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De acordo com as pesquisas realizadas durante o processo de desenvolvimento do
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Atc automação de um processode tratamento térmico de aço

  1. 1. TRABALHO INTERDISCILINAR DIRIGIDO I INSTITUTO POLITÉCNICO – CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA AUTOMAÇÃO DE UM PROCESSO DE TRATAMENTO TÉRMICO DE AÇO CURSO: Engenharia de Controle e Automação Professor TIDIR: Hugo Michel Álax Junio, Ane Emanuele, Camila Mairinques, Cristielly Sabrina, Geraldo Natalício, Thyales Ricarte, Sidmar Barbosa Resumo Neste Artigo é proposto um processo automático de tratamento térmico de Aço conhecido como Normalização. Uma esteira contínua acoplada ao forno proporciona maior mobilidade do material a receber o tratamento térmico. Sensores são introduzidos para se efetuar o controle da temperatura de operação, e o tempo de permanência do material dentro do forno. Um protótipo é desenvolvido com intuito de se obter resultados que demonstrem a redução de falhas nesse processo por meio do controle e automação do mesmo. Palavras-chaves  Automação, Tratamento. 1. Introdução A utilização de equipamentos e máquinas nas indústrias teve início na Revolução Industrial, na Inglaterra no século XVIII, expandindo-se pelo mundo a partir do século XIX. Anteriormente, toda produção era de modo artesanal e rústica. A introdução de um maquinário específico para produção propiciou auxílio à mão-de- obra e um aumento de produtividade. Desde então, as máquinas vêm sendo aperfeiçoadas com o objetivo principal de tornar a produção cada vez mais rápida, lucrativa e confiável. Em meados do século XX o controle e automação de processos se baseavam em elaborados circuitos lógicos acionados por dispositivos eletromecânicos magnéticos (relés), associados a dispositivos pneumáticos. Atualmente, a automação é sinônimo de produtividade, qualidade, segurança e inovação. O que se caracteriza como um diferencial no mercado, possibilitando que determinadas empresas se destaquem. Pode-se dizer que, umas das demandas correntes do mercado de engenharia é a busca dos sistemas energeticamente eficientes. No caso da engenharia de controle e automação, grande parte da eficiência pode ser alcançada melhorando-se os sistemas de acionamento de máquinas e equipamentos que se encontram ultrapassados e obsoletos. O presente trabalho tem como objetivo demonstrar uma pequena parte da automação do processo de tratamento térmico do aço. “O Tratamento Térmico em metais é o conjunto de operações envolvendo aquecimento, tempo de permanência em determinadas temperaturas e resfriamento sob condições controladas, com o objetivo de melhorar as suas propriedades ou conferir-lhes características pré - determinadas.” [1] Neste contexto, o objetivo desse trabalho é descrever um forno contínuo utilizado no tratamento de normalização, o qual é caracterizado pelo aquecimento do aço até
  2. 2. sua austenização completa, ou seja, levá-lo a uma temperatura acima de sua temperatura eutetóide (+/- 727°C), que é a menor temperatura de equilíbrio entre fases líquida e sólida. 2. PesquisaBibliográfica Os tratamentos térmicos empregados em metais são definidos como qualquer conjunto de operações de aquecimento e resfriamento sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento. O processo demonstrado, a Normalização, se trata de um resfriamento do aço a partir de uma temperatura onde exista 100% de austenita. Austenita ou ferro у é a modificação cúbica de faces centradas do ferro. E é também a forma estável do ferro puro entre 910°C (1670°F) e 1400°C (2550°F). Após a realização de trabalhos no aço ele apresenta tensões em sua estrutura molecular, ao iniciar a Normalização, quando chegar à temperatura desejada, se tem a homogeneização da estrutura cristalina (Fig. 1Error! Reference source not found.) do aço, voltando á sua regularidade estrutural, onde apresenta arranjos atômicos com repetições nas três dimensões, nesse processo é eliminado os pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores. Quando aquecido além de 910°C (1970°F), o ferro puro sofre mudanças na sua estrutura cristalina de cúbica de corpo concentrado para cúbicas de faces centradas. Essa transformação é indicada em Fig. 2 e são comparadas com as mudanças de fases da água. [2] Fig. 1- Modelo de Estrutura cristalina Fig. 2- Mudanças de fase: (a) H2O e (b) ferro
