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ESTRATÉGIAS DE CONTROLE PARA

FORNO DE TRATAMENTO TÉRMICO

A. A. Alcantara (1), (2)

E. A. Tannuri (3)

(1) Sun Metais Ltda.

Rua Brasiliense, 79 – Santo Amaro – CEP 04729-110 - São Paulo - SP - [email protected]

(2) Programa de Educação Continuada em Engenharia - PECE/USP, Automação Industrial, MBA

(3) Departamento de Eng. Mecatrônica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo - USP

Estudou-se, através de experimentos, o comportamento da temperatura da

câmara de um forno de tratamento térmico e as temperaturas da superfície e núcleo

de amostras confeccionadas em aço SAE 8640. O objetivo do estudo foi avaliar a

melhor estratégia de controle a fim de se obter uniformidade entre a temperatura do

núcleo e da superfície da peça com a temperatura desejada do tratamento.

Palavras-chaves: Controle de temperatura. Forno. Tratamento térmico.

1 INTRODUÇÃO

A necessidade de alterar as características mecânicas do aço para sua melhor

utilização, nas suas diversas aplicações, ocorre desde sua descoberta. Surgiram daí

os diversos processos denominados tratamentos térmicos. O controle preciso da

temperatura na peça a ser tratada termicamente é fundamental para se atingir os

resultados metalúrgicos projetados e desejados. Os processos de tratamentos

térmicos são realizados em fornos industriais e em sua grande maioria o sensor de

TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

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mailto:[email protected]

controle de temperatura do processo é localizado na câmara quente de trabalho do

forno, onde o foco de controle é atuar na câmara do forno. A motivação deste

trabalho partiu em avaliar novas estratégias de controle utilizando diferentes

posicionamentos do termopar de controle, tendo como foco a homogeneidade da

temperatura entre as temperaturas do núcleo e superficial da peca a ser tratada.

Para tanto, utilizaram-se experimentos práticos com corpos de provas

confeccionadas em aço SAE 8640 de diferentes tamanhos, durante o processo de

recozimento de alívio de tensões. A temperatura foi controlada e monitorada em

diversos pontos, tanto pelo modo convencional, que é o controle realizado pelo

sensor de temperatura da câmara quente do forno, como do controle com o sensor

de temperatura posicionado em pontos localizados diretamente na peça a ser

tratada termicamente.

Com os resultados dos experimentos, o trabalho mostra que no esquema

convencional de controle há problemas de homogeneidade de temperatura e

apresenta o posicionamento do sensor de temperatura que obteve os melhores

resultados para homogeneização entre a temperatura do núcleo e superfície da peça

com a temperatura desejada no processo.

2 Materiais e métodos

O material utilizado para confecção dos corpos de provas foi o aço SAE 8640,

conforme figura 1, com as seguintes dimensões:

a) Diâmetro de 50,8 mm x 110 mm de comprimento (peça menor);

b) Diâmetro de 101,6 mm x 210 mm de comprimento (peça média);

c) Diâmetro de 152,4 mm x 320 mm de comprimento (peça grande).

Nos corpos de provas foram usinados dois furos com diâmetro de 6 mm cada,

um furo no centro de cada peça com profundidade até o meio do comprimento da

peça e o segundo furo bem próximo a superfície da peça até 1/4 do comprimento da

peça, para melhor compreensão ver a figura 1.


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Figura 1 – Foto das furações dos termopares em dois corpos de provas

Os termopares e cabo de compensação utilizados nos experimentos foram do

tipo K. Para o monitoramento da temperatura do núcleo e da superfície dos corpos

de provas utilizou-se dois termopares modelo vareta com diâmetro de 6 mm por 2 m

de comprimento. Para o monitoramento da câmara do forno utilizou-se um termopar

com proteção cerâmica com 500 mm de comprimento. Um croqui do conjunto

montado esta na figura 2.

Figura 2 – Croqui montagem termopares, cabo de compensação e forno

O forno utilizado para os experimentos foi um forno câmara de pequeno porte

sem recirculação de ar modelo KOE 40/25/65. As dimensões utéis da câmara são de

400 mm de largura, 250 mm de altura e 650 mm de comprimento.

