Com o objetivo de atender às especificações da AMS 2750, era necessário um projeto de duas fases para reformar um sistema de tratamento térmico. O novo equipamento fornecia benefícios, incluindo os custos trabalhistas reduzidos, melhor registro de dados e redução no consumo de energia
Uma empresa de fundição de alumínio dos EUA precisava de um forno para ajudar a melhorar a qualidade e a eficiência dos processos, satisfazendo as crescentes demandas de produção. A fundição estava utilizando cinco fornos tipo poço, uma ponte rolante e um único tanque estacionário de têmpera para o tratamento térmico de solubilização dos fundidos de alumínio. O equipamento, que estava em serviço há mais de 30 anos, era “desajeitado” e não mais eficiente. Para atender às exigências de qualidade dos usuários finais, incluindo a especificação de tratamento térmico da AMS 2750, eram necessárias melhorias na uniformidade de temperatura do forno e nos tempos necessários para a têmpera.
Um estudo de caso ilustra como a reformulação do sistema satisfez tais objetivos. Entre os pontos abordados estão o escopo inicial do trabalho, os objetivos do projeto e como esses objetivos foram alcançados nas duas fases do projeto. Também serão fornecidos detalhes sobre o desempenho e as características de operação do novo forno de fundo falso.
Entregar Mais do que o Equipamento Original
O tamanho original da câmara para o primeiro forno mantinha uma carga de peças fundidas em um volume de um cesto com aproximadamente 1,8 x 1,5 x 1,8 m. Cada lote consistia de 3 toneladas de peças fundidas de alumínio de todas as formas, tamanhos e arranjos, bem como cerca de 3.600 kg de cestos de aço, racks e barras para içar carga.
Requisitos da AMS 2750
Como conhecer a especificação AMS 2750 era um objetivo, o processo de tratamento térmico foi projetado para uma uniformidade de temperatura de ± 5°C com a temperatura do forno em 538°C. Para que isso fosse atingido, os sistemas do forno de queimador a gás com chama direta e de circulação de ar precisaram ser dimensionados corretamente. Neste caso, o volume de ar calculado para atender a essa demanda foi dimensionado em 30 renovações de ar por minuto. Os cálculos foram feitos comparando-se a velocidade do ar fornecido ao produto versus o número de trocas de ar. O cálculo da renovação/mudança do ar foi determinado como o maior volume de fluxo de ar, o que era o melhor projeto para o processo. Um sistema de queimadores com chama direta a gás foi dimensionado para aquecer a carga da temperatura ambiente até o ponto de ajuste operacional dentro de 1,5 hora.
Além de atender aos requisitos de volume de produção, o forno precisava ter a capacidade de registrar e documentar as informações do processo. Para atender a isto, um sistema de controle elétrico e um programa de PLC ( foram desenvolvidos para operar utilizando sequências/receitas de ciclos térmicos pré-programadas que poderiam ser selecionadas com base no tipo de fundido sendo processado. As variáveis projetadas dentro de uma receita incluem taxas das rampas de aquecimento, tempo total de processo após as peças atingirem a temperatura, manutenção da temperatura de operação e a taxa de têmpera.
O armazenamento dos dados de temperaturas durante o processo é fundamental para atender à verificação de qualidade de peças de cada corrida. Isso foi conseguido com a utilização de um gravador de dados de temperatura de papel de 12 pontos. Como parte dos objetivos do sistema de controle, os dados de temperatura poderiam ser gravados durante cada ciclo térmico. A informação é armazenada no próprio gravador e transmitida por meio de uma ligação em rede para o sistema de aquisição de dados da fábrica para registro permanente. A conexão em rede também fornece ao fabricante a capacidade de controlar o forno e monitorar as operações a partir de um escritório remoto ou de uma estação de trabalho.
