A compreensão de um aquecimento por indução eficiente e como ele pode ser aperfeiçoado são temas importantes para os forjadores que buscam uma redução dos seus custos operacionais com o consumo de energia. Este artigo traz uma explicação matemática bastante simples para uma operação de aquecimento por indução eficiente e ainda aborda alguns procedimentos práticos que podem ser realizados para maximizá-la
Diante da crescente diversidade e competitividade de toda a indústria, um dos principais objetivos deste negócio é a redução dos custos operacionais para a maximização dos lucros. E a indústria de forjamento não é uma exceção a isto. Como a forjaria é um processo de alto consumo de energia, não é nenhuma surpresa que a redução dos custos operacionais com o consumo de energia é de alta prioridade.
Componentes da Eficiência Energética
Ao tratarmos de processos e equipamentos de aquecimento, a minimização do consumo de energia exige a maximização total da eficiência destes processos e equipamentos. O aquecimento por indução envolve a transferência de energia térmica e eletromagnética e, por esta razão, a eficiência total poderá ser expressa, instantaneamente, como uma função dos seus componentes de eficiência térmica e eletromagnética, ou seja, ?el (t) e ?th (t), respectivamente.
Portanto, a maximização da eficiência total exige a maximização do produto dos seus componentes térmicos e eletromagnéticos.
Eficiência Eletromagnética
Em um sistema típico de forja por indução, diante da natureza do fluxo da corrente alternada (CA), grande parte das perdas eletromagnéticas se dá através dos terminais da(s) bobina(s). Considerando que todas as fontes possíveis de ineficiência eletromagnética se encontram nos terminais da bobina (problemas na conversão, transmissão, equilíbrio da carga e perdas de controle), a eficiência eletromagnética poderá ser expressa instantaneamente como uma função das perdas de Joule induzidas (geração de calor) na peça de trabalho com as perdas de Joule na bobina, Pind (t) e Pcoil (t), respectivamente.
Assim, para a maximização da eficiência eletromagnética é necessária a maximização da potência induzida na peça de trabalho e a minimização das perdas de potência na(s) bobina(s).
Eficiência Térmica
O componente térmico da eficiência total considera a energia térmica transferida ao redor da peça de trabalho durante o aquecimento por meio da condução, convecção e radiação da transferência de calor. A eficiência térmica pode ser expressa instantaneamente como uma função das perdas de Joule induzidas na peça de trabalho e a taxa da energia térmica transferida (transferência de calor) da peça de trabalho para o seu redor por meio da condução, convecção e radiação, Pind (t) e Pth (t), respectivamente.
Logicamente, para a maximização do componente térmico da eficiência total precisa que seja feita a minimização da transferência da energia térmica da peça para as suas extremidades.
Nota Relacionada ao Fator Tempo
As equações apresentadas não consideram o tempo, pois muitos sistemas de forja por indução operam em diversos níveis de potência, os quais variam conforme o tipo de sistema, modo de controle de potência e propriedades do material aquecido.
Propriedades do Material
Antes de discorrermos sobre os fatores do projeto do equipamento e processo, é importante saber como as propriedades do material da peça de trabalho influenciam a obtenção da eficiência máxima dos sistemas de indução. Embora existam diversas propriedades nos materiais que afetam a eficiência do aquecimento por indução, as principais são: resistividade elétrica e permeabilidade magnética relativa.
Resistividade Elétrica
A resistividade afeta a resistência, o que, por sua vez, influencia a capacidade da corrente induzida de produzir calor. Devido à complexidade da relação entre a geração de calor na peça de trabalho e a sua resistividade (em decorrência, principalmente, da tendência da corrente alternada fluir próximo da superfície dos condutores, o que é frequentemente chamado de “skin effect”), os materiais de maior resistividade tendem a aquecer de forma mais eficiente do que aqueles de baixa resistividade. Assim, por exemplo, o aço inoxidável 304 pode ser aquecido mais facilmente que o cobre ou alumínio (Tabela 1).
Permeabilidade Magnética
Conforme acima mencionado, o “skin effect” torna-se muito mais evidente em materiais magnéticos, o que resulta em uma resistência elétrica bem mais efetiva e, consequentemente, em uma produção de calor mais intensa. Além disso, diante da histerese magnética, os materiais magnéticos também estão sujeitos à produção de calor por fricção interna (devido à “agitação” dos domínios magnéticos na presença de um campo magnético alternado). Logo, a eficiência do aquecimento é substancialmente aumentada quando o aquecimento for realizado em um material magnético (em comparação a um material não magnético com propriedades materiais idênticas ou não). Uma implicação prática deste fenômeno é exibida na Tabela 1. Quando o aço carbono é aquecido a temperaturas de forjamento elevadas há uma redução inerente na eficiência quando o material se torna não magnético (à temperatura de Curie).
