Os fornos a vácuo modelo HPGQ – High-Pressure Gas-Quenching (Resfriamento a Gás de Alta Pressão) são comumente usados para o tratamento térmico de ferramentas e produtos de aço de altas, médias e baixas ligas, e para aplicações de tecnologia de cementação a vácuo de baixa pressão (LPC – Low Pressure Carburizing)
Os fornos a vácuo são fabricados com sistemas de resfriamento a gás de 6 a 25 bar de pressão com Nitrogênio e, ocasionalmente, Hélio, sendo usado como um agente de arrefecimento. Estes fornos têm capacidade de carga de 200 a 5.000 kg, principalmente com carregamento horizontal. Fornos com maiores capacidades de carga e maiores câmaras de aquecimento são geralmente projetados para um propósito técnico específico, enquanto fornos com capacidades menores de carga e menores câmaras de aquecimento são adequados para diversas aplicações tecnológicas. Agora é possível adaptar um forno para têmpera de aços ferramenta e aço HSLA – High Strength Low Alloy Steel (aço de alta resistência e baixa liga), sendo também capaz de cementar a vácuo de baixa pressão (LPC) a maioria dos tipos de aço, incluindo o uso de tecnologias de otimização, como FineCarb (tecnologia de cementação a vacuo), PreNit (tecnologia de pré-nitretação para restringir a formação de grãos), nitretação a vácuo, etc. Uma ênfase na eficiência de custos dos processos implantados é tão importante como sempre, e também leva a novas oportunidades.
Tempo de montagem dos fornos a vácuo de nova geração
Na compra de equipamentos, investidores estão interessados em uma montagem e start-up rápidos. Um forno entregue deve ser pré-montado na máxima extensão possível, a fim de eliminar ou limitar substancialmente o trabalho de montagem necessário. Fornos a vácuo fabricados pela SECO / WARWICK com dimensões de carregamento de 400 x 400 x 600 mm (16 x 16 x 24 polegadas) e 600 x 600 x 900 mm (24 x 24 x 36 polegadas) atendem a esses requisitos. Ao mesmo tempo, área ocupada pelo forno é pequena. O tempo de montagem e start-up desses fornos é curto. Em muitos casos, é possível limitar o start-up em três dias, incluindo a formação dos operadores. A Fig. 1 é um exemplo em que o corpo do forno, os equipamentos e quadro de comando são montados em uma placa de transporte. Os fornos podem ser instalados por meio de empilhadeira, ponte rolante ou rolos de transporte. Os únicos elementos desmontados para fins de transporte são o transformador e o sistema de bomba. Sua remontagem leva um máximo de 2-3 horas.
Sistema de controle de potência para economia de energia em fornos a vácuo HPGQ
Atualmente, a avaliação do forno envolve capacidades tecnológicas, eficiência, confiabilidade operacional e vida dos sistemas (incluindo câmara de aquecimento), além da minimização da quantidade de consumíveis utilizados e de fatores de energia. Melhorias nestas variáveis podem ser alcançadas de diversas maneiras:
• Usando componentes mais eficientes, tais como motores elétricos;• Usando transformadores para elementos de aquecimento;• Usando isolamento da câmara de aquecimento;• Reduzindo o número de componentes;• Por meio de sistemas de controle adequados.
Um forno a vácuo HPGQ típico tem dois grandes sistemas consumidores de energia elétrica, os processos de aquecimento e de arrefecimento. Cada um deles é tradicionalmente equipado com um sistema individual de controle de potência. Condutores tiristores ou um transdutor são utilizados no processo de aquecimento, e um arranque suave ou um inversor de frequência do motor do soprador é utilizado no processo de resfriamento a gás. Devido ao fato de que as fases de aquecimento e resfriamento são sempre separadas na sequência de operação do forno, apenas um sistema de controle está ligado. Esta foi a premissa para a concepção de um sistema único e universal que controlaria a potência do forno de aquecimento e sua taxa de resfriamento alternadamente. O sistema de controle de potência economizador de energia para fornos a vácuo desenvolvido pela SECO / WARWICK (patente dos EUA 7.193.188 e patente da UE) emprega um inversor, que tem uma série de vantagens sobre o sistema tradicional e soluções concorrentes:
– Uma regulagem da potência de aquecimento muito precisa e sem escalas é assegurada enquanto permite uma regulagem da intensidade da refrigeração a gás dentro de toda a gama de velocidades do soprador. Anteriormente, isso só era possível para baixas velocidades.• Agora é possível realizar processos avançados com resfriamento controlado, incluindo martêmpera e austêmpera.• O sistema de refrigeração pode ser facilmente adaptado e otimizado para utilizar uma variedade de gases e suas misturas (N2, Ar, He, H2).• O gabinete de controle é menor (Fig. 2).