Melhorias na Têmpera
Após o aquecimento adequado, a segunda questão mais crítica é o tempo que a carga do produto precisa para ser completamente temperada. Neste processo, foram autorizados 15 segundos para abrir as portas e deixar cair a carga, elevada em aproximadamente 2,5 metros, no reservatório de água de têmpera, posicionado abaixo da abertura da porta do forno. Devido à limitação de altura na área de trabalho, a combinação tanque de resfriamento e plataforma de carga foi colocada em um poço no chão da fábrica. Os fluidos de têmpera utilizados, assim como a taxa de circulação e a temperatura do meio de têmpera, variam de acordo com o que está sendo processado – se fundidos ou tiras metálicas. Neste caso, a correta taxa de têmpera determinada foi a circulação de água fresca no tanque, com uma taxa de cinco trocas de volume por hora. Para as peças fundidas de alumínio a serem processadas foi utilizada água “da rua”.
Outros Benefícios
Além de atingir os objetivos de aumento de produção, outras melhorias no processo de fabricação incluíram a diminuição de material sendo manuseado ao se tratar grandes cargas de uma única vez. Isto diminuiu o tráfego de empilhadeiras na área. Outras melhorias do processo incluem:
• Um processo cíclico de 8 horas automatizado;
• Melhoria na qualidade devido a um ajuste mais “apertado” da uniformidade de temperaturas;
• Melhoria no controle da taxa de têmpera;
• Têmperas mais rápidas.
As melhorias no sistema de controle incluíram:
• Um sistema de aquisição de dados e de documentação dos parâmetros do processo mais moderno;
• Um controle preciso do ciclo térmico (ou seja, da temperatura do processo).
Peças com qualidade superior foram o resultado de uma têmpera com taxas de circulação maior do fluido e dispersão do calor das peças. A perda de calor foi reduzida utilizando-se isolantes cerâmicos e queimadores mais eficientes com altas relações de retorno e emissões mais baixas.
Fornecendo Capacidade Adicional à Produção
Dentro de semanas, após a instalação estar completa, os objetivos originais de aumento da produção, melhoria da qualidade, redução do consumo de energia e redução dos custos com mão de obra foram atingidos e ultrapassados. A qualidade dos fundidos tratados termicamente alcançou os níveis requeridos pela ASM 2750.
Entretanto, como a economia ganhou força, a fundição procurou por uma solução que dobraria o volume de produção, mantendo o espaço de fabricação em um nível mínimo. Como a área de tratamento térmico estava localizada em um poço, era necessário que o equipamento adicional estivesse na mesma área. Foi tomada uma decisão para aumentar o poço existente.
Após análises seguintes do layout, foi determinado que um segundo forno, tendo as mesmas capacidades do primeiro, poderia ser colocado em linha com o forno já existente, minimizando, assim, o tamanho da extensão do forno. Os transportadores de carga e o tanque de têmpera seriam utilizados para carregamento e têmpera de cargas de ambos os fornos.
Uma vez que isto foi determinado, os fornos poderiam ser colocados fisicamente em uma área e a próxima questão a ser determinada seria a combinação da interface homem/controles de forma que cada sistema pudesse monitorar e ver os tempos de processo para cada forno. Além disso, esta interface poderia ser utilizada para controlar ambos os processos, e os dados poderiam ser enviados para um sistema de aquisição interno a partir de ambos os gravadores multipontos.
Com uma solução encontrada para os controles, os custos de mão de obra foram reduzidos de um operador em tempo integral para carregamento e transferência das cargas de fundidos para um operador de área que carregaria os cestos de fundidos a cada 4 horas. Como o processo foi projetado para ser automático, o carregamento ocorre em um local e é controlado por um operador direcionando o movimento da empilhadeira.
O consumo de energia dos novos fornos reduziu o consumo de gás como um todo em comparação aos cinco fornos originais. O calor em excesso dentro da área de trabalho é significativamente menor devido à melhor qualidade dos novos isolantes de cerâmica relacionado com a localização dos fornos longe dos operadores. O calor é coletado e enviado para fora da área de trabalho por uma ventilação no telhado e por um exaustor.
Após completar a segunda fase de expansão, os objetivos iniciais do projeto – incluindo aumento do volume de produção, menor manuseamento de materiais, redução da mão de obra, aumento da eficiência energética e uso efetivo do chão de fábrica – foram alcançados.
Para mais informações, contate: Peter Caine, vice- presidente da HeatTek Inc., 1285 Industrial Dr., P.O. Box 347, Ixonia, WI 53036; tel: +1 800-575-7077; fax: +1 262-569-7405; web: www.heattek.com.
