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Mestrado em Engenharia Civil
Ao em varo para beto armado - Caracterizao do
material e enquadramento atual
David Botelho Perdigo Bento
Dissertao para obteno do grau de mestre em
Engenharia Civil
Orientadora: Doutora Maria Dulce e Silva Franco Henriques
Jri
Presidente: Engenheiro Manuel Brazo de Castro Farinha
Vogais: Doutora Maria Dulce e Silva Franco Henriques
Doutor Pedro Miguel Soares Raposeiro da Silva
Dezembro 2014
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
1 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
2 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Resumo
Este trabalho pretende aprofundar o estudo das caractersticas do ao em varo para beto
armado, sendo feita uma caracterizao exaustiva do material, onde se pretende estudar
quais os seus constituintes, as suas caractersticas fsico-mecnicas e a histria das
tecnologias de produo de ao at aos dias de hoje.
tambm abordada a situao em Portugal, nomeadamente os mtodos utilizados
atualmente na produo de ao e que tipo de ao utilizado para a produo de vares para
beto armado.
feito um breve apanhado histrico da legislao aplicada ao comportamento do ao para
beto armado e so listados todos os documentos legais aplicveis a vares de ao,
procedendo-se depois a uma descrio mais elaborada dos mesmos.
descrita a forma como os vares de ao so aplicados em obra, nomeadamente as regras
a respeitar no processo de receo em obra e a qualidade de execuo dos trabalhos. So
tambm abordadas as principais questes relacionadas com a metodologia utilizada na
montagem de armaduras em estruturas de Beto Armado.
Palavras-chave: Vares de ao; beto armado; produo de ao.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
3 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Abstract
This paper tries to achieve a better understanding of the characteristics of steel bars for
reinforced concrete, being made an exhaustive material characterization, where it intends to
study its constituents, its characteristics and the history of steel production technologies until
the present day.
It is also discussed the situation in Portugal, including the methods currently used in steel
production and what kind of steel is used to produce steel bars.
It is made a brief of an historical overview about applied legislation of reinforcing steel
behavior and is listed all the legal documents applicable to steel bars, proceeding after to a
more detailed description of them.
Is described how steel bars are applied in work, including the rules of receipt in the field and
the quality work execution. It is also discussed the main issues related with the methodology
used in the assembly of reinforced concrete structures armor.
Key words: Steel bars; reinforced concrete; steel production.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
4 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Agradecimentos
Tratando-se a presente dissertao de mais uma etapa importante no meu percurso
acadmico e pessoal, quero aqui deixar o meu sincero obrigado a todos aqueles que direta
ou indiretamente contriburam para a concretizao deste objetivo.
Agradeo Engenheira Dulce Franco Henriques por todo o auxlio prestado ao longo deste
trabalho e em especial pela pacincia demonstrada para ler, reler e apresentar sugestes
para que este texto se tornasse algo coeso e com valor.
Aos meus amigos Rui Eugnio e Bruno Miguel, que ao longo deste percurso foram como
verdadeiros irmos e aos meus tios Carlos Pereira e Mariana Calado pelo apoio prestado
durante o meu percurso acadmico.
A todos os colegas com quem partilhei o tempo durante os anos que frequentei o Mestrado
em Engenharia Civil nesta Instituio, assim como a todos os Professores que ao longo dos
anos contriburam para a minha formao.
Aos meus pais, pois se hoje cheguei onde estou foi em grande parte graas a eles, e a
pessoa que sou tambm se deve aos seus ensinamentos e exemplos de vida.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
5 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
ndice Geral
Resumo.....................................................................................................................................2
Abstract.....................................................................................................................................3
Agradecimentos........................................................................................................................4
ndice Geral...............................................................................................................................5
1. Introduo e objetivos.......................................................................................................12
2. Propriedades gerais do ao..............................................................................................14
2.1 Consideraes gerais.............................................................................................14
2.2 Microestruturas na ao...........................................................................................14
2.3 Diagrama de fases Ferro Carboneto de Ferro....................................................19
2.4 Processo de desoxigenao..................................................................................20
2.5 Principais tipos de aos utilizados em engenharia civil..........................................21
3. Levantamento dos processos industriais..........................................................................26
3.1 Histria do Ao.......................................................................................................26
3.2 Processos industriais desenvolvidos para a obteno de ao...............................29
3.2.1 Alto-forno....................................................................................................29
3.2.2 Processo de Bessemer..............................................................................30
3.2.3 Processo de Siemens-Martin.....................................................................31
3.2.4 Forno de arco eltrico................................................................................32
3.2.5 Processo de Linz-Donawitz........................................................................34
3.2.6 Processos de Kaldo e Rotor.......................................................................35
3.3 Tipo de tratamento dos aos em varo..................................................................35
3.3.1 Tratamentos mecnicos (a frio) e termomecnicos...................................36
3.3.1.1 Laminagem....................................................................................36
3.3.1.2 Estiramento....................................................................................37
3.3.1.3 Trefilagem......................................................................................37
3.3.2 Tratamentos trmicos.................................................................................38
3.3.2.1 Recozimento..................................................................................38
3.3.2.2 Tmpera........................................................................................40
3.3.2.3 Normalizao................................................................................42
3.3.2.4 Revenido.......................................................................................43
3.4 - Produo atual.......................................................................................................43
3.4.1 Impacto ambiental......................................................................................44
3.4.2 Produo de ao em Portugal....................................................................45
3.5 - Dados estatistcos acerca da indstria do ao.......................................................48
4. Normas e legislao aplicveis a vares de ao..............................................................52
4.1 Regulamento de Estruturas de Beto Armado e Pr-Esforado............................53
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
6 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
4.2 prEN 10080 Steel for the reinforcement of concrete.......55
4.3 NP EN 1992-1-1:2010 EC2 - Projeto de Estruturas de Beto................................56
4.4 Dec. Lei 390/2007..................................................................................................59
4.5 NP EN 13670:2011 Execuo de estruturas de beto.......................................60
4.5.1 Materiais.....................................................................................................60
4.5.2 Transporte e armazenamento....................................................................61
4.5.3 Inspeo e ensaio de armaduras...............................................................62
4.5.3.1 Classes de execuo das construes.........................................62
4.5.3.2 Receo das armaduras em obra.................................................63
4.5.3.3 Inspeo das armaduras antes da betonagem.............................64
4.6 Especificaes LNEC.............................................................................................66
4.6.1 Processo de fabrico....................................................................................66
4.6.2 Caractersticas mecnicas e tecnolgicas.................................................66
4.6.3 Controlo da produo.................................................................................68
4.6.4 Geometria das nervuras.............................................................................68
4.6.5 Marcas de identificao..............................................................................73
4.7 Documentos de classificao LNEC......................................................................74
4.8 Anlise comparativa da regulamentao...............................................................75
4.8.1 Extenso na rotura.....................................................................................75
4.8.2 Tenso de cedncia...................................................................................76
5. Aplicao em obra do varo de ao.................................................................................78
5.1 Metodologia de aplicao......................................................................................78
5.1.1 Corte e dobragem......................................................................................78
5.1.1.1 Equipamento.................................................................................78
5.1.1.2 Metodologia de corte de ao em varo.........................................82
5.1.1.3 Metodologia de dobragem de ao em varo.................................84
5.1.2 Montagem e colocao de armadura.........................................................85
5.1.2.1 Amarrao de armaduras..............................................................85
5.1.2.2 Montagem de armaduras em estaleiro..........................................88
5.1.2.3 Montagem de armaduras no local de aplicao............................91
5.1.2.4 Espaadores..................................................................................95
5.1.2.4.1 Espaadores de beto..........................................................102
5.1.2.4.2 Espaadores de plstico.......................................................103
5.2 Procedimentos de segurana na execuo de armaduras..................................105
5.3 Normas de conduta do armador de ferro.............................................................105
6. CODIMETAL Engineering S.A........................................................................................106
7. Concluso.......................................................................................................................108
Referncias Bibliogrficas e Bibliografia...............................................................................110
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
7 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
ndice de Figuras
Figura 1 Austenite................................................................................................................15
Figura 2 Ferrite.....................................................................................................................16
Figura 3 Cementite...............................................................................................................16
Figura 4 Perlite ....................................................................................................................17
Figura 5 Martensite .............................................................................................................18
Figura 6 Bainite ...................................................................................................................18
