O modelamento computacional não é somente uma ferramenta, ele se tornou uma necessidade. A simulação computacional fornece a habilidade de se prever como diferentes fatores podem afetar as condições térmicas de transição e final de uma peça aquecida e o que precisa ser feito para determinar as sequências de processos mais apropriadas
O modelamento computacional ajuda a minimizar erros e a diminuir o tempo de desenvolvimento ao se projetar novos sistemas. Entre as décadas de 1960 e 1990 era comum estimar os parâmetros de processos baseados em regras empíricas. Apesar do fato de que estas técnicas eram fáceis de serem empregadas, sempre havia um perigo de se obter resultados alterados e inadequados a partir destas técnicas.
Modelamento Computacional Numérico
Os especialistas em aquecimento por indução modernos, ao invés de utilizarem técnicas de modelamento com uma única fórmula com regras empíricas, voltaram-se para métodos de simulação numérica, tais como diferenças finitas, elementos finitos, elementos de arestas, volumes finitos, elementos de contornos e outros. Cada uma destas técnicas tem certas vantagens e desvantagens e têm sido utilizadas sozinhas ou em combinação com outras.
Para cada tipo de aplicação de aquecimento por indução há certos métodos numéricos ou softwares. Não há um método computacional universal único que se encaixe de forma otimizada para todos os tipos de aplicações. Nos últimos anos, o Método dos Elementos Finitos (MEF) tornou-se a ferramenta de simulação numérica dominante para uma variedade de aplicações de engenharia. Embora o MEF seja uma técnica de modelamento muito eficaz, não é a ferramenta computacional final para todas as aplicações de aquecimento por indução. Em alguns casos, uma combinação de diferentes métodos é mais eficaz..
Vamos ver um exemplo simples, qualquer uma das técnicas requer uma malha da área de modelamento, a qual inclui a(s) bobina(s) de indução, a peça aquecida e outros corpos condutores elétricos que estejam próximos à bobina de indução. As especificações na geração da malha podem afetar a precisão da simulação, o tempo necessário para o pré e o pós-processamento e o tempo real para executar as simulações. A Figura 1, por exemplo, mostra as malhas para as três técnicas de modelamento mais populares.
Até mesmo um olhar superficial sobre as malhas revela que a escolha de uma técnica sobre a outra depende das especificidades de cada aplicação por indução. É fácil, por exemplo, aplicar o Método das Diferenças Finitas (MDF) quando a área de modelamento tem geometrias simples, como cilíndrica ou retangular. A malha ortogonal divide a área de simulação num número finito de nós (Figura 1, esquerda). Devido à rede ortogonal, o algoritmo de modelamento é simples. Este método é bastante universal devido à sua relativa simplicidade de aplicação.
O MEF é um outro grupo de técnicas numéricas dedicadas à obtenção de uma solução aproximada para diferentes problemas técnicos, incluindo aqueles encontrados no aquecimento por indução. Enquanto o MDF fornece uma boa aproximação de pontos, o MEF proporciona uma boa aproximação de elementos das equações que regem. De acordo com o MEF, a área de trabalho é dividida em elementos finitos da malha, como mostrado na Figura 1 – centro. O MDF, em geral, não é tão adequado quanto o MEF para a simulação de sistemas de aquecimento por indução com configurações de contorno complexas ou, no caso de uma mistura de materiais e formas. Neste caso, o MEF tem uma vantagem distinta sobre o MDF. A necessidade de sempre se proceder um cálculo do campo eletromagnético no ar, no entanto, é uma desvantagem tanto das análises pelo MDF quanto pelo MEF.
Com o método dos elementos de contorno (MEC) são considerados apenas os contornos dos componentes eletricamente condutores do sistema de indução (Figura 1, direita). Isto simplifica substancialmente uma das partes mais demoradas da preparação do modelo numérico em relação ao MDF e aos MEF e reduz drasticamente o tempo computacional.
