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Controle de temperatura e perfil térmico
Controle de temperatura preciso e
possível de ser repetido é o centro dos maiores
processos de tratamento térmico. É importante que
medidas especiais sejam tomadas para controlar o
processo para as exigências do componente. Isso
necessita de controle preciso para ambos os
setpoints programáveis e o controle da
temperatura em estado estável acima de um limite
amplo de setpoints de temperatura e cargas do
forno.
Para assegurar um desempenho que
possa ser repetido e consistente através do uso mais
amplo do limite do forno, a Eurotherm construiu,
dentro de suas soluções de controle, rotinas
especiais para agregar programação, inibição de
leituras fora de escala e transições de
rampa/atraso. As estruturas de controle também devem
ser incorporadas para garantir que o controle de
temperatura está conforme os requisitos da
metalurgia da peça de trabalho no qual o sistema de
controle necessário deve ser construído para
acomodar termopares em peças de trabalho separadas.
Teste de
forno e auditorias
A maioria dos equipamentos de
processamento térmico é auditada para certificar que
as partes são processadas de acordo com a
especificação da aplicação.
Para conseguir as cargas máximas de
forno e utilização do equipamento, as temperaturas
definidas numa região de carga de trabalho deve ter
tolerância conforme o TUS (Pesquisa de
Uniformidade de Temperatura
-
Temperature Uniformity Surveys)
são freqüentemente executadas para determinar o grau
de conformidade.
Os fornos são agrupados em diferentes
classes dependendo do grau de tolerância (TUS)
e os tratamentos de carga de trabalho podem ser
definidos para ser realizados nos fornos de uma
classe acreditada em particular.
Os fornos de tratamento térmico são
também controlados por um limite dos Testes de
Precisão do Sistema (System Accuracy Tests - SATs),
que define os requisitos de tipo e precisão para
instrumentação de controle e sensores.
É importante considerar as
necessidades da conformidade requerida com o TUS
e SAT quando elaborar os sistemas de controle
para estar de acordo com o requisito de
processamento e classe do forno.
Em muitos processos nos quais existe
um atraso considerável no tempo entre o processo e o
forno, (como um forno de retorta ou durante a
ocorrência de regiões de baixa temperatura em fornos
a vácuo), deve ser solicitado o controle do forno
por sensores da peça de trabalho.
Ter estratégias para controle em
Cascata ou Prioritário (Override), ser capaz
de implementar rotinas efetivas para garantir tempos
de molho e conter perfis térmicos são um requisito
necessário da arquitetura do sistema de controle
nessas aplicações.
Esse requisito de perfil térmico é
definido pelo processo de metalurgia e é muito
freqüentemente determinado através do uso de
sistemas de receitas ‘controladas’. É importante que
um método seguro e fácil, que habilite os usuários e
operadores a configurar e executar receitas que
possam ser repetidas, sem medo de mudanças não
autorizadas.
Controle da
atmosfera com gás
Desde que muitos tratamentos térmicos
e processos químicos de superfície dependem de uma
atmosfera gasosa para serem executados, é importante
incluir provisão para este sistema de controle.
Deve ser simples como incluir eventos temporizados
ou dirigidos por temperatura com o perfil de quando
gases como Nitrogênio, Argônio e Hidrogênio são
solicitados. Tradicionalmente o sistema de controle
não fornece controle responsivo (feedback) na
atmosfera desses tipos de processo; tipicamente,
apenas oferecem a capacidade de ajustar taxas de
fluxo de gases fixas em partes definidas do ciclo
via um simples fluxo liga/desliga ou mais complexo
dispositivos de controle de fluxo de massa, contidos
em si mesmos.
Com o advento dos novos analisadores
de baixo custo e o crescimento da aplicação de
sondas de zircônio, mais usuários estão utilizando
equipamentos analíticos para assegurar que seus
processos estão mantendo os níveis desejados de
redução de oxidação.
Sendo muitos gases voláteis, um
cuidado especial precisa ser tomado com a elaboração
do sistema de controle para certificar que a
seqüência e segurança dos gases seja mantida.
Para muitos dos tratamentos de
superfície, também é necessário controlar o fluxo de
enriquecimento de gás ou diluição do ar dentro do
forno confrontando com o setpoint definido
para um certo período. O enriquecimento de gases é
utilizado para propiciar atmosferas gasosas para
processos tais como Carburização e Nitretação.
Nestes casos o controle de resposta (feedback)
é utilizado e algoritmos especiais são necessários
para converter a saída das sondas de zircônio nas
funções de aplicação específica.
O propósito do controlar a atmosfera
nessas aplicações é para ganhar resistência
específica à superfície e finalizar pelas partículas
de gás recém difundidas na superfície do componente.
