A temperatura afeta muito a formabilidade dos metais para obter formas desejáveis. Há muitas maneiras de aque­cer materiais metálicos, incluindo o uso de fornos a indução, a gás, aquecedores infra­vermelhos, elétricos e outros. Cada método tem suas próprias vantagens e limitações. Os componentes de aço representam, de longe, a maioria das peças trabalhadas a quente (Fig. 1). Ao mesmo tempo, as ligas de Al, Cu, Co, Mg, Ni, Ti e outras ligas e superligas metálicas também podem ser efetivamente aquecidas por indução.

Chamada para Projetos Híbridos

Em alguns casos, projetos híbridos que consistem em uma combinação de um forno de indução e um forno a gás podem oferecer vantagens. Este seria o caso quan­do, por exemplo, um cliente já tem um forno a gás existente e planeja expandir seus negócios, aumentar sua taxa de pro­dução e/ou processar diferentes tamanhos de peças e ligas que poderiam exigir tem­peraturas alvo mais altas.

Existem dois designs híbridos típicos:

• Aquecimento por indução seguido por aquecimento em um forno a gás;
• Preaquecimento de aço em um forno a gás a temperaturas elevadas (por exem­plo, 800-900°C) seguido por aquecimento por indução até a temperatura final.

Ambas as abordagens têm suas pró­prias vantagens e podem fornecer uma combinação atraente de custo-benefício, economia de espaço e processamento tec­nicamente vantajoso.

Projeto Híbrido A - Indução Seguida por um Forno a Gás

A indução fornece o aquecimento elétrico rápido e altamente eficiente de materiais ferromagnéticos (por exemplo, aços car­bono). A eficiência elétrica da bobina fre­quentemente supera 80-85%. Ao exceder o ponto de Curie (no qual os materiais per­dem suas propriedades magnéticas), a efi­ciência de aquecimento diminui até certo ponto e ocorre uma geração de calor muito mais profunda, que intensifica o fluxo de calor em direção às regiões internas e o núcleo da peça.

Depois de receber a maior parte da energia térmica necessária por um sistema de indução, uma peça de trabalho pode ser transferida para um forno a gás (Fig. 2) que poderia fornecer apenas uma pequena elevação da temperatura média do tarugo. O forno a gás atua principalmente como um forno de espera para atingir a unifor­midade volumétrica da temperatura.

Esta abordagem pode ser particular­mente benéfica ao projetar sistemas para aquecer peças de trabalho de formas irre­gulares ou componentes com várias massas e seções transversais complexas (incluindo triangulares, trapezoidais, romboides, he­xagonais, poligonais, etc.). A capacidade do aquecimento por indução para atuar como um intensificador e resultar num aquecimento a granel altamente eficiente e rápido é atrativo, uma vez que permite um aumento do rendimento. Também reduz drasticamente a formação de incrustações devido ao tempo reduzido em que a super­fície do aço é exposta a altas temperaturas.

Projeto Híbrido B - Forno a gás seguido por aquecimento por indução

Ao contrário do Projeto Híbrido A, os tarugos de forjamento podem ser inicial­mente preaquecidos a temperaturas na faixa de 800-900ºC em um forno a gás para aproveitar o menor custo do gás. Em segui­da, os tarugos podem ser transferidos para um forno de indução horizontal ou vertical para alcançar as condições térmicas e be­nefícios finais (Fig. 3). Independentemente do fato de que o aquecimento por indução seja aplicado acima da temperatura de Curie, a eficiência total de aquecimento para aços ainda é significativamente maior em comparação com o forno a gás, geral­mente dentro da faixa de 60 a 75%.

Além da vantagem de utilizar um ser­viço de menor custo para fornecer aque­cimento a granel, haverá uma economia adicional resultante do menor custo de manutenção do forno a gás, devido a sua operação a baixas temperaturas. Se apenas gás ou aquecimento por resistência forem usados para atingir as temperaturas de for­jamento do aço, temperaturas significati­vamente maiores seriam necessárias dentro da câmara do forno para desenvolver uma densidade de fluxo de calor na superfície da peça suficiente para fornecer a taxa de produção necessária. Isso reduziria drasti­camente a vida livre de problemas de um forno a gás.

Este conceito híbrido também é atra­ente ao aquecer ligas que exibem extrema fragilidade. Fissuras radiais e longitudinais (Fig. 4, esquerda e direita, respectivamente) podem ser uma preocupação ao aquecer materiais metálicos que exibem baixa du­reza. Rachaduras podem aparecer devido a tensões térmicas excessivas durante o estágio inicial de aquecimento. A magni­tude permissível dos gradientes térmicos é uma função complexa da geometria, composição química, condições prévias de processamento (por exemplo, aço fundido versus aço forjado), irrregularidades mi­croestruturais, etc.

Os aços fundidos, por exemplo, são particularmente propensos a rachaduras sob aquecimento intenso e precisam de atenção especial. Defeitos de solidificação (encolhimento, macro e micro segrega­ção, porosidade), defeitos de gás (bolhas/ furos, porosidade intergranular, bolsões de ar presos, etc.), trincas de conformação a quente e outros aumentos de tensões tam­bém têm um efeito nítido na intensidade de calor máxima admissível durante a fase inicial de aquecimento. Um conceito híbri­do pode oferecer benefícios significativos em tais casos.