A tensão de linha utilizada nos experimentos foi de 380 VAC e o esquema de

ligação das resistências elétricas do forno foi do tipo triângulo.

O painel elétrico de controle utilizado nos experimentos foi montado no ínicio

do projeto, para o controle de potência sobre as cargas resistivas utilizou-se um

conversor de potência com sistema de disparo trem de impulsos da Therma módelo

TH 8000. Neste sistema o conversor modula a potência da carga através do envio

de pulsos de senóide com intervalos, esta modulação e linear de 0% a 100% da

potência e controlada por um sinal de disparo de 4~20 mA do conversor, no painel

elétrico utilizado este sinal é proveniente de um controlador microprocessado


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Therma módelo TH 91 com ação de controle on-off e PID (Proporcional Integral

Derivativo), com autotuning (ajuste automático do PID) e com sistema de

comunicação serial RS 485 com protocolo MODBUS RTU.

Para segurança do painel elétrico utilizou-se um disjuntor de 63A de corrente

máxima, com isto o conversor de potência através do potenciômetro de limitação de

corrente, foi ajustado para trabalhar com 60A de corrente máxima. Para os

experimentos a corrente de 60A foi considerada como 100% de potência, em alguns

experimentos utilizou-se 58% e 79% da potência, representando os seguintes

valores (ver tabela 1):

Tabela 1 – Potência e amperagem do forno utilizadas nos experimentos

O monitoramento dos experimentos foi realizado atráves do software gratuito

de registro de variáveis Infotherm v.0.5.0/31 da Therma. Todo o esquema de ligação

com todos os acessórios podem ser vistos na figura 3.

Figura 3 – Esquema de ligação utilizado nos experimentos com todos os acessórios

Tratamento Térmico

O aço utilizado nos experimentos, conforme já mencionado, foi o aço SAE

8640. Na tabela 2, tem-se a descricão de alguns tratamentos térmicos com suas

típicas temperaturas de processo para o aço SAE 8640.


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Tabela 2 – Temperaturas típicas de alguns tratamentos térmicos para o aço SAE 8640

Fonte: (1)

O tratamento térmico escolhido para o monitoramento da rampa de

aquecimento nos corpos de provas confeccionados em aço SAE 8640 foi o

tratamento térmico de alívio de tensões. A escolha deste tratamento se deve pelo

fato de ser realizado em uma temperatura intermediária, comparado aos demais

tratamentos térmicos. Como seria necessária a realização de vários experimentos, o

tratamento térmico de alívio de tensões provocaria menos danos precoces no

equipamento utilizado, como por exemplo: danificar os termopares, resistênsias, etc.

Esquema de ligação de controle

Para o controle e monitoramento dos experimentos, foram utilizados três tipos

de ligações. Os primeiros experimentos foram realizados com o controlador ligado

no termopar da câmara do forno, onde o sinal de controle é enviado para o

conversor de potência. Os outros dois controladores foram utilizados somente como

indicador, ou seja, não enviam sinal de controle, somente registram a temperatura

do núcleo da peça como da superfície da peça. O esquema desta ligação pode ser

visto na figura 4.

Figura 4 – Esquema de ligação com controlador no termopar do forno


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O segundo esquema de ligação de controle utilizado nos experimentos foi

com alteração dos controladores. Neste segundo esquema, o controlador do

processo está ligado no termopar do núcleo da peça, controlador este que envia o

sinal de controle para o conversor de potência. Os outros dois controladores estão

ligados no termopar da superfície e do forno atuam somente como indicadores,

registrando as temperaturas da câmara do forno e da superfície da peça.

O terceiro esquema de ligação de controle utilizado foi com o controlador

ligado na superfície da peça, enviando o sinal de controle para o conversor de

potência, neste esquema os controladores ligados aos termopares da câmara do

forno e do núcleo da peça atuam somente como indicadores, registrando as

temperaturas da câmara do forno e do núcleo da peça.