Vários algoritmos têm sido empregados para
determinar a taxa de difusão, em vez de aplicar os
perfis de atmosfera/temperatura/tempo fixados. Muito
dos novos equipamentos OEM fazem uso desses
cálculos de difusão, enquanto a maioria da base
instalada depende de um perfil do potencial de
carbono simples. Por exemplo: Utilizar a análise
Infravermelha de 3 gases para auxiliar os processos
de carburização adiciona um alto grau de
confiabilidade adicional ao controle do potencial de
carbono.
Controle
da atmosfera com vácuo
Os fornos a vácuo são amplamente
utilizados no tratamento térmico, particularmente
nas indústrias Aeroespacial e Automotiva. Quase
todos os ciclos de tratamento térmico convencionais
podem ser executados num vácuo, tais como:
homogeneização, alívio de tensões, normalização,
endurecimento, revenimento e recozimento. Fornos a
vácuo também são utilizados para brasagem e
degasificação de material e têm sido mais usados
para carburização de baixa pressão.
As câmaras tipicamente operam num
limite atmosférico a partir de uma atmosfera
ambiente abaixo de 10-9milibars. Os sistemas de
controle precisam comportar a interface entre os
medidores de vácuo complexo e a seqüência do
processo, tendo em conta particularmente:
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Partida da bomba e seqüenciamento
do bombeamento
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Eficiência do bombeamento a vácuo
e taxa de vazamento da câmara
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Controle de pressão parcial e
controle de preenchimento posterior
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Intertravamento para
degasificação a vácuo e aquecimento
Sistemas de Têmpera
Um dos aspectos mais importantes do
tratamento térmico é o processo de têmpera. Muitas
das mudanças na estrutura que ocorrem no tratamento
de ligas metálicas também acontecem durante a
têmpera. Uma vez que o componente foi mantido por um
período desejado de tempo na temperatura exigida
para efetivamente corrigir a estrutura cristalina,
ele deve ser temperado no ar, óleo, água ou polímero
especial. Os sistemas de controle precisam comportar
a rápida transição da temperatura de controle para a
têmpera, desde que a taxa de mudança da temperatura
durante o resfriamento determina em grande parte a
estrutura do micro-grão do componente.
Por exemplo:
Um componente que consiste de 0,6% de
aço carbono, que foi tratado com calor Acima da
Temperatura Crítica para obter uma estrutura de
micro-grão do componente que consiste de Austenita,
irá converter em um material adequado ao retrabalho
quando o ar resfriado em um processo de recozimento
(Perlita com Ferrita). Quando o componente for
rápida e satisfatoriamente temperada no óleo, o
mesmo endurecerá por uma conversão diferente da
miro-estrutura para Martensita. O componente pode
ser processado posteriormente no processo de têmpera
para remover muito da fragilidade. Variações no
processo de têmpera proporcionam uma gama de
propriedades do material.
Regulamentações da indústria
Muito do setor de tratamento térmico
é regulado tanto pelas especificações prescritas ou
pelas demandas dos procedimentos de qualidade
industrial. As demandas são feitas de provedores de
tratamento para mostrar que os processos adotados
sustentam o exame minucioso sob algum tipo de
ambiente auditado. Os ambientes auditados tendem a
ser específicos da indústria com variações globais e
regionais.
A indústria automotiva tem adotado
amplamente as recomendações contidas no CQI-9 (Grupo
de Ação da Indústria Automotiva – Automotive
Industry Action Group) que oferecem ao guia de
Pirometria SAE para tratamento térmico
AMS2750D. De forma alternativa eles dependem dos
sistemas de qualidade contidos no TS16949, no qual a
especificação é baseada nos procedimentos de
qualidade do processo e manuais de qualidade
individualmente, os quais mostram como a
conformidade com o processo é conseguida e mantida.
A indústria aeroespacial tem adotado amplamente os
métodos mais prescritivos de creditação que são
cobertos na especificação global Nadcap nas
seções 7102 e AMS2750D associada que se aplica
especificamente ao tratamento térmico.
Gerenciamento de Dados
Como parte da necessidade de estar em
conformidade com as regulamentações da indústria,
existe uma demanda dos fornecedores do tratamento
térmico para registrar e reter a informação do
processo. O sistema de controle usualmente inclui
equipamento de registro que habilitam que o dado
seja convenientemente visualizado, arquivado, salvo
e recuperado. As regras específicas estão amparadas
nas especificações prescritas ou nos manuais, que
recomendam sobre o procedimento para gerenciamento
dos dados. Além disso, os registros devem ser
mantidos considerando o status da planta do processo
detalhando os dados da calibração do instrumento,
informação sobre sensores do processo e relatórios
de levantamentos de temperatura. O gerenciamento de
dados digitais dirigidos às tendências recentes tem
habilitado a Eurotherm a desenvolver soluções que
incorporem todas as necessidades de gerenciamento de
dados num conjunto de produtos complementares que
estão de acordo com as necessidades tanto do
processo quanto da sua análise.
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