Parâmetros de desempenho muito elevados foram alcançados na área da eficiência energética:
– O fator de potência (FP) do sistema de aquecimento foi aumentado em comparação ao controle do tiristor.• O FP do motor do soprador foi aumentado em comparação com a fonte de alimentação direta;• A sobrecarga da rede de energia que ocorre durante o start-up (na corrente elétrica nominal) foi eliminada.
O fator de potência (FP) é definido como uma relação de potência ativa P com a potência aparente S; FP = P / S. O fator de potência define a parte da energia consumida pela carga P em relação à potência entregue S e deve ser o mais próximo de 1 (100%) quanto possível. Cada método da regulagem da potência sem etapas entregue a qualquer receptor está associado com a redução da eficiência energética do aparelho, o que resulta na redução do FP. Para ilustrar esse efeito, o FP do sistema do forno HPGQ padrão de 600 x 600 x 900 mm foi comparado através da regulagem da potência por meio de um condutor tiristor liberado de fase e de um inversor (Fig. 3). Os diagramas provam que quanto maior a redução da potência, pior o fator de potência. A relação é mais forte com o controle por tiristor (SCR) do que com inversor (INV).
A 50% da potência (P), o FP para o condutor tiristor é de 66% (0,66), enquanto que para o inversor é de 88% (0,88). Isso demonstra uma forte vantagem do INV (perda de potência de 12%) sobre o SCR (34% de perda de potência).Um tratamento térmico teste foi executado em um forno HPGQ 600 x 600 x 900 mm para ambos os tipos de controle de potência: um tradicional com o uso de condutor tiristor e um novo com o uso de inversor. A potência e energia elétrica consumidas foram monitoradas durante o processo. O processo envolveu o aquecimento da carga a 1000°C a uma velocidade de 10°C/min, mantendo a temperatura por um período de 3 horas e resfriamento dos 600 kg (1.323 libras) da carga em nitrogênio a uma pressão de 10 bar. Diagramas ilustram a medição da potência e do fator de potência durante o processo para SCR (Fig. 4) e para INV (Fig. 5), respectivamente.
O curso do consumo de energia ativa (vermelho) é quase idêntico para ambos os processos e confirma que eles são realizados sob as mesmas condições, o que é a base da comparação. Como esperado, as diferenças mais significativas ocorrem nos cursos de potência passiva (azul) e do FP (verde). A passiva PV é muito menor com INV e o valor do FP é muito maior do que com SCR.
Parâmetros de desempenho muito elevados foram alcançados na área da eficiência energética:
– O fator de potência (FP) do sistema de aquecimento foi aumentado em comparação ao controle do tiristor.• O FP do motor do soprador foi aumentado em comparação com a fonte de alimentação direta;• A sobrecarga da rede de energia que ocorre durante o start-up (na corrente elétrica nominal) foi eliminada.
O fator de potência (FP) é definido como uma relação de potência ativa P com a potência aparente S; FP = P / S. O fator de potência define a parte da energia consumida pela carga P em relação à potência entregue S e deve ser o mais próximo de 1 (100%) quanto possível. Cada método da regulagem da potência sem etapas entregue a qualquer receptor está associado com a redução da eficiência energética do aparelho, o que resulta na redução do FP. Para ilustrar esse efeito, o FP do sistema do forno HPGQ padrão de 600 x 600 x 900 mm foi comparado através da regulagem da potência por meio de um condutor tiristor liberado de fase e de um inversor (Fig. 3). Os diagramas provam que quanto maior a redução da potência, pior o fator de potência. A relação é mais forte com o controle por tiristor (SCR) do que com inversor (INV).
A 50% da potência (P), o FP para o condutor tiristor é de 66% (0,66), enquanto que para o inversor é de 88% (0,88). Isso demonstra uma forte vantagem do INV (perda de potência de 12%) sobre o SCR (34% de perda de potência).Um tratamento térmico teste foi executado em um forno HPGQ 600 x 600 x 900 mm para ambos os tipos de controle de potência: um tradicional com o uso de condutor tiristor e um novo com o uso de inversor. A potência e energia elétrica consumidas foram monitoradas durante o processo. O processo envolveu o aquecimento da carga a 1000°C a uma velocidade de 10°C/min, mantendo a temperatura por um período de 3 horas e resfriamento dos 600 kg (1.323 libras) da carga em nitrogênio a uma pressão de 10 bar. Diagramas ilustram a medição da potência e do fator de potência durante o processo para SCR (Fig. 4) e para INV (Fig. 5), respectivamente.