Projeto da Bobina
As simples equações matemáticas apresentadas revelam diversos fatores de projeto da bobina que podem afetar a eficiência dos sistemas de forja por indução.
Acoplamento e Espessura do Refratário
O projeto das bobinas de forja por indução é multifacetado. Um dos fatores de projeto mais importante, pois afeta a eficiência eletromagnética, é o espaço de acoplamento (gap) entre a bobina e a peça de trabalho. Analogicamente, um dos fatores de projeto mais importantes que afetam a eficiência térmica é a espessura do refratário entre a bobina e a peça. Neste ponto temos um paradoxo no projeto da bobina de indução. Embora a redução do gap entre a bobina e a peça de trabalho aumente a eficiência eletromagnética (um pequeno gap permite que mais linhas de corrente passem através da peça de trabalho). A redução do gap também força a redução da espessura do refratário entre a bobina e a peça, aumentando, portanto, a eficiência térmica.
Conforme já exposto, a maximização da eficiência total de um sistema de forja por indução exige a maximização do produto dos seus componentes de eficiência térmica e eletromagnética. Consequentemente, o projeto da bobina precisa equilibrar a eficiência térmica e eletromagnética diante dos diversos requerimentos de produção do cliente, além de considerar a robustez do sistema e o seu custo-benefício. Diante da complexidade do aquecimento por indução, não existe até o momento um projeto de bobina universal que resulte em uma eficiência máxima para todos os processos que utilizam forjaria por indução. Deste modo, o desenvolvimento de uma simulação numérica por computador se mostra uma necessidade absoluta para a elaboração de um projeto de bobina que resulte em uma máxima eficiência.
Estudos de Caso do Projeto de Bobina
A geometria e material da peça de trabalho, a frequência elétrica utilizada para o aquecimento, bem como os requerimentos de temperatura e produção são fatores que influenciam na obtenção de um projeto de bobina ideal. Considere, por exemplo, dois diferentes sistemas de aquecimento por indução (tarugos), projetados para dois processos diferentes.
• Um sistema de aquecimento de 3kHz, com tarugos de aço ASI 4140 de 50 mm de diâmetro, para temperaturas de 1235 +/- 40ºC a uma velocidade de produção de 1.000 Kg/hora;
• Um sistema de aquecimento de 1 kHz, com tarugos de 100 mm de diâmetro, a uma velocidade de produção de 2.220 Kg/hora (mesmos requerimentos de temperatura e material).
Os efeitos resultantes do aumento da espessura do refratário na eficiência do aquecimento poderão ser ilustrados, em ambos os casos, usando um software de simulação para computador, conforme exibido nas Figs. 1 e 2, respectivamente. Em cada caso, a eficiência térmica aumentará e a eficiência elétrica diminuirá conforme houver o aumento da espessura do refratário. No entanto, diante das diferenças entre os dois sistemas e processos, o aumento da espessura do refratário irá afetar de modo diferente a eficiência total em cada um dos sistemas.
No primeiro caso, enquanto o aumento da espessura do refratário provocará um aumento na eficiência térmica, o aumento do acoplamento eletromagnético associado com o aumento na espessura do refratário resultará em uma redução mais substancial na eficiência eletromagnética. Como resultado, a eficiência total diminuirá. No segundo caso, no entanto, isto ocorrerá de modo contrário. O aumento na eficiência térmica é mais significativo que a redução na eficiência eletromagnética, resultando em um aumento da eficiência total.
Novamente, os efeitos da variação da espessura do refratário são diferentes, pois há diferenças entre os dois sistemas e processos. Os tarugos do segundo caso possuem uma área seccional quatro vezes maior e área de superfície duas vezes maior (por unidade de comprimento) em relação àqueles do primeiro caso. Como a eficiência eletromagnética é bastante afetada pela relação entre a área seccional da peça e a bobina (normalmente chamado de “fator de preenchimento” da bobina), o mesmo incremento aumenta na espessura do refratário. Esta condição afeta mais negativamente a eficiência eletromagnética no primeiro caso do que no segundo. Isto é agravado pelo fato que a sensibilidade ao “fator de preenchimento” é normalmente mais evidente em altas frequências.
De modo recíproco, as perdas por radiação e convicção dos tarugos para o ambiente são proporcionais à área externa da superfície dos tarugos, da mesma forma o incremento na espessura do refratário proporciona um aumento significativo da eficiência térmica, no segundo caso, oposto ao primeiro.