Figura 7 - Diagrama de fases Ferro Carboneto de ferro......................................................19
Figura 8 Esquema de funcionamento de um alto-forno utilizando coque............................27
Figura 9A) Esquema simplificado do funcionamento de um forno de revrbero ............... 28
Figura 9B) Disposio de um forno de revrbero ...............................................................28
Figura 10 Operrio a manobrar o agitador num forno de pudelagem..................................28
Figura 11 Representao esquemtica do alto-forno .........................................................29
Figura 12 Representao do convertedor de Bessemer .....................................................31
Figura 13 Forno de Siemens-Martin ....................................................................................32
Figura 14 Representao esquemtica do forno de arco eltrico .......................................33
Figura 15 Representao esquemtica do forno Linz-Donawitz .........................................34
Figura 16 Representao esquemtica da posio dos rolos.............................................36
Figura 17 Exemplo do modo de arrefecimento de uma pea..............................................41
Figura 18 Diagramas de arrefecimento para vrios tipos de tmpera ................................42
Figura 19 Energia consumida por processo .......................................................................44
Figura 20 Impactes ambientais por processo .....................................................................45
Figura 21 Corte de um varo com as zonas constitudas por diferentes
estruturas cristalina.................................................................................................................46
Figura 22 Perfil de dureza para varo de 22mm de dimetro .............................................47
Figura 23 Evoluo da produo de vares (em milhes de toneladas/ano)
utilizando o processo Tempcore ............................................................................................48
Figura 24 Produo mundial de ao no 1 semestre de 2014 ............................................49
Figura 25 Produo de ao em bruto em Portugal .............................................................50
Figura 26 Figura 3.7 do EC2 Diagramas de tenso-extenso tpicos de
http://products.asminternational.org/).....................................................49http://en.wikipedia.org)...........................20/
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8 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
vares de ao laminado a quente (a) e endurecido a frio (b)..................................................58
Figura 27 Figura 3.8 do EC2 Diagrama tenso-extenso de clculo
para vares de ao..................................................................................................................59
Figura 28 Exemplo de armazenamento do ao evitando o contacto com o solo ................61
Figura 29 Diagrama tenso-extenso tpico de vares de ao............................................67
Figura 30 Corte transversal de um varo nervurado (E450)................................................69
Figura 31 Corte transversal de um varo endentado (E456)...............................................69
Figura 32 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A400 NR (E449).............................70
Figura 33 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A500 NR (E450).............................70
Figura 34 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A400 NR SD (E455).......................71
Figura 35 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A500 NR SD (E460).......................71
Figura 36 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A500 ER (E456).............................71
Figura 37 Exemplo de cdigo de marcas de identificao...................................................74
Figura 38 Diferena da definio de extenso de rotura entre
o EC2 e asEspecificaes LNEC e o REBAP........................................................................76
Figura 39 Elementos da mquina de corte e dobragem.....................................................78
Figura 40 Painel de comandos e funes ..........................................................................79
Figura 41 Prato de dobragem .............................................................................................79
Figura 42 Pino limitador de movimento ..............................................................................80
Figura 43 Mesa de moldagem ............................................................................................80
Figura 44 Espera da mesa de moldagem ...........................................................................81
Figura 45 Posio do veio e batente de espera .................................................................81
Figura 46 Colocao dos espiges no prato de dobragem ................................................81
Figura 47 Adoo de casquilhos acessrios .......................................................................82
Figura 48 Colocao do pino limitador ...............................................................................82
Figura 49 Pontos de amarrao executados em ZIG-ZAG ................................................87
Figura 50 Espaadores na armadura inferior (E469)..........................................................97
Figura 51 Espaadores da armadura horizontal no bordo acabando em ponta (E469)......98
Figura 52 Espaadores da armadura vertical no bordo (E469)...........................................98
Figura 53 Espaadores da armadura vertical no bordo com armadura
intermdia (E469)...................................................................................................................98
http://www.civil.ist.utl.pt).......................................................................................................84/
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9 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Figura 54 Espaadores da viga em alado (E469)..............................................................99
Figura 55 Espaadores em viga alta (E469)........................................................................99
Figura 56 Espaadores ao longo do pilar (E469)...............................................................100
Figura 57 Espaadores em seco menor (E469).............................................................100
Figura 58 Espaadores em seco maior (E469)..............................................................101
Figura 59 Espaadores em seco com cintas duplas (E469)..........................................101
Figura 60 Espaadores em seco circular (E469)...........................................................101
Figura 61 Espaadores de beto pr-fabricados ..............................................................102
Figura 62 Dois exemplos de aplicao dos espaadores de beto...................................103
Figura 63 Espaador circular ............................................................................................103
Figura 64 Aplicao do espaador num pilar ....................................................................103
Figura 65 Tipos de espaador pontual com fixao..........................................................104
Figura 66 Espaador pontual com fixao em laje............................................................104
Figura 67 Espaador para lajes e vigas ............................................................................104
Figura 68 Tipo de espaador linear...................................................................................104
Figura 69 Espaador linear aplicado em laje.....................................................................104
ndice de Tabelas
Tabela 1 Especificaes e propriedades tpicas de aos comuns
em construo civil .................................................................................................................23
Tabela 2 Aos inoxidveis ...................................................................................................24
Tabela 3 Os principais mercados de ao em 2013 .............................................................49
Tabela 4 Quadro V do REBAP Tiposcorrentes de armaduras ordinrias.........................54
Tabela 5 Tabela 3 da EN 10080 Requisitos para teste de propriedades mecnicas.......56
Tabela 6 Quadro C.1 do EC2 Propriedades das armaduras............................................58
Tabela 7 Classes de execuo............................................................................................62
Tabela 8 Tipo de inspeo requerido por classe de execuo............................................63
Tabela 9 Exigncias de cada especificao relativas aos ensaios de trao......................67
Tabela 10 Quadro 4 das Especificaes E449, E450, E455, e E460
http://www.jacp.com.br).........................93/
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10 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Altura mnima das nervuras transversais................................................................................69
Tabela 11 Quadro 5 das Especificaes E450, E455 e E460
Afastamento das nervuras transversais..................................................................................72
Tabela 12 Quadro 5 da Especificao E449 Afastamento das nervuras transversais.....72
Tabela 13 Quadro 6 das Especificaes E450, E455 e E460
rea relativa das nervuras transversais..................................................................................73
Tabela 14 N de nervuras para identificao do pas de origem dos vares.......................74
Tabela 15 Metodologia de corte de ao em varo ..............................................................82
Tabela 16 Metodologia de dobragem de ao em varo.......................................................84
Tabela 17 Metodologia de execuo do ponto de amarrao em cruz...............................86
Tabela 18 Metodologia de execuo do ponto de amarrao simples................................87
Tabela 19 Montagem da armadura de sapatas em estaleiro ..............................................88
Tabela 20 Montagem da armadura de pilares em estaleiro.................................................89
Tabela 21 Montagem da armadura de vigas em estaleiro ..................................................90
Tabela 22 Montagem da armadura de sapatas no local de aplicao ................................91
Tabela 23 Montagem da armadura de pilares no local de aplicao...................................92
Tabela 24 Montagem da armadura de vigas no local de aplicao.....................................93
Tabela 25 Montagem da armadura de lajes no local de aplicao......................................94
Tabela 26 Montagem da armadura de paredes no local de aplicao................................95
Tabela 27 Recobrimentos mnimos e nominais (E469).......................................................96
Simbolos, siglas e acrnimos
A - Temperatura crtica do ao
Ac1 - Ver A
Agt - Extenso total na fora mxima
Es - Mdulo de elasticidade
Mf - Linha de separao das fases austenitica+perltica com a fase perltica e bainitica
Ms - Linha de separao das fases austenitica com a fase austenitica+perltica
Re - Tenso de cedncia superior ou tenso limite convencional de proporcionalidade a 0,2%
Rm - Tenso de rotura
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11 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
a - Altura mxima das nervuras
a1 - Perda de massa em percentagem
c - Afastamento entre nervuras
d - Dimetro nominal
f0,2k - Valor caracterstico da tenso de cedncia
fsycd - Tenso de cedncia compresso de clculo
fsyd - Tenso de cedncia de clculo
ft - Resistncia trao
fy - Tenso de cedncia
fy,mx - Tenso de cedncia mxima real
fyk - Ver f0,2k
k - Valor caracterstico de ft/fy
- Dimetro
s - Coeficiente de segurana para capacidade resistente de clculo
- Extenso
suk - Valor caracterstico da extenso na rotura
u - Extenso total na fora mxima / rotura
ud - Extenso de clculo na fora mxima
uk - Valor caracterstico da extenso tenso mxima
- Tenso
u - Tenso de rotura
y - Tenso de cedncia
C - Carbono
Cr - Cromo
Cu - Cobre
Fe - Ferro
Mn - Mangans
Mo - Molibdnio
Nb - Nibio
Ni - Nquel
P - Fsforo
S - Enxofre
Si - Silcio
V - Vandio
Zr Zircnio
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12 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
1. Introduo e Objetivos
O beto armado atualmente o material estrutural mais utilizado em todo o mundo, sendo
portanto essencial conhecer em detalhe o comportamento dos seus constituintes, assim
como as disposies legais em vigor para garantir que a sua execuo se efetua nas
melhores condies. O beto armado uma tcnica de construo que envolve materiais
simples (beto e ao) que, pelas suas propriedades individuais e caractersticas como
material compsito, tem permitido com sucesso, a realizao de grandes edificaes
estruturais contemporneas.
