela obtenção de resultados rápidos e confiáveis sobre os parâmetros críticos de projeto são, agora, uma ocorrência diária e normal.

A simulação computacional permite aos especialistas de aquecimento por indução determinar os detalhes de um processo que pode ser demorado, de alto custo e, em alguns casos, difícil ou impossível de resolver experimentalmente. Ela fornece a capacidade de prever como diferentes fatores interrelacionados e não-lineares podem afetar as condições térmicas transitórias e finais do componente tratado.

A simulação ajuda a determinar o que deve ser feito para melhorar a eficácia do processo, a fim de estabelecer as mais adequadas receitas de processo. Os resultados do modelamento por computador servem como um fator de conforto ao se projetar novos sistemas, evitando surpresas desagradáveis, diminuindo a curva de aprendizado e reduzindo o tempo de desenvolvimento. O modelamento computacional não é mais apenas uma ferramenta útil e que auxilia na melhoria do desempenho do sistema. Ele se tornou uma necessidade vital [1-3].

Têmpera Progressiva por Indução

As principais vantagens da Têmpera Progressiva por Indução em comparação à Têmpera Estacionária estão associadas com uma maior flexibilidade no processo de têmpera para peças de diferentes diâmetros e comprimentos. Os indutores de Têmpera Progressiva podem ser constituídos por uma ou mais espiras, e o cobre pode ser manipulado para melhor acomodar as irregularidades geométricas.

Para ilustrar, a Fig. 1 mostra os resultados do modelamento computacional na fase inicial da Têmpera Progressiva por Indução de um eixo de aço médio carbono, com diâmetro externo de 64 mm e interno de 25 mm, utilizando um indutor com duas espiras. A frequência é de 1 kHz.

O indutor se move ao longo do eixo durante o processo. A potência e a velocidade de processo são ajustadas de acordo com a geometria do eixo (incluindo a flange, as alterações de diâmetro, espessura da parede etc). Para temperar o raio do eixo conforme o especificado, aplica-se um pequeno encharque no começo do processo. A ducha não é acionada durante o pré-aquecimento.

Obter uma profundidade de camada com a dureza mínima exigida no eixo sem exceder a camada máxima especificada pode ser um desafio, o qual pode estar associado a diversos fenômenos [1, 2].

Do ponto de vista eletromagnético, é um desafio induzir energia suficiente (densidade de potência) no raio sem criar temperaturas excessivas nas regiões próximas ao flange. Em regiões com raios menores, é ainda mais difícil devido à proximidade eletromagnética e ao efeito de acoplamento inferior à espira.

De uma perspectiva da transferência de calor, a presença de várias áreas frias adjacentes ao flange durante o aquecimento cria um efeito de resfriamento irregular (efeito de dissipação térmica) na região do flange em comparação com outras áreas do eixo. Consequentemente, durante o aquecimento por indução, mais calor é removido da área do raio devido à condução térmica, sendo removido por outras zonas do eixo. Isto requer um indutor concebido para gerar mais calor no raio para compensar o efeito intensivo de dissipação de calor.

Do ponto de vista do projeto, a geometria do eixo precisa ter certas características (por exemplo, bordas, cantos vivos, cortes, paredes finas etc) localizadas próximas ao flange e que não podem ser reaustenitizadas ou totalmente temperadas durante o ciclo de Têmpera do Raio.

A Fig. 1 mostra o padrão de temperatura e a distribuição do campo magnético no final do tempo de encharque do pré-aquecimento do raio. Por solicitação do cliente, uma bobina de duas voltas não revestida deveria ser utilizada nesta aplicação.

Com o propósito de aumentar a densidade de potência na região do raio, a espira inferior foi deformada, proporcionando uma condição favorável para o pré-aquecimento seletivo do raio. A espira inferior está mais acoplada ao flange comparada ao corpo do eixo, complementa o perfil do tubo de cobre, como foco no efeito de aquecimento. Após a conclusão da fase de encharque, o raio do eixo está pré-aquecido suficientemente e começa então a Têmpera Progressiva. Algumas vezes, quando a bobina e/ou o eixo começa a mover-se, é utilizada uma maior velocidade a fim de indexar rapidamente na posição e resfriar a área aquecida.