  3. 3. Para a realização do tratamento térmico é utilizado um forno contínuo. A esteira acoplada ao forno, facilita o transporte do material, onde apresentaria uma dificuldade em carregá-lo manualmente, ela é montada perpendicularmente ao forno e com o auxilio de rolos presos à uma mesa pode suportar o peso do material. Isso acontece porque o vetor de força que o peso do material exerce sobre a esteira possui um vetor oposto a ele com mesmo módulo, porém, sentido contrário, esse vetor oposto é o da força que a esteira realiza sobre o material. [3] A automação do processo é feita por um programador de tempo e temperatura que determina o tempo de permanência do material dentro do forno. O tempo de permanência em determinada temperatura é definido por (1) 𝑡𝑝 = 0,5. 𝐸𝑒𝑞. (1) Onde: tp - tempo de permanência em horas. Eeq- espessura equivalente em polegadas. Para fornos com duas fontes de calor (duas baterias de resistências em duas paredes) a espessura equivalente é 0,5 da maior espessura do componente em polegadas. Ex. para um componente com espessura de 100 mm (~4 polegadas), a espessura equivalente (Eeq) é 2 pol. e o tempo de permanência (tp) será de 1h. Esse tipo de melhora de um processo está ligado ás cobranças do mercado de trabalho, onde a busca pelo melhor nunca acaba. “Quanto mais inovamos mais difícil se tornam as próximas inovações e, portanto, a manutenção de uma estratégia competitiva baseada na inovação”. [4] 3. Materiais e Métodos 3.1. Descrição do forno contínuo O forno contínuo (Error! Reference source not found.) é caracterizado por uma esteira transportadora que é acoplada ao equipamento. Esse tipo de forno é desenvolvido para uso em linhas de grande produtividade e repetibilidade, indicado para tratamentos térmicos de aço, e também para processos industriais de aquecimento mais genéricos, como secagem e pré-aquecimento. Sua estrutura metálica é construída em chapas e perfis de aço laminados. A esteira transportadora é construída em aço inox AISI 314, do tipo balanceada com acionamento e auxilio de rolo esmagador. O acionamento é feito por meio de moto redutor com inversor de freqüência para ajuste de velocidade, que se localiza dentro do painel de controle. O revestimento térmico é feito com fibra cerâmica, por se tratar de um material com baixo peso e alta resistência térmica, o que confere maior rendimento durante o processo. A atmosfera do forno é geralmente inerte, à base de N2 ou Ar, ou
  4. 4. levemente redutoras, contendo H2 ou CO, evitando assim a presença de oxigênio que provoca oxidação do ferro e a descarbonetação da superfície do aço. O painel de controle é do tipo armário, e é separado do corpo do equipamento para evitar a transmissão de calor para os componentes eletro-eletrônicos. O qual é responsável por controlar todas as funções do forno. Resistências espiraladas do tipo Kanthal que possuem o formato de ‘U’, e são distribuídas por todo o forno por meio de tubos cerâmicos, realizam o aquecimento. Um programador de tempo e temperatura microprocessado é utilizado para delinear a temperatura que o forno deve atingir, o tempo que levará para chegar nessa temperatura e o tempo de permanência. O que estabelece um padrão superior de homogeneização, ou seja, a estrutura molecular do aço fica distribuída de forma regular, além de ter uma economia de energia. Rêles de estado sólido realizam o acionamento das resistências, após receberem o sinal do controlador de temperatura, com este tipo de sistema pode-se chavear várias vezes por segundo sem causar danos ao equipamento, e assegurando a qualidade do produto final. Fig. 3- Forno Contínuo Jung. 3.2. Protótipo Materiais usados no protótipo (Fig. 4) foram; Uma caixa metálica com 85 cm de tamanho e 45 cm de largura, duas resistências de 750 w, manta de vidro, termostato, válvula de três e duas vias, cilindro pneumático, manômetro, napa de couro, motor de para-brisa de carro, barra trefilada, tubo de duas polegadas, e sensor de movimento.