Esta dissertao foca a sua ateno nos aos que hoje em dia so utilizados no beto
armado, concretamente no ao em varo.
A presente dissertao encontra-se dividida em 5 captulos, dos quais se far em seguida
uma breve descrio, pretendendo-se desta forma que o leitor perceba as linhas
orientadoras com que aquela foi desenvolvida.
Descrevem-se as propriedades gerais do ao, sendo estudado o diagrama de fases Ferro -
Carboneto de Ferro e que tipo de reaes ocorre durante o arrefecimento do ao. So
referidos os seus constituntes, a forma como estes se organizam em diferentes
microestruturas cristalinas e de que modo estas afetam o seu comportamento mecnico.
Introduz-se a histria do ao, apresentando o incio desta indstria, a sua evoluo e os
mtodos de produo atuais, as suas propriedades e modo de funcionamento. Ainda neste
captulo so apresentados os tratamentos mecnicos ou termomecnicos e os tratamentos
trmicos aplicados ao ao, descrevendo o modo como so realizados e os objetivos para os
quais so realizados. Na segunda parte do captulo, abordada a produo atual em
Portugal, nomeadamente o processo Tempcore, no que consiste e qual o efeito que este tipo
de tratamento tem nos vares de ao.
So listados todos os documentos legais aplicveis a vares de ao para beto armado,
procedendo-se a uma descrio detalhada dos mesmos, nomeadamente: REBAP, EN
10080, EC2, Dec. Lei 28/2007, NP EN 13670, Especificaes LNEC (E449, E450, E455,
E456 e E460) e os Documentos de Classificao LNEC. No fim deste captulo so
estudadas as diferenas e semelhanas entre a regulamentao existente.
abordado o processo de aplicao em obra do varo de ao, nomeadamente os
procedimentos a ter em conta com o material e o modo de armazenamento do mesmo, a
metodologia de corte e dobragem dos vares e o processo de montagem e colocao de
armaduras nos diversos elementos, dando um destaque especial aos espaadores a utilizar.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
13 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Por fim, estudado o modo como feito o controlo da qualidade de execuo dos trabalhos
e que tipos de inspees e ensaios devem ser realizados.
feita uma sntese da visita empresa CODIMETAL Engineering S.A., onde so descritos
os procedimentos utilizados no tratamento ao ao e para que fim so realizados.
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14 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
2. Propriedades gerais do ao
2.1 - Consideraes gerais
Ao define-se como uma liga Ferro-Carbnica que contm Si, Mn, S e P, cujo teor em
carbono pode variar entre 0,03% e 2,1%, sendo que para valores superiores obtm-se ferro
fundido.
As propriedades de uma liga Ferro-Carbnica so funo da sua composio qumica e do
processo a que a mesma foi sujeita, ou seja, da sua histria trmica e mecnica. As
principais propriedades mecnicas dos metais e ligas so:
Modulo de elasticidade;
Tenso de cedncia ou tenso limite convencional de proporcionalidade a 0,2%;
Tenso de rotura;
Alongamento percentual at rotura;
Dureza.
Na formao das ligas Ferro-Carbnicas o carbono assume uma grande importncia sendo
o principal responsvel pela diferena de propriedades entre diferentes ligas.
Os tratamentos que so efetuados aps o processo sidergico tm como objetivo melhorar
as propriedades do ao, aumentando a resistncia corroso e impedindo deslocamentos
na estrutura cristalina. Devido sua importncia, o teor em carbono geralmente medido
em percentagem relativamente massa total da amostra.
Uma temperatura de fuso muito importante para o comportamento dos aos a
temperatura crtica, tambm designada por temperatura de austenizao, que varia
consoante as propriedades qumicas do ao. Esta temperatura representa a fase em que o
ao em estado slido tem maior capacidade de dissolver carbono, permitindo que este se
distribua uniformemente antes de se iniciar qualquer processo de arrefecimento (Loureno,
2012).
2.2 - Microestruturas no ao
As propriedades mecnicas do ao esto relacionadas com o modo de organizao dos
elementos, que do origem s microestruturas. O aparecimento destas microestruturas est
relacionado com a composio qumica do ao e com as variaes de temperatura a que
este sujeito. Existem seis tipos comuns de microestrutura num ao (Gonalves, 2006):
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
15 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Austenite (ferro );
Ferrite (ferro ) e (ferro );
Cementite;
Perlite;
Martensite;
Bainite.
Austenite (ferro )
uma soluo slida intersticial de carbono na rede cristalina do ferro (Figura 1). A
solubilidade do carbono atinge um mximo de 2,11% a 1148oC e diminui para 0,77% a
727oC.
As suas caractersticas mecnicas esto dependentes do teor de carbono. Na rotura, a
tenso oscila entre 880 e 1050 MPa e os alongamentos entre 20% e 23%.
A austenite mole e dctil, e s apresenta estabilidade no intervalo de temperaturas entre
727oC e 1500
oC (conforme a percentagem de carbono em dissoluo) (Gonalves, 2006).
Figura 1 Austenite (http://www.sv.vt.edu/)
Ferrite (ferro ) e (ferro )
Ferro :
uma soluo slida intersticial de carbono na rede cristalina do ferro (Figura 2). A
solubilidade maxima do carbono no ultrapassa 0,02% temperatura de 727 oC, sendo
praticamente nula temperatura ambiente.
Na rotura, o valor da tenso anda na ordem de 250 MPa e o alongamento na ordem de 50%,
portanto, muito dctil e pouco resistente.
http://www.sv.vt.edu/
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
16 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
A sua presena no ao indesejvel, a menos que se pretenda obter ao extra macio
(Gonalves, 2006).
Figura 2 - Ferrite (http://it.wikipedia.org/)
Ferro :
uma soluo slida intersticial de carbono no ferro. Tem uma estrutura semelhante ao
ferro , formando-se somente temperatura de 1394 oC.
Cementite (Fe3C)
A cementite (Figura 3) tem limites de solubilidade muito pequenos e possui uma composio
de 6,67% C e 93,33% Fe. Devido elevada dureza, a cementite apresenta um
comportamento muito frgil, razo pela qual as suas caractersticas mecnicas so difceis
de determinar (Gonalves, 2006).
Figura 3 Cementite (http://www.ruthtrumpold.id.au/)
http://it.wikipedia.org/http://www.ruthtrumpold.id.au/
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
17 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Perlite
Este constituinte (Figura 4) contm 0,77% de carbono e formado por lamelas de ferrite e
cementite, nas percentagens respectivas de 88% e 12%.
Quando uma amostra de ao-carbono com 0,77% C aquecida a 750oC e mantida a essa
temperatura durante algum tempo, a sua estrutura vai sofrer um processo de austenizao,
ou seja, transformar-se em austenite homognea (ferro ). Se o ao for arrefecido de forma
lenta, a uma temperatura inferior eutectide (727 oC), verificar-se- a transformao de
toda a austenite numa estrutura lamelar de placas alternadas de ferrite e cementite, dando
origem perlite.
A forma como as lamelas se conjuguam, mais precisamente o espao existente entre elas,
vai influenciar as propriedades mecnicas da microestrutura, estando a variao deste
espao associada s condies de arrefecimento. A dureza e a tenso de rotura aumentam
e a extenso de rotura diminui com a reduo do espao entre as lamelas (Gonalves,
2006).
Figura 4 Perlite (www.ebah.com.br)
Martensite
Existem dois tipos de martensite: a martensite acicular e a martensite cbica. Ambas as
formas de martensite so obtidas pelo rpido arrefecimento de austenite, no permitindo a
dissipao do carbono, ficando retido na estrutura cristalina. Admite-se que a transformao
da austenite em martensite ocorra sem difuso, uma vez que a transformao ocorre to
rapidamente que os tomos no tem tempo para se misturar (Gonalves, 2006).
