Modelamento por computador para aquecimento por indução: Pontos a serem considerados e evitados

Modelamento por computador para aquecimento por indução: Pontos a serem considerados e evitados

Na última década, quando discutia-se assuntos relativos a simulação por computador para aquecimento por indução, a palavra “benefício” foi substituída pela palavra “necessidade”. A moderna simulação por computador é capaz de simular efetivamente os fenômenos eletromagnéticos e térmicos para muitos processos, incluindo aqueles que envolvem indução eletromagnética

Pela combinação de software avançado com conhecimentos sofisticados de engenharia, os profissionais da área de aquecimento por indução possuem habilidades exclusivas para analisar, em poucas horas, problemas tecnológicos complexos que poderiam levar dias ou até mesmo semanas para serem resolvidos através de testes experimentais ou através do modelamento físico utilizando modelos-piloto.

A simulação permite prever o quão diferente, fatores inter-relacionados e não lineares podem impactar nas condições térmicas transitórias e finais. A simulação também ajuda a determinar o que deve ser realizado para melhorar a efetividade do processo, escolher a receita do processo mais apropriado e servir de fator de segurança quando projetar sistemas novos.

Em 2007, ASM International (Sociedade Americana de Metais) iniciou um ambicioso empreendimento para compilar num novo formato, recursos compreensivos em modelamento e como aplicá-los à simulação por computador de tecnologias de processamento de diferentes metais. Experts mundialmente reconhecidos de universidades renomadas, laboratórios de pesquisa e corporações industriais de treze países foram cuidadosamente escolhidos para testar materiais. Como resultado, dois volumes novos em folha foram publicados como parte do manual da ASM (Fig. 1). A primeira parte, “Volume 22A, Fundamentos do Modelamento para Processamento de Metais” surgiu em 2009. A segunda parte “Volume 22B, Simulação de Processos de Metais” foi publicado em 2010. Esses dois volumes abrangem uma extensa gama de assuntos incluindo diagramas de fases e transformações, aquecimento e tratamento térmico, fundição e solidificação, conformação, ligas, usinagem, metalurgia do pó, modelamento integrado e simulação para definição de equipamentos.

Dentre outras informações úteis, o Volume 22B contém dois artigos (indicados nas referencias) destinados exclusivamente a simulação por computador para aquecimento por indução e tecnologias de tratamento térmico.

Como Isso Era Feito no Passado

Uma estimativa dos parâmetros de processo baseado na “regra do polegar” assim como o uso de métodos analíticos e esquemas de bobinas equivalentes foram muito utilizados entre as décadas de 60 e 90. Apesar dessas técnicas serem simples de se aplicar, elas eram muitos subjetivas e com restrições consideráveis e inerentes limitando seu uso para estimativas rápidas de parâmetros simples de sistemas de indução. Havia um perigo de se obter resultados equivocados e inadequados com essas estimativas demasiadamente simplificadas.

Recentes avanços nos computadores de alta performance tem melhorado o custo benefício do desenvolvimento, diminuindo a curva de aprendizagem e reduzindo o tempo de desenvolvimento, e os computadores tem restringido significativamente o uso de fórmulas simplificadas.

Ao invés de utilizar técnicas computacionais com muitas restrições e discutível precisão, especialistas no moderno aquecimento por indução passaram a utilizar métodos de simulação numérica efetiva como diferenças finitas, análise de elementos finitos (FEA), elementos extremos, elementos limite e outros. Cada uma dessas técnicas de simulação possui certos pontos favoráveis e outros nem tanto e têm sido utilizadas sozinhas ou em combinação com outras técnicas.

Nos últimos anos, FEA (Análise de Elementos Finitos) tornou-se uma ferramenta dominante de simulação numérica para uma variedade de aplicações na engenharia. Apesar da FEA ser uma técnica de modelamento muito efetiva, ela não pode ser considerada como a ferramenta fundamental para todas as aplicações de aquecimento por indução. Em alguns casos, a combinação de diferentes métodos numéricos é mais eficaz, enquanto FEA é a opção preferida para outros.

Estudo de Caso: Têmpera Progressiva

Simulações numéricas por computador permitem que fabricantes de equipamentos de indução determinem detalhes do processo que poderiam ser difíceis, se não impossíveis de se determinar experimentalmente. Como exemplo, a Fig. 2 mostra os resultados do modelamento por computador do sequenciamento dinâmico da têmpera progressiva por indução do eixo vazado utilizando um indutor de 2 espiras MIQ (usinado com ducha integrada) com concentrador de campo em forma de “L” (frequência = 9kHz).

