FORNOS ELÉTRICOS INDUSTRIAIS DE INDUÇÃO

A indução eletromagnética constitui um fenômeno que não precisa de contato para realizar o aquecimento de materiais, pois, eles se encontram sob a ação de campos magnéticos intensos, que incitam correntes parasitas que irão aquecer determinado objeto de dentro para fora. A seleção da frequência que será utilizada no processo depende do escopo final e da restrição técnica do material. Concluiu-se que o aquecimento por indução tornou-se um interessante recurso nos ramos siderúrgico e metalúrgico, por prover uma série de benefícios, que vão do uso consciente de energia elétrica, grande percentual de aquecimento, pequena irradiação de gases, poeira e barulhos, propiciando um melhor local de trabalho e maior controle do processo produtivo.

Palavras-chave: Fornos elétricos industriais. Indução eletromagnética. Desenvolvimento O forno elétrico é um dispositivo de aquecimento elétrico, usado para se conseguir a temperatura almejada de certo objeto, através da energia de calor, gerada pela ação da eletricidade. O do tipo indução usa este fenômeno para a produção de calor desejado. Possuem muita eficiência, tem valor elevado, alcançando temperaturas altas em poucos instantes. São muito usados em fábricas de siderurgia, forjarias e metalurgias (LIMA, 2014). A tarefa de fundir objetos constitui um processo simples, usado para a aquisição de componentes com geometria com certa complexidade, com algum grau de dificuldade em serem conseguidas por produção manual. Peças passam por processo de temperamento em pouquíssimo tempo, minutos ou segundos, tendo mínimas perdas com isso.

Os altos-fornos tradicionais demoram horas. Outra melhoria é ajudar no controle e qualidade das peças, sendo que estações de têmperas associadas precisam de pequeno espaço em uma fábrica (VIEIRA, 2018). Por esses motivos, os fornos de aquecimento por indução foram introduzidos em várias áreas, notadamente, siderurgia e metalurgia. Por se tratar de um procedimento que não requer contato, não há contaminação do material que passará por tratamento ou transformação. Nos primeiros projetos, as correntes elétricas tinham a sua indução feita diretamente na carga, normalmente, utilizando a frequência da rede (60 Hz). Estes fornos tinham fornalhas no formato de anel, que era onde ficava o material de fundição. No ano de 1900, estes fornos foram trocados pelos que foram implementados por Northrup, formados por um cadinho no formato de cilindro e uma fonte de energia de alta frequência, a partir de um centelhador.

A aplicação era restrita a maior frequência deste centelhador (SCOLARI; CERQUEIRA; KRAVETZ, 2013). No ano de 1922, a restrição foi diminuída com a implementação de grupos motor gerador que proviam uma potência muito alta (muito quilowatts) em uma frequência que chegava a quase 1 kHz. Entretanto, para que a oscilação do campo magnético tenha capacidade de realizar a fusão do material, é preciso uma frequência de valores na casa do kHz. Para se obter essa frequência, é preciso que forno à indução tenha um circuito inversor de frequência acoplado a um circuito retificador que converte tensão contínua em alternada, com a frequência de saída almejada (SCOLARI; CERQUEIRA; KRAVETZ, 2013). Quando a corrente passa por um ambiente, ele pode sofrer resistência com relação à movimentação de elétrons.

Isso pode ser observado por meio do calor – efeito Joule. Materiais que possuem maior resistência à passagem de elétrons, vão desprender mais calor, no instante em que a corrente os atravessar, no entanto, é possível aquecer elementos que são bons condutores, usando uma corrente induzida. O metal, em estado líquido, fica sujeito a uma oscilação, graças às correntes de Foucault que são induzidas pelo campo magnético no centro da bobina primária. Esta oscilação é vantajosa, no sentido em que a distribuição de temperatura e da química da liga são mantidas constantes. Caso a oscilação seja muito alta, tanto as impurezas quanto a escória da superfície são levados para o interior da massa derretida. Quando o metal derretido atinge a temperatura almejada, o metal passa por um processo de desoxidação e pode ser colocado nos moldes (SANTOS, 2016).

Figura 2 – Forno de indução do tipo coreless. Entretanto, a utilização de sensores tradicionais, nesse caso, inclui-se os termopares, não é possível, pois não possuem resistência com a oscilação poderosa de campos eletromagnéticos, como acontece nos fornos indutivos. Graças à necessidade de um controle exato de temperatura, precisa-se de um sensor que seja propício para a mensuração (VIEIRA, 2018). Figura 4 – Forno de indução de 2,5 MVA. Fonte: Vieira (2018) No momento em que o campo magnético é desligado, os sensores tradicionais, que trabalham com o efeito Seebeck ou efeito termelétrico – geração de tensão entre duas junções de condutores de materiais distintos quando se encontram a temperaturas distintas, conseguem mensurar a temperatura, de maneira certa. No entanto, graças à constituição física do forno indutivo, seria muito complicado desligar o circuito oscilador e calcular a temperatura por contato, por haver uma margem de erro alta, já que o tempo para isso, seria muito grande e, nesse interim, a peça estaria trocando calor com o meio, levando a um valor errado (VIEIRA, 2018).

A têmpera constitui a metodologia mais usada, por ampliar a resistência, diminuir o desgaste e a fadiga dos aços. A menos usada é o recozimento que restabelece os atributos de maleabilidade na produção de aços, metais e ligas de alumínio; - Solda e brasagem: a solda feita por indução é mais barata no que tange ao uso de eletricidade, pois, o calor se localiza na conexão de solda. Sua utilização é muito vista em linhas produtivas que necessitam soldar componentes em grande velocidade. Em alguns processos, a brasagem pode também ser utilizada; - Refluxo de estanho: cobertura de estanho deposta, de maneira eletrolítica, em chapa de aço, tem uma cobertura variável. Quando aquecido por indução, a chapa em uma temperatura de 230°C, passa por um processo de refluxo da cobertura, que faz o revestimento ficar brilhante e coberto uniformemente; - Cura de coberturas orgânicas: a indução pode ser usada para curar coberturas orgânicas, como tintas usadas em superfícies de metal.

Isso acaba por deixar essa metodologia como uma das que mais poupam na produção do aço. Outro benefício é que vários dispositivos indutivos não produzem gases, poeira e barulhos, no decorrer de seu funcionamento. Contribui para a flexibilidade da operação e a melhora do rendimento produtivo. Por não haver relação física entre o metal tratado e o forno, não existe contaminação e ocorre menor gasto de energia quando em comparação com outros modelos de aquecimento (SCOLARI; CERQUEIRA; KRAVETZ, 2013). Há diversas maneiras de tornar um processo de aquecimento à indução ótimo: ajustar a parte de estruturas conforme o que se precisa, trocar os circuitos eletrônicos para reduzir os gastos com eletricidade, implementar o uso de sensores de temperatura e de controle automatizado, para ampliar a produtividade e a qualidade dos produtos transformados, além de ampliar o custo-benefício deles (FIUZA, 2013).

Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Mecatrônica) – Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Divinópolis, 2013. LIMA, Roberto Tavares. Estudo de eficiência energética em forno de percussão. f. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Santa Maria, Vila Flores, 2018. f. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2018.