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Ing. José Carlos Zerbini Synergetica Sistemas e Processos, Brasil;
Apoyo Dr. Alexander N. Ivanov y Dr. Vladimir A. Bukanin
[email protected] [email protected] Saint-Petersburg Electrotechnical University (LETI), Russia;
4o Seminario Forja INTI Mecánica 14 Junio
Tecnologia del calentamiento por inducción aplicada en procesos de forja
4o Seminario Forja INTI Mecánica 14 Junio
Ingeniero José Carlos Zerbini
Gerente operacional da Synergetica Sistemas e Processos Industriais Engenheiro elétrico com pós-graduação em eletrônica industrial. Atuação por 30 anos nas áreas de forjaria, tratamento térmico e fusão de metais de
metais por indução. Desenvolvimento de processos de tratamento térmico e aquecimento para conformação à quente. Especialização em aplicação de conversores de frequência para aquecimento indutivo. Auditor Líder IRCA NBR ISO 9001 Auditor Líder IRCA NBR ISO 14001 Auditor Líder IRCA OHSAS 18001 Apoio técnico na implantação da NBR ISO 50001 Aluno de pós graduação em Planejamento de Sistemas Energéticos na Faculdade de Engenharia Mecânica - Universidade Estadual de Campinas – São Paulo
Productos e Servicios: Productos: ELTA 7.0 , 2DELTA 1.2 (ELectroThermal Analysis) y ICF 1.3 (Induction Crucible Furnace) Software de dimensionamiento y simulación de procesos de calentamiento inductivo para la industria y las instituciones de enseñanza (laboratorio virtual) en las áreas de: - Tratamiento Térmico por inducción; - Calentamiento por inducción para la conformación en caliente; - Fusión en hornos de inducción con crisoles no conductores (clásicos) y conductivos
Servicios: - Consultoría y entrenamientos en ingeniería eléctrica de potencia - Soporte en la Implantación del Sistema de Gestión de la Energía - ISO 50001 - Entrenamiento en procesos de calentamiento por inducción - Optimización de procesos inductivos
www.synergeticasp.com.br
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Tecnologia del calentamiento por inducción
Los conceptos de calentamiento por inducción aparecieron a finales del siglo XIX. Muchos nombres famosos merecen mención, tales como L. Foucoult, Nicola Tesla, y otros. El calentamiento superficial por inducción tiene aproximadamente 75 años y sus mayores pioneros fueron: Dr. E. F. Northrup, USA y Prof. V.P. Vologdin, Rusia. Esta tecnología ha evolucionado mucho en las últimas décadas y sigue sorprendiendo con los resultados presentados. También merece atención la contribución reciente del Prof. Dr. V.S. Nemkov
V. S. Nemkov, grandson of V. P. Vologdin (1937 – 2017) Left – Professor of LETI, right – Director of Research at Fluxtrol Inc. in Michigan, USA
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Tecnologia
# Conjunto de teorías y de
técnicas que permiten el
aprovechamiento práctico del conocimiento científico
calentamiento por inducción
# Ocurre sin ningún contacto físico y el calentamiento por inducción tiene por principio el suministro de energía a la pieza de trabajo por medio de inducción electromagnética
en procesos de forja
# Se trata de um proceso de fabricación intermedio, que tiene por objeto conformar uma geometria próxima a la pieza final, que se obtendrá por mecanizado.
Tecnologia del calentamiento por inducción aplicada en procesos de forja
¿Qué conocimientos científicos? ¿Cuáles son las mejores prácticas? ¿Cuál es la especificación de
temperatura de la pieza de trabajo ?
¿Qué es la inducción electromagnética?
¿Cuáles son los límites de suministro de energía para la pieza de trabajo?
¿Cuál es el mejor enfoque de control: energia (oC media) o por lo que mira el pirometro?
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¿Cuál es la especificación de temperatura de la pieza de trabajo en la salida del horno de inducción ?
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¿Cuál es la especificación de temperatura de la pieza de trabajo en la salida del horno de inducción ?
Exemplo de especificación de temperatura: acero SAE 1045 Dia 90 mm @ 1250 oC @ 888 kg/h
40 oC centro – sup ; 50 oC cabeza – cola ; dT max 600 oC
dT max
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¿Cuáles son las características del material seleccionado para el calentamiento por inducción?
dT max
Los materiales deben ser conductores de corriente eléctrica.
