Sistemas de fornos para alumínio com rigorosa tolerância

Sistemas de fornos para alumínio com rigorosa tolerância

Fig. 1. Sistema de forno de homogeneização capaz de processar 450 toneladas por batelada

Aeronaves e automóveis mais leves, mais fortes e mais rápidos significam que os fornos de tratamentos térmicos atuais devem ser mais uniformes, flexíveis e eficientes energeticamente do que os fornos do passado

Seja homogeneização de alumínio para aeronaves após a fundição ou solubilização em solução aplicada em alumínio forjado e fundido para componentes de automóveis e aeronaves, os usuários finais necessitam a melhor performance de um forno de tratamento térmico.

 

O Que É Homogeneização do Alumínio

“Quando o alumínio é fundido, os elementos de liga não estão uniformemente distribuídos na microestrutura”, diz Gary Schmauch, Metalurgista aposentado e Gerente de tratamento térmico/acabamento pela Kaiser Aluminum. “Sendo assim, utilizamos o processo de homogeneização para reduzir a microssegregação. Algumas ligas e usos finais não necessitam controles muito rigorosos na homogeneização, mas as ligas mais recentes de alta resistência para aeronaves terão resistência a fratura muito maior, vida em fadiga, etc., se nós podemos eliminar o quanto possível da microssegregação.”

“Também melhora a resistência à corrosão para iguais ou melhores resistências. Em ligas aeroespaciais, como também em outras aplicações, desejamos homogeneizar os lingotes (aqui eu estou me referindo a barras redondas e placas) o mais próximo do ponto de fusão incipiente do metal quanto for possível. É por isso que pedimos por controles tão rigorosos nos fornos. De fato, usamos práticas de homogeneização seguindo duas etapas na maioria das ligas, especialmente para materiais aeroespaciais. Iremos homogeneizar o material em uma levemente menor temperatura de homogeneização e então aumentar a temperatura após nós dissolvermos primeiro o constituinte de menor ponto de fusão. Quanto maior a temperatura que pudermos levar a homogeneização sem começar a fundir o lingote, melhores serão as propriedades finais para as ligas críticas.” Schmauch adicionou.

 

Forno de Homogeneização

Fornos de homogeneização atuais necessitam incorporar algoritmos de controle complexos juntamente com pressão dinâmica e sistemas de controle da circulação de ar para alcançar tolerâncias tão rigorosas quanto +/- 0,7°C na faixa da temperatura de homogeneização de 400-620°C. De acordo com Schmauch, quanto mais justa for a tolerância, mais seguro é se aproximar da temperatura de fusão eutética e então reduzir a microssegregação o máximo possível. Quanto mais próximo da temperatura de fusão o forno e o alumínio puderem chegar, melhores serão os parâmetros exigidos como resistência, resistência à corrosão, vida em fadiga e resistência à fratura.

Embora a norma AMS 2750E permita que o teste TUS (Temperature Uniformity Survey, Teste de Uniformidade de Temperatura) seja realizado com ou sem carga, confirmando a uniformidade com a carga representativa é mais crítica.

“A característica importante aqui não é a habilidade do forno de manter uma tolerância muito próxima quando avaliado com termopares no ar, mas a uniformidade da temperatura que pode ser alcançada com cargas de produção”, diz Schmauch. “As exigências feitas pelas especificações para atingir um controle de temperatura excelente com a avaliação de termopar no ar não são suficientes. A precisão do forno deve ser estabelecida com tipos de cargas usados em produção, os quais exigem montagens de cargas que representem cargas de produção e, então, usar esta configuração durante a homogeneização do metal produzido. Se o grupo de produção decidir que necessitam modificar as configurações da carga, então o forno necessita ser recertificado com a nova configuração de carga também.”

