O aperfeiçoamento das suas operações de processamento térmico é fundamental para a produção de produtos de alta qualidade. Ao dominar e manter o controle de seu equipamento – antigos e novos – você pode conseguir essa otimização, a qual conduzirá a um desempenho ideal do seu equipamento para tratamento térmico. Esse desempenho lhe permite obter e replicar os resultados desejados, bem como agilizar o seu processo, ganhando tempo e reduzindo custos
A tecnologia de controles avançados lhe dará a flexibilidade operacional necessária para medir e analisar o seu equipamento e processos com facilidade. Você pode, então, utilizar essa análise para refinar e ajustar as configurações e parâmetros do seu equipamento necessários para aprimorar o seu processo. Com os controles avançados essa otimização é simples e também garante menos erros humanos no processo de produção, pois elimina diversos processos manuais, automatizando-os para uma precisão e controle repetitivos (Fig. 1).
A revitalização de equipamentos mais antigos com melhorias nos controles aumenta a capacidade e a flexibilidade geral, mantendo-os atualizados e de acordo com os seus sistemas em uso. Um exemplo dos benefícios da atualização de um sistema antigo é que muitos fornos a vácuo mais velhos necessitam de um ajuste manual dos elementos de aquecimento por meio de potenciômetros aparadores. Com um upgrade dos controles os elementos de aquecimento podem ser monitorados e ajustados por meio de uma interface gráfica do computador industrial. Ao eliminar a necessidade de ajustes manuais você passa a depender de um Controlador Lógico Programável (PLC – Program Logic Controller), eliminando, assim, o potencial de erro humano.
Além de aperfeiçoar o seu processo, muitos tratadores térmicos podem ter de atender às rigorosas especificações da indústria, como os da indústria aeroespacial, incluindo mas não limitando à NADCAP (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program – Programa Nacional dos EUA para Acreditação de Fornecedores de Produtos Destinados à Desfesa e Aeroespaço) e AMS 2750 (Aerospace Material Specification – Norma crítica relacionada a requisitos pirométricos para equipamentos de processamento térmico utilizados para tratamento térmico. Esta especificação é a referência para todos os processos pirométricos relacionados com a indústria aeroespacial e, muitas vezes, é reconhecida como o padrão em muitas outras indústrias). As exigências de conformidade com os regulamentos específicos do setor nunca foram tão grandes, mas a tendência para a medição e controle mais precisos está aumentando até mesmo para além dessas especificações e regulamentos.
Avaliando as Suas Necessidades
Antes de comprar um forno ou atualizar um mais antigo o primeiro passo é avaliar os seus processos de produção e as suas necessidades. Existem muitos tipos de equipamentos para processamento térmico e você dever ter certeza de que está investindo no forno ou atualizações adequadas.
Os sistemas de vácuo para fornos são classificados em seis categorias, identificadas como classe 1 até classe 6. A classe 1 aplica os requisitos mais rigorosos para o forno com a menor faixa de uniformidade de temperatura (+/-5°C) e a classe 6 aplica os requisitos menos restritos para o forno, com uma vasta gama de uniformidade de temperatura (+/-50°C).
Alguns processos exigem a uniformidade de desempenho e de temperatura da classe 1 dos fornos. Outros processos não são tão rigorosos, o que significa que é possível obter resultados aceitáveis com o uso de um forno de uma classe mais baixa. O seu processo e os resultados que deseja irão determinar qual a classe de forno irá funcionar melhor para você. Portanto, é imprescindível saber o que você está tentando alcançar, os tipos de processos que você tem e que tipos de peças serão tratados. Uma vez que você entenda esses objetivos, estará preparado para começar a pesquisar novos equipamentos ou melhorar o seu equipamento existente.
Tecnologia de Controles Avançados
Há muitas opções a serem consideradas quando se trata de tecnologia de controles avançados, incluindo: instrumentação; software; armazenamento de dados e sistemas de monitoramento. Todos esses recursos oferecem os controles inteligente e superior necessários para atingir o máximo desempenho de seu equipamento, tanto novos como antigos.
Instrumentação
Melhore a sua instrumentação aplicando a tecnologia no estado da arte (state-of-the-art), que pode melhorar a sua medição e capacidades, que faz com que as corridas e manutenção do seu equipamento sejam mais fáceis e mais rentáveis.
- Higrômetro (Analisador do Ponto de Orvalho)
A instalação de uma atualização ao higrômetro em um forno dá aos usuários a capacidade de monitorar a quantidade de umidade no gás de processo. O seu projeto permite a flexibilidade necessária para operar e monitorar precisamente sob várias condições (Fig. 3). O higrômetro é instalado num compartimento próximo à entrada de enchimento do forno para assegurar que o sistema receba uma amostra precisa. Muitas especificações obrigam que os gases de enchimento e a pressão parcial sejam analisados antes de serem expostos às peças. Em geral, esta é a melhor prática para evitar a descoloração de suas peças. Alguns clientes optam por usar o higrômetro apenas para informação, mas outros optam por integrá-lo ao seu sistema de controle para uma condição “go, no-go” (“vá, não vá”). Se considerar uma condição no-go, o software irá soar um alarme e, em alguns casos, impedir que o gás entre
- Manômetro de Vácuo
Os manômetros de vácuo fornecem aos usuários finais resultados precisos e repetíveis. Estes manômetros se integram facilmente ao forno e têm um projeto modular que permite uma expansão futura. O manômetro de vácuo mede o vácuo e os níveis de pressão parcial em todo o ciclo de tratamento térmico. Algumas especificações da indústria exigem o monitoramento dos níveis de vácuo antes do início de um ciclo de aquecimento ou a faixa de pressão parcial durante o ciclo de aquecimento, desta forma os usuários finais precisam de uma representação precisa desses níveis. É importante lembrar que a escolha do manômetro de vácuo adequado é fundamental para estar em conformidade com as especificações particulares.
- Gravador de Dados Digital
Um gravador de dados digital acrescenta a coleta de dados avançada, armazenamento e comunicação (Fig. 4). A coleta de dados e elaboração de relatórios tornaram-se uma das partes mais investigadas nos sistemas de controle de hoje. Muitos sistemas de controle mais antigos utilizam registradores de papel que registram a execução com base em intervalos de tempo. Este sistema exige uma configuração manual e finalização. Ele também tem capacidades de leitura e de armazenamento limitadas.
Com um upgrade para um gravador de dados digital, emparelhado com uma atualização de software, os dados podem ser armazenados no computador industrial, enviados para um local de rede especificado através de uma conexão de rede ou ambos. Esta capacidade proporciona ao cliente a redundância necessária para o armazenamento de dados críticos e, normalmente, ajuda a cumprir a maioria das especificações da indústria.
Comparativamente, um novo sistema de gravação digital será muito mais fácil de utilizar do que um gravador analógico de papel, permitindo um acompanhamento melhor dos seus resultados, a fim de aperfeiçoar o seu processo e melhorar o seu rendimento de qualidade. Com o leitor digital fica mais fácil visualizar os gráficos e ele pode fornecer relatórios na hora e configurações ajustáveis de relatórios, dependendo de suas necessidades.
Upgrades do Software de Controle
As atualizações (upgrades) de software são muitas vezes aliadas às modificações no equipamento a fim de proporcionar uma melhor funcionalidade e medição. Essas atualizações são, muitas vezes, referidas como upgrades de controle no sentido mais geral, porque elas normalmente são atualizações do sistema todo, que pode incluir um PLC, computadores e monitores industriais montados em gabinetes, desenvolvimento de sequência de processo e capacidades de armazenamento, edição da sequência durante o processo, dados de tendências em tempo real e históricos e relatórios de ciclo do processo.
Como já mencionado, essas atualizações de controle de software também podem reduzir a possibilidade de erro humano, automatizando ajustes que, no passado, exigiam uma ação manual. Por exemplo, se você estiver executando processos com pressão parcial e com vácuo no mesmo forno, com diferentes configurações de carga, um computador pode tornar mais difícil o monitoramento e aperfeiçoamento dos seus processos de produção. Novas opções de software permitem que, agora, você salve suas configurações para referência futura. Assim, quando o operador escolhe executar com pressão parcial ou com vácuo, o sistema é intuitivo e seleciona automaticamente os parâmetros apropriados para a execução desse processo em particular. Isso permite uma maior flexibilidade, fornecendo uma forma muito simples de alterar a produção dentro e fora do equipamento.
O software também pode realizar uma ação semelhante ao utilizar gás de argônio ou de nitrogênio para o processamento de diferentes peças. Há uma mudança de densidade específica entre esses gases: o argônio é mais pesado. Você não pode calibrar e ajustar a máquina para nitrogênio e utilizar o argônio, ou vice-versa, e esperar que o sistema exiba leituras de vácuo corrigidas. No entanto, há softwares disponíveis que, sabendo qual o gás está sendo selecionado para a pressão parcial ou enchimento, calcula automaticamente para fornecer dados em tempo real.
Outro recurso interessante do novo software é que os sistemas são agora capazes de rastrear 32 pontos de dados selecionáveis pelo usuário. Quando o sistema é ligado, ele irá automaticamente começar a registrar os dados para preencher as telas de tendências, histórico de alarmes e informações de login do usuário (Fig. 5). Os usuários podem alternar entre tempo real e informações históricas a qualquer momento. Esta informação também pode ser obtida por data e, em seguida, ser exibida na tela ou impressa.
Emparelhar esta atualização de controle de software com um gravador de dados digital oferece um nível extra de redundância, quando necessário ou exigido. Isso irá garantir que os dados não serão perdidos. Arquivos históricos podem ser transferidos para um cartão de memória flash compacto ou um disco rígido através de uma conexão de rede. Todos os arquivos criados são somente de leitura e não podem ser alterados sem detecção, o que está se tornando extremamente importante nas indústrias aeroespacial e farmacêutica, bem como em outros setores do mercado.
Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados
Fazer uma atualização para incorporar um sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition – Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados) fornece os meios para visualizar os dados do forno e configurações operacionais em vários fornos ao mesmo tempo e em uma única tela. Essa é uma alternativa ao deslocamento físico até cada forno individual para recuperar as informações, todos os dados são enviados para o sistema SCADA através de uma ligação em rede. Isto dá ao usuário final a flexibilidade de coletar e relatar os dados em um local central. Esta funcionalidade permite uma comunicação mais eficiente. O sistema SCADA fornece um monitoramento e uma geração de relatórios mais robustos. No entanto, eles não definem o seu processo de produção.
Conectividade de Rede
Se você já demorou para monitorar os seus fornos remotamente, não espere mais. As atualizações de conectividade de rede podem permitir aos usuários a capacidade de monitorar o seu forno remotamente e pode ser configurado para as suas especificações particulares (Fig. 6). Com esta atualização, os usuários podem rever em tempo real os dados críticos necessários para atender ao seu processo de tratamento térmico. Esta atualização também inclui notificações de alarmes por e-mail, monitoramento das entradas e saídas do PLC, capacidades de firewall e capacidades de diagnóstico remoto.
Colocando Tudo Junto
A otimização do seu equipamento de processamento térmico começa primeiro pela compreensão do seu processo e das suas necessidades de produção. Em seguida, você precisa pesquisar o tipo de forno adequado para atender a essas necessidades. Finalmente, é importante estar informado sobre a tecnologia disponível de controles avançados para que você possa tomar uma decisão estando informado sobre a forma como você vai medir, operar e analisar o seu equipamento, a fim de aperfeiçoar o seu processo e satisfazer as exigências de especificações aplicáveis ao setor. As melhorias de controles apresentadas neste artigo apenas tratam superficialmente das opções disponíveis. Todos os sistemas podem ser personalizados e adaptados para atender aos seus objetivos específicos e fornecer soluções que ajudem a estar à frente da curva, simplificando o seu processo para economizar tempo crítico e dinheiro.
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Potenciais armadilhas de cumprimento da Nadcap e AMS 2750 rev. E
Um equívoco comum é que você pode comprar um forno acreditado pela AMS 2750E e pela Nadcap. Na realidade, os usuários finais são responsáveis por investir em um forno que seja capaz de atender à especificação que eles estão tentando alcançar. Em seguida, eles precisam operar, manter e testar o forno para obter a certificação. O fabricante do equipamento não pode controlar como os usuários finais operarão e manterão o seu forno, isto é com o tratador térmico. Por exemplo, a AMS 2750E descreve as classes de fornos e os padrões determinados para cada classe, mas um forno – como enviado do fabricante – não é, por si só, compatível com a AMS 2750 ou a Nadcap. Ele só poderá ser capaz de ser compatível com o usuário final tendo o ônus do cumprimento de controle e operação do forno, bem como as variáveis do processo e especificações particulares que estão tentando se atingir.
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Efeitos da pressão parcial no SAT e no TUS
Um problema percebido que não foi resolvido na AMS 2750 é que os usuários finais podem estar tratando suas peças sob pressão parcial e nem sempre sob vácuo, mas a especificação apenas descreve os requisitos para o vácuo. A preocupação é que os resultados de seu SAT (System Accuracy Temperature – Sistema de Precisão de Temperatura) e TUS (Temperature Uniformity Survey – Levantamento da Uniformidade de Temperatura) podem variar muito, dependendo se você está utilizando vácuo ou pressão parcial. Se os usuários finais são acusados de emular o ambiente de produção para o SAT e TUS, deve-se levar em consideração os efeitos da pressão parcial se ela for utilizada no ciclo de produção.
Existem diversas utilizações e vantagens da pressão parcial, mas é para se preocupar com a capacidade de transferência de calor do gás e a sua capacidade para anular o fator de isolamento da zona quente. Quando são utilizadas elevadas pressões parciais durante um ciclo de produção, o efeito do gás de anular as propriedades de isolamento da zona quente faz com que haja necessidade de aumentar a temperatura dos elementos de aquecimento, a fim de manter o valor de referência requerido, o que aumenta ainda mais durante o aquecimento. O usuário final nunca vê um problema se o forno faz as rampas normalmente, atinge o setpoint normalmente e faz o encharque em conformidade. Dependendo da configuração particular da zona quente (por exemplo, toda em metal tem grandes perdas), as peças podem ter as temperaturas de superfície significativamente elevadas durante a rampa ou o encharque do ciclo. Com base na física, os elementos de aquecimento são sempre mais quentes do que qualquer temperatura nominal durante a rampa ou em condição de encharque.
Diferentes pressões e seleções de gás (por exemplo, nitrogênio, argônio, hidrogênio, hélio) afetam a quantidade de perda de calor, o que pode variar muito. Quanto maiores as perdas de calor, maior será a percentagem da potência de saída de aquecimento para ser mantido o valor de referência. Deve-se dar grande atenção ao fato de que você pode querer considerar a execução de seu SAT ou TUS sob pressão parcial se você executa os seus ciclos de produção sob pressão parcial. O raciocínio por trás disso está relacionado com a possibilidade de as peças estarem sendo expostas a uma radiação muito maior devido às porcentagens mais elevadas de potência que estão sendo utilizadas para compensar o efeito de gás na perda de calor da zona quente. Para medir corretamente os resultados você precisará realizar os testes tanto sob vácuo quanto sob pressão parcial. Você pode encontrar uma grande diferença nos resultados, que é principalmente devido à dinâmica térmica causada pela perda de calor e à maior densidade de watts no elemento.
Embora a AMS 2750 ainda não tenha definido uma solução, as comissões encarregadas da revisão da especificação irão considerar e resolver isso no futuro. Acreditamos que a melhor prática nesta situação é a realização de SAT e TUS tanto para o vácuo quanto para a pressão parcial e salvar os ajustes adequados no sistema de controle. Dependendo de suas configurações de carga, você pode alternar entre ciclos com alto vácuo e com pressão parcial (todos dentro de um forno) sem o risco de superaquecimento de peças. Os sistemas de controles avançados da Ipsen são projetados para acomodar estas e outras mudanças.
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Para mais informações, contate: Jason Sanders, líder de produtos – reformas elétricas; +1 815-332-2674; jason.sanders@ipsenusa.com; www.ipsenusa.com; ou com Jim Grann, gerente técnico sênior, Ipsen Inc., +1 815-332-2698; jim.grann@ipsenusa.com.