Processo em Duas Etapas

É importante lembrar que a têmpera por indução de componentes de aço é um processo em duas etapas que envolvem o aquecimento e o resfriamento. Ao realizar o “escaneamento” das superfícies externas (por exemplo, o diâmetro externo do eixo), o dispositivo de ducha é posicionado, em geral, junto à bobina, a fim de resfriar a área que foi aquecida. Em outros casos, pode ser utilizado um equipamento com ducha integrada (MIQ – machine integral-quench). Em qualquer dos casos, o dispositivo de ducha é constituído por uma câmara de resfriamento, com numerosos furos (orifícios) que permitem que a peça seja resfriada no ângulo e distância especificados.

Portanto, é indispensável ser capaz de simular não somente o aquecimento, mas também as etapas de resfriamento. Como um exemplo, a Fig. 2 mostra os resultados do modelamento computacional de aquecimento e resfriamento durante uma fase intermediária de uma superfície vertical do eixo utilizando um indutor MIQ com duas espiras com um anel concentrador de fluxo na forma de “L” (frequência de 9 kHz) [2].

Os fenômenos de pré-aquecimento e de aquecimento final causados pelos efeitos finais eletromagnéticos são visíveis claramente. Nota-se que o aquecimento do eixo começa em frente à espira superior da bobina, criando o efeito de pré-aquecimento. O efeito final eletromagnético de uma bobina de indução é o principal responsável por esse pré-aquecimento. É a propagação do campo magnético externo, que faz com que a geração de fontes de calor ocorra fora da bobina de indução.

A presença de um campo magnético externo depois da espira inferior é responsável pelo aquecimento final das áreas localizadas imediatamente abaixo do eixo da bobina. É muito importante levar em consideração os efeitos finais para projetar corretamente um dispositivo de resfriamento e determinar uma receita de processo adequada. A modelagem computacional ajuda a obter informações críticas a este respeito.

O efeito de cauda de cometa também é claramente visível e se manifesta como uma acumulação de calor nas regiões subsuperficiais do eixo, abaixo do indutor. Após a ducha, a temperatura da superficial do eixo pode ser suficientemente resfriada para temperaturas abaixo da temperatura de transformação. Ao mesmo tempo, o calor acumulado na subsuperfície do eixo poderia ser suficiente para revenir as regiões temperadas e poderia resultar em um potencial aparecimento de regiões mais moles dentro da profundidade de camada tratada. Um resfriamento eficiente é essencial para evitar esse fenômeno indesejável.

Aquecimento Localizado

Muitas aplicações (brasagem, solda, têmpera, revenimento, alívio de tensões, recozimento, montagem por interferência, conformação a morno e a quente e dobramento) requerem um aquecimento por indução apenas em áreas selecionadas da peça. Comparado com aplicações que requerem aquecimento de toda a peça, o aquecimento seletivo envolve várias características importantes de processos que afetam os parâmetros elétricos, a seleção de frequência e o projeto da bobina. Estas características incluem a existência de efeitos finais eletromagnéticos e o fenômeno de dissipação de calor, o que ocorre devido ao efeito do calor dissipado de regiões mais frias adjacentes à zona aquecida.

Simulação Computacional pelo MEF

Uma simulação computacional do aquecimento por indução pelo MEF (Método dos Elementos Finitos) de uma área selecionada de um trilho de aço a partir de temperatura ambiente até temperaturas de conformação a quente é mostrada na Fig. 3. Indutores na forma de borboleta, que são posicionados em ambos os lados do trilho de aço, proporcionam o aquecimento localizado. O fluxo de corrente das espiras centrais é na mesma direção, gerando o efeito de aquecimento principal. As espiras superior e inferior representam o chamado “anel de cancelamento de campo” com um fluxo de corrente no sentido oposto ao da corrente no centro das espiras. O efeito principal de aquecimento é fornecido pelo centro da espira, enquanto o calor gerado pelo “anel de cancelamento” ajuda a compensar o efeito de dissipação térmica nas regiões adjacentes, especialmente durante o transporte do trilho para a operação subsequente no processo de fabricação.