O impacto de um desempenho ruim do forno pode ser severo. De acordo com Schmauch, se a uniformidade da temperatura do forno não for boa o suficiente, a liga de alumínio pode exceder as temperaturas eutéticas e causar fusão, como também causar porosidade, o que provavelmente seria a causa do material não possuir as propriedades esperadas ou pode impactar na resistência a corrosão e na vida em fadiga. No outro extremo, se uma porção do material não ficar quente o suficiente por causa de um ponto frio no forno, então as propriedades do metal que está sendo processado não serão uniformes. A área fria terá menor resistência, menor vida em fadiga, menor resistência à fratura, e possivelmente menor resistência à corrosão e menor formabilidade. Todos estes levam a um produto inferior ou rejeitado.

Muitos dos fornos atuais sofrem de uma uniformidade precária como também aquecimento lento para atingir temperaturas uniformes.

“Para muitas aplicações aeroespaciais, os fornos de homogeneização não possuem o controle de temperatura que permita alcançar as temperaturas de homogeneização necessárias para um melhor desempenho do metal,” ressalta Schmauch. “Muito do trabalho feito nos últimos anos mostrou a importância de controlar as práticas de homogeneização na temperatura próxima do ponto de fusão do metal e que isso pode melhorar as propriedades desejadas. A outra grande questão é não possuir capacidade suficiente. Em termos de laminados, nós chamamos que está fora da tempertura, o que significa que temos de fechar a linha quente por um período de tempo para alcançar a homogeneização e/ou pré-aquecendo lingotes para prepará-los para laminação.”

“Se uma empresa está produzindo materiais aeroespaciais, então terá certamente vantagem ao aumentar a uniformidade de fornos de homogeneização mais antigos,” diz Schmauch, que completa dizendo que existem outras aplicações para controle mais próximo, especialmente se for acoplado com um aquecimento mais elevado e taxas de resfriamento maiores porque é o que impacta a produtividade.

O Que É o Tratamento Térmico de Solubilização do Alumínio?

O tratamento térmico em solubilização do alumínio é o aquecimento de uma liga para uma temperatura adequada, mantendo naquela temperatura por tempo suficiente para fazer com que um ou mais constituintes entrem na solução sólida e então resfriar rápido o suficiente para manter esses constituintes em solução. Isto é frequentemente seguido por um processo de endurecimento por precipitação para aumentar o limite de escoamento da liga.

 

Forno de Solubilização

Assim como foi descrito para a seção de forno de homogeneização, as propriedades da liga podem ser muito afetadas pela uniformidade da temperatura do forno do processo. Existem muitos tipos de fornos, incluindo carga em cestos, batelada ou tipo bombardeiro. O tipo de sistema escolhido é tipicamente baseado e uma variedade de fatores, incluindo volume de produção, exigências para têmpera, taxas de aquecimento, flexibilidade, orçamento e preferência do cliente final. Apesar de todos estes, um fator comum para a maioria dos fornos de solubilização é a necessidade de um controle mais rigoroso de temperatura e de uniformidade.

Na indústria aeroespacial, fornos tipo bombardeiro são tipicamente usados porque há necessidade por controles de temperaturas mais rigorosos, tempos de têmpera mais rápidos aquecimento rápido. Este design permite que a taxa de têmpera seja tão rápida quanto 5 segundos e uniformidades na temperatura com precisão de +-0,5°C, o que é alcançável através de engenharia avançada em sistemas de controle na recirculação do ar. Estas uniformidades rigorosas provaram serem efetivas no controle da distorção de componentes aeroespaciais críticos.

A uniformidade na temperatua permanece crítica quando o cesto de carga ou o sistema de forno contínuo é escolhido, mas estes tipos de sistemas vão provavelmente exigir sistemas de recirculação de ar com uma engenharia diferente para seguir as especificações de uniformidade. Em adição, muitas vezes o problema mais difícil a se resolver com estes tipos de fornos é a taxa de tratamento térmico e a consistência entre as peças. Sem um apropriado sistema de recirculação de ar, peças em diferentes níveis ou em diferentes cestos podem obter diferenças significativas em seus ciclos de tratamento térmico, exigindo tempos de processamento maiores com resultados metalúrgicos variados. Em muitos casos, mesmo que todas as peças possam seguir as exigências esperadas, os usuários finais estão se tornando extremamente críticos sobre as curvas de tempo/temperatura com grandes discrepâncias entre as peças.

