TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico
17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil
ESTRATÉGIAS DE CONTROLE PARA
FORNO DE TRATAMENTO TÉRMICO
A. A. Alcantara (1), (2)
E. A. Tannuri (3)
(1) Sun Metais Ltda.
Rua Brasiliense, 79 – Santo Amaro – CEP 04729-110 - São Paulo - SP - [email protected]
(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 8640. 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
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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 1.
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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 8000. 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
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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
8640. Na tabela 2, tem-se a descricão de alguns tratamentos térmicos com suas
típicas temperaturas de processo para o aço SAE 8640.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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Tabela 5 – Resultados para peça grande e controle na superfície
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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
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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, 1991. v.4.
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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.
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