MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

CAMPUS CORNÉLIO PROCÓPIO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ENGENHARIA ELÉTRICA ENFASE: ELETROTÉCNICA

MATERIAIS E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS (APOSTILA B)

Prof. Marco Antonio Ferreira Finocchio

NOVEMBRO DE 2008

2

MATERIAIS E EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS

NOTA DO PROFESSOR

Esta apostila é um material de apoio didático utilizado nas aulas de Materiais e

Equipamentos Elétricos da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Campus de

Cornélio Procópio.

Este material não tem a pretensão de esgotar, tampouco inovar o tratamento do conteúdo

aqui abordado, mas, simplesmente, facilitar a dinâmica de aula, com expressivo ganho de tempo e

de compreensão do assunto por parte dos alunos. A complementação da disciplina ocorrerá através

de exemplificações, notas de aula, trabalhos e discussões.

Este trabalho é um copilado de várias fontes com base nas referências, devidamente

citadas na bibliografia, nos apontamentos de aula e na experiência do autor na abordagem do

assunto. Esta experiência é baseada na atuação do profissional engenheiro de manutenção elétrica.

Em se tratando de um material didático elaborado em uma Instituição Pública de Ensino, é

permitida a reprodução do texto, desde que devidamente citada a fonte.

Quaisquer contribuições e críticas construtivas a este trabalho serão bem-vindas.

“Lauda parce et vitupera parcius”.

Louva com moderação e censura com mais moderação ainda.

“In nomine XPI vicas semper”.

Em nome de Cristo vencerás sempre.

Prof. Marco Antonio Ferreira Finocchio

mafinocchio@utfpr.edu.br

3

ÍNDICE

4

CAPÍTULO 1: Estrutura e Propriedades dos Materiais (Este capítulo foi Adaptado:UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes)

1 INTRODUÇÃO

1.1 Ciência e Engenharia de Materiais?

Os materiais estão intimamente ligados à existência da espécie humana. Desde o princípio da

civilização os materiais e a energia são usados com o objetivo de aprimorar a vida da humanidade.

Hoje, existe uma vasta quantidade de materiais, sendo os de uso mais frequentes: pedra, madeira,

cimento, aço, plástico, vidro, borracha, alumínio, cobre e papel.

A produção e a transformação de materiais em bens consumo formam uma das mais importantes

atividades da economia moderna. Portanto, os engenheiros são responsáveis pela viabilização e

definição da maioria dos produtos fabricados, e das tecnologias necessárias para a sua produção.

A elaboração de um produto requer uma etapa de planejamento de produção, onde são selecionados

vários materiais, de acordo com custos e, principalmente, com as necessidades técnicas exigidas. A

elaboração desta etapa exige do seu responsável a noção das estruturas internas e das propriedades dos

materiais, pois esses conhecimentos possibilitam prever o comportamento do material em serviço, bem

como permitir programar e controlar as suas características e propriedades. Esses conhecimentos vão

fornecer aos engenheiros a capacidade e habilidade de selecionar o material mais adequado para

determinada aplicação, e serem capazes de desenvolver os melhores processos de produção.

Os materiais são desenvolvidos e analisados dentro do ramo de conhecimento chamado Ciência e

Engenharia de Materiais, o qual é um campo interdisciplinar que trata da descoberta de novos

materiais e do melhoramento dos já existentes, pelo desenvolvimento e aprofundamento do

conhecimento da relação entre microestrutura, composição, síntese e processamento entre diferentes

materiais (ASKELAND & PHULÉ, 2003).

A composição é o termo que significa a constituição química de um material; a estrutura significa uma

descrição do arranjo de átomos em diferentes níveis de detalhes; a síntese é o termo que se refere à

obtenção dos materiais, se ocorrem naturalmente ou se são quimicamente produzidos; e o

processamento que significa as diferentes maneiras de conformar os materiais em componentes

utilizáveis, ou mudar as suas propriedades.

A Ciência dos Materiais está associada ao estudo das relações entre a síntese e o processamento, a

microestrutura e as propriedades dos materiais. Portanto, visa fundamentalmente a descoberta de

conhecimentos básicos nos domínios da estrutura interna, das propriedades e do processamento de

materiais.

A Engenharia dos Materiais está principalmente ligada ao emprego de conceitos fundamentais e

empíricos dos materiais, na conversão destes em produtos finais. Dedica-se essencialmente à aplicação

dos conhecimentos da ciência dos materiais, de modo que os materiais possam ser convertidos em

produtos úteis ou desejados pela sociedade (o foco é como transformar os materiais em uma peça ou

estrutura utilizável).

