O tratamento criogênico requer os mesmos tipos de controle de temperatura que os processos de classe superior, mas os métodos são diferentes
Os conceitos básicos de tratamento térmico de metais remontam aos primeiros ferreiros. No processo de fazer ferramentas e armas, eles aprenderam:
– Como controlar a temperatura com uma mistura de combustíveis e ar;
– Como avaliar a quantidade de calor através da cor do metal;
– Como a têmpera em água alterou as características de dureza.
Com a chegada da Revolução Industrial, os processos evoluíram com muitos avanços na metalurgia. Um maior nível de controle através de medição de temperatura mais precisa e a quantificação do processo possibilitaram a repetibilidade de formas anteriormente não possíveis. Então, na segunda metade do século XIX, os processos criogênicos e de refrigeração, recentemente desenvolvidos, permitiram que os produtos fossem resfriados a níveis muito inferiores às temperaturas de inverno, independentemente da localização ou estação.
No que se refere ao tratamento térmico, as histórias de fabricação relatam que as relojoarias suíças do século XIX deixavam peças ao ar livre durante o inverno. Quando montados em um dispositivo, estes componentes permitiam que o relógio funcionasse com mais precisão em longo prazo. Na década de 1930, tornou-se comum a prática de congelamento de aço para ferramentas, principalmente porque possibilitou que o metal mantivesse um acabamento. Esses fabricantes provavelmente não entenderam o que estava acontecendo, mas perceberam o resultado.
Muitos avanços de fabricação foram desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial, mas o uso da criogenia no tratamento de metais ainda estava, em grande parte, na infância. Enquanto os metais congelados a baixas temperaturas apresentaram maior resistência ao desgaste, os processos não foram bem caracterizados.
Assim que os usuários perceberam que o tratamento térmico exigia mais cuidado do que simplesmente jogar as peças que seriam aquecidas em um forno, eles também notaram que os processos criogênicos exigiam calibração e controle cuidadosos.
Controle de tempo e temperatura para tratamento térmico
Muitos processos básicos de tratamento térmico são simples. Outros são muito mais sofisticados, como as peças que são colocadas em um forno acompanhando uma série de ciclos de rampa e patamar. Nessas aplicações, o forno se aquece lenta e uniformemente, oscilando possivelmente a 815°C durante 40 horas. Então, deixa-se na temperatura final durante 80 horas e esfria-se lentamente por mais 20 horas. O controlador monitora a temperatura do forno precisa e deliberadamente através dos ciclos de rampa e o mantém estável em qualquer nível selecionado.
Como a quantidade de peças em uma carga e sua massa combinada pode variar, a quantidade de calor que absorvem também pode variar. Significa que o controlador deve ser capaz de compensar e manter o forno na temperatura ideal, independentemente do tamanho da carga.
Alguns processos envolvem apenas um ciclo de aquecimento ou apenas um ciclo de resfriamento criogênico, mas muitos envolvem ambos. Para obter máxima propagação de temperatura e o tratamento mais ideal de metais, as peças são frequentemente resfriadas e aquecidas seguindo um programa cuidadosamente projetado. Em alguns processos, um controlador pode ter de esfriar e depois aquecer as peças, oscilando de -184 a 204°C durante um período de 10 horas em uma forma linear.
Quando um processo de tratamento térmico exigir temperaturas baixas e altas, ele proporciona desafios complexos para o controlador. O controle de um processo a frio – seja em forno criogênico ou congelador horizontal – tem algumas diferenças críticas em relação ao controle de um forno de tratamento térmico padrão em temperaturas bem acima de 537°C. Estes fatores críticos afetam o desempenho de um controlador de temperatura, quando estão envolvidas temperaturas sub-zero.
Esses fatores devem ser considerados quando se aplica o mesmo controlador para executar as etapas de aquecimento e resfriamento. Embora a tecnologia pareça semelhante ao aquecimento, as características do processo são muito diferentes.
Fabricantes de fornos criogênicos e câmaras ambientais muitas vezes usam o método menos dispendioso de remoção de calor do processo e peças individuais. Ao iniciar a partir de uma temperatura ambiente típica, o uso de um líquido criogênico é caro e nem sempre necessário. Um congelador mecânico básico pode proporcionar a primeira fase de resfriamento para reduzir a quantidade de fluido criogênico utilizado. Naturalmente, significa que o controlador deve ser capaz de lidar com vários estágios de resfriamento no processo. Em situações onde as temperaturas mais baixas são necessárias, podem estar envolvidos vários tipos de processos criogênicos.
Assim como as peças podem ser aquecidas compreendendo um período de rampa específico, elas devem ser conduzidas até sua temperatura final a uma taxa de controle em aplicações criogênicas. A oscilação muito rápida pode sabotar a microestrutura desejada no metal. Um dispositivo de controle com um bom algoritmo e gerenciamento de padrão de set-point é necessário para manter a taxa de rampa específica e necessária para um processo bem sucedido.
Utilizando o PID para Ambas as Direções
Um problema comum com o uso de um controlador para ambos os processos é a diferença entre o funcionamento dos modos de aquecimento e resfriamento. A diferença afeta como a sintonia do loop deve ser configurada. Para muitos controladores, o resfriamento é uma reflexão tardia, e eles não têm total habilidade do PID para controlar o lado de resfriamento.
Para muitos controladores de calor/frio, a temperatura mais baixa esperada é -18°C, de modo que o algoritmo de resfriamento é um subconjunto do controle de aquecimento. Isso funciona bem para recipientes revestidos usando vapor e um líquido de resfriamento, como um tanque de fermentação em uma cervejaria. Para processos criogênicos, no entanto, o controlador precisa de uma estratégia PID e um mecanismo completamente separados para controlar a temperatura perto do set-point.