Duas tecnologias populares utilizadas para aquecer barras e tarugos de tamanhos pequeno e médio são as técnicas multiestágio de aquecimento horizontal contínua e progressiva. Duas ou mais peças aquecidas (ou seja, tarugos, blanks, barras) são movidas (via empurrador, mecanismo de indexação, vigas rolantes, cilindros, etc) para dentro de uma única bobina ou multibobina de aquecimento por indução. Os componentes são sequencialmente aquecidos até certos estágios de aquecimento predeterminados. A Figura 2, por exemplo, mostra um sistema de indução que consiste de uma linha de indutores com sete bobinas.
Muitas vezes, o comprimento de sistemas multiestágios é superior a 4,5 m e, em alguns casos, pode chegar a 21,5 m. Em sistemas longos, devido ao fato do MDF e do MEF requererem a geração de malha, não só do interior da peça de trabalho e da bobina de indução, mas também do ar em torno deles, devido à propagação de campo eletromagnético exterior das bobinas de indução, o tempo de processamento pode ser excessivamente longo. Um outro desafio do modelamento de tal sistema resulta do fato de que o perfil da temperatura da superfície da peça até o núcleo continua a mudar à medida que a barra passa pela linha de bobinas de indução. Nesses casos, o software de modelamento de propriedade da Inductoheat, chamado ADVANCE, permite a modelamento eficaz e precisa do sistema.
Limitações do Software de Modelamento Generalizado
Muitos dos códigos comerciais utilizados para o modelamento computacional de processos de aquecimento por indução são programas padrões, desenvolvidos principalmente para o modelamento de processos eletrotérmicos que ocorrem em máquinas elétricas, motores e outros dispositivos. Estes programas foram posteriormente adaptados para aplicações de aquecimento por indução. A necessidade de vender seus produtos para tantos clientes quanto possível, força os desenvolvedores de software a produzirem ferramentas de simulação universais que podem ser utilizadas dentro de uma ampla base industrial.
Consequentemente, certas sutilezas do processo relacionadas com o aquecimento por indução foram ignoradas ou substancialmente simplificadas pelos desenvolvedores de softwares. O resultado é que muitos programas generalizados não podem lidar com certas características específicas de aplicações do aquecimento por indução. Algumas das dificuldades incluem:
• A presença de um refratário térmico e a necessidade de considerar fatores de radiação térmica;
• Uma peça de trabalho aquecida que simultaneamente se desloca, rotaciona ou oscila em relação à bobina de indução;
• Operações que combinam processos com estágios de aquecimento e de resfriamento da peça;
• A existência de distribuições de temperatura iniciais não uniformes;
• A presença de placas finais, guias, fixadores, revestimentos, etc.
Imagine, por exemplo, que você comprou um software para simular estágios de aquecimento por indução de tarugos antes de forjar para dois processos polares (um com início a frio e outro a quente). O início a frio representa uma condição de processo em que o forno por indução foi desligado por um período suficientemente longo e o seu refratário térmico foi resfriado até a temperatura ambiente. Em contraste, o início a quente designa uma condição em que houve uma interrupção do ciclo relativamente curta.
Suponha que você saiba as propriedades físicas do material do refratário, a espessura, a geometria, etc, e, por isso, espera ser capaz de prever o efeito de um início a frio ou a quente nas condições térmicas do tarugo. De repente, você pode perceber que o seu pacote de software não permite a introdução de detalhes do projeto do refratário. O manual sugere que o usuário quantifique com uma condição de contorno o efeito da temperatura do refratário no tarugo. Inesperadamente, essa característica de projeto comum para qualquer aquecedor por indução em uma forjaria torna-se um obstáculo ao utilizar um software de modelamento generalizada.