A estrutura do material tem uma profunda influência em muitas de suas propriedades, mesmo que a

sua composição química não seja alterada. Por exemplo, um fio de cobre puro quando flexionado

repetidamente fica mais duro e mais frágil, e sua resistividade elétrica também aumenta; como a

composição química do fio não foi modificada, as mudanças em suas propriedades são devidas às

modificações em sua estrutura interna. Nesse exemplo não se observa nenhuma mudança no material

em escala macroscópica; entretanto, sua estrutura foi modificada em uma escala muito pequena ou

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escala microscópica, a qual é conhecida como microestrutura. Se pudermos entender como o material

modificou microscopicamente, começaremos a descobrir maneiras de controlar as suas propriedades.

1.2 Classificação dos Materiais

A maioria dos materiais de engenharia é classificada em quatro grupos principais: metais, polímeros,

cerâmicos e, mais recentemente, compósitos ou conjugados. Outros dois grupos têm sido considerados

importantes como materiais de engenharia (CALLISTER, 2002), em função do grande

desenvolvimento de suas aplicações nos últimos anos: semicondutores e biomateriais. Os

semicondutores se caracterizam por possuírem propriedades elétricas intermediárias entre as dos

condutores e as dos isolantes; esses materiais possibilitaram o advento dos circuitos integrados, que

revolucionaram as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores. Os biomateriais, por sua vez,

apresentam características específicas que permitem a sua utilização como componentes implantados

no interior do corpo humano, substituindo as partes doentes ou danificadas do mesmo.

Os materiais metálicos, formados pelos metais e ligas metálicas1, são substâncias inorgânicas

compostas por um ou mais elementos metálicos, mas podem, também, conter elementos não-metálicos.

São exemplos de materiais metálicos: ferro (Fe), cobre (Cu), alumínio (Al) e níquel (Ni), aços (ligas

Fe-C), bronzes (ligas Cu-Sn) e latões (ligas Cu-Zn).

Os elementos não-metálicos mais comuns em ligas metálicas são: carbono (C), nitrogênio (N) e

oxigênio (O).

Os materiais metálicos possuem uma estrutura cristalina na qual os átomos estão arranjados de maneira

ordenada. Geralmente, são bons condutores térmicos e elétricos, e quase todos são mecanicamente

resistentes, dúcteis e, na sua maioria, mantém essa resistência mesmo em altas temperaturas.

Os materiais poliméricos, algumas vezes denominados de plásticos, na sua maioria consistem de

cadeias moleculares orgânicas (carbono) de longa extensão. Estruturalmente, estes materiais, na sua

maioria, não são cristalinos; no entanto, alguns exibem uma mistura de regiões cristalinas e não-

cristalinas. A resistência mecânica e a ductilidade dos materiais poliméricos variam em grande escala.

Devido à natureza da estrutura interna, esses materiais normalmente são péssimos condutores de

eletricidade e de calor, o que lhes permite serem utilizados frequentemente como isolantes, o que os

torna de grande importância na confecção de dispositivos e equipamentos eletrônicos.

Os materiais cerâmicos são definidos como materiais cristalinos inorgânicos. A maioria apresenta alta

dureza e elevada resistência mecânica, mesmo em altas temperaturas; entretanto, normalmente são

bastante frágeis. O fato de serem bons isolantes térmicos e possuírem alta resistência ao calor os tornam

muito importantes na construção de fornos usados na indústria metalúrgica.

A ideia principal no desenvolvimento dos materiais compósitos foi combinar as propriedades de

diferentes materiais. Os materiais compósitos são formados de dois ou mais materiais, produzindo

propriedades não encontradas nos materiais que o formam. A maioria consiste de um elemento de

reforço envolvido por uma matriz constituída de resina ligante, com o objetivo de se obter

características específicas e propriedades desejadas. Geralmente, os componentes não se dissolvem um

no outro, e podem ser identificados fisicamente por uma interface bem definida entre eles. Podem ser

de vários tipos, e os mais importantes são os fibrosos (fibras envolvidas por uma matriz) e os

particulados (partículas envolvidas por uma matriz). Um exemplo bastante comum de material

compósito é o concreto armado, que é constituído de uma matriz de concreto (cimento, areia e pedra)

envolvendo o elemento reforço (barras de aço).

O Quadro 1.1 destaca comparativamente algumas propriedades dos materiais, e a Figura 1.1 ilustra a

resistência representativa de várias classes de materiais.

6

Quadro 1.1 – Propriedades gerais das diversas classes de materiais (CARAM, 2000).