A martensite acicular constituda por ferrite sobressaturada em carbono e com uma
estrutura cristalina muito deformada, sendo o seu comportamento mecnico dependente da
quantidade de carbono existente e da finura das lamelas de martensite.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
18 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Este tipo de martensite apresenta uma dureza bastante elevada, um alongamento reduzido e
uma resilincia quase nula, o que implica uma ductilidade e uma tenacidade muito
reduzidas.
A martensite cbica exibe uma fraca distoro da rede cristalina, a ausncia de austenite e a
precipitao de cloretos. Relativamente martensite acicular, a martensite cbica oferece
uma melhor ductilidade e tenacidade, mantendo ainda uma boa resistncia e dureza,
especialmente depois de ser submetida a um revenido para reduo das tenses internas.
Figura 5 Martensite (http://metalografia.deviantart.com/)
Bainite
A bainite uma microestrutura cujas propriedades mecnicas esto compreendidas entre os
valores da martensite e da perlite (Figura 6).
Quanto menor for a temperatura a que se forma, maior a sua dureza, sendo a bainite
inferior mais dura que a bainite superior, que por sua vez tem uma dureza superior perlite.
Com a diminuio da temperatura formam-se gros cada vez maiores, o que origina o
aumento da quantidade de carbonetos retidos (Gonalves, 2006).
Figura 6 Bainite (http://products.asminternational.org/)
http://metalografia.deviantart.com/http://products.asminternational.org/
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
19 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
2.3 - Diagrama de fases Ferro-Carboneto de Ferro
Carboneto de ferro um composto de frmula qumica Fe3C que contm 6,67% de carbono
e 93,33% de ferro.
As fases presentes aps arrefecimento muito lento de ligas ferro-carbono podem ser
identificadas no diagrama de fases Fe-Fe3C (Figura 7), para diferentes temperaturas e
composies at 6,67% de carbono (Gonalves, 2006).
Figura 7 - Diagrama de fases Ferro Carboneto de ferro (Gonalves, 2006)
Legenda:
L Estado lquido
Fe3C Cementite
Ferrite
Ferrite
Austenite
D-se relevo a dois tipos de reaes-chave, que se do a temperaturas e % de carbono
distintas:
Reao eutctica:
No ponto eutctico, o lquido com 4,30% C transforma-se em austenite (ferro ) com 2.11%
C e cementite (Fe3C) com 6,67% C. Esta reao ocorre a 1148 oC no estado lquido.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Carbetohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ferrohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Composto_qu%C3%ADmicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula_qu%C3%ADmicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Carbonohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ferro
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20 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Reao eutectide:
No ponto eutectide, a austenite com 0,77% C origina ferrite (ferro ) com 0,02%C e
cementite, com 6,67% C. A reao eutectide d-se a 727 oC e ocorre completamente no
estado slido, sendo importante em alguns dos tratamentos trmicos dos aos-carbono.
2.4 - Processo de desoxigenao
O ao quando se encontra em banho de fuso contm oxignio dissolvido, elemento
importante no seu fabrico. A forma como este oxignio libertado medida que o metal
solidifica, fundamental em algumas das suas propriedades.
Na ausncia de desoxidantes, em aos com baixo teor de carbono, a reao de carbono
com oxignio produz monxido de carbono durante a solidificao do lingote. Este lingote
tem a camada exterior isenta de cavidades e a zona interior com porosidade, devido
contrao e aos gases que no foram libertados. Existem 2 classificaes para os aos
relativamente ao seu processo de desoxigenao: Efervescentes e calmados (Gonalves,
2006):
Efervescentes:
Aos efervescentes so os aos que no sofrem desoxigenao e sua superfcie exterior
extremamente dctil e praticamente isenta de carbono. Devido sua heterogeneidade, no
so apropriados para aplicaes estruturais, principalmente para grandes espessuras e para
aplicaes onde seja necessrio proceder a soldadura.
Calmados:
Os aos que sofrem um processo de desoxigenao designam-se por calmados, podendo
dividir-se ainda em 3 sub-grupos consoante o nvel de desoxigenao: semi-calmados,
calmados e especialmente calmados.
Os aos semi-calmados derivam de lingotes parcialmente desoxidados, podendo ser
utilizados em aplicaes estruturais.
Os aos calmados so completamente desoxidados pela adio de fortes agentes oxidantes
como o silcio e o alumnio. Tm melhor desempenho que os anteriores j descritos devido
elevada uniformidade na composio qumica e nas propriedades da massa do metal.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
21 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Os aos especialmente calmados so desoxidados da mesma forma que os aos calmados,
diferindo apenas na quantidade de agentes oxidantes utilizados.
2.5 Principais tipos de aos utilizados em engenharia civil
No mbito da engenharia civil, existem vrios tipos de aos desenvolvidos com o objetivo de
resistir a diferentes especificaes e condies de servio, nomeadamente cargas elevadas,
desgaste, impacto, corroso atmosfrica e temperaturas elevadas. Deste modo, selecionar
um ao apropriado para uma determinada aplicao poder ser uma tarefa relativamente
complexa, em que diversos fatores como as geometrias e dimenses disponveis, o custo e
as propriedades requeridas tero de ser considerados. Uma forma possvel para se lidar
com esta complexidade associada seleo do material, consiste em consultar bases de
dados ou catlogos onde os aos disponveis esto agrupados, formando conjuntos com
determinadas aplicaes-tipo. Estas bases de dados podem apresentar entre 12 a 20 grupos
principais de aos (aos de construo, aos inoxidveis, aos mola, aos ferramenta, aos
rpidos, etc.), que depois se dividem em subgrupos mais especficos (Seabra et al., 1981).
No caso particular da construo civil, at meados da dcada de 1960, excepo da
construo de pontes, praticamente foi s utilizado um tipo de ao. Este ao era
normalmente classificado como ao-carbono e as normas internacionais especificavam
apenas a sua tenso de cedncia mnima como sendo 230 MPa. Outro tipo de aos com
propriedades especficas como resistncia corroso ou soldabilidade estavam disponveis
(ASTM A242 ou ASTM A373), mas raramente eram utilizados na construo de edifcios
(Seabra et al., 1981).
Hoje h uma grande variedade de aos de construo, possibilitando o aumento da
resistncia em determinadas peas sem aumentar excessivamente a volumetria das
mesmas, aumentar a resistncia corroso e aumentar durabilidade da estrutura. Os quatro
principais grupos de aos utilizados atualmente em construo so:
Aos carbono;
Aos microligados;
Aos de liga temperados e revenidos;
Aos inoxidveis.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
22 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Aos carbono
Segundo (Chiaverini, 2002), o ferro puro no muito apelativo do ponto de vista das suas
propriedades mecnicas, visto que excessivamente macio, dctil e com baixa resistncia a
esforos. No entanto, a adio de pequenas propores de carbono altera radicalmente as
propriedades mecnicas do ferro.
Os aos carbono normalmente aplicados em estruturas, tm teores de carbono
compreendidos entre 0,15% e 0,30% e os teores de elementos de liga no ultrapassam os
seguintes valores: Mn < 1,65%, Si < 0,6% e Cu < 0,6%. O aumento do teor de carbono
aumenta a sua tenso de cedncia, mas tambm reduz a tenacidade e a soldabilidade do
ao.
Estes aos tm aplicaes genricas em construo de estruturas rebitadas ou soldadas,
apresentando tenses de cedncia at cerca de 275 MPa.
Aos microligados
Este tipo de aos, por vezes designados por aos HSLA (High Strenght Low Alloy Steels)
podem apresentar tenses de cedncia compreendidas entre 275 e 500 MPa. Enquanto que
nos aos-carbono o aumento da resistncia conseguido custa do aumento do teor de
carbono, nos aos HSLA este aumento conseguido devido adio de pequenas
quantidades de elementos de liga tais como o Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, V ou Zr. A adio destes
elementos promove o endurecimento por soluo slida e por precipitao de finas
disperses de carbonetos levando ao refinamento da microestrutura do ao, resultando um
excelente compromisso entre tenses de cedncia elevadas e ductilidade. Devido sua
elevada tenacidade, estes aos apresentam em geral uma boa soldabilidade, sendo por isso
adequados para construo soldada (Taylor, 2000).
Aos de liga temperados e revenidos
A tmpera do ao um tipo de tratamento que origina um aumento da dureza e,
consequentemente, da tenso de cedncia do ao. A tmpera de aos de baixa liga pode
conduzir a materiais com tenses de cedncia entre 550 e 800 MPa. De modo a reduzir um
pouco a fragilidade dos aos temperados aps a tmpera, o ao pode ser revenido a
temperaturas entre 400C e 600C por forma a promover alguma difuso do carbono
aprisionado na estrutura martenstica reduzindo a fragilidade intrnseca a esta fase. Dada
esta situao, estes aos so normalmente utilizados no estado temperado e revenido
(Taylor, 2000).
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
23 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Aos inoxidveis
Existem trs grandes grupos de aos inoxidveis: os inoxidveis martensticos, inoxidveis
ferrticos e inoxidveis austenticos, sendo a sua classificao definida de acordo com a fase
predominante na sua constituio temperatura ambiente. Na construo de estruturas de
engenharia civil, em particular em tubagens para fluidos agressivos, os aos inoxidveis
austenticos so, em geral, os de utilizao mais frequente, devido elevada ductilidade e
ao bom comportamento que apresentam entre resistncia mecnica e resistncia
corroso. O crmio presente permite aumentar a resistncia corroso do ao, sendo que,
quando o teor de crmio superior a 12% forma-se superfcie do ao uma fina pelcula
estvel de xido de crmio, que protege o ferro das reaes com a atmosfera, em particular
das reaes que conduzem formao de ferrugem, caso os produtos de ao inoxidvel
estejam ao ar livre (Taylor, 2000).
Nas Tabelas (1 e 2) so referidas as propriedades tpicas de alguns dos aos mais utilizados
em aplicaes estruturais de engenharia civil. Na Tabela 1 apresentam-se os aos-carbono
estruturais, os aos microligados de elevada resistncia e os aos de liga temperados e
revenidos, enquanto que na Tabela 2 so referidas as especificaes de alguns aos
inoxidveis.
Tabela 1 - Especificaes e propriedades tpicas de aos comuns em construo civil (adaptado de
Somayaji, 2001)
Teores de C e Mn Caractersticas
mecnicas
Tipo % C % Mn y (MPa)
Ao-carbono estrutural 0.26 - 250
Ao-carbono estrutural 0.27 1.2 290
Ao microligado de
elevada resistncia (
corroso)
0.15 1 290 - 345
Ao microligado de
elevada resistncia 0.21 1.35 290
Ao microligado de
elevada resistncia (
corroso)
0.17 -
0.19 0.5 - 1.25 290 - 345
Ao de liga temperado
e revenido
0.12 -
0.21 0.4 - 1.1 290 - 690
Em relao aos de construo referidos na Tabela 1, os aos ASTM A36 e ASTM A529 so
aos utilizados para aplicaes generalizadas sendo atualmente os mais utilizados na
construo de edficios e pontes. O ao A572 um ao microligado com vandio, enquanto
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
24 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
que os aos aos A242 e A588 so aos microligados com maior resistencia corroso
atmosfrica. O ao A514 um ao de liga com Cr e Mo passvel de tmpera e revenido.
Tabela 2 - Aos inoxidveis (adaptado de Somayaji, 2001)
Teores de C, Cr e Ni Caractersticas
mecnicas
Tipo % C % Cr % Ni y (MPa)
Inxidvel
martenstico 0.08 - 0.15 11.5 - 13.5 - 290
Inoxidvel ferritico 0.08 16 - 18 - 260
Inoxidvel
austentico 0.05 17 - 19.5 8 - 10.5 230
Na Tabela 2 apresentam-se caractersticas de trs aos inoxidveis, representando os
grupos de aos inoxidveis martensticos, ferrticos e austenticos. Como j referido
anteriormente, destes trs tipos, os aos inoxidveis austenticos so aqueles que mais se
utilizam em estruturas de construo civil, principalmente em tubagens, apresentando uma
elevada resistncia corroso.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
25 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
26 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
3. Levantamento dos processos industriais
3.1 - Histria do Ao
H cerca de 4.500 anos, o metal ferro usado pelo homem era encontrado na natureza em
meteoritos recolhidos pelas tribos nmadas nos desertos da sia Menor. Na Gronelndia
existiam tambm indcios da utilizao desse material. Era considerado um metal precioso
devido sua difcil obteno.
Aos poucos, o ferro passou a ser usado com mais frequncia, a partir do momento em que
se passou a extra-lo do seu minrio (geralmente sob a forma de xidos, como a magnetite e
a hematite ou ainda como um carbonato, a siderite). Por volta de 1.500 a.C., no Mdio
Oriente, comeou a explorao de jazidas. Do primeiro milnio da era crist em diante, o
ferro difundiu-se por toda bacia do Mediterrneo.
O minrio de ferro comeou a ser aquecido em fornos primitivos (forno de lupa), abaixo do
seu ponto de fuso, de onde resultava uma pasta designada por lupa, que era martelada
para libertar as impurezas e as escrias. Aps este processo a lupa era ento forjada com
as formas pretendidas. Este processo deve-se ao facto de algumas impurezas do minrio
terem menor ponto de fuso do que a esponja de ferro, e por isso, era possvel retirar-lhe
algumas impurezas. Para fabricar um quilo de ferro em barras, eram necessrios de dois a
dois quilos e meio de minrio pulverizado e quatro quilos de carvo vegetal (Instituto Ao do
Brasil, 2009).
O ltimo estgio tecnolgico e cultural da pr-histria a Idade do Ferro, durante a qual os
utenslios de bronze foram gradualmente substitudos por utenslios de ferro. Na Europa e no
Mdio Oriente, a Idade do Ferro comeou por volta de 1200 a.C..
Aos poucos, novas tcnicas foram descobertas e desenvolvidas, tornando o ferro mais duro
e resistente corroso. A adio de calcrio mistura de minrio de ferro e carvo
possibilitava melhor absoro das impurezas do minrio. Novas tcnicas de aquecimento
tambm foram desenvolvidas, bem como a produo de materiais mais modernos para se
trabalhar com o ferro j fundido.
No incio do sc. XIV foram desenvolvidos os altos-fornos, e com a melhoria das condies
de insuflao era atingida a temperatura de 1350C. A esta temperatura obtido pela
primeira vez um metal lquido.
O ferro conseguia absorver cada vez mais carbono devido fuso do metal, criando ferro
carburado, que por sua vez funde a uma temperatura inferior, absorvendo ainda mais
carbono e formando a gusa, um metal lquido, ao contrrio da massa pastosa que era
anteriormente obtida.
http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93xidohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Magnetitehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Hematitehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Siderite
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27 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
A gusa arrefecida dura e quebradia, sendo fcil de fundir e permitindo o seu vazamento
em moldes mas no podendo ser soldada ou forjada como o ferro. Este processo era feito
em aciarias, e levou a que a produo de ferro passasse de uns quilos de metal pastoso por
dia para vrias toneladas de gusa por ms (Robert et al, 1999).
No incio do sc. XVIII, devido excessiva utilizao de carvo vegetal como combustvel,
houve grandes problemas relacionados com o abate de rvores. A soluo para este
problema surgiu em 1709 por Abraham Darby, conseguindo-se pela primeira vez produzir
gusa utilizando coque como combustvel. O coque um combustvel que se obtm do
aquecimento da hulha (carvo mineral ou betuminoso), sem combusto, num recipiente
fechado. Com o desenvolvimento da mecanizao e da mquina a vapor, o coque passou a
ser extrado em grandes quantidades evitando a utilizao de carvo vegetal (Robert et al,
1999).
Figura 8 Esquema de funcionamento de um alto-forno utilizando coque (www.picstopin.com)
A Revoluo Industrial iniciada na Inglaterra, no final do sculo XVIII, tornaria a produo de
ferro ainda mais importante para a humanidade. Nesse perodo, as comunidades agrria e
rural comeavam a perder fora para as sociedades urbanas e mecanizadas.
nesta altura que desenvolvido o forno de revrbero (Figura 9). Estes fornos apresentam
um desenho inovador no sentido em que o material a fundir no se encontra em contacto
direto com o combustvel utilizado, sendo aquecido pelo calor refletido das paredes do forno
e pelos gases quentes resultantes da combusto.
http://www.picstopin.com/
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
28 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Figura 9A) Figura 9B)
Figura 9A) Esquema simplificado do funcionamento de um forno de revrbero
Figura 9B) Disposio de um forno de revrbero
(http://www.sauder.com.br)
Simultaneamente com este novo tipo de forno utilizada uma nova tcnica designada por
pudelagem, que permite finalmente a obteno de ao.