3 Resultados

Inicialmente, realizou-se o controle da temperatura da câmara do forno, com

registros das temperaturas do núcleo e superfície das peças. Para os primeiros

experimentos a temperatura de set point do controlador da câmara do forno para

todas as peças foi ajustada para 650°C. No gráfico 1 tem-se um exemplo de

monitoramento, para a peça menor em modo on-off. Pode-se ver que a temperatura

máxima do núcleo para peça menor ficou em 629°C e a temperatura da superfície

ficou em 625°C. Para as peças média e grande, esta diferença de temperatura foi

ainda mais significativa, e nenhuma das temperaturas do núcleo e da superfície

atingiram a temperatura de set point desejada.

Gráfico 1 – Rampa de aquecimento na peça menor, controlador no forno em modo on-off


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Com isto, tomando como referência a temperatura do núcleo das peças

registradas, os próximos experimentos foram realizados com a temperatura de set-

point de 650°C mais a diferença de temperatura entre set-point e núcleo das peças

registradas nos experimentos anteriores, as novas temperaturas propostas de set-

point podem ser vistas na tabela 3. Para estes experimentos foi utilizado o

controlador em modo autotuning ativado na temperatura ambiente.

Tabela 3 – Set-point proposto

O gráfico 2 apresenta o resultado obtido para a peça menor. Pode-se observar

que mesmo acrescentando a diferença de temperatura, e aumentando a

temperatura de set-point, a temperatura do núcleo e da superfície da peça não

atingiram a temperatura desejada de 650°C. A temperatura máxima obtida no

núcleo da peça menor foi de 636°C e na superfície da peça foi de 632°C. Logo, esta

estratégia não se configura uma boa solução, em face à complexidade e não-

linearidades envolvidas no processo térmico em questão.

Gráfico 2 – Rampa de aquecimento na peça menor, controlador no forno em modo autotuning


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No gráfico 3 tem-se a comparação entre as rampas de aquecimento com dados

do termopar da câmera do forno, do núcleo e da superfície, em modo on-off e modo

autotuning do início do aquecimento. Pode-se verificar que as variações finais de

temperatura para o núcleo e superfície das peças são muito pequenas. O que se

notou foi uma resposta mais rápida no modo on-off para o termopar da câmera do

forno e para o núcleo e superfície. Esta resposta mais rápida foi devido ao fato de

que no modo on-off o controlador aciona 100% da potência durante todo o

aquecimento, e no modo autotuning notou-se ao ligá-lo, automaticamente a potência

do forno se reduziu aproximadamente 20% da potência total, devido à lógica de PID

utilizada.

Gráfico 3 – Comparação da rampa de aquecimento do termopar do forno em modo on-off e autotuning

Os experimentos seguintes foram realizados com controlador no termopar do

núcleo e da superfície das peças. Nos experimentos utilizando o modo autotuning,

seguiu-se uma das observações do manual do controlador, que recomenda ativá-lo

aproximadamente a 40% abaixo da temperatura de set-point.

No gráfico 4, tem-se o monitoramento da rampa de aquecimento na peça

menor com o controlador utilizando o termopar no núcleo da peça (em modo on-off e

autotuning). A temperatura na câmara do forno fica em torno de 687°C, e no núcleo

é mantida controlada próxima ao set-point de 650°C. Observa-se um maior

sobresinal e oscilações no modo on-off.


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menor com o controlador utilizando o termopar da superfície da peça (em modo on-

off e autotuning). A temperatura na câmara do forno fica em torno de 696°C, e no

núcleo é mantida próxima a 652°C e na superfície próxima ao set-point de 650°C.

Novamente, observa-se um maior sobresinal e oscilações no modo on-off.

Gráfico 4 – Rampa de aquecimento na peça menor, controlador no núcleo em modo on-off e autotuning

Gráfico 5 – Rampa de aquecimento na peça menor, controlador na superfície em modo on-off e autotuning


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Para a peça média, obtiveram-se resultados semelhantes, conforme

apresenta-se na tabela 4. Novamente, com o controle utilizando o termopar do

núcleo da peça, obtém-se um valor da temperatura bastante próximo ao requerido

(650°) nesta posição da peça, e bem próximo a este valor na superfície da peça.