Figura 1.1 - Resistência representativa de várias classes de materiais (adaptado de ASKELAND & PHULÉ, 2003):

1.3 Estrutura e Propriedades dos Materiais

O emprego de materiais na forma de produtos acabados envolve, geralmente, etapas de processamento

onde algumas de suas características podem ser significativamente alteradas.

Normalmente, esta etapa promove modificações na estrutura interna do material. A modificação da

forma geométrica de um material metálico (conformação plástica) resulta em alterações no estado de

tensões da estrutura atômica, bem como pode modificar a estrutura ao nível atômico.

Para a produção de uma peça metálica por processo de fundição (pistão de automóvel, por exemplo),

um molde, geralmente metálico, é preenchido por um volume de metal líquido; após a solidificação, a

peça é desmoldada e o processo é concluído. A estrutura interna do material solidificado será afetada

pela velocidade de solidificação do metal líquido com relação a defeitos nos arranjos atômicos,

influenciando, assim, as propriedades da peça.

Um material para ser aplicado em engenharia necessita apresentar dados sobre suas características

básicas, como também sobre a maneira com que foi processado até o momento de ser empregado. Uma

chapa de aço (liga ferro-carbono) laminada a frio, por exemplo, apresenta características distintas de

outra laminada a quente.

A Figura 1.2 mostra a relação entre estruturas, propriedades e processos de modificação de

propriedades dos materiais (CARAM, 2000).

7

Figura 1.2 - Relação entre estruturas, propriedades e processos de modificação de propriedades dos materiais (CARAM,

2000).

A natureza e o comportamento dos materiais em serviço estão basicamente associados aos tipos de

átomos envolvidos e aos seus arranjos. Um material pode ser constituído por um ou mais elementos

químicos; entretanto, a forma com que tais elementos se arranjam no espaço determinará as

características do material.

Dessa forma, a estrutura dos materiais pode ser estudada de acordo com quatro níveis seqüenciais,

quais sejam: subatômico, atômico, microscópico e macroscópico.

O nível subatômico está relacionado à análise do átomo individual, o comportamento do seu núcleo e

os elétrons de suas camadas periféricas, ou seja, a interação núcleo-eletrosfera.

Existe um compromisso muito forte entre o comportamento do átomo e suas partículas subatômicas

com as propriedades elétricas, térmicas e magnéticas.

O nível atômico está ligado à análise do comportamento de um átomo em relação a outro átomo, ou

seja, à interação entre átomos e ligações entre os mesmos e a formação de moléculas. As ligações

interatômicas dependem do comportamento do átomo ao nível subatômico. Em função do tipo e

intensidade dessas ligações, um dado material pode apresentar-se como sólido, líquido ou gasoso

(estado de agregação), dependendo de uma determinada condição.

O nível microscópico relaciona-se à análise do arranjo dos átomos ou suas moléculas no espaço. Um

arranjo atômico pode resultar em três tipos estruturais: arranjo cristalino, arranjo molecular e arranjo

amorfo. O arranjo estrutural apresentado por um material influencia diretamente as suas propriedades e

características.

O nível macroscópico relaciona-se às características e propriedades dos materiais em serviço, as quais

estão diretamente ligadas à natureza do comportamento atômico nos três níveis anteriores e à maneira

com que o material foi processado.

Os três primeiros níveis são responsáveis pela formação do material e o último nível por sua utilização.

A Figura 1.4 relaciona a escala de tamanho de diversas estruturas (CARAM, 2000).

8

Figura 1.4 – Comparação entre a escala de tamanho de diversas estruturas (CARAM, 2000).

Referências:

ASKELAND, Donald R.; PHULÉ, Pradeep P. The science and engineering of materials.

4.ed.California: Brooks/Cole-Thomson Learning, 2003.

CALLISTER JR., William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio

de Janeiro: LTC, 2002.

CARAM JR., Rubens. Estrutura e propriedades dos materiais. Apostilha de aula. Campinas:

Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), 2000.

9

CAPÍTULO 2: PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

Definir o que são deformações e tensões nos materiais. Procura entender o que são sistemas de

escorregamento, bem como, saber diferenciar entre tensão/deformação verdadeira e nominal. Avaliar

gráficos de tensão x deformação e obter várias propriedades mecânicas dos materiais. Compreendendo

os conceitos de dureza, fluência, resistência ao choque e fadiga.

2.1 Introdução

Por que estudar as propriedades mecânicas dos materiais?

O Engenheiro deve compreender as propriedades mecânicas e o que elas representam. São importantes

para qualquer projeto de estruturas, componentes, máquinas e equipamentos de materiais

predeterminados, a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou falhas.

