Maximizando o desempenho de fornos a vácuo com têmpera a gás

Há diversos fatores críticos de engenharia que precisam ser considerados quando se projeta um novo forno de alto desempenho com têmpera a gás, incluindo:

– Projeto adequado dos circuladores de ar para se atingir o máximo fluxo de gás;
– A criação de um caminho de mínima resistência ao fluxo para a recirculação do gás;
– Consideração dos tipos de gases de resfriamento que serão utilizados;
– Um método para otimizar as potências dos sistemas de resfriamento disponíveis.

A maioria dos fornos é projetada para operar com máxima pressão para um tipo de gás específico (nitrogênio, argônio, hélio, hidrogênio). Isto sacrifica o desempenho do sistema em pressões inferiores à pressão ótima que foi especificada pelo projeto, além de aumentar o tempo do ciclo e criar limitações extremas no desempenho quando se implementa outros gases. Para compensar a mudança na densidade do gás, diminui-se a pressão de têmpera e/ou a velocidade dos circuladores de ar. Em muitos equipamentos para tratamento térmico utiliza-se tanto o argônio como o nitrogênio, assim, isto é algo de interesse.

Conceito do Projeto Síncrono

A fim de superar muitas das desvantagens que existem nos atuais fornos a vácuo, a Solar implementou um conceito de projeto síncrono em seu novo forno de alta pressão de resfriamento. Os principais componentes deste projeto incluem:

– Utilização de uma unidade de frequência variável (UFV) para “aumentar a velocidade” de resfriamento do motor do circulador de ar;
– Seleção de um motor especialmente projetado para suportar as condições de “maior velocidade”;
– Projeto de um circulador de ar com tamanho adequado para operar em toda a faixa de pressão.

Comparação do Projeto Síncrono com o Convencional para Dois Gases

De forma oposta aos projetos tradicionais de fornos a vácuo, a abordagem síncrona permite que o sistema de resfriamento do forno opere na faixa de alta velocidade do motor quando utiliza-se nitrogênio e com uma velocidade ligeiramente reduzida quando utiliza-se o argônio, mantendo-se a mesma pressão. A potência completa pode ser utilizada porque a velocidade de operação ainda está acima da velocidade do motor síncrono. A Tabela 1 está normalizada para comparar o desempenho relativo de cada sistema utilizando nitrogênio ou argônio gasosos.

O equacionamento do desempenho relativo dos dois sistemas mostra:

– Nitrogênio: 7.200 / 7.200 = 1

Os dois sistemas fornecem um resfriamento equalizado para o nitrogênio nesta pressão.

– Argônio: 6.468 / 5.220 = 1,24

Isto ilustra a melhora no resfriamento relativo (24% melhor) quando utiliza-se argônio no sistema síncrono comparado ao sistema convencional.

Aplicando o Projeto Síncrono ao Novo Forno a Vácuo 20-Bar

O projeto síncrono com a sua UFV foi recentemente incorporado ao mais novo forno a vácuo da Solar, o 20 bar Super Quench (SSQ). Este sistema recentemente produzido e instalado passou por um programa de testes extensivo para a comparação completa do seu desempenho com os projetos convencionais.

Este forno tem uma zona quente que mede 900 mm de comprimento x 900 mm de altura x 1200 mm de profundidade com um sistema incorporado de resfriamento a gás com motor de 300 HP. A carga de teste na Fig. 1 foi selecionada para representar uma carga típica para este tamanho de forno e foi utilizada em todos os testes e ilustrações que se seguem. A carga de teste utilizada:

– 20 barras de aço, cada uma com diâmetro de 75 mm e 700 mm de comprimento;
– Seis cestos para carregamento e uma grade para suporte;
– Peso total da carga de aproximadamente 600 kg;
– Sete termopares distribuídos pela carga para medir a temperatura dos núcleos.

O procedimento de teste para o resfriamento foi o seguinte:

– A mesma carga foi utilizada para todos os testes;
– Foi utilizado o nitrogênio como gás de resfriamento;
– A carga foi resfriada a partir de 1.090ºC;
– As pressões do gás foram de 2, 4, 6, 10 15 e 20 bar.

Comparação do Forno Convencional 10-Bar com o Projeto de Resfriamento Síncrono a 10 bar

Para demonstrar a melhora no resfriamento do recentemente projetado forno de 20 bar, a Solar realizou testes em um forno com 10 bar de resfriamento utilizando a mesma carga e comparou com os testes de resfriamento a 10 bar no forno de 20 bar. O projeto convencional de 10 bar é identificado como forno HIQ-5748, e o forno de 20 bar é identificado como SSQ-5748. A Fig. 2 ilustra a melhoria significativa do projeto síncrono versus o projeto convencional.

O projeto de resfriamento síncrono com 4 bar de pressão produziu o mesmo desempenho no resfriamento que o projeto convencional com 10 bar de pressão. Isto significa que é possível se atingir os mesmos resultados utilizando 60% a menos de gás.

A Tabela 2 mostra a variação dos componentes do projeto síncrono conforme a pressão aumenta.

Testes do SSQ-5748 com Diversas Pressões de Gás

A próxima série de testes envolve o processamento da mesma carga variando-se a pressão do gás na faixa de 2 a 20 bar (Fig. 3). Isto ilustrou as excelentes taxas de resfriamento que foram atingidas utilizando-se o projeto síncrono.

Estes resultados também apresentaram taxas de resfriamento que poderiam ser aplicadas para certas classes de materiais que são temperáveis ao óleo para se atingir as propriedades desejadas e que anteriormente não era possível serem atingidas com têmpera a gás. Ensaios adicionais estão sendo realizados para estabelecer quais materiais de uma dada seção transversal poderiam ser processados neste estilo de forno.

Conclusões

Baseadas nos dados compreensíveis dos testes, as conclusões resultantes são:

– A incorporação da UFV dentro de um sistema de têmpera a gás permite uma excelente versatilidade, considerando-se o resfriamento a gás com diferentes pressões e quando utiliza-se diferentes tipos de gases;
– Operando-se na máxima velocidade do motor ou abaixo, maximiza-se o desempenho do sistema;
– O conceito do projeto síncrono permite a utilização do maior circulador de ar possível para maximizar a eficiência para todas as faixas de pressão;
– O forno SSQ permitirá que a têmpera a gás substitua a têmpera em óleo para certos materiais, assim, melhora bastante a estabilidade das peças e sem a necessidade de operações de pós-processamento.

Para mais informações, contate: Nick Cordisco, engenheiro elétrico, Solar Manufacturing Inc., EUA; tel: +1 267-384-5040; e-mail: nick@solarmfg.com; web: www.solarmfg.com.