Os empilhamentos de chapas laminadas da forma de “U” posicionados ao redor das espiras centrais têm um impacto duplo sobre o desempenho dos indutores do tipo borboleta. Primeiro, eles servem como concentradores de fluxo magnético para aumentar a intensidade de aquecimento das espiras centrais. Em segundo lugar, eles fornecem uma dissociação eletromagnética das espiras da bobina com correntes fluindo em direções opostas, o que também aumenta a eficiência elétrica.

Algumas exigências do processo especificam não apenas a temperatura mínima exigida para a operação de conformação que irá ocorrer na sequência, mas também as temperaturas máximas das áreas adjacentes (por exemplo, o aquecimento seletivo de trilhos). O modelamento computacional reduz o tempo de desenvolvimento e ajuda a revelar importantes sutilezas do processo de aquecimento por indução localizada.

Em muitos casos, a simulação do processo de aquecimento por indução é efetiva, trazendo vantagem para a simetria rotacional do componente. Este é um caso frequente para o aquecimento por indução de componentes cilíndricos (eixos, Figs. 1 e 2).

Simulação 3D

Em alguns casos, no entanto, a geometria da peça não permite tal simplificação. Um software 3-D eletromagnético e térmico é utilizado nestes casos. A simulação 3-D permite que todas as características geométricas críticas do processo sejam levadas em consideração. É imprescindível lembrar que qualquer análise computacional por MEF só pode produzir resultados que são derivados da definição correta de um modelo teórico, das condições de contorno e de um modelamento correto. No final da simulação, um software moderno em 3D geralmente não fornece qualquer informação sobre a precisão dos resultados obtidos.

A experiência mostra que a escolha adequada do modelamento por elementos finitos é o fator mais importante para a precisão das simulações numéricas. Regiões de alta concentração de corrente e zonas onde o campo eletromagnético possui gradientes mensuráveis devem utilizar um modelamento adequado para se ter um número suficiente de elementos. Como um exemplo, a Fig. 4 mostra a geração de um modelamento 3D em que a têmpera de um componente de geometria complexa (vermelha) é feito por rádio-frequência utilizando um indutor de topo (amarelo) e um concentrador de fluxo magnético (preto). O efeito de borda da bobina de cobre, bem como o efeito pelicular, foram devidamente tratados. A utilização de frequências mais elevadas aumenta a importância da malha adequada.

Conclusão

Anos de experiência alavancados pelos avanços recentes em computadores de alto desempenho melhoraram a relação custoeficácia do estágio de desenvolvimento de equipamentos de aquecimento por indução, encurtando a curva de aprendizagem, reduzindo o tempo de desenvolvimento e permitindo estimativas de viabilidade rápidas e confiáveis de novos processos, tendo um papel cada vez mais crítico na otimização de desempenho de sistemas de indução.

É importante que o analista tenha uma clara compreensão das especificações do processo, bem como experiência prática de tratamento térmico, pois este é um tema complexo. A simulação computacional pode ser utilizada em conjunto com a experiência em computação numérica, instrução apropriada e o conhecimento de engenharia para alcançar a precisão requerida na simulação matemática. Quando as pessoas certas utilizam essas ferramentas, a solicitação do usuário final pode ser eficientemente alcançada com precisão e de forma rentável.

Referências


[1] V. Rudnev, “Computer Modeling Helps Prevent Failures of Heat Treated Components,” Advanced Materials & Processes, October 2011, 6-11p.
[2] V. Rudnev, “Computer Modeling of Induction Heating: Things to be Aware of, Things to Avoid,” Industrial Heating, May 2011, 41-45p.
[3] G. Doyon, D. Brown, V. Rudnev, C. Van Tyne, “Ensuring the Quality of Inductively Heated Billets,” Forge, April 2010, 14-17p.

 

Valery Rudnev
Valery Rudnev
Collin Russell e Gary Doyon - Inductoheat Inc.; Madison Heights, Michigan, EUA

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