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Ejemplos de sistemas comerciales de calentamiento por inducción.
http://www.efd-induction.com
http://www.sms-elotherm.com
¿Qué conocimientos necesitamos para utilizar las mejores prácticas?
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El principio de todo: la inducción electromagnética.
Las ecuaciones de Maxwell permiten describir todos los fenómenos eléctricos y magnéticos
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¿Qué es la inducción electromagnética?
Las ecuaciones de Maxwell permiten describir todos los fenómenos eléctricos y magnéticos
Permiten determinar los cuatros vetores:
de campo eléctrico E, de campo magnético H,
de inducción eléctrica D y de inducción magnética B
a partir del vector densidad de corriente J = σ E (lei de Ohm) y de las características del medio ε , µ ;
σ es la conductividad eléctrica del material ε es la permisividad eléctrica µ es la permeabilidad magnética
Estos cuatro campos vectoriales son función de posición y tiempo.
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¿Qué es la inducción electromagnética?
Las ecuaciones de Maxwell permiten describir todos los fenómenos eléctricos y magnéticos
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¿Qué es la inducción electromagnética?
La ecuaciones de Maxwell y la corriente inducida, también llamada Eddy current:
Por la ley de Ohm:
la aplicación de:
En materiales conductores la permisividad eléctrica es baja y podemos considerar sólo la corriente de conducción en la ecuación de Maxwell. Esta aproximación es aplicable en caso de inducción magnética y calentamiento por conducción eléctrica en materiales conductores.
Considerando un régimen senoidal para los campos y el caso de un medio conductor semi-infinito limitado por el plano XY tenemos que H depende sólo de la variable y de la última ecuación.
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¿Qué es la inducción electromagnética?
La ecuaciones de Maxwell y la corriente inducida, también llamada Eddy current:
Al hacer:
La ecuación
Se obtiene la siguiente solución utilizando la teoria de variables complejas:
Al hacer:
Así el campo magnético y otras variables electromagnéticas descrescen
exponencialmente en el material y δ es la profundidad de referencia.
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¿Qué es la inducción electromagnética?
Comportamiento de la corriente inducida en función de la profundidad de referencia:
Cuando y es igual a la profundidad de referencia la amplitud del campo magnético, campo eléctrico, y densidad de la corriente eléctrica corresponde al 37% del valor en la superficie.
La profundidad de la corriente depende de la frecuencia, la conductividad eléctrica y la permeabilidad magnética del material conductor. Este fenómeno se llama EFECTO PELICULAR o EFECTO KELVIN.
δ1 < δ2
f1 > f2 δ1
δ2
f1 f2
e-2 = 13,53 y (e-2)^2=1,8
e-1.25 = 28,7 y (e-1,25)^2=8,2
e-1 = 36,78 y (e-1)^2=13,5
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¿Qué es la inducción electromagnética?
δ (mm) ; ρ (µΩ.cm) ; f (Hz)
Comportamiento de la corriente inducida en función de la profundidad de referencia:
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¿Cuál es la frecuencia adecuada en función del diámetro de la pieza de trabajo?
En procesos de calentamiento total de acero al carbono para forja para mantener una buena eficiencia el diámetro mínimo debe ser suficiente (2,5 δ @ 800 oC) para que no ocurra la cancelación de campo y 9 a 10 Dmin (depende de la conductividad térmica). En materiales non magneticos el diametro mínimo es de 3 a 4 δ . Así se ha establecido un campo en una determinada frecuencia y teniendo las características del material podemos calcular y hacer una tabla de aplicación en función del diámetro del material.
Comportamiento de la corriente inducida en función de la profundidad de referencia:
La finalidad de una fuente de energía en una aplicación de forja es compensar las pérdidas del circuito eléctrico (pérdidas en el cobre, térmicas, etc.) y proporcionar el calor necesario en la frecuencia definida por el circuito RLC para que la pieza de trabajo alcance la temperatura especificada en el proceso de calentamiento.
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¿Cómo generar campos para el uso en calentamiento por inducción?
En el circuito oscilante RLC la frecuencia depende de los valores de L (Henry) y C (Farad)
Energía campo magnético
Energía campo eletrostático
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¿Los convertidores de frecuencia y su aplicación en calentamiento por indución ?