Deve-se atentar ao maior sobressinal verificado no forno, que alcança 889°C para o

controle PID.

Tabela 4 – Resultados para peça média


grande com o controlador utilizando o termopar no núcleo da peça (em modo on-off

e autotuning). A temperatura na câmara do forno é bastante oscilatória e com

sobressinal elevado. No núcleo, a temperatura é mantida controlada próxima ao set-

point de 650°C e na superfície atinge aproximadamente 626°C (controle PID). Ou

seja, não se obtém boa homogeneidade de temperatura na peça. A tabela 5

apresenta o resultado para o controlador utilizando o termopar da superfície da

peça. Pode-se verificar que há novamente uma não homogeneidade da temperatura

entre o núcleo e a superfície.

Gráfico 6 – Rampa de aquecimento na peça grande, controlador no núcleo em modo on-off e autotuning Fonte : Autor


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Tabela 5 – Resultados para peça grande e controle na superfície

4 Conclusões

O esquema de ligação de controle que propiciou a melhor uniformidade entre a

temperatura do núcleo e a temperatura superficial na peça menor e média, com o

valor desejado de set-point, foi o sistema de controle com o controlador ligado no

termopar do núcleo da peça. Para a peça menor, a variação ficou em 1°C do valor

desejado, para peça média a variação ficou entre 1 a 2 °C. Seu esquema pode ser

visto na figura 5.

Figura 5 – Esquema de ligação de controle com os melhores resultados Fonte : Autor

Para a peça grande, o melhor resultado foi com o controlador no núcleo, onde

a variação de temperatura do núcleo em relação a temperatura desejada ficou em

1°C, mas a temperatura superficial ficou 25°C abaixo da temperatura desejada. A

temperatura da câmara do forno ficou entre 695 e 714°C. A proposta para

homogeneizar a temperatura do núcleo e superficial da peça é de melhorar a

convecção do forno utilizando um circulador, no qual seu motor ficará ligado há um

inversor de frequência para controlar sua velocidade. A variação de uniformidade da

câmara do forno pode ser controlada pela circulação de ar interna na câmara do

forno. Todo o sistema estará ligado ao um PAC (Programmable Automation

Controller) e a um sistema supervisório, a escolha do PAC apesar de ainda terem


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um alto custo é devido a sua maior capacidade de processamento (em relação aos

CLP’s), o PAC será responsável em controlar a temperatura do núcleo da peça

através dos tiristores (conversor de potência) e também controlar a temperatura

superficial utilizando a velocidade do circulador, controlada pelo inversor de

frequência. Todos os equipamentos serão integrados em um sistema supervisório,

facilitando o monitoramento, registro e controle do processo. Na figura 6, tem-se um

esquema geral da proposta apresentada.

Figura 6 – Esquema de ligação proposto para peças grandes Fonte: Autor

A aplicação na prática do sistema de controle utilizando o sensor no núcleo do

material a ser tratado, pode ser realizada através de uma peça “teste”

acompanhando todo o ciclo da carga a ser tratada termicamente. O importante é que

a peça de “sacrifício” utilizada para o controle tenha a mesma dimensão ou uma

massa muito próxima da carga a ser tratada, o que proporcionará um controle real

dos processos de transferência de calor que ocorrem no sistema.

Um estudo mais profundo e rigoroso sobre transferência de calor, com

aplicação de métodos de resoluções numéricas e técnicas computacionais, pode ser

uma linha de estudos para se desenvolver novas formas e meios de controle para os

processos de tratamentos térmicos.

Referência

(1) ASM HANDBOOK. Heat treating. United States: ASM International, 1991. v.4.


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STRATEGIES FOR CONTROL OF

HEAT TREATMENT FURNACE

ABSTRACT

The behavior of temperature in the chamber of a furnace heat treatment and

surface temperatures and core samples made of steel SAE 8640 was studied by

means of experiments,. The objective is to evaluate the best control strategy in order

to achieve uniformity between the temperature of the core and the surface of the part

with the desired temperature of treatment.

Keywords: Temperature control. Furnace. Heat treatment.


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