· Com o objetivo de realizar a montagem do protótipo, utilizou-se duas resistências como fonte de calor. A inserção do circuito elétrico do forno foi ligada em paralelo, assim obtendo a mesma tensão nas duas resistências. Recobriu-se a caixa metálica com manta térmica, para ajudar no aquecimento do forno diminuindo o tempo de aquecimento, e usando o termostato para controlar à temperatura desejada. Para abrir e fechar as portas, foram utilizadas válvula de acionamento junto com os cilindros. Para servir de apoio do forno usou-se barra
  5. 5. trefilada. O movimento da esteira será realizado por motor de para-brisa e como recobrimento da esteira a napa de couro. E o sensor de movimento para detectar, a presença do material. 4. Resultados Experimentais Durante a montagem das resistências teste foram realizados para avaliar a necessidade da utilização de uma eventual proteção térmica interna, foi necessário adaptar manta de vidro para que não perdesse tanto calor, e alcançar a temperatura deseja mais rápido. O nível de dificuldade para escolha dos sensores que adaptasse as necessidades do protótipo foi grande, pois como se trata de alta temperatura, é necessário ter um cuidado maior, para não ter problema de danificá-lo. Durante a montagem da esteira, a principal dificuldade encontrada está na escolha do motor que precisa fornecer energia com corrente continua para motores de corrente alternada. A adaptação de um termostato foi necessária para selecionar a temperatura adequada de ate 280 graus. E após a realização destes ajustes e as definições pode-se, ter um resultado satisfatório, na montagem do protótipo. 5. Conclusão O tratamento térmico de normalização do aço confere ao material melhoria das condições de usinabilidade, ou seja, o processo o torna com uma resistência mecânica mais baixa, facilitando o trabalho que será realizado posteriormente no aço. Normalmente é utilizado para eliminação de pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores, por homogeinizar a estrutura cristalina. Fig. 4- Foto do protótipo
  6. 6. De acordo com as pesquisas realizadas durante o processo de desenvolvimento do trabalho e do protótipo, pode ser observado que a automação desse tipo de forno é de extrema importância na indústria, pois ao controlar o tempo e temperatura que o material permanece no forno, confere ao aço a qualidade e estrutura desejada, facilitando no trabalho posterior de usinagem. Por meio deste trabalho, pode-se alcançar os objetivos propostos, de demonstrar a importância desse tipo de tratamento térmico e suas aplicações na indústria. Além da qualidade superior que a automação de determinadas partes do forno confere ao material, ao obter maior controle do processo realizado. 6. Referência Bibliográfica [1] JUNIOR,Luiz Gimenez. Tratamento térmico em juntas soldadas. Editora IWC, 1997 [2] VAN VLACK, Lawreence H.Elements of Materials Science – Princípios de Ciência dos Materiais. São Paulo: Editora Blucher, 1970. [3] EZZI, Gelson. . Matemática: volume único. São Paulo: Atual, 2002 [4] HILSDORF, Carlos. HSM Online.<http://www.hsm.com.br/inovacao> 18/03/2009 7. Bibliografia 1. CAPELLI, Alexandre. Automação industrial e controle do movimento e processos contínuos. São Paulo: Editora Érica Ltda. 2010 2. CHIAVERINI, Vicente.Aços e Ferros Fundidos. Editora ABM. 3. EZZI, Gelson. . Matemática: volume único. São Paulo: Atual, 2002 4. Introdução à Manufatura Mecânica PMR 2202 Tratamentos Térmicos e de Superfície; Profa. Izabel Machado. Disponível em <http://www.poli.usp.br/d/pmr2202/arquivos/Tratamento_termico_e_superficial .pdf> Acesso em: 23 Abr 2011 5. JUNIOR,Luiz Gimenez. Tratamento térmico em juntas soldadas. Editora IWC, 1997 6. MORAIS, Cícero Couto de. Engenharia de Automação Industrial. 2. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010. 7. VAN VLACK, Lawreence H.Elements of Materials Science – Princípios de Ciência dos Materiais. São Paulo: Editora Blucher, 1970.

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