Topología de los convertidores de frecuencia mas utilizadas: Voltage source (serie) Current source (paralelo)
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Enfoque de proyecto para el uso de las mejores prácticas
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Enfoque de proyecto para el uso de las mejores prácticas
Los problemas tecnológicos son la productividad, la temperatura máxima de sobrecalentamiento, la caída de la temperatura, la minimización de la formación y la oxidación, etc. Los problemas técnicos son los parámetros del convertidor (frecuencia, potencia, voltaje, etc.), parámetros de la línea de inductores, etc. Problemas economicos son los efectos de ahorro de energía y de eficiencia energética de los inductores, la velocidad del agua y el caudal para la refrigeración de los inductores, el área en el piso de fabrica, el tiempo de pay-back de la inversión, etc.
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Enfoque de proyecto para el uso de las mejores prácticas
Los problemas tecnológicos se pueden resolver en el inicio del desarrollo para la nueva tecnología del sistema de inducción o durante la modernización de un proceso existente. Si la productividad de la línea debe ser incrementada nuevos inductores y incluso nuevo convertidor se puede requerir. Los distintos pasos de análisis deben dar las informaciones acerca del comportamiento de la temperatura en la sección transversal a la salida de la linea de indución y hasta la prensa y asi ayudarle a elegir una o otra variante simulada para la productividad especificada.
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Enfoque de proyecto para el uso de las mejores prácticas
El sistema inductivo eligido y el diseño de los inductores son los puntos principales relacionados directamente con la solución de los problemas tecnológicos y económicos. La solución a los problemas técnicos se puede avanzar paso a paso eligindo por primero la frecuencia y potencia, y después el diseño de los inductores. La elección del convertidor es la etapa más importante de diseño de ingeniería. El consumo de energia eléctrica y la calidad del calentamiento depende de ello.
En procesos de calentamiento total es esencial que la eficiencia energetica de la electricidad debe estar cerca del máximo y el tiempo de la calentamiento al el mínimo.
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¿que herramientas de análisis y conocimiento utilizar para el proyecto del proceso?
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¿Cómo adquirir los conocimientos necesarios en el área de calentamiento por inducción aplicada en procesos de forja para utilizar las mejores prácticas?
Hay un enorme gap entre el enfoque analítico / experimental y el uso de modernas simulaciones numéricas en 2D y 3D. A partir de 1990, los métodos numéricos se convirtieron en las herramientas más utilizadas en el estudio de procesos de calentamiento por inducción y proyectos de inductores.
ELTA 7.0 (Análisis ELectro-Térmico) y 2DELTA (Variante de dos dimensiones para sistemas cilíndricos) son los programas desarrollados por expertos en inducción para personas de inducción que hacen el diseño de equipos de calentamiento por inducción, investigación y estudio de procesos.
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Los típicos sistemas de inducción, que se pueden simular con ELTA 7.0
Aplicaciones pre-instaladas
Aplicaciones posibles por similaridades
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Simulación de un proceso de calentamiento para forja con ELTA
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 65 mm @ 1500 kg/h
coil 1 = coil 2
Caudal de agua coil 1 : 3 x 71 lpm; dT=15 oC Caudal de agua coil 2 : 4 x 92 lpm; dT=15 oC
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 65 mm @ 1500 kg/h
temp media:1232 oC Evolución temperatura enfoque temperatura media
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 65 mm @ 1500 kg/h
Cabeza pieza trabajo en la posición de termino del cobre
Cabeza pieza de trabajo en la posición de medición
1216 oC
1271 oC
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 65 mm @ 1500 kg/h
Importante!!!!! buscar el rendimiento eléctrico lo más cerca posible del rendimiento límite
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 65 mm @ 1500 kg/h
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 50 mm @ 888 kg/h
temp media:1231 oC Evolución temperatura enfoque temperatura media
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Cabeza pieza trabajo en la posición de termino del cobre
Cabeza pieza de trabajo en la posición de medición
1198 oC
Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 50 mm @ 888 kg/h
1250 oC
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 65 mm @ 750 kg/h
