Automatizando o Processo de Ajuste de Uniformidade de Fornos

Automatizando o Processo de Ajuste de Uniformidade de Fornos para Forjamento

Usando a técnica CertiFire para ajustar um forno de teste de laboratório Fig. 1. Forno de trabalho contínuo para

Ben Witoff – Fives North American Combustion Inc.; Cleveland, Ohio, EUA

Em um forno multiqueimadores típico com vários pontos de medição de temperatura, a mudança na taxa de queima de um único queimador pode alterar o perfil térmico dentro do forno de maneira não linear. Consequentemente, cada ajuste de sintonia independente tem efeitos em cascata no resto do sistema. O novo algoritmo de mapeamento de temperatura CertiFire® descrito aqui oferece a capacidade de automatizar o processo de ajuste térmico.

Fornos de forjamento e tratamento térmico exigem ajustes precisos do sistema de combustão para produzir peças de alta qualidade para as indústrias aeroespacial, automotiva e de construção. As pesquisas de uniformidade de temperatura são o padrão aceito pela indústria para verificar a qualidade desses fornos de processamento de metais. Os padrões atuais em vigor especificam uma certa uniformidade de temperatura que deve ser mantida dentro da zona de trabalho do forno. Usuários finais como Boeing, GE e Pratt & Whitney estabeleceram esses padrões de qualidade, que chegaram a fornecedores, fabricantes de fornos e tecnologias de sistemas de combustão para uniformidade da conformidade.

O Modelo de Ajuste Manual de Uniformidade

Os métodos atuais de ajuste do forno e do sistema de combustão são lentos, ineficientes e desatualizados. Esses métodos exigem que técnicos qualificados façam ajustes manuais precisos em componentes únicos de maneira iterativa. Os ajustes exigem essa abordagem recursiva porque o sistema de equações que governa a distribuição de calor de um forno industrial não é linear.

Figura. 1. Regulador de conexão cruzada com sangria de impulso de ar[2]

No caso típico de um forno multiqueimadores com mais de um ponto de medição de temperatura, a distribuição de temperatura em uma matriz de medição não é diretamente proporcional à mudança na taxa de queima de um único queimador. Devido à não linearidade do sistema, cada ajuste de sintonia independente tem efeitos a jusante incidentais em cascata no resto do sistema. Cada tentativa de resolver a disparidade de temperatura em uma área do forno pode, consequentemente, deixar outra área fora de conformidade.

Reinvenção do Processo de Ajuste

A Fives North American Combustion (FivesNA) desenvolveu uma solução que melhora o processo de ajuste de uniformidade de temperatura, tanto em velocidade quanto em precisão. A técnica North American CertiFire® implementa um algoritmo de mapeamento de temperatura patenteado[1] que cria uma aproximação linear do sistema de equações de qualquer forno, independentemente de sua geometria ou complexidade. Uma vez linearizada, a distribuição de temperatura pode ser resolvida através de ajustes simultâneos.

O algoritmo de mapeamento de temperatura cria uma matriz de resposta que correlaciona as mudanças nas entradas de calor do forno com as mudanças na distribuição de calor em estado estacionário em toda a zona de trabalho do forno. Na prática, um conjunto de termopares pode ser usado para medir a distribuição de temperatura tridimensional da zona de trabalho enquanto os queimadores do forno são modulados. É fundamental para a precisão desta matriz de resposta que as modulações do queimador sejam precisas e repetíveis. Para conseguir isso, utilizamos uma válvula que sangra a pressão do ar da linha de impulso de ar do regulador de conexão cruzada de cada queimador para a atmosfera (Fig. 1).

Ao abrir esta válvula e permitir que o ar flua para a atmosfera, a pressão estática do ar no regulador é reduzida, o que reduz o fluxo de combustível através do orifício do regulador. Com um regulador de alta qualidade, o fluxo de combustível e, portanto, a saída de calor do queimador está linearmente ligado ao curso da válvula de sangria. Cada modulação individual do queimador tem seu próprio efeito característico na distribuição de temperatura de toda a zona de trabalho. Este efeito depende de muitos fatores, incluindo a quantidade de ajuste, o número de queimadores, o tamanho da zona de trabalho, a geometria geral do forno e a temperatura média da zona de trabalho.

A Figura 2 mostra duas modulações diferentes do queimador e a Figura 3 mostra a distribuição de temperatura do forno resultante durante o mesmo período. Nove termopares foram colocados de acordo com a norma AMS 2750 para o volume e classe do forno, com oito termopares em cada um dos vértices da zona de trabalho cúbico e um em seu centro.[3]

A taxa de queima de cada queimador foi aumentada em uma quantidade fixa por um determinado número de minutos. O segundo queimador não foi ajustado até que a temperatura geral da zona de trabalho retornasse à temperatura média da linha de base. Os dois queimadores observados na Figura 2 estavam disparando no mesmo plano a vários metros um do outro. Apesar da proximidade dos queimadores e ajustes semelhantes, seus efeitos na distribuição de temperatura mostrados na Figura 3 são exclusivamente diferentes. Não apenas a taxa geral de mudança de temperatura difere entre as curvas, mas também as reações individuais dos termopares. O termopar 5 (mostrado em verde), por exemplo, mostra a maior mudança de temperatura para a modulação do primeiro

Figura. 2. Duas modulações de queimador diferentes

Figura. 3. Resposta de temperatura a duas modulações de queimador diferentes

Figura. 4. Equação do forno linearizado

Figura. 5. Criação da matriz de resposta

queimador, mas experimenta uma resposta muito mais fraca durante a modulação do segundo queimador.

A aproximação linear do sistema de equações do forno pode ser escrita como mostrado na Figura 4, onde o vetor T representa as temperaturas dos termopares q, o vetor B representa as modulações da válvula de purga dos queimadores r e a matriz de resposta K representa sua relação. Ao compilar cada uma dessas modulações do queimador e seus efeitos de temperatura resultantes, a matriz de resposta exclusiva do forno pode ser calculada conforme mostrado na Figura 5.

Uma vez que a matriz de resposta é conhecida, a equação linearizada do forno pode ser revertida. Ao dividir um vetor de temperaturas do termopar T pela matriz de resposta K, a equação produz um vetor de posições B da válvula de sangria do queimador.

Em um forno de estado estacionário, começando com um vetor ΔT representando as mudanças necessárias na temperatura para cada termopar para atingir a temperatura de pesquisa, esta equação pode resolver para ΔB, que é o ajuste necessário da válvula de sangria do queimador para alcançar a uniformidade da temperatura.”

Resultados e Análise de Testes

Esse processo de mapeamento de temperatura normalmente leva várias horas. Depende do número de queimadores e da precisão de ajuste necessária, que geralmente é definida pela classe de certificação do forno.

O forno usado no teste foi um forno de caixa de nove queimadores com um volume de zona de trabalho em torno de 5,7 m3. Uma matriz de resposta foi criada para este forno de teste em 3,5 horas a uma temperatura de pesquisa de 593°C. Usando esta matriz de resposta, os ajustes dos queimadores foram resolvidos e implementados. A Figura 6 mostra as posições das válvulas de sangria do queimador antes, durante e após os ajustes. A Figura 7 mostra as temperaturas resultantes do termopar nesse mesmo período.

A temperatura dos nove termopares antes da primeira solução de ajuste foi de 15,5°C, ou +7/-8°C da temperatura de levantamento desejada. O primeiro ajuste de afinação foi feito às 15:24, e o intervalo de temperatura foi reduzido para 5°C, ou +3/-1,6°C, nos próximos 30 minutos.

Um segundo ajuste de afinação foi feito às 15:51, que resolveu o intervalo de temperatura para 1,6°C, ou +1,1/-0,5°C em menos de 10 minutos adicionais. Esta distribuição de temperatura foi mantida de forma consistente pelo forno depois que os ajustes de sintonia cessaram. A Figura 8 mostra mais de três horas de medições de temperatura após o segundo e último ajuste de sintonia ter sido feito.

Um segundo ajuste de afinação foi feito às 15:51, que resolveu o intervalo de temperatura para 1,6°C, ou +1/-0,5°C em menos de 10 minutos adicionais. Esta distribuição de temperatura foi mantida de forma consistente pelo forno depois que os ajustes de sintonia cessaram. A Figura 8 mostra mais de três horas de medições de temperatura após o segundo e último ajuste de sintonia ter sido feito.

Este forno de teste foi preparado para a certificação AMS 2750, Classe 1 em menos de uma hora de ajuste. Incluindo uma hora adicional de tempo de estabilização entre a conclusão do processo de mapeamento e o início do processo de ajuste, este forno de teste exigiu um total de 5,5

Figura. 6. Posições da válvula de sangria do queimador durante o processo de ajuste

Figura. 7. Temperaturas do termopar durante o processo de ajuste

Figura. . Resolução de temperatura mantida após o ajuste de ajuste

horas para reduzir a disparidade de temperatura de 15°C para 1,6°C. A única interação humana necessária nessas 5,5 horas foi um clique manual no botão “iniciar ajuste”.

Mudando o Futuro da Pirometria Localmente

O ajuste do sistema de combustão pode consumir imensos recursos, incluindo pessoal, tempo de inatividade programado, manutenção do queimador e calibração do equipamento de certificação. Usando este novo algoritmo de mapeamento de temperatura, o processo de ajuste de uniformidade pode ser automatizado. A maioria dos fornos industriais – independentemente de seu tamanho, complexidade ou geometria – pode ser ajustado mais rapidamente e para uma faixa de temperatura mais estreita sem a necessidade de intervenção manual.

O algoritmo de mapeamento também fornece a capacidade de prever futuras necessidades de manutenção. Os mapas históricos de temperatura podem ser usados para identificar a degradação do forno ou o desvio do sistema de combustão, e as mudanças na matriz de resposta de um forno podem identificar onde ocorreu a deterioração. Esse tipo de manutenção preditiva permite que os usuários finais sejam proativos em qualquer ajuste de uniformidade de temperatura ou reparo de forno que seja necessário.

Para obter mais informações: Ben Witoff é gerente de engenharia de dados da Fives North American Combustion Inc. em Cleveland, Ohio, EUA. Ele pode ser contatado em +1 216-271-6000 ou benjamin.witoff@ fivesgroup.com. Visite www.fivesgroup.com para obter informações adicionais.

Referências

1. Method and Apparatus for Improving Furnace Temperature Uniformity (Método e Aparelho para Melhorar a Uniformidade da Temperatura do Forno) (patente pendente) 2. North American Combustion, Practical Pointers, página 32 https://online.flippingbook.com/view/852569/36/ 3. AMS 2750 Rev. F, Página 43, Tabela 20: “Número mínimo de sensores TUS e locais necessários”.

PARA MAIS INFORMAÇÕES: Ben Witoff – Fives North American Combustion Inc.; Cleveland, Ohio, EUA