Este projeto híbrido também pode aju­dar a minimizar a perda de metal devido à incrustação. A formação de incrustações é uma grande preocupação para o setor, uma vez que tem um impacto negativo multidi­mensional na rentabilidade geral e na vida útil do produto e ferramental. A incrustação diminui o valor de um produto de valor agregado, e sua eliminação ou redução significativa é imperativa para as empresas de processamento de aço. Referência 1 no final deste artigo discute várias maneiras de suprimir a formação de incrustação em aços. Uma delas é encurtar o tempo em que a superfície da peça de trabalho é exposta a altas temperaturas em uma atmosfera oxi­dante. O aquecimento por indução permite alcançar as condições térmicas necessárias mais rapidamente em comparação ao aque­cimento por chama de combustão. Portan­to, a superfície da peça de trabalho perma­nece em alta temperatura por um tempo consideravelmente menor, resultando em uma redução mensurável da incrustação. Também é mais fácil incorporar as atmos­feras protetoras no projeto de sistemas de indução, particularmente quando indutores verticais são usados. Em tais casos, um indutor pode ser encapsulado completa ou parcialmente usando uma câmara selada.

A capacidade da tecnologia Inducto­Forge (Fig. 5) de permitir uma redistribui­ção instantânea de energia ao longo da li­nha de aquecimento para diferentes ciclos de produção e minimizar o tempo que o metal é exposto a altas temperaturas é es­sencial para a redução de incrustação.

Uma Boa Pergunta

Um cliente me abordou com a seguinte per­gunta: “Nós processamos tarugos de liga de cobre em nossa fábrica. Fornos a gás têm sido usados para aquecer tarugos de liga de cobre (C14500, C44300, C64200). Os diâmetros dos tarugos estão dentro da faixa de 200 a 240mm. A temperatura máxima do nosso forno é de 860 °C, o que é suficiente para esses trabalhos. No entanto, estamos expan­dindo nossos negócios e processaremos ligas (por exemplo, C71500, C63000) que exigem temperaturas de 950 a 1.050 °C. Poderíamos usar nosso forno a gás para o preaquecimento do tarugo e, em seguida, usar um sistema de grua para mover os taru­gos para um forno de indução para aquecimento final?”

A resposta simplesmente é sim. A abordagem híbrida ajudará a reduzir seu custo de capital, porque seu novo sistema de indução exigirá apenas o aumento da temperatura do tarugo em média abaixo de 200°C. Dependendo da taxa de produção e da uniformi­dade de temperatura necessária (da superfície ao núcleo e de ponta a ponta), você pode usar vários aquecedores de indução estáticos para atingir as temperaturas alvo. Tenha em mente que, se os com­primentos dos seus tarugos variarem visivelmente, você deverá controlar adequadamente os efeitos eletromagnéticos, aplicando curvas ajustáveis, extensores de fluxo magnético ou concentradores de fluxo. Considerando os diâmetros dos seus tarugos, o uso de baixas frequências (50 - 120 Hz) será apropriado. Os desafios com o aquecimento por indução de algumas ligas de cobre (por exemplo, C71500) são com sua condutividade térmica extremamente baixa, que é mais de 14 vezes menor que a do cobre puro e mais de 12 vezes menor que a liga C14500 processada atualmente. Portanto, ocorrerá uma transferência de calor da superfície para o núcleo muito menor, exigindo tempo suficiente para compensar a falta de condução tér­mica. Além disso, a condutividade elétrica do C71500 é apenas 4,6% da do cobre puro. Isso aumenta tanto a eficiência elétrica quanto a profundidade da geração de calor, o que pode compensar em algum nível a redução na condutividade térmica. A resistividade elétrica da liga C71500 é de apenas cerca de 54% do aço inoxidável austenítico, e sua condutividade térmica é de cerca de 1,6 vezes a do aço inoxidá­vel. Portanto, uma resposta da liga de cobre C71500 ao aquecimento por indução está mais próxima da resposta do aço inoxidável do que da do cobre puro. As sutilezas de novas ligas de cobre devem ser abordadas ao se projetar um sistema de indução a ser posicionado após um forno a gás.

Conclusão

Nas últimas décadas, o aquecimento por indução eletromagnética tornou-se uma escolha cada vez mais popular para o trabalho de conformação a quente dos metais. Na maioria dos casos, a indução é usada como fonte de aquecimento de metais. Ao mesmo tempo, há aplicações em que abordagens híbridas podem oferecer fornecer certos benefícios. Como regra geral, quando se trata de geometrias complexas e materiais que exibem dureza e flexibilidade suficien­tes (particularmente durante o estágio inicial de aquecimento), o Projeto Híbrido A (indução seguido por um forno a gás) pode ser benéfico. Por outro lado, ao lidar com peças de formatos clássicos feitas de materiais frágeis (aços de alto carbono ou materiais metáli­cos fundidos), o Projeto Híbrido B (forno a gás seguido de indução) pode ser considerado.

Referências

1. V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook, Handbook of Induction Heating, 2nd Edition, CRC Press, 2017, 750p.