Muitos materiais, quando em serviço, estão submetidos a forças ou cargas: um exemplo é a liga de

alumínio a partir da qual a asa de um avião é construída e o aço no eixo de um motor ou gerador

elétrico. Em tais situações, torna-se necessário conhecer as características do material e projetar o

membro a partir do qual ele é feito, de tal maneira que qualquer deformação resultante não seja

excessiva e não ocorra fratura. O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre sua

resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada. Algumas propriedades

mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductibilidade e a rigidez.

As propriedades mecânicas dos materiais são analisadas por experimentos de laboratório, que procura

reproduzir o mais fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados

incluem-se a natureza da carga aplicada e a duração da sua aplicação, bem como as condições

ambientais. A carga pode ser de tração, compressiva, ou de cisalhamento, e a sua magnitude pode ser

constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente.

Assim, as propriedades são muitos importantes nas estruturas dos materiais, e elas são alvo da atenção

e estudo de campos das ciências.

O trabalho engenheiros consiste em determinar as tensões e as distribuições de tensão dentro dos

membros que estão sujeitos a cargas bem definidas. Isso pode ser obtido mediante técnicas

experimentais de ensaio ou através de análises teóricas matemáticas de tensão. Esses tópicos sobre

análises tradicionais de tensão são abordados na disciplina de Resistência dos Materiais.

Engenheiros de materiais e engenheiros metalúrgicos, por outro lado, estão preocupados com a

produção e fabricação de materiais para atender as exigências de serviços conforme previsto por essas

análises de tensão. Isso envolve necessariamente uma compreensão das relações entre microestrutura

dos materiais e suas propriedades mecânicas.

Aqui nesse texto a preocupação esta em apresentar as principais propriedades mecânicas dos materiais:

resistência à tração

elasticidade

ductilidade

fluência

fadiga

dureza

tenacidade entre outras.

10

2.2 Conceitos de tensão e deformação

Se uma carga é estática ou se ela se altera de uma maneira relativamente lenta ao longo do tempo e é

aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o comportamento

mecânico pode ser verificado mediante um simples ensaio de tensão-deformação. Existem três

maneiras principais segundo uma carga pode ser aplicada: tração, compressão e cisalhamento. Em

engenharia, muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.

2.3 Discordâncias e sistemas de escorregamento

Discordâncias existem em materiais cristalinos devido às imperfeições no cristal. Essas imperfeições

possibilitam o escorregamento de planos dentro do cristal.

A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido na deformação plástica de metais e

ligas. A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por diversos fatores (composição,

processamento…) manipulação das propriedades mecânicas do material.

E as discordâncias também afetam outras propriedades do material, além das mecânicas. Como a

condutividade em materiais semicondutores.

No nosso estudo vale ressaltar: nos materiais cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica

geralmente consiste no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de discordâncias.

Na Figura 1 são ilustrados os sistemas de escorregamento.

Figura 1 - Sistemas de escorregamento.

As discordâncias não se movem com a mesma facilidade em todos os planos cristalinos e em todas as

direções cristalinas. A movimentação das discordâncias se dá preferencialmente através de planos

específicos e, dentro desses planos, em direções específicas, ambos com a maior densidade atômica de

um dado reticulado cristalino. Essa combinação de um plano e uma direção é chamada de sistema de

escorregamento (“slip system”).

11

Um sistema de escorregamento é definido por um plano e por uma direção de escorregamento, ambos

com a maior densidade atômica em um dado reticulado cristalino.

2.4 Deformação elástica

O grau ao qual uma estrutura se deforma ou se esforça depende da magnitude da tensão imposta. Para a

maioria dos metais que são submetidos a uma tensão de tração em níveis baixos, são proporcionais

entre si:

.E

Esta relação é conhecida por lei de Hooke, e a constante de proporcionalidade E (GPa ou psi) é o

módulo de elasticidade, ou módulo de Young.

O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são proporcionais entre si é chamada de

deformação-elástica, com o gráfico de x resultando em uma reta, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2 - Lei de Hooke.

Porém a lei de Hooke não é válida para todos os valores de deformação, ela é uma aproximação quando

a tensão é relativamente baixa. Também, a deformação elástica não é permanente o que significa que

quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna a sua forma original.

Em uma escala atômica, a deformação elástica macroscópica é manifestada como pequenas alterações

no espaçamento interatômico e na extensão das ligações interatômicas. Como conseqüência, a

magnitude do módulo de elasticidade representa uma medida da resistência à separação de átomos

adjacentes, isto é, as forças de ligação interatômicas.

Tabela 1 - Módulos de elasticidade, de cisalhamento e coeficiente de Poisson para algumas ligas metálicas.

Os valores dos módulos de elasticidade para materiais cerâmicos são características maiores do que

para os metais, e para os polímeros são menores.