Loops de aquecimento típicos só podem deslocar a temperatura do processo para cima porque o elemento de controle é um aquecedor. Se a temperatura for muito alta, o controlador desliga o aquecedor e espera até que a temperatura fique dentro da faixa especificada. Quando as opções de aquecimento e resfriamento estão acessíveis, um controlador mal ajustado pode reagir exageradamente, quando uma temperatura estiver muito alta durante um ciclo de aquecimento, e ativar o resfriamento criogênico. Na pior das hipóteses, pode até começar a oscilar entre ciclos de aquecimento e resfriamento, o que pode causar choques térmicos desastrosos para as peças que estão sendo tratadas ou tornar-se um grande desperdício de energia e processo criogênico.
Quando o forno atinge seu set-point – quente ou frio – e a saída é alternada entre calor e frio, a sintonia precisa ser ajustada. A maioria das sintonias automáticas não funciona bem, a menos que seja sofisticada o suficiente para perceber as diferenças entre as funções de aquecimento e resfriamento. Normalmente, a sintonia deve ser ajustada independentemente.
Desafios do Resfriamento Criogênico
O conceito de aquecimento latente raramente é considerado em situações mais convencionais. Quando se utiliza um líquido criogênico para resfriar as peças, as alterações no calor latente, que permanecem no ambiente e nas peças, podem tornar difícil uma temperatura se manter estável. Conforme o nível de latência muda, as dinâmicas do sistema mudam. Como resultado, o controlador deve ajustar como isso responde ao forno, mesmo que a temperatura seja a mesma. Um controlador eficaz minimizará a quantidade utilizada de fluido criogênico ajustando as variáveis do PID ou utilizando um tipo de lógica fuzzy para responder às condições de alteração, que também irá apresentar um produto melhor.
Medir temperaturas criogênicas pode representar desafios. O sensor de temperatura escolhido em processos de tratamento térmico a quente e a frio, é quase sempre um termopar. Claro que existem vários tipos de termopares e a seleção merece séria consideração. Muitos tipos de termopares são classificados para temperaturas sub-zero, mas as especificações podem não contar toda a história. A precisão e sensibilidade de diferentes tipos de termopares começam a divergir quando se tenta medir em faixas criogênicas.
Se a leitura da temperatura tornar-se menos confiável, a capacidade para controlar com precisão será reduzida. Isso é um problema porque os fabricantes contam com a repeti- bilidade dos processos de tratamento térmico para manter a consistência de lote a lote. As tolerâncias críticas para peças usinadas com precisão podem ser interrompidas pelo processamento de inconsistências.
Infelizmente, conforme a temperatura cai acontece o mesmo com a sensibilidade dos termopares. A extensão da alteração varia de acordo com o tipo de termopar. Os tipos de pequenos sinais de milivolts produzidos em uma temperatura criogênica podem tornar uma leitura precisa praticamente impossível. Para piorar as coisas, o pequeno sinal de um termopar é mais suscetível a ruídos do que um sinal gerado a uma temperatura mais alta. Assim, o monitoramento de ruídos e técnicas de interligação adequadas são especialmente críticos.
Além disso, muitos controladores e registradores de processo não foram projetados para operar em faixas de temperatura criogênica. O firmware do controlador normalmente converte um sinal de termopar em uma temperatura, usando uma curva ou tabela de consulta para converter o valor de milivolt em uma temperatura. Deste modo, o controlador que está sendo avaliado deve ser capaz de lidar com valores tão baixos. A faixa de operação mais baixa dos termopares deve ser incluída nos instrumentos, e será particularmente crítico se as curvas Tipo E ou T estiverem presentes. Essas curvas são frequentemente utilizadas em aplicações criogênicas.
Controlar o ambiente do forno nem sempre é fácil, dependendo da temperatura desejada. Quando se utiliza um gás liquefeito como fluido criogênico, pode levar o ambiente até ao ponto de ebulição do gás se for alimentado continuamente para dentro da câmara, até que todo o calor latente seja removido. O ponto de ebulição do nitrogênio líquido é -196°C.
Se for desejável alguma temperatura mais elevada, por exemplo, -101°C, o controlador deve manter a temperatura injetando fluido criogênico intermitentemente. Para os usuários mais acostumados a processos aquecidos, a ação de resfriamento de um processo criogênico é significativamente mais rápida que o aquecimento com aquecedores elétricos ou à gás natural, o que requer diferentes estratégias de controle.
Conclusão
O tratamento térmico criogênico, utilizado sozinho ou em conjunto com processos aquecidos, pode fornecer ferramentas úteis aos fabricantes. As estratégias para controlar essas temperaturas representam desafios significativos para aqueles que se deslocam neste território desconhecido. Os fornecedores podem ajudar, mas devem ter experiência específica em processo criogênicos, bem como produtos para atender a estas aplicações desafiadoras.
Para mais informações: Clayton Wilson, Gerente de produtos, instrumentos de controle para a Divisão de Instrumentos de Controle da Yokogawa Corp. of America, Newman, Georgia – Eua; tel: +1 800-888-6400; e-mail: clayton.wilson@us.yokogawa.com; web: www.yokogawa.com/us.
Tradução gentilmente realizada por Cassius Magdo de Barros, Gerente Engenharia de Aplicações PCI/Netsol/System da Yokogawa Brasil; tel: (11) 3513-1428/ (11) 97413-5071; e-mail: cassius.barros@br.yokogawa.com; site: www.yokogawa.com.br.
