Análise térmica experimental de um forno elétrico tipo poço para tratamento térmico de peças de alumínio fundido

Abstract

A solubilização é uma etapa do tratamento térmico do alumínio, que consiste no aquecimento de peças em um forno a uma temperatura e tempo suficientes para que a solubilização ocorra. Durante esse processo, é fundamental que se controle as variações de temperatura das peças contidas na carga do forno. Além de influenciar no consumo de energia elétrica do forno, este controle evita os custos altos do sucateamento de peças que estão fora dos limites de variação de temperatura estabelecidos para a carga. Assim, propõe-se uma análise térmica das temperaturas das peças em um forno elétrico tipo poço, em utilização em uma empresa de fundição de alumínio, a fim de analisar se o forno atende ou não as especificações de variação de temperatura dessa empresa. Realizou-se esta análise de forma experimental, através da medição da temperatura de 15 peças distribuídas uniformemente em um plano transversal dentro do forno. Através de termopares fixados nas peças, o perfil de temperaturas de cada peça ao longo do tempo é traçado. Como foram verificadas variações de temperaturas fora dos padrões estabelecidos pela empresa, modificações no forno foram propostas para que o forno passasse a atendê-los. Após um estudo bibliográfico, concluiu-se que a convecção é o principal fator de influência na uniformidade das temperaturas da carga. Para melhorar o escoamento de ar dentro do forno, alterações estruturais foram primeiramente avaliadas através de uma simulação no programa Flow-3D, como um novo cilindro para guiar e pré-aquecer o ar do forno, um novo rotor de diâmetro maior, um cone para guiar mais eficientemente o escoamento do rotor e espaçadores no fundo do forno. Além disso, implementaram-se melhorias de controle e operação do forno, como um novo posicionamento dos termopares de controle do processo e a divisão do forno em duas zonas separadas de aquecimento. Após a implementação de todas essas melhorias, uma nova análise térmica experimental constatou maior uniformidade das temperaturas da carga, sendo que todas as peças apresentaram temperaturas dentro dos limites estabelecidos pela empresa.

Solution is a stage in the heat treatment of aluminum that consists of heating parts in a furnace at sufficient temperature and time in order to the solution occurs. During this process, it is essential to control the parts temperature variations in the furnace load. Besides influencing the furnace electricity consumption, the temperature variations control avoids high costs of scrapping parts that are outside the temperature limits determined for the load. Thus, it is proposed a thermal analysis of the parts in an electric pit furnace, used in an aluminum foundry company, to analyze if the furnace meets temperature variation specifications determined by the company. The analysis was performed experimentally, by measuring the temperature of 15 parts evenly distributed in a transverse plane inside the furnace. The temperature profile of each part over time is plotted through thermocouples fixed in these parts. As there were some temperature variations outside the set limits, some modifications were proposed to reduce these variations. After a bibliographic study, it was concluded that the convection is the main influence factor in the load temperatures uniformity. To improve the furnace air flow, structural modifications were first analyzed in a simulation through the software Flow-3D. They consist in a cylinder to guide and preheat the furnace air, a new larger diameter rotor, a cone to more efficiently guide rotor air flow and spacers in the bottom of the furnace. In addition, furnace control and the operation were improved, by new thermocouples positioning and the division of the furnace in two heating zones. After the implementation of all improvements, a new experimental thermal analysis determined a better load temperatures uniformity. In addition, all the parts temperatures were inside the limits determined by the company.