Essas diferenças são consequências diretas dos diferentes tipos de ligação atômica nesses três tipos de

materiais. Ademais, com o aumento da temperatura, o módulo de elasticidade tende a diminuir.

12

A imposição de tensões compressivas, de cisalhamento ou torcionais também induzem um

comportamento elástico. As características tensão-deformação a baixos níveis de tensão são as

mesmas¸ tanto para uma situação de tração quando de compressão, proporcionais ao módulo de

elasticidade. A tensão e a deformação de cisalhamento são proporcionais uma à outra através da

seguinte expressão:

.G

onde G representa o módulo de cisalhamento.

Exemplo 1 Uma barra de aço 1040 de diâmetro 10mm, cujo módulo de elasticidade é 200GPa se

submete a uma carga C pressão de tensão de 50.000N levando-la um pouco mais do seu limite de

proporcionalidade.

Calcule a recuperação elástica que ocorre uma vez eliminada a tensão.

Calcule a tensão S

P

MPam

N63710.637

)10.5.(

.50000 6

23

Entre Y.S (600MPa) e T.S (750MPa)

Recuperação Elástica

3

9

6

.19,310.200

10.637 Pa

Pa

E

2.5 Deformação plástica

Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste até deformações de aproximadamente

0,005. A medida que o material é deformado além desse ponto, a tensão não é mais proporcional à

deformação, ocorrendo então uma deformação permanente não recuperável, ou, deformação plástica.

(A lei de Hooke não é mais válida).

A Figura 3 mostra os gráficos de tensão x deformação típicos para alguns tipos de aço. Percebe-se que

a baixas tensões existe uma região linear, que aos poucos entra em uma região não-linear, a chamada

região de deformação plástica.

Figura 3 - Gráfico tensão x deformação para deformação plástica.

13

A partir de uma perspectiva atômica, a deformação plástica corresponde à quebra de ligações com os

átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações com novos átomos vizinhos, uma

vez que um grande número de átomos ou moléculas se move em relação uns aos outros; com a remoção

da tensão, eles não retornam ás suas posições originais. O mecanismo dessa deformação é diferente

para materiais cristalinos amorfos. No caso de sólidos cristalinos, a deformação ocorre mediante um

processo chamado de escorregamento, que envolve o movimento de discordâncias.

2.6 Tensão nominal e deformação nominal

Também chamados de tensão de engenharia e deformação de engenharia.

Quando é feito um ensaio de tração, as grandezas que são medidas são a força aplicada (carga) e o

alongamento da peça. Para se encontrar a tensão precisa-se levar em conta a área do corpo de prova. O

problema é que durante o ensaio, a seção reta do corpo de prova diminui, devido ao alongamento do

mesmo, dificultando a medição da tensão. Para isso utiliza-se a tensão nominal e deformação nominal.

Que são calculados a partir da área inicial, considerando que ela se mantenha constante durante todo o

ensaio.

2.6.1 Tensão nominal

A tensão de engenharia, ou tensão nominal, como definida anteriormente, é representada pelo caractere

, e é definida pela relação:

OA

F

sendo: a tensão (em MPa), F a força aplicada e AO a área da seção inicial do corpo onde é

diretamente aplicada a carga.

2.6.2 Deformação nominal

A deformação nominal, ou deformação de engenharia, como foi definido anteriormente, é representada

pelo caractere , e é definida pela relação:

OO

iO

L

L

L

LL

sendo: LO o comprimento original antes de ser aplicada carga e Li o comprimento instantâneo antes de

ser aplicada carga. Algumas vezes a grandeza LO - Li é substituída por L, e representa o alongamento

da deformação ou variação no comprimento a um dado instante, conforme referência ao comprimento

original.

2.7 Ensaio de tração

Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comuns é executado sobre tração. Como será

visto, o ensaio de tração pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais que

são importantes em projetos.

14

Uma amostra é deformada, geralmente até sua fratura, mediante uma carga de tração gradativamente

crescente, que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova.

Normalmente a seção reta é circular, porém corpos de prova retangulares também são usados.

Durante os ensaios, a deformação fica confinada a região central, mais estreita do corpo de prova, que

possui uma seção reta uniforme ao longo do seu comprimento. O corpo de prova é preso pelas suas

extremidades nas garras de fixação do dispositivo de testes.

A maquina de ensaios de tração alonga o corpo de prova a uma taxa constante, e também mede

contínua e simultaneamente a carga e os alongamentos resultantes. Tipicamente, um ensaio de tensão-

deformação leva vários minutos para ser executado e é destrutivo, isto é, até a ruptura do corpo de

prova.