A nossa experiência mostra que não há um método computacional único e universal que se encaixe de forma otimizada para todas as aplicações de indução. Como resultado, os nossos projetistas de software utilizam e integram as técnicas de modelamento computacional comerciais e próprias. Isto lhes permite selecionar a técnica que é mais adequada para uma determinada aplicação e para um sistema de aquecimento por indução particular.
[info_box title=”” image=”” animate=””] Estudo de Caso: Tecnologia FluxManager para Alívio de Tensões nas Extremidades dos Tubos
O alívio de tensões nas extremidades dos tubos de aço, geralmente, é feito antes da usinagem da rosca. Para isso, a extremidade do tubo é colocada numa bobina de indução com várias espiras e aquecida durante o tempo e parâmetros de processo especificados, os quais incluem a temperatura final da peça, o comprimento necessário da extremidade do tubo a ser aquecida e outros.
Algumas aplicações requerem uma zona de transição de calor longitudinal aguda, enquanto outras exigem certos perfis de temperatura transientes. Os diâmetros dos tubos variam, tipicamente, entre 10 e 500 mm, com espessuras de parede entre 4 e 30 mm. O comprimento da extremidade do tubo aquecida varia de 50 a 450 mm, dependendo das especificidades de aplicação. Em muitos casos, a uniformidade de temperatura axial e radial é um fator determinante para um produto de qualidade. O aquecimento das extremidades dos tubos tem sido muito bem-sucedido. As tendências recentes para aumentar a espessura da parede dos tubos para tubulações de petróleo (Figura 3), combinadas com requisitos mais rigorosos para a uniformidade de aquecimento, ilustraram várias desvantagens do uso de frequências mais altas em relação ao uso da frequência de rede quando é feito o aquecimento até as temperaturas de alívio de tensões de paredes grossas de tubos de aços magnéticos. Estes incluem:
• No aquecimento de tubos de grande espessura, o efeito de pele ou “skin effect” (mesmo com a frequência de rede) é muito pronunciado e a relação “espessura da parede/profundidade de penetração da corrente de Foucault” é bastante grande. Frequências mais altas tendem a aumentar essa relação. Por conseguinte, existe o perigo de um superaquecimento localizado na superfície externa dos tubos de parede grossa magnéticos, o que pode resultar numa estrutura heterogênea indesejável após o alívio de tensões.
• As frequências mais altas são visivelmente mais sensíveis ao posicionamento do tubo no interior da bobina de indução. Isto significa que mesmo pequenas variações na distância entre a bobina e o tubo, devido a um posicionamento não-simétrico, pode conduzir a uma variação de temperatura na extremidade do tubo. Isso diminui a repetibilidade do processo e afeta negativamente o controle do processo, geralmente resultando no aparecimento de pontos “quentes” e “frios”.
• As altas frequências requerem o uso de conversores de estado sólido que, em alguns casos, pode aumentar significativamente o custo do maquinário.
A simulação computacional é uma ferramenta ideal para determinar o projeto da bobina e a sequência de aquecimentos apropriados para esta aplicação. A Figura 4 mostra um exemplo de aplicação do MEF para o aquecimento por indução da temperatura ambiente até 600°C, de uma porção da extremidade de um tubo de aço-carbono com 300 mm de comprimento, 370 mm de diâmetro e com uma espessura de parede de 16 mm. A uniformidade de temperatura requerida de ± 2,2°C, em qualquer ponto dentro da região da extremidade do tubo, é conseguida utilizando a tecnologia FluxManager (frequência = 60 Hz).
A bobina de indução é composta por cinco grupos de espiras (8 + 4 + 4 + 4 + 12 espiras). Placas laminadas colocadas do lado de fora da bobina de indução aumentam a eficiência de calor e a repetibilidade. A Figura 5 mostra a distribuição de temperatura axial (longitudinal) do diâmetro externo e do diâmetro interno [/info_box]
Revisão de tradução gentilmente realizada por Inductotherm Group Brasil, (19) 3885-6800, www.inductothermgroup.com.br.