O curso do consumo de energia ativa (vermelho) é quase idêntico para ambos os processos e confirma que eles são realizados sob as mesmas condições, o que é a base da comparação. Como esperado, as diferenças mais significativas ocorrem nos cursos de potência passiva (azul) e do FP (verde). A passiva PV é muito menor com INV e o valor do FP é muito maior do que com SCR.
A Figura 6 ilustra a comparação do consumo de energia, que pode ser a base para estimar o custo da energia para ambos os processos. O consumo de 325 kWh de energia ativa estava acompanhado pela absorção de 366 kVArh de energia passiva para tiristores e somente 212kVArh para inversores, o que significa 42% menos. Os dados indicam claramente que um sistema de controle de energia por inversor em um forno a vácuo melhora sua eficiência energética, reduzindo o consumo de energia passiva e os custos de energia elétrica.
Novos recursos tecnológicos dos fornos HPGQ
Soluções avançadas de software de processo expandem o escopo dos atuais fornos a vácuo HPGQ.
HPGQ com Hélio
A opção de resfriamento HPGQ, com até 25 bar de pressão de gás de refrigeração (incluindo o hélio), permite o tratamento térmico universal comparável aos óleos de têmpera. O fator a das velocidades de resfriamento alcançadas equivale a 1.800-2.000 W/m2K. A uniformidade da intensidade da refrigeração dentro do espaço útil total de um forno se encaixa na faixa de + / -15%. O desempenho de um forno 25 VPT 4035/36 (Fig. 1) foi apresentado mais completamente na edição de setembro de 2009 da Industrial Heating. Estes fornos podem ser equipados com sistemas de reciclagem de hélio com até 99,5% de eficiência.
Resultados interessantes foram alcançados durante o teste mais recente do resfriamento de um cubo de 400 mm de aço H13, que foi conduzido de acordo com a GM-DC-9999-1 e especificações NADCA – North American Diecast Association (Associação Norte-Americana de Fundição Sob Pressão) em um forno de 600 x 600 x 900 mm. As velocidades de resfriamento alcançadas nas paredes laterais variaram entre 200 e 250°C/minuto, enquanto que a velocidade alcançada em um típico forno de 600 x 600 x 900 mm com sistema de resfriamento por nitrogênio de 10 bar é de 80°C/minutos com os requisitos NADCA de 28°C/minuto.
Simulador de têmpera
Fornos dedicados a tratamento térmico de ferramentas, incluindo ferramentas de aço para trabalho a quente, são atualmente equipados com um simulador que permite projetar o processo de têmpera de peças de grande porte e/ou forno de grandes cargas e comparar os resultados reais com a simulação. Assim, o processo de tratamento térmico de ferramentas caras pode ser otimizado para produzir peças da mais alta qualidade. A Figura 7 mostra a janela do simulador G- Quench Pro.
HPGQ com LPC
Fornos HPGQ VPT (<25 bar) são uma solução muito boa e comprovada para LPC usando a tecnologia FineCarb®. Estes fornos podem ser utilizados para um tratamento térmico clássico de ferramentas e aços HSLA ou cementação e endurecimento de uma variedade de ligas de aço.
Para processos de cementação, os fornos são equipados com o software SimVaC® – um programa de simulação avançada que consiste em um módulo de cementação a vácuo, SimCarb, e um módulo de têmpera, SimHard (Fig. 8). Este software faz com que seja possível prever com precisão os resultados do processo. A simulação do processo prevê a mistura de gás de cementação e apresenta o resultado do processo na forma de perfil de carbono e perfil de profundidade da dureza. A simulação sugere o processo com base em uma exigência de profundidade.
O sistema leva em consideração o grau de aço, a forma e a geometria das peças tratadas, o tamanho da superfície da carga, a concentração de carbono na superfície, os requisitos de profundidade do carbono, a temperatura de cementação, a sequencia de impulso e difusão. Também é levado em consideração a fase de pré-resfriamento antes de endurecimento, o tipo de gás de refrigeração e sua pressão, e o tamanho do forno.
O programa de simulação SimVaC® é um suporte necessário para as funções tecnológicas do forno, para prever os resultados os processos de cementação e de têmpera. A alta precisão da simulação e a sua coerência com os limites reais dos resultados do processo ou mesmo elimina a necessidade de realização de pesquisas e decididamente acelera a otimização de processos.