Seleção do Cobre e Espaçamento entre as Espiras
O espaçamento e a geometria da seção transversal das espiras da bobina podem afetar substancialmente a eficiência dos sistemas de forja por indução compostos por bobinas de multiespirais do tipo solenoide (presente na grande maioria dos fornos de forja por indução). A geometria dos tubos de cobre, incluindo o seu formato (quadrangular, redondo, etc.) e dimensões (espessura da parede, largura, diâmetro, etc.), bem como o espaçamento das espiras, afetam a distribuição da corrente na bobina e, portanto, o campo magnético que induz a corrente na peça.
Para ilustrar as implicações relacionadas à eficiência da escolha do tipo de cobre e espaçamento das espiras, considere um processo independente de aquecimento por indução e compare os parâmetros elétricos associados com o uso de dois tipos diferentes de bobinas. A Fig. 3 mostra as distribuições de densidade de corrente normalizadas associadas a dois diferentes tipos de bobinas. O primeiro tipo é exibido na parte superior, e o segundo logo abaixo.
Enquanto as bobinas compartilham o mesmo núcleo, comprimento e número de espiras, o tubo de cobre que compreende cada bobina age de modo diferente. O tubo de cobre menor usado na primeira bobina (superior) possui uma parede com espessura inadequada diante da frequência de saída da potência, e a largura das espiras é menor que o ideal.
Na segunda bobina, a espira inicia a partir de um tubo que é muito mais apropriado para este sistema, conforme evidenciado pela redução significativa da densidade da corrente máxima nas espiras da bobina. Em relação ao primeiro tipo, o segundo tipo de bobina aumentou a eficiência eletromagnética em 11% e reduziu as perdas de Joule na bobina em 26%. O tipo de bobina modificada fornece uma redução substancial no consumo de energia e uma redução sensível na demanda de água de resfriamento (o que, posteriormente, reduz o consumo de energia e custos do processo).
Escolha do Sistema de Aquecimento
Com relação à escolha do sistema de aquecimento, o espaçamento entre as espiras também é um fator que influenciará o quanto a peça será aquecida. Considerando os fornos convencionais (aquecimento estático de pontas de barras), os requerimentos típicos de aquecimento incluem uniformidade de aquecimento em um determinado comprimento (frequentemente chamado de “comprimento aquecido”) de uma barra para as temperaturas de conformação, o que reduz o comprimento excedente da barra que é aquecida (a “região de transição”). A presença desta região de transição é inevitável em decorrência da condução térmica. No entanto, com a variação sistemática do espaçamento entre os espirais da bobina (aumentando/diminuindo, desta forma, a geração de calor ao longo do comprimento da barra), o comprimento da região de transição poderá ser minimizado. Assim, as chamadas “bobinas de passo variável” podem oferecer aos forjadores diversos benefícios relacionados à qualidade do seu produto, de forma que eles possam ainda obter vantagens do ponto de vista do consumo de energia.
Design do Processo
Embora seja fácil de inspecionar, o design do processo é uma parte essencial da engenharia dos sistemas de aquecimento por indução. A receita do processo, incluindo os parâmetros elétricos críticos, como potência de saída do inversor e setpoints da corrente, podem afetar bastante a eficiência destes sistemas de aquecimento por indução.
Efeitos da Distribuição de Potência
A distribuição da potência em sistemas de aquecimento progressivos e modulares resume a extensão na qual o design do processo pode afetar a eficácia do resultado. Considere um sistema de dois módulos (composto por duas bobinas conectadas a dois inversores independentes) aquecendo tarugos de aço carbono de 2.5 pol. de diâmetro e 6.0 pol. de comprimento à 1250ºC +/- 10ºC, a uma velocidade de produção de 1.700 KG/hora (duração do ciclo de nove segundos). Dados os requisitos do processo, o número de combinações de inversores resultará em um número alto de tarugos dentro da temperatura especificada. No entanto, o número de combinações que resultarão em uma eficiência máxima será muito menor – na realidade, haverá apenas uma combinação. O cálculo deste método ideal de processo é virtualmente impossível sem o uso de uma simulação numérica feita por computador.
Para este processo e sistema específico nós utilizamos o nosso software de simulação e controle IHAZ para calcular as saídas otimizadas do primeiro e segundo inversor, que foram de 357 kW e 203 kW, respectivamente (para um requerimento de potência total de 560 kW). Um método não otimizado (por exemplo, um método baseado em uma das diversas normas ultrapassadas, como a do polegar) exige um total de 577 kW para obter uma distribuição de temperatura final similar na peça de trabalho (Tabela 2).
Um projeto elaborado para um ano de produção de três turnos que venha a utilizar este método de processo não otimizado poderá gerar um consumo adicional de energia de 110.000 kilowatt-hora – com a consequente perda de milhares de reais.
Revisão de tradução gentilmente realizada pelo supervisor de vendas da Inductotherm Group Brasil, Leandro Felix Pasti, (19) 3885-6804, leandropasti@inductothermgroup.com.br.