Imediatamente após o processo de solubilização estar completo, o material necessita ser resfriado para preservar a solução sólida. O processo de resfriamento é provavelmente o tratamento mais crítico, especialmente com os novos materiais de hoje e as necessidades dos clientes. Enquanto muitos dos materiais são resfriados seja em água ou em uma mistura de água/glicol, tecnologia de têmpera a ar se tornou extremamente importante no processo de tratamento térmico e solubilização.

 

Resfriamento a Ar

Muitos clientes finais estão exigindo melhores propriedades de materiais, maior controle de resfriamento e tensões residuais reduzidas. Ao utilizar um customizado sistema de distribuição de ar para resfriamento a ar, é agora possível encontrar estas novas demandas. Muitos novos materiais fundidos, incluindo blocos de motor e cabeça do cilindro, exigem taxas de resfriamento com ar de até 120°C/minuto. É também crítico ter resfriamento muito consistente de peça a peça mas também ter a opção de processar múltiplas peças simultaneamente para oferecer maior flexibilidade.

Para ajudar no projeto destes sistemas complexos de distribuição de ar,  CFD (Computational Fluid Dynamics, Fluidodinâmica Computacional) é incorporada em um projeto de processo.

“CFD é um ramo de mecânica dos fluidos que utiliza análise numérica e algoritmos para resolver e analisar os problemas de escoamento de fluido,” disse o Dr. Joe Zhao, Gerente de pesquisas e desenvolvimento (P&D) da ITS (Internation Thermal Systems). “Os poderosos softwares atuais podem providenciar simulações com resultados confiáveis e precisos. Na indústria de fornos, ITS está liderando o limite da tecnologia ao utilizar CFD para simular o escoamento de ar em um sistema de distribuição inteiro, incluindo a entrada para ventilação, fornecimento de rede de dutos e bocais, e retornar a rede de dutos e sua influência sobre o produto. Ao utilizar esta simulação CFD como parte de um projeto de processo, um sistema de distribuição de ar otimizado pode ser cientificamente alcançado”.

Sistemas avançados de resfriamento a ar utilizam controles variáveis de pressão do ar e velocidade, sistemas de distribuição de ar de alta pressão e sistemas de controle inteligentes avançados para conseguir essas exigências inconstantes. Com a importância do volume e flexibilidade, a necessidade de sistemas de resfriamento a ar projetados capazes de não apenas lidar com uma peça por vez ou com múltiplas simultaneamente enquanto mantém controle preciso, é cada vez mais crítico para atingir a demanda dos materiais atuais. Sistemas de resfriamento a ar capazes de processar uma a 180 peças simultaneamente pode permitir aos fabricantes a flexibilidade de atingir as demandas industriais.

 

Conclusão

Seja homogenizando alumínio aeronáutico após fundição ou solubilizando alumínio de componentes automotivos ou aeroespaciais forjados ou fundidos, uniformidade e tolerâncias rígidas em fornos e controle preciso na distribuição de ar continuam sendo fatores críticos em sistemas de tratamento térmico de alumínio. Todos os fornos e sistemas de controle de ar são criados de formas diferentes. Um maior entendimento das tecnologias que estão disponíveis levará a produtos finais de maior qualidade com maior controle de processos e flexibildade.

 

Para mais informações: Kurt Willms, Gerente da divisão de fornos da Sistemas Térmicos Internacionais LLC (ITS), 4697 West Greenfeld Avenida, Milwaukee, Wisconsin – EUA; tel: +1 414-902-5304; fax: 414-672-8800; e-mail: kurt.willms@itsllcusa.com.

 

Kurt Willms
Kurt Willms
Gerente da divisão de fornos da Sistemas Térmicos Internacionais LLC (ITS), 4697 West Greenfeld Avenida, Milwaukee, Wisconsin - EUA; tel: +1 414-902-5304; fax: 414-672-8800; e-mail: kurt.willms@itsllcusa.com.

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