Tecnologia PreNit®
A próxima etapa do desenvolvimento da cementação a vácuo FineCarb® é a tecnologia de cementação apoiada por nitretação – PreNitLPC®. Esta tecnologia envolve a alimentação de amônia na fase inicial do processo – na fase de aquecimento para cementação (Fig. 9). A introdução do nitrogênio na camada superficial apoia o processo de cementação, acelerando a difusão de carbono, reduzindo a tendência de criar carbonetos e, mais importante, limitando consideravelmente o crescimento do grão austenítico. Estas vantagens tornam possível reduzir o tempo de processo, aumentando a temperatura de cementação. Ao mesmo tempo, a camada alcançada tem a microestrutura e propriedades mecânicas adequadas, que não são inferiores em comparação com as obtidas em processos tradicionais a uma temperatura mais baixa.
Usando cementação tradicional na temperatura de 925°C como referência, o tempo do processo pode ser reduzido pela metade a 980°C. É possível diminuir ainda mais o tempo do processo em três, quatro e cinco vezes a temperaturas a 1000°, 1020° e 1040°C, respectivamente. A fim de obter a profundidade efetiva da camada superficial de 2 mm para o aço 16MnCr5, o processo vai durar 22 horas na temperatura de 925°C, enquanto que levará menos de 5 horas a 1040°C.
Graças à utilização do método PreNitLPC®, é possível cementar a temperaturas de 1000°C ou superiores, sem alterar o tamanho de grão austenítico. A figura 10 ilustra uma comparação entre a microestrutura de uma camada cementada de 0,6 mm obtida em um forno a vácuo a temperatura de 920°C e com o uso do método PreNitLPC® a 1000°C. Como pode ser observado, apesar da alta temperatura, o tamanho de grão na camada é menor após o processo de PreNitLPC® e equivale a 13,6µm em comparação a 16,7µm no processo de LPC sozinho. Como esperado, o tamanho de grão fora da camada cementada no núcleo é maior para uma temperatura mais alta e equivale a 19,2µm para o PreNitLPC® a 1000°C e 17,2µm para cementação a vácuo a 920°C.
Mais testes de propriedades mecânicas obtidos nos processos PreNitLPC® de alta temperatura provaram não serem piores do que os obtidos em processos a temperaturas tradicionais. Os testes de comparação de dureza, resistência à fadiga, à corrosão e ao impacto foram realizados para esta finalidade.
HPGQ com nitretação a vácuo
Ferramentas de aço temperado e revenido em fornos a vácuo HPGQ podem ser nitretadas utilizando a tecnologia FineLPN. A nitretação ocorre durante o segundo e terceiro ciclos de revenimento. A nitretação, ilustrada na Fig. 11, é semelhante à cementação a vácuo, onde, com a apropriada segmentação do processo (dosagem de NH3, nível de vácuo e tempos de difusão), a estrutura e a espessura da camada de aços ferramenta típicos podem ser programadas (Fig. 12). A atmosfera livre de oxigênio em processos de têmpera e revenido anteriores a nitretação torna possível aumentar a uniformidade da nitretação em comparação com outros métodos de ativação da camada antes da dela.
As figuras 13, 14 e 15 ilustram a distribuição da dureza e estruturas típicas alcançadas para os aços ferramenta mais comumente utilizados (M2, H11 e D2).
Uma nova geração de fornos a vácuo de câmara única é o resultado do desenvolvimento de tecnologia de vácuo em curso pela SECO / WARWICK S.A. Os fornos tomam uso de uma variedade de tecnologias e os softwares de processo disponíveis tornam mais fácil operá-los com precisão. Um único forno a vácuo HPGQ pode ser utilizado para várias tecnologias, tornando-o muito versátil. No tratamento térmico de ferramentas, é possível combinar têmpera e revenido com a nitretação. Estes fornos são preparados para rápida montagem rápido e start-up, e graças a soluções de controle aplicadas eles resultam em economia significativa de energia.
Referências
1. M. Korecki, J. Olejnik, Z. Szczerba, M. Bazel SECO / WARWICK, S´wiebodzin Polônia;. “Forno a Vácuo HPGQ de Câmara Única com Eficiência de Revenimento Comparável ao Óleo,” Industrial Heating, setembro 2009;
2. P. Kula, M. Korecki, R. Pietrasik, J. Olejnik, E. Wolowiec; “Nitretação de baixa pressão – FineLPN – a nova opção para o LPC + fornos a vácuo HPGQ”, Furnace North America, 5-6 de outubro de 2010, Orlando;
3. Patente EUA 7193188.
Para mais informações, contate: Dr. Maciej Korecki, diretor da equipe de vácuo, SECO / WARWICK S.A. Sobieskiego 8 str, 66-200 Swiebodzin, POLÔNIA, tel:. +48 68 38 20 506; e-mail: m.korecki@secowarwick.com.pl; web: www.secowarwick.com.