temp media:1231 oC Evolución temperatura enfoque temperatura media
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 65 mm @ 750 kg/h
Cabeza pieza trabajo en la posición de termino del cobre
Cabeza pieza de trabajo en la posición de medición
1177 oC
1246 oC
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 50 mm @ 444 kg/h
temp media:1232 oC Evolución temperatura enfoque temperatura media
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 50 mm @ 444 kg/h
Cabeza pieza trabajo en la posición de termino del cobre
Cabeza pieza de trabajo en la posición de medición
1188 oC
1266 oC
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 50 mm @ 444 kg/h
temp media:1280 oC Evolución temperatura enfoque en la medición
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Simulación de un proceso para forja con ELTA dia 50 mm @ 444 kg/h
Cabeza pieza trabajo en la posición de termino del cobre
Cabeza pieza de trabajo en la posición de medición
1232 oC
1317 oC
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Simulación de un proceso para forja con ELTA
Hay que tener cuidado con el según enfoque pues una pequeña desviación de medición debido a la oxidación superficial, ajuste de emisividad, calibración del
pirometro, o en la velocidad de avanzo de las piezas de trabajo en la linea
puede causar el caldeado de piezas. Siempre recordar que la mayor temperatura está por debajo de la superficie
¿Cuál es el mejor enfoque de control ? energia aplicada – temperatura media X medición – lo que mira el pirometro
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Simulación de un proceso para forja con ELTA
Consumo de energia: enfoque temperatura media x medición
Observar que el enfoque de medición para producción reducida al 50% hay un aumento de consumo de energía de aprox. 7%.
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Si es necesario es posible acompañar la temperatura de cada pieza en la línea
Exemplo de simulación y prático com 2DELTA – SENAFOR 2014
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Ejemplos de algunos proyectos realizados por Synergetica con el programa ELTA
Convertidor: 200 kW – 10 kHz Acero carbono: ½ x 1 ¼ x 598 mm @ 900 oC Produção: 23s/pieza
Convertidor: Newelco 3850 kW – 1000 Hz Acero carbono: 1017 @ 1230 oC
Linea com 10.700 mm de largo y com 6 inductores
4o Seminario Forja INTI Mecánica 14 Junio References
1. Muehlbauer, A.: History of Induction Heating and Melting, Vulkan Verlag, 2008. 2. Bonnemezón A. J., Krahmer D. M., Abate, G., Martynenko, V., Riu, Módulo de forja básico, INTI-IAEA. 3. Centre Français de L´Electrecite, Electromagnetic Induction and Eletric Conduction in Industry, 1997, originally published as: “Induction, conduction elétrique dans l´industrie” by Életricité de France – ISBN 2-86995-022-5. 4. Nemkov, V., Bukanin, V., Zenkov, A.: Learning and teaching induction heating using the program ELTA. Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. Padua, May 18-21, 2010. pp. 99 – 106. 5. Bukanin, V., History of Induction Heating of non ferromagnetic metal, 2017 by NSG (New Solution Group), Saint-Petersburg. 6. Bukanin, V., Ivanov, A., Zerbini J.C., Electrothermal analysis for effectiveness of induction forge heating, 37o SENAFOR, 2017, Brasil. 7. Nemkov, V., Bukanin, V., Ivanov, A., Zerbini, J.C., Perspective of using electrothermal software programs in investigation of forge heating by induction, 36o SENAFOR, 2016, Brasil. 8. Bukanin, V., Ivanov, A., Zerbini, J.C., Vasconcelos, A., Use of the ELTA software for study of electromagnetic and thermal processes in induction heating steel forging lines, 35o SENAFOR, 2015, Brasil. 9. Zerbini, J.C., Aquecimento para forja e conformação por indução, I Seminário de Aquecimento por Indução na Metalurgia, Grupo Aprenda / SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, Osasco, São Paulo, 2015.
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En esta presentación presentamos los conceptos básicos del calentamiento por inducción, las recomendaciones de uso de la frecuencia adecuada - efecto pelicular, principio de funcionamiento del circuito oscilante RLC, corrección del factor de potencia del inductor, topología básica de los convertidores, el uso de simulación computacional práctica / didáctica con el software ELTA investigando un proceso de la entrada en el horno hasta la entrega de la pieza de trabajo en la prensa. En los procesos de calentamiento para forja el enfoque de análisis propuesto es más una herramienta de apoyo al uso de las mejores prácticas.
Tecnologia del calentamiento por inducción
El Ciclo PDCA Control eficiente de procesos y actividades
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Gracias por la oportunidad y la atención
Un buen uso para ese conocimiento