O ferro impuro obtido era refundido no forno de revrbero sendo que, atravs da agitao
feita por barras, a gusa ia sendo reduzida pelo oxignio. O lquido transformava-se pouco a
pouco numa massa pastosa que, no final, se tornava to consistente que era possvel retirar
bolas ou "lupas", que eram a seguir marteladas em barras. O produto final apresentava uma
qualidade tal que permitia a laminagem e estiragem de lingotes, obtendo produtos cada vez
mais diversificados.
Figura 10 Operrio a manobrar o agitador num forno de pudelagem
No incio do sculo XIX vrias novas tecnologias foram aplicadas produo de ferro e ao,
utilizando-se mquinas a vapor para a insuflao e sopragem de ar quente, o que
possibilitou um aumento da dimenso dos altos-fornos, e consequentemente a capacidade
http://www.sauder.com.br/
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
29 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
de produo, que em mdia passou de 4 toneladas/dia para 15 toneladas/dia em cerca de
45 anos. (Robert et al, 1999).
3.2 - Processos industriais desenvolvidos para a obteno de
ao
Ao longo dos anos, surgiram diversos processos destinados obteno de ao. Neste ponto
sero descritos com maior detalhe os principais processos utilizados para esse fim.
3.1.1 - Alto-forno
O alto-forno o processo mais utilizado para obter gusa a partir do minrio de ferro, apesar
de ser utilizado desde o sculo XIV. Para melhorar a qualidade do produto obtido, o
processo foi com o passar dos anos alvo de diversas inovaes e alteraes.
Este tipo de forno apresenta a forma e o funcionamento em tudo semelhantes s utilizadas
no sculo XIV tendo a sua dimenso aumentado e sido adaptado de modo a tornar todo o
processo automatizado e controlado.
O equipamento do alto-forno apresenta as seguintes caractersticas (Holleman, 1985):
Altura ~30 m;
Dimetro interior: ~10 m (no local do anel de suporte);
Contedo: 500 a 800 m;
Operao ininterrupta (24 horas, durante 10 anos);
Figura 11 Representao esquemtica do alto-forno (http://www.timoteo.cefetmg.br )
http://www.timoteo.cefetmg.br/
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
30 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
O forno construdo de forma semelhante a uma chamin, numa estrutura alta feita com
tijolos refratrios. Coque, pedra calcria e minrio de ferro so inseridos no topo e o ar entra
pela base permitindo a combusto no interior. Isto reduz o xido a metal que, sendo mais
denso, concentra-se na parte inferior do forno.
O alto-forno um processo de reduo carbo-trmica atravs do qual se produzem diversos
metais a partir dos seus minrios: alm do Fe, h o Mangans, Cromo, Estanho, Chumbo e
Zinco. A reduo do minrio de ferro um processo endotrmico em que a combusto do
carvo (ou do coque) libera energia suficiente para desidratar e aquecer o minrio (na parte
superior da cuba) enquanto o ferro gusa derrete na parte inferior do alto-forno. O calor
excessivo, portanto at zona mais larga do forno (altura do anel de suporte no qual
assenta a cuba), tem que ser arrefecido atravs da circulao de gua. A cuba apenas
arrefecida pelo ar pr aquecido que injetado posteriormente pelos bicos na altura da zona
de fuso (Holleman, 1985).
O carregamento do alto-forno ocorre pela extremidade superior. A carga forma normalmente
camadas alternadas, coque e minrio misturado com aditivos, formando cada camada com
uma espessura de cerca de 50 cm.
3.2.2 - Processo de Bessemer
O processo Bessemer foi desenvolvido por William Kelly e Henry Bessemer no final do sc.
XIX. Este processo permitiu a obteno de ao de baixo carbono que se caracterizava por
ser resistente mecnicamente, dctil e tenaz. No era no entanto endurecvel por tmpera,
embora pudesse ser produzido e enformado mecanicamente em grande escala de modo
econmico.
Era um processo onde a descarbonatao da gusa era feita num vaso em forma de pra,
caracterizado por ter uma tampa atravs da qual passava um tubo central de argila para
soprar o ar atravs do metal lquido. Com esse processo foi possvel conseguir, no mesmo
espao de tempo, 200 vezes mais ao que no processo de pudlagem (Cottrell, 1975).
Bessemer tentava melhorar o processo de pudelagem por intermdio da aplicao de um
jacto de ar quente gusa lquida e durante essa tentativa tirou concluses acerca de dois
aspetos: o primeiro era de que o jacto de ar eliminava de forma rpida o carbono e o silcio
da gusa, e o segundo era que o calor libertado na reao de oxidao das impurezas era
suficiente para manter o metal em fuso, elevando a sua temperatura at temperatura de
fuso do ao (1600-1650C).
O processo realizado no Convertidor de Bessemer, um recipiente cuja capacidade vai de 8
a 30 toneladas de ferro fundido (Figura 12). No topo do convertidor existe uma abertura, para
http://pt.wikipedia.org/wiki/Tonelada
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
31 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
injeo de ar, geralmente inclinada para o lado relativo ao corpo do recipiente, pelo qual o
ferro introduzido e o produto final removido.
O convertidor um recipiente oval revestido por materiais refractrios e com capacidade
para vrias toneladas de gusa lquida. No seu topo possui uma boca e no fundo tubeiras
para injeco de ar, podendo ser rodado para facilitar os processos de carga/descarga
(Cottrell, 1975).
Figura 12 - Representao do convertidor de Bessemer (http://pt.wikipedia.org/)
O convertidor colocado na posio horizontal de modo a ser carregado de gusa lquida e o
fundo do convertedor contm perfuraes, pelas quais o ar forado para dentro do
convertedor. rodado para receber a carga, voltando posio normal durante a converso
e, passados alguns minutos (15 a 20), o ar desligado rodando novamente para
descarregar o ao fundido no final do processo. O processo de oxidao remove impurezas
como silcio, mangans e carbono, na forma de xidos gasosos ou escrias slidas (Cottrell,
1975).
3.2.3 - Processo de Siemens-Martin
O processo de Siemens-Martin contemporneo ao processo de Bessemer e foi
desenvolvido com o objetivo de diminuir o consumo energtico necessrio produo e
encontrar um modo para transformar gusas fosforosas em ao, visto que na altura ainda no
tinha sido desenvolvido o mtodo de Thomas. A diminuio do consumo energtico vem do
pr-aquecimento a que o ar e o combustvel (normalmente gasoso) eram sujeitos antes de
entrar na cmara de combusto.
Os gases extrados do forno aqueciam as cmaras que eram constitudas por tijolos
refractrios dispostos em xadrez, sendo que, a admisso/extrao era feita de forma
alternada nas cmaras para promover o arrefecimento das cmaras de admisso enquanto
as cmaras de exausto iam aquecendo. Deste modo, quando as cmaras de admisso
http://pt.wikipedia.org/
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
32 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
estivessem abaixo da temperatura ideal, era invertido o sentido da circulao de gases,
funcionando depois como cmaras de extrao.
O ferro-gusa, o calcrio e o minrio de ferro so colocados no forno Siemens-Martin (Figura
13) que aquecido a aproximadamente 871 C. O calcrio e o minrio formam uma escria
que flutua na superfcie e as impurezas, incluindo o carbono, so oxidadas e migram do ferro
para a escria (Cottrell, 1975).
Figura 13 Forno de Siemens-Martin (adaptada de http://en.wikipedia.org)
Legenda:
A Entrada de ar e combustvel;
B Cmara pr-aquecida;
C Gusa fundida;
D Cadinho;
E Cmaras a aquecer;
F Exausto de gases.
Os maiores fornos Siemens-Martin apresentam uma capacidade de aproximadamente 500
toneladas de ao por carga. A elevada capacidade de carga tem como objetivo compensar o
facto de o processo ser bastante lento quando comparado com o processo de Bessemer,
demorando a totalidade do processo, desde o incio do carregamento at ao fim da
descarga, cerca de 12 horas.
3.2.4 - Forno de arco eltrico
O forno de arco eltrico foi inventado em 1900 por Paul Hroult, tendo entrado em
funcionamento em 1907 em Nova Iorque.
Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________
33 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil
Este tipo de forno tambm utilizado em Portugal na produo de ao, sendo o seu
funcionamento baseado na induo magntica. O material a fundir aquecido por intermdio
de um arco eltrico que, por sua vez, se desenvolve entre os elctrodos do material.
Aps o fim da 2 Guerra Mundial que a utilizao dos fornos eltricos comeou a expandir.
Esta expanso deveu-se ao baixo investimento inicial necessrio e levou ao aparecimento
de siderurgias deste tipo por toda a Europa, permitindo assim concorrer no mercado
americano com os maiores produtores de ao dos Estados Unidos.
O funcionamento deste tipo de fornos tem as caractersticas ideais para a produo de aos
de elevada qualidade, especialmente os aos ligados (constitudos por metais como o
Nquel, o vandio, o crmio etc). Este facto deve-se s temperaturas atingidas por estes
fornos, que so superiores s de outros e permitem a existncia de elementos no forno sem
que estes sejam oxidados, o que aconteceria com a maior parte dos metais nos
convertidores de Bessemer e nos fornos de Siemens-Martin.
A constituio do forno de arco eltrico caracteriza-se por possuir um vaso revestido por
materiais refractrios arrefecido a gua, com uma cobertura mvel, na qual esto inseridos
elctrodos de grafite (Figura 14).
Figura 14 Representao esquemtica do forno de arco eltrico (www.ebah.com.br)
Para retirar o ao lquido, existe um orifcio no fundo do forno, de modo a que o escoamento
se processe minimizando a quantidade de nitrognio e escria misturados no lquido. Este
orifcio encontra-se ligeiramente descentrado para reduzir as impurezas do produto final.
https://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=APiV_9Jz7t2oqM&tbnid=bOIP0DXUMs9lKM:&ved=0CAQQjB0&url=http%3A%2F%2Fwww.ebah.com.br%2Fcontent%2FABAAABQsEAA%2Fprocessos-fabricacao-vt-operunit&ei=TWSTU9qKHMqb0wWAsYDwAw&bvm=bv.68445247,d.d2k&psig=AFQjCNFuY05JAtxME52ytED737r-aci8zA&ust=1402251534370021
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Este tipo de fornos apresenta uma elevada capacidade que pode chegar s 400 toneladas,
sendo que, por este motivo, a operao requer grandes quantidades de energia, sendo
necessrios aproximadamente 440KWh por cada tonelada de ao produzido. Esta situao
cria a necessidade de se ter uma rede eltrica bem desenvolvida e com grande capacidade.
3.2.5 - Processo de Linz-Donawitz
O Processo de Linz-Donawitz foi industrializado em 1952 na ustria e caracteriza-se pela
produo de ao por afinao da gusa lquida atravs de um jato de oxignio puro.
Este processo consiste na utilizao de um convertidor de material refratrio, com a boca
virada para cima, por onde entra uma lana refrigerada com gua que injeta oxignio puro a
uma presso de 4 a 12 bar sobre o banho metlico (Figura 15). A carga do convertidor
constituida por ferro gusa lquido, sucata de ferro, minrio de ferro e aditivos.
Figura 15 Representao esquemtica do forno Linz-Donawitz (http://www.ebah.com.br)
Para oxidar o carbono presente no metal lquido que colocado no convertidor Linz-
Donawitz necessria uma grande quantidade de energia pois a reao consome elevadas
quantidades de calor. Para compensar esta situao, um dos principais elementos presentes
no ferro gusa o silcio, que tambm oxidado, formando uma reao exotrmica (Si + O2
= SiO2). Para diminuir a temperatura, adiciona-se ainda sucata ou minrio de ferro. Para
aumentar a qualidade do ao, adicionam-se ainda os elementos de liga no final do processo.
http://www.ebah.com.br/
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O processo foi inicialmente pensado e concebido para o tratamento de gusas de baixo teor
em fsforo, apresentando bons resultados para tal, no entanto, no caso de gusas com
elevado teor em fsforo, o processo revelava-se ineficaz.
O problema das gusas com elevado teor em fsforo foi mais tarde resolvido devido injeo
de cal em p juntamente com o jato de oxignio, uma vez que, era necessrio eliminar uma
maior quantidade de fsforo de modo a que se atingisse o teor em carbono pretendido. A cal
interferia nas reaes de oxidao, dando origem a uma escria fortemente desfosforante
desde o incio da sopragem.
Este convertidor oferece vantagens econmicas sobre os convertidores do processo de
Bessemer e Siemens Martin.
3.2.6 - Processos de Kaldo e Rotor
O processo de Kaldo e o processo de Rotor so dois processos muito parecidos
relativamente forma como se obtm escria. Ambos se assemelham ao processo de
Siemens-Martin, baseando-se na ao refinadora escria-metal, sendo que a diferena
reside no facto de que em Siemens-Martins a criao de escria dependia da introduo de
xido de ferro, enquanto que nestes novos processos obtm-na a partir da sopragem de
oxignio sobre o metal, mais concretamente a superfcie do metal no processo de Kaldo e
tanto a superfcie como o interior do metal no processo de Rotor.
Estes processos so vantajosos no que diz respeito rapidez de execuo, uma vez que o
processo demora cerca de 35 minutos por carga, e economia devido ao facto de no ser
necessria a utilizao de fontes de calor externas porque h poucas perdas de calor.
Devido a esta situao, conseguem-se atingir elevadas temperaturas o que permite a
incluso de sucata de ao misturada com a gusa.
3.3 - Tipo de tratamento dos aos em varo
Os tratamentos aplicados ao ao tm o objetivo de o transformar e de conferir as
caractersticas necessrias sua aplicao em elementos de beto armado. Os tratamentos
podem ser mecnicos (e termomecnicos) ou trmicos.
Segundo Filho, 2004, de uma forma geral, a aplicao de um tratamento trmico ou
mecnico a um ao para melhoria de determinadas propriedades conseguida com prejuzo
de outras. Por exemplo, o aumento da dureza ou da resistncia trao tem como
consequncia a reduo da ductilidade.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Processo_de_Bessemerhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Processo_de_Bessemerhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Forno_Siemens-Martin
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3.3.1 - Tratamentos mecnicos (a frio) e termomecnicos
De forma a conferir melhores propriedades mecnicas e a conferir a forma desejada aos
elementos, surgiram diversos tratamentos mecnicos e termomecnicos.
3.3.1.1 - Laminagem
A laminagem consiste em modificar a seco transversal de um metal na forma de barra,
lingote, placa ou fio, pela passagem entre dois rolos. O processo consiste em fazer as peas
atravessar uma mquina onde lhes aplicada uma fora transversal que comprime a pea
(Figura 16).
O processo pode ser realizado continuamente ou em etapas e podem ser utilizados um ou
mais cilindros de laminao, possibilitando a obteno das dimenses dos produtos semi-
acabados ou da pea pronta.
Figura 16 Representao esquemtica da posio dos rolos (http://www.abal.org.br/)
Com cada passagem nas estaes de laminagem, o dimetro do elemento reduzido e o
seu comprimento aumenta. Este aumento de comprimento tem como consequncia o
aumento da velocidade a que o ao atravessa as estaes de laminagem. A velocidade
excessiva torna mais difcil controlar o processo, na medida em que, mais difcil fazer uma
monitorizao adequada e efetuar qualquer correo em tempo til.
O processo de laminagem pode ser aplicado a frio ou com aquecimento prvio. No caso de
ser aplicado com aquecimento prvio possvel utilizar foras mais reduzidas uma vez que a
pea est plstica (ao rubro), tornando o processo mais eficiente e contribuindo para que a
pea final tenha tenses internas mais baixas relativamente ao processo feito temperatura
ambiente. A temperatura ao longo da linha de produo mantida pelo aquecimento que o
ao sofre aquando da reduo de seco, podendo tambm ser aquecida ou arrefecida em
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determinados pontos da linha caso seja necessrio, de modo a permitir que o ao chegue ao
fim desta com a temperatura ideal (Filho, 2004).
Caractersticas da Laminagem a quente:
Utilizada para materiais que tenham baixa plasticidade a frio;
Permite grandes redues de espessura;
Foras de laminagem menores que as de laminagem a frio;
O acabamento superficial pobre;
Resulta em tolerncias dimensionais largas.
Caractersticas da Laminagem a frio:
Utilizada para materiais com boa plasticidade;
As redues de espessura so limitadas pelo encruamento;
Foras de laminagem muito maiores que as de laminagem a quente;
O acabamento superficial muito bom;
Resulta em tolerncias dimensionais mais estreitas que a laminagem a quente.
3.3.1.2 - Estiramento
O estiramento consiste na aplicao de uma fora de trao a um elemento, causando assim
o aumento do seu comprimento e a diminuio da sua seco, sendo que, quanto mais dctil
for o material, maiores sero as deformaes possveis. Neste processo, o gradiente de
tenses pequeno, o que garante a quase total eliminao da recuperao da forma inicial.