Figura 4 - Corpo de prova padrão para ensaio de tração.

Os resultados de um ensaio de tração são anotados em um gráfico de tensão x deformação (Figura 5).

Figura 5 - Gráfico tensão nominal x deformação nominal.

Como visto, a relação entre tensão, força aplicada e a área da seção:

oA

F

Em ensaios de tração convencionou-se que área da seção utilizada para os cálculos é a da seção inicial

(AO). Aplicando essa relação obtêm-se os valores de tensão que relatados num gráfico demonstram as

relações entre tensão nominal e deformação nominal no decorrer do ensaio.

15

2.7.1 Valores das propriedades mecânicas obtidas a partir do ensaio de tração e diagrama tensão

nominal-deformação nominal

A partir de um gráfico de tensão x deformação é possível obter muitas propriedades sobre o material. A

seguir, nas Figuras 6 e 7, serão mostrados os gráficos de dois grupos de materiais, os materiais dúcteis

e os materiais frágeis.

Materiais dúcteis têm a propriedades de que quando estão sob a ação de uma força, podem estirar-se

sem romper-se, transformando-se num fio. Exemplos de materiais dúcteis são o ouro, o cobre e o

alumínio.

Por outro lado, um material frágil é um material que não pode se deformar muito. Com deformações

relativamente baixas o material já se rompe. Um exemplo de material frágil é o vidro.

As propriedades desses materiais obtidas a partir de um diagrama de tensão x deformação são

mostradas a seguir:

Materiais dúcteis (aço estrutural e outros metais):

u: tensão última (máxima tensão que se atinge)

R: tensão de ruptura (tensão que, se atingida, provoca a ruptura do material)

e: tensão de escoamento

R: deformação de ruptura (deformação que, se atingida, provoca a ruptura do material)

Figura 6 - Diagrama x para material dúctil.

Fases de evolução do diagrama (Figura 6):

1. Aumento lento do comprimento (pequena deformação), diretamente proporcional a uma grande

carga aplicada (trecho reto da origem até a tensão de escoamento - e), com grande coeficiente angular

(reta "quase" na vertical).

2. Longa deformação com pouco aumento da carga aplicada, ou seja, pequena variação da tensão

(escoamento).

3. Aumento da deformação proporcional ao aumento da carga aplicada, ou seja, da tensão. Este

aumento ocorre até que a carga aplicada atinja um valor máximo, ou, uma tensão última - u

(recuperação).

4. Diminuição do diâmetro do corpo (estricção). Uma diminuição da carga aplicada é suficiente para

manter a deformação até a ruptura. (R: tensão de ruptura; R: deformação de ruptura).

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Materiais frágeis (ferro fundido, vidro, pedra...):

u: tensão última (máxima tensão que se atinge)

R: tensão de ruptura (tensão que, se atingida, provoca a ruptura do material)

R: deformação de ruptura (deformação que, se atingida, provoca a ruptura do material)

Figura 7 - Diagrama x para material frágil.

Evolução do diagrama (Figura 7): aumento da deformação proporcional ao aumento da carga aplicada

até que se atinja a deformação de ruptura (R) que corresponde à tensão de ruptura (R) que é igual à

tensão última (u).

Módulo de elasticidade: O módulo de elasticidade, denotado por , é obtido na parte linear dos

gráficos, sendo mais evidente para o material dúctil. A região linear é parte que vai do valor zero, até o

valor de e (tensão de escoamento). Ao obter o valor numérico referente a inclinação dessa reta se

obtém o valor de .

Tensão de escoamento: Existente somente para o material dúctil, e marca o ponto onde o material entra

na região de escoamento. Esse fenômeno, nitidamente observado em metais de natureza dúctil, como

aços baixo teor de carbono e caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga.

Tensão de ruptura: R , como o próprio nome já diz, é a tensão com a qual o material se rompe.

Porém é importante observar que nem sempre a tensão de

ruptura é a tensão máxima que pode ser aplicada. Ao observar a Figura 6, percebe-se que o material

pode chegar ao mesmo nível da tensão de ruptura e mesmo assim não se romper. Ele somente se rompe

se tensão máxima já tiver sido ultrapassada, e então o material se alongaria novamente até romper, com

um decréscimo na tensão, chegando em R.

Alongamento percentual: O alongamento percentual AL% é porcentagem da deformação plástica

quando do momento da fratura, ou

100.100.%

O

Of

L

LLAL

onde Lf representa o comprimento no momento da fratura e LO representa o comprimento original.

Uma vez que uma proporção significativa da deformação plástica no momento da fratura está

confinada à região do pescoço, a magnitude do AL% dependerá do comprimento útil do corpo de prova.