No início (Fig. 2, A e B), é aplicada potência durante 2.6s para aquecer adequadamente uma faixa específica do eixo. Durante essa etapa, o aquecimento é estático, e o resfriamento não é aplicado. Uma vez completada a primeira etapa, a faixa específica do eixo está suficientemente pré-aquecida e o escaneamento tem inicio. A velocidade de avanço e a potência são alteradas durante o escaneamento para permitir a acomodação adequada das modificações na geometria do eixo. O modelamento por computador revela alguns detalhes importantes do processo:

– Durante o escaneamento, o aquecimento efetivo do eixo tem início a uma distância considerável da espira superior do indutor, criando um efeito de pré-aquecimento. Fatores responsáveis pelo pré-aquecimento são o fluxo na direção axial devido à condução térmica e a propagação do campo magnético externo, que gera o aquecimento;
– A presença de um campo magnético externo fora da bobina de indução é também responsável pelo aquecimento posterior de áreas do eixo localizadas imediatamente abaixo da espira inferior e em alguns casos até em regiões onde o resfriamento subsequente atinge a superfície do eixo;
– O atraso no resfriamento pode reduzir dramaticamente a eficiência do resfriamento e potencialmente criar condições para cruzar a ponta da curva de CCT. O resultado poderia ser a formação de estruturas mistas com a presença de produtos de transformação superior (bainitica, perlitica ou “sombras”. Essas microestruturas são notáveis por se apresentarem dispersas e com valores de dureza mais baixos.

Efeito cauda de cometa

Deve-se levar em consideração o efeito “cauda de cometa” quando desenvolver a receita de processos de têmpera progressiva. A Fig. 3 um padrão de temperatura ampliada de uma etapa intermediaria do processo (Fig. 2, F), o efeito “cauda de cometa” se manifesta com o acúmulo de calor em regiões internas do eixo abaixo do indutor. Este efeito é maior nas áreas de mudança de diâmetro.

Sobre o resfriamento, a temperatura da superfície do eixo pode ser suficientemente abaixo da temperatura Ms. Ao mesmo tempo o calor residual no interior do eixo pode ser suficiente para o alívio de tensões e poderia potencialmente resultar no aparecimento de pontos frágeis. O resfriamento externo é essencial para prevenir esse fenômeno indesejado.

Problemas críticos com modelamento por computador para têmpera progressiva

Uma limitação da grande maioria dos softwares comercialmente disponíveis é que eles não são capazes de considerar o efeito cauda de cometa quando tentam fazer o modelamento da têmpera progressiva por indução. Além disso, alguns softwares não podem trabalhar de maneira apropriada com efeitos pré e pós-aquecimento como resultado da propagação do campo magnético externo e fluxo de aquecimento axial devido à condução térmica. Certifique-se que o software utilizado é livre dessas restrições e está adequado ao modelamento de todos os importantes fenômenos físicos.

Quando projetamos indutores e desenvolvemos receitas de processos otimizados, é imprescindível não apenas o modelamento do aquecimento como também as etapas de resfriamento. Por outro lado, aspectos cruciais do processo podem ser esquecidos, tendo um impacto negativo na precisão do modelamento e na sua utilização.

Antes de Você Contratar Alguém para Fazer a Simulação por Computador

Primeiro passo

É importante lembrar que qualquer análise computacional pode, no melhor caso, produzir apenas resultados derivados do modelo teórico corretamente definido, calculando equações e condições limites. Por essa razão, antes de contratar alguém para executar a simulação por computador, certifique-se que o profissional possui o claro entendimento das particularidades do processo e também o conhecimento apropriado na área onde você necessitando de ajuda.

Segundo passo

Certifique-se que as propriedades físicas do material aquecido estão corretamente definidas.

Terceiro passo

É importante reconhecer que a utilização de modernos softwares numéricos (incluindo elementos finitos, elementos limite, etc.) não garantem a obtenção de resultados computacionais corretos. Isso deve ser usado em conjunto com a experiência em computação numérica e conhecimentos de engenharia para atingir a precisão requerida na simulação matemática. Esse aspecto pode ocorrer até mesmo em modernos softwares comerciais, que apesar da grande quantidade de testes e verificações pelos quais passam, podem ainda não ter detectadas todas as suas possibilidades de erro. O engenheiro deve consequentemente, estar preparado para encarar vários tipos de possibilidades de erros. O software mais poderoso, o mais complexo, é também o maior gerador de propabilidade de erros.