Este processo permite aumentar a resistncia mecnica trao, no entanto, o
comportamento mecnico bastante heterogneo ao longo da pea devido ao facto de que
a seco e o alongamento obtidos no serem constantes.
3.3.1.3 - Trefilagem
A trefilagem um processo que apresenta parecenas tanto com a laminagem como com o
estiramento. A matria-prima forada a passar atravs de uma fieira (designao
habitualmente dada s matrizes de trefilagem), sofrendo deformao plstica e sendo
sada aplicada uma fora de trao. Este processo d origem a um produto com menor
seco transversal, maior comprimento, maior qualidade superficial e maior resistncia
mecnica.
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As fieiras de trefilagem so constitudas por ao ferramenta, um tipo de ao que se
caracteriza pela elevada dureza e resistncia abraso, tem boa tenacidade e mantm as
propriedades de resistncia mecnica mesmo sob elevadas temperaturas. So constitudas
por quatro zonas distintas:
Zona de entrada De modo a facilitar a lubrificao do processo, esta zona
possui um ngulo um pouco maior que o ngulo de trefilagem;
Zona de trefilagem Possui um ngulo que normalmente est entre 5o e 15
o;
Zona cilndrica Por razes de fabrico e manuteno da matriz includa de
modo a garantir uma boa estabilidade dimensional ao produto final;
Zona de sada Possui um ngulo de abertura contrrio aos ngulos de entrada
e trefilagem.
Tal como a estiragem, este tratamento principalmente utilizado para obter barras e fios,
mas neste caso, o produto final apresenta uma seco e um alongamento mais constantes,
tornando os produtos mais homogneos em termos de comportamento mecnico.
Devido ao maior controlo da qualidade do produto final, possvel a utilizao deste
processo na produo de elementos estruturais, tais como as armaduras de pr-esforo.
3.3.2 - Tratamentos trmicos
Este tipo de tratamentos tem como objetivo o melhoramento das caractersticas mecnicas
dos aos por variao controlada de temperatura. Existem quatro tipos de tratamentos
trmicos: o recozimento, a normalizao, a tmpera e o revenido.
3.3.2.1 - Recozimento
O recozimento consiste no aquecimento uniforme do ao-carbono, estando a pea exposta a
uma certa temperatura durante um intervalo de tempo, seguindo-se o arrefecimento lento no
interior de um forno at atingir a temperatura ambiente.
O recozimento tem como objetivo repor no material as caractersticas que haviam sido
alteradas por tratamentos trmicos ou mecnicos aplicados numa fase anterior, regularizar
estruturas brutas resultantes da fuso transformando-as em estruturas mais favorveis
maquinagem ou deformao a frio, atenuar heterogeneidades e reduzir tenses internas
criadas aquando da formao do elemento (Filho, 2004).
De modo a que algumas zonas da pea no cheguem a temperaturas consideravelmente
superiores restante pea, o aquecimento deve ser efetuado o mais uniformemente
possvel, de modo a evitar o possvel empenamento da pea. O intervalo de tempo a que a
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pea fica exposta durante o aquecimento assume tambm grande importncia, variando com
o tipo de metal e com a forma/dimenses da pea, devendo ser suficiente para que ocorra a
transformao de toda a estrutura inicial.
A pea deve ser arrefecida no forno ou imersa em cal em p de modo a ter um arrefecimento
lento. Este arrefecimento lento possibilita uma transformao total e gradual na estrutura
final do elemento, sendo que, quanto maior for o teor em carbono do ao, mais lento ter de
ser o arrefecimento. O ritmo de arrefecimento pode no entanto ser aumentado a partir do
momento em que se considera que a transformao est completa (Seabra, 2002).
Existem diversos tipos de recozimento, caracterizando-se pelo objetivo com o qual so
feitos. Os tipos de recozimento existentes so os seguintes:
Recozimento completo:
Pode tambm ser designado como recozimento de homogeneizao ou recozimento de
difuso e tem como objetivo melhorar as propriedades das peas por uma distribuio mais
uniforme dos elementos qumicos e dos constituintes estruturais. O fabrico de peas por
vazamento leva a que esta distribuio no seja uniforme devido segregao de alguns
constituintes causada pela fora da gravidade.
Recozimento isotrmico:
O processo semelhante ao recozimento completo, diferenciando-se pelo arrefecimento.
Este deve ser efectuado a uma velocidade superior, mergulhando a pea num banho de
sais. Este processo permite que o tratamento seja efetuado com maior rapidez, permitindo
ainda uma microestrutura mais bem definida devido ao melhor controlo sobre a distncia
interlamelar da perlite.
Recozimento de amaciamento:
Tem como objetivo conferir ao ao uma estrutura que corresponde sua dureza mnima. O
material obtido apresenta maior aptido para aplicaes que exijam deformao, como a
estampagem, laminagem a frio, dobragem, etc.
Recozimento de regenerao:
Pode tambm ser designado como recozimento de afinao do gro e caracteriza-se pelas
diferentes velocidades de arrefecimeto da pea, que permitem, obter um ao com a finura e
regularidade pretendidas, sendo que quanto mais rapidamente se processar o aquecimento
e o arrefecimento mais fino ser o gro.
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Recozimentos subcrticos:
Existe um grupo de recozimentos designados por subcrticos, em que a temperatura a que
feito o aquecimento inferior temperatura critica e sendo o arrefecimento feito a diferentes
velocidades tal como no recozimento de regenerao.
Estes tratamentos so considerados recozimentos apesar de no ser atingida a temperatura
crtica, uma vez que a estrutura do produto final sempre mais estvel do que antes do
tratamento. Estes recozimentos subcrticos tm como objectivo a reduo das tenses
internas, recristalizao da estrutura de gros e restaurao das propriedades mecnicas.
3.3.2.2 - Tmpera
O objetivo da tmpera est relacionado com a obteno de uma microestrutura
essencialmente baintica ou martenstica proporcionando ao ao propriedades elevadas de
dureza e resistncia mecnica. O processo consiste no aquecimento at temperatura de
austenitizao, ou seja, entre 815 C e 870 C.
O aquecimento deve ser lento no incio, para no provocar defeitos no metal e a forma como
mantida a temperatura varia de acordo com a forma da pea, devendo o tempo ser bem
controlado. Em seguida, o ao submetido a um arrefecimento brusco, obtendo-se assim
uma estrutura martenstica. Este arrefecimento geralmente efectuado por contacto da pea
com um lquido, podendo em certos casos obter-se resultados semelhantes atravs de um
simples arrefecimento ao ar. A velocidade de arrefecimento um factor determinante neste
tratamento, dependendo esta de trs elementos distintos que so: a transmisso de calor no
slido, a transferncia de calor na interface e a transmisso de calor no fluido.
A eficcia do tratamento depende da pea a tratar (condutibilidade trmica, calor especfico,
forma e dimenses) e do fluido utilizado (temperatura do fludo, temperatura de ebulio,
calor latente de vaporizao, calor especfico, tenso superficial e reactividade qumica).
Os fluidos mais utilizados so a gua, o leo, banhos de metais ou de sais fundidos, sendo
que, so ainda utilizados leitos fluidificados, que consistem num leito de slidos finamente
divididos atravs dos quais se passa um gs ou um lquido, suspendendo os slidos e
conferindo-lhe caractersticas de um lquido (Ciaverini, 2002).
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Figura 17 Exemplo do modo de arrefecimento de uma pea (http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/)
O processo provoca algumas deficincias no ao, como a reduo da ductilidade e da
tenacidade, alm de tenses internas que podem provocar deformaes, empenamento e
fissurao. Por conta disso, recomendvel que o ao temperado seja submetido ao
revenimento.
Os tipos mais recorrentes de tmpera so os seguintes:
Tmpera isotrmica:
Este tipo de tmpera possibilita a obteno de peas endurecidas com um mnimo de
tenses residuais ou deformaes, sendo ainda melhorada a tenacidade. No entanto, o
endurecimento obtido inferior ao obtido atravs de uma tmpera clssica (martenstica).
Neste processo, a pea aquecida e mantida a uma determinada temperatura durante um
perodo de tempo, de modo a permitir a formao de uma estrutura austentica, sendo
posteriormente arrefecida bruscamente num banho de sais. Depois deste arrefecimento
inicial, quando a pea se encontrar temperatura desejada, o arrefecimento continua em
leo ou ao ar at temperatura ambiente.
Tmpera martenstica:
A tmpera martenstica, como o nome indica, tem como objectivo a obteno de uma
estrutura martenstica para a pea, de modo a conferir-lhe a maior dureza possvel. O
aquecimento e o tempo de exposio a tem