Esse alongamento é muito mais evidente em materiais dúcteis, como pode ser observador na Figura 8, e

ele serve para determinar a ductilidade em termos do alongamento.

17

Figura 8 – Diagrama x , evidenciando a ductibilidade.

Percentagem de redução da área: Semelhante ao alongamento percentual, também é uma medida que

pode definir a ductibilidade do material, porém medindo se a área. É definida por:

100.%O

iO

A

AARA

sendo AO a área original da seção reta e Ai a área da seção reta no momento da fratura A maioria dos

materiais possui pelo menos um grau modulado de ductibilidade a temperatura ambiente, contudo,

alguns se tornam frágeis à medida que a temperatura é reduzida.

2.8 Resistência à fratura

A resistência à fratura de um material é determinada pela tenacidade. A tenacidade é um termo

mecânico que é usado em vários contextos: livremente falando, ela representa uma medida da

habilidade de um material em absorver energia até sua fratura.

Para uma situação estática (pequena taxa de deformação), a tenacidade pode ser determinada a partir

dos resultados de um ensaio tensão-deformação. Ela é a área sob a curva x até o ponto de fratura. As

unidades de tenacidade são: energia por unidade de volume do material. Para que um material seja

tenaz, ele deve apresentar tanto resistência como ductibilidade. E freqüentemente materiais dúcteis são

mais tenazes que materiais frágeis.

2.9 Ensaio de flexão

O ensaio de flexão foi adotado com o objetivo de ser utilizado em materiais frágeis para determinar a

tensão e flecha de ruptura, e também permitir avaliar outras propriedades mecânicas, como o módulo

de elasticidade à flexão.

A técnica de ensaio consiste em apoiar o corpo de prova em dois pontos distanciados de um

comprimento (L) e aplicar lentamente uma força de flexão (F) no centro deste.

Figura 9 - Ensaio de flexão.

18

Deste ensaio pode ainda retirar-se o módulo de ruptura (Mr), que significa o valor máximo da tensão de

tração ou de compressão nas fibras externas do corpo de prova e que pode ser obtido pela a seguinte

expressão:

I

MYM r

r

.

onde, M é o momento máximo de flexão igual a (FmaxL/2) expresso em [Nmm-2

], Y é a distância do

eixo à fibra externa em mm e I o momento de inércia inicial da secção transversal do corpo de prova

em relação ao seu eixo, em mm4.

Outra propriedade possível de obter no ensaio de flexão é o módulo de elasticidade à flexão (E) através

da seguinte expressão:

IY

LFE

..48

. 3

em que, Y é a flecha medida para a força (F) aplicada a meio vão, L é o tamanho do

corpo de prova e I é o momento de inércia.

Os momentos de inércia do corpo de prova podem ser calculados a partir de sua geometria:

64

.dI

para seção circular, e

12

. 3hbI para seção retangular.

A grande vantagem do ensaio de flexão é a de permitir utilizar corpos de prova mais fáceis de preparar

do que os corpos de prova para o ensaio de tração, tem mais aplicação quanto mais duro for o material.

No entanto, para materiais muito frágeis, os resultados obtidos apresentam grande dispersão, de modo

que nestes casos devem realizar-se sempre vários ensaios para estabelecer um valor médio.

2.10 Dureza

Outra propriedade mecânica que pode ser importante considerar é a dureza, que é uma medida da

resistência de um material a uma deformação plástica localizada (por exemplo, uma pequena impressão

ou risco). Os primeiros ensaios de dureza eram baseados em minerais naturais, com uma escala

construída unicamente em função da habilidade de um material em riscar outro mais macio.

Técnicas quantitativas para a determinação da dureza foram desenvolvidas ao longo dos anos, nas quais

um pequeno penetrador é forçado contra a superfície de um material a ser testado, sob condições

controladas de carga e taxa de aplicação. Faz se a medida da profundidade ou do tamanho da impressão

resultante, a qual pó usa vez é relacionada a um número índice de dureza: quanto mais macio o

material, maior e mais profunda é a impressão e menor é o número índice de dureza. As durezas

medidas são apenas relativas (ao invés de absolutas), e deve-se tomar cuidado ao se comparar valores

determinados segundo técnicas diferentes.

Os ensaios de dureza são realizados com mais frequência do que qualquer outro ensaio mecânico por

diversas razões:

simples e barato;

não-destrutivo;

pode-se estimar outras propriedades a partir da dureza do material.