Problemas de Propriedades Físicas

Propriedades eletromagnéticas de materiais aquecidos abrangem uma variedade de características. Enquanto reconhecemos a importância de todas as propriedades eletromagnéticas, duas delas – condutividade elétrica (e sua recíproca resistividade elétrica) e permeabilidade magnética relativa – tem o mais forte efeito nos processo de aquecimento por indução. Tenha em mente que essas duas propriedades não lineares variam com a temperatura, composição química, microestrutura, tamanho de grão, etc.

Permeabilidade magnética relativa, µr`, não é apenas uma função complexa da estrutura do grão, composição química, microestrutura e temperatura, mas também frequência e intensidade do campo magnético.

O mesmo tipo de aço carbono na mesma temperatura e frequência pode ter valores substancialmente diferentes de µr` devido a diferenças na intensidade do campo magnético. A Fig. 4 ilustra o complexo relacionamento entre µr`, temperatura e intensidade do campo magnético para aço carbono.

Três das mais críticas propriedades térmicas do material aquecido abrangem condutividade térmica, calor específico e perda de calor superficial devido à radiação e convecção. Todas essas propriedades térmicas são também funções não lineares de temperatura.

A natureza não linear das propriedades materiais impõe a necessidade de desenvolver algorítimos computacionais especiais que combinem fenômenos eletromagnéticos e térmicos.

Há várias maneiras de agrupar eletromagnetismo e transferência de calor quando se faz o modelamento de aquecimento por indução, incluindo a aproximação em duas etapas, agrupamento indireto e agrupamento direto. Mesmo uma visão superficial no comportamento das propriedades materiais revelam o perigo em utilizar apenas algum desses agrupamentos em certas aplicações de aquecimento por indução. Uma revisão crítica da aplicabilidade dessas técnicas de agrupamento é fornecida na referência 2.

Limitação de Alguns Códigos Comerciais

Uma grande maioria dos códigos comerciais usados para modelamento por computador para processos de aquecimento por indução são programas para todos os usos. Apesar de bem reconhecidos e com capacidades impressionantes das ferramentas de simulação comercial modernas, alguns programas generalizados apresentam dificuldades levando em consideração certos acessórios para uma aplicação particular de aquecimento por indução. Isso abrange, mas não limita o que segue: a presença de refratário térmico, peça aquecida pode simultaneamente mover, girar ou oscilar conforme a bobina de indução, operação de escaneamento que combina aquecimento e resfriamento, uso simultâneo de duas frequências para contorno de região temperada, distribuição não uniforme da temperatura inicial, etc.

Por essa razão, esteja ciente que alguns acessórios críticos de uma aplicação particular de aquecimento por indução poderiam ser um fator limitador, gerando consideráveis desafios para a maioria dos softwares comerciais disponíveis, afetando a precisão das simulações.

Esse assunto foi discutido em detalhe na referência 2.

Conclusão

Numa economia mundial acelerada, a habilidade dos fabricantes de sistemas de aquecimento por indução para minimizar o tempo entre o pedido de cotação do cliente e a cotação através de um modelamento por computador eficiente é um ponto crítico para o sucesso da companhia. Além disso, o dinamismo da indústria geralmente não permite esperar vários dias para se obter os resultados do modelamento.

A indústria exige resultados confiáveis da simulação por computador dentro de poucas horas. Medidas podem ser tomadas para assegurar que o analista com o conhecimento adequado, usando o software de simulação apropriado conduz ao modelamento por computador.

Referências

1. V. Rudnev, “Simulation of Induction Heating Prior to Hot Workingand Coating,” ASM Handbook, Vol. 22B, Metals Process Simulation, D. U.Furrer and S. L. Semiatin, editors, ASM, 2010, pages 475-500;
2. V. Rudnev, “Simulation of Induction Heat Treating,” ASM Handbook,Vol. 22B, Metals Process Simulation, D. U. Furrer and S. L. Semiatin, editors, ASM, 2010, pages 501-546.

Para mais informações: Contate Dr. Valery Rudnev, Inductoheat, Inc., , Madison Heights, MI 48071; tel: +1 248-629-5055; rudnev@inductoheat.com; web: www.inductoheat.com. Revisão de tradução gentilmente cedida por Leandro Pasti; leandropasti@inductothermgroup.com.br; e Rafael Herrero; rafaelherrero@inductothermgroup.com.br; Inductotherm Brasil; (19) 3885-6800.

 

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

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *