Encontrar maneiras de reduzir o uso de energia em um universo no qual seu uso é intenso, como no tratamento térmico, é um desafio. Algumas vezes, a resposta está em repensar suas instalações
A princípio, o tratamento térmico industrial pode parecer um universo incomum para explorar a economia de energia. Afinal de contas, o tratamento térmico é uma área na qual energia deve ser gasta e na qual as peças de trabalho devem passar por processos que, por definição, utilizam uma grande quantidade de energia.
Mas, na realidade, o processo básico do tratamento térmico industrial o torna um candidato óbvio para a análise de maneiras para melhorar o uso de energia. O uso intenso de recursos energéticos para processar uma variedade de peças por meio de várias etapas de endurecimento, têmpera e resfriamento levanta uma questão-chave: Como o processo pode oferecer uma peça igual ou superior e ainda assim reduzir a energia utilizada?
Controlando o Apetite por Energia
O fato é que o tratamento térmico deve controlar seu apetite por energia. Quanto mais refinados forem os processos e mais a automação for aplicada, mais os custos fixos são reduzidos, o que faz com que os gastos com energia sejam evidenciados. Exigências econômicas e climáticas só aumentaram a investigação do uso da energia – as econômicas, porque os recursos energéticos ficarão cada vez mais caros com o tempo, e as regulatórias, porque as pressões ambientais inevitavelmente ficarão maiores.
Normas globais fazem parte desse quadro. Vários grandes fabricantes da Europa (e, também, vários dos Estados Unidos) estão adotando a ISO 50001: 2011. Em vigor há pouco mais de três anos, a ISO 50001:2011, “Sistemas de Gestão de Energia – Requisitos com Diretrizes para Uso”, não é uma lei governamental Americana… pelo menos, ainda não. Ao contrário, é uma estrutura de âmbito sistemático, um conjunto de diretrizes. Seguindo suas diretivas, uma indústria pode implantar as ferramentas e os procedimentos necessários para uma abordagem sistemática, para uma melhora contínua na redução de energia. Já que a análise meticulosa é um elemento-chave para melhorar, a ISO desenvolveu recentemente uma norma 50002 complementar que articula os princípios e os requisitos para executar auditorias de energia.
Uma Resposta: Equipamento Mais Eficiente
Por onde começar qualquer auditoria de alto nível de uso de energia usado no tratamento térmico? Afinal, se não podemos alterar a natureza da física, e a termodinâmica aceita ser forçada somente até certo ponto, por onde o setor do tratamento térmico pode começar para reduzir o uso de energia? Como projetistas e integradores de equipamentos de produção construídos sob medida, nosso foco foi examinar as abordagens originais de equipamentos de produção inovadores.
Após um estudo de determinados processos de tratamento térmico, observamos que grande parte da economia pode se restringir o aquecimento e o resfriamento somente na peça. Simplificando, se peças brutas pudessem ser colocadas sobre grelhas quentes diretamente dentro do forno para transporte por todo o forno, e, em seguida, as peças quentes fossem retiradas das bandejas quentes de dentro do forno (sem que as bandejas saiam do forno), pode-se economizar uma quantidade considerável de energia. O carregamento e o descarregamento das peças podem ser feitos por robôs programáveis através de portas de vedação automatizadas. Este conceito faz sentido, principalmente quando as partes sendo processadas são consideravelmente mais leves do que as bandejas que as carregam. Com base nestas observações, desenvolvemos uma configuração de forno exclusiva patenteada chamada “PIES” (Pusher Index Energy Saving, ou Índice de Economia de Energia do Forno Empurrador).
Por que o equipamento do processo é uma mina de economia? Simplesmente, porque ainda não recebeu a atenção que merece. Por exemplo, algo comum na maioria das discussões sobre economia de energia no tratamento térmico, a obra “Improving Process Heating System Performance: A Sourcebook for Industry” (Aprimorando o Desempenho do Sistema do Processo Térmico: Um Guia para a Indústria, Segunda Edição, 2007), do Ministério de Energia dos Estados Unidos, foca principalmente no design do forno, nos combustíveis, na eficiência da combustão e nos controles, além de focar em diretrizes analíticas e teóricas. Mencionam-se rapidamente as grelhas, os acessórios e outras partes móveis, sem sugerir soluções que possam representar grandes perdas de energia.
A Sterling Engineering normalmente foca no movimento das “peças” nos sistemas de automação. Quando nossos clientes expressaram interesse em maneiras e meios de economizar energia, analisamos esses conceitos básicos. Outros criaram grandes avanços no design do forno, isolamento leve, combustível eficiente e recuperação de calor perdido. O que resta, na nossa opinião, são os conceitos básicos do processo, que nós abordamos com o PIES.
PIES
O sistema PIES, conforme exibe a Fig.1, utiliza bandejas retangulares e possui duas fileiras (fileira 1 e fileira 2). O carregamento das peças brutas e a retirada das peças quentes e acabadas são realizados na mesma extremidade do forno. Outras configurações de bandeja (por exemplo, quadrada) são possíveis, além de um maior número de fileiras. Um ciclo normal ocorre da seguinte forma:
• No início, as bandejas na fileira 2 avançam apenas uma posição;
• Uma bandeja de peças quentes (acabadas) agora está na porta de retirada de bandeja;
• A porta de retirada se abre e um manipulador automático de descarregamento pega as peças quentes;
• O manipulador automático de descarregamento sai do forno com as peças quentes e a porta se fecha;
• A bandeja quente vazia (que acaba de ser descarregada) é empurrada da Fileira 2 para a Fileira 1, e agora a bandeja está na posição da porta de carregamento;
• A porta de carregamento se abre, o manipulador automático de carregamento entra no forno e posiciona as peças brutas na bandeja quente;
• O manipulador automático de carregamento sai do forno, a porta de carregamento se fecha;
• A Fileira 1 avança a bandeja uma posição, empurrando uma bandeja contra a outra;
• A última bandeja de peças na Fileira 1 é empurrada da Fileira 1 para a Fileira 2;
• A Fileira 2 avança a bandeja uma posição, encostando uma bandeja na outra;
• O ciclo se repete.
Em certos processos, tais como o endurecimento (austenitização) nos quais as atmosferas podem ser as mesmas em todas as zonas do forno, e principalmente nos quais a carga de trabalho em cada bandeja representa uma fração do peso da grelha, um conceito PIES economizará bastante energia.
Formas Óbvias de Economizar Energia
A economia de energia com o sistema PIES é óbvia, em comparação a vários sistemas convencionais nos quais as peças brutas são carregadas em bandejas frias. As bandejas e as peças quentes são resfriadas. Na abordagem PIES, as bandejas permanecem quentes dentro do forno.
Além disso, a transferência de uma peça quente para os processos de resfriamento e/ou pós-aquecimento pode ser extremamente rápida com a abordagem PIES. Os robôs podem acessar o forno, pegar as peças e, sem interrupções, levá-las para resfriamento em óleo/água ou centros de trabalho a jusante da linha de produção (Fig.2).
Fornos Rotativos: Bons, Mas Possuem Limitações
Os fornos rotativos podem oferecer a mesma economia de energia quando as bandejas permanecem dentro do forno. (Parte da economia é reduzida nos modelos que exigem a remoção rápida da bandeja do forno duas vezes, uma vez para carregamento da peça e novamente para descarregamento da peça quente.) Em geral, os modelos rotativos são excelentes para uma série de peças cujo tamanho e formato as dispõem para posicionamento e processamento dentro do segmento de um círculo.
Infelizmente, os modelos rotativos podem criar restrições dimensionais, já que a superfície de trabalho de cada bandeja no forno deve caber dentro do segmento circular. Um forno PIES normalmente exigiria menos espaço físico no geral, com requisitos de produção semelhantes.
PIES: Qualquer Peça, Orientação Flexível
Uma grelha PIES pode acomodar peças grandes e as peças podem ser orientadas ou posicionadas de maneira mais livre do que em arranjos rotativos. As grelhas de trabalho PIES são simétricas de ponta a ponta e, em certas aplicações, podem ser viradas e apresentar uma nova superfície, prolongando a vida útil da grelha. A vida útil da grelha é prolongada quando as mesmas não são resfriadas. Além também de existirem outras vantagens.
Para uma peça de tamanho médio a grande, o envoltório do sistema PIES poderia ser menor do que o de um modelo rotativo utilizado para a mesma peça. Já que a pegada e o invólucro/isolamento do forno são quase sempre um elemento de preocupação, o tamanho menor apresenta vantagens óbvias. Em certos casos, é relativamente fácil expandir a capacidade de um forno PIES simplesmente acrescentando comprimento retangular para acomodar fileiras mais longas de grelhas.
Basicamente, 100% da área da fornalha pode ser utilizada com o modelo PIES. Fornos rotativos com portas de carregamento e descarregamento separadas podem geralmente possuir até 30 graus de posição de grelhas vazias entre as portas.
Vantagem Competitiva Quando Sua Preocupação é a Energia
Seja qual for a fonte de economia de energia, uma empresa cujos administradores do centro de trabalho de tratamento térmico levam em consideração a redução do uso de energia acumulará vantagens competitivas contínuas a cada melhoria. Toda peça bruta que exigir menos combustível para ser processada do que o concorrente gerará maior potencial de lucro.
Para mais informações: James B. Canner, presidente da Sterling Engineering & Mfg., 5060 Delemere, Royal Oak, MI 48073; Tel: + 1 248-280-3500 ou + 1 800-545-0035; fax: + 1 248-280-3508; e-mail: jbcanner@sterlingcos.com; www.sterlingcos.com.