19

Ensaios de dureza Rockwell

Os ensaios Rockwell constituem o método mais comumente utilizado para medir a dureza, pois eles são

muito simples de executar e não exigem qualquer habilidade especial. Os penetradores incluem bolas

de aço esféricas endurecidas, com diâmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2 polegada, e um penetrador cônico

de diamante para os metais mais duros.

O número índice de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração que resulta da

aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma carga principal maior: a utilização de uma carga

menor aumenta a precisão do ensaio. Com base na magnitude de ambas as cargas, a menor e a

principal, existem dois tipos de ensaios: Rockwell e Rock Superficial (Superficial Rockwell).

Ensaios de dureza Brinell

Nos ensaios de dureza Brinell, como nas medições Rockwell, um penetrador esférico e duro é forçado

contra a superfície do material a ser testado. O diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou carbeto

de tungstênio) é de 10,00mm. As cargas padrões variam entre 50 e 3000kg, em incrementos de 500kg.

Durante o ensaio a carga é mantida constante durante um tempo especifico (entre 10 e 30s). O índice de

dureza Brinell é função tanto da magnitude da carga como do diâmetro de impressão resultante (ver

Tabela 2).

Ensaios de microdureza Knoop e Vickers

Para cada ensaio, um penetrador de diamante muito pequeno, com geometria piramidal, é forçado

contra a superfície do corpo de prova. As cargas aplicadas são muito menores que nos ensaios

Rockwell e Brinell, variando entre 1g e 1kg. A impressão resultante é observada sob um microscópio e

medida, essa medição é então convertida em um número índice de dureza.

Tabela 2 - Técnicas de ensaio de dureza.

20

Resistência ao cisalhamento e à torção

Obviamente, os metais podem experimentar deformação plástica sob a influência da aplicação de

cargas cisalhantes e torcionais. O comportamento tensãodeformação resultante é semelhante a

componente de tração. Com um gráfico linear quando sob a influência de cargas relativamente baixas,

e também apresentará deformação plástica (variando de acordo com o material), e terá um ponto de

ruptura respectivo a tensão de ruptura.

Fluência

A fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase constante,

em função do tempo (tempo em geral muito grande).

A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno.

A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos

metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem.

Existem metais que exibem o fenômeno de fluência mesmo à temperatura ambiente, enquanto outros

resistem a essa deformação mesmo a temperatura elevadas. As exigências de uso têm levado ao

desenvolvimento de novas ligas que resistam melhor a esse tipo de deformação. A necessidade de testar

esses novos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define a importância deste

ensaio.

Os ensaios que analisamos anteriormente são feitos num curto espaço de tempo, isto é, os corpos de

prova ou peças são submetidos a um determinado esforço por alguns segundos ou, no máximo,

minutos. Porém, nas condições reais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos

períodos de tempo. O uso mostra que, em algumas situações, os produtos apresentam deformação

permanente mesmo sofrendo solicitações abaixo do seu limite elástico.

Essas deformações ocorrem mais freqüentemente em situações de uso do produto que envolvam altas

temperaturas. E quanto maior a temperatura, maior a velocidade da deformação.

Nos ensaios de fluência, o controle da temperatura é muito importante.

Verificou-se que pequenas variações de temperatura podem causar significativas alterações na

velocidade de fluência. Exemplo disso é o aço carbono submetido ao ensaio de fluência, a uma tensão

de 3,5kgf/mm2, durante 1.000 horas: à temperatura de 500ºC, apresenta uma deformação de 0,04% e à

temperatura de 540ºC apresenta uma deformação de 4%.

Resistência ao choque e ao impacto

Choque ou impacto é um esforço de natureza dinâmica. O comportamento dos materiais sob ação de

cargas dinâmicas é diferente de quando está sujeito à cargas estáticas.

A capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto está ligada à sua tenacidade,

que por sua vez está relacionada com a sua resistência e ductilidade.

O ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do material absorver e dissipar essa

energia. Como resultado do ensaio de choque obtém-se a energia absorvida pelo material até sua

fratura, caracterizando assim o comportamento dúctil ou frágil.

Em relação à resistência ao impacto:

Materiais Polímeros: São frágeis à baixas temperaturas porque a rotação dos átomos na

molécula requer energia térmica. A maioria dos polímeros apresentam transição dúctil-frágil

que é geralmente abaixo da ambiente.

21

Materiais CFC: Permanecem dúcteis (não-apresenta transição dúctil-frágil) porque nesta

estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis. Exemplo: alumínio e suas ligas e

cobre e suas ligas

Materiais HC: São frágeis porque nesta estrutura há poucos planos de escorregamento

disponíveis. Alguns materiais HC apresentam transição dúctil-frágil. Exemplo: zinco.

Fadiga

É o efeito observado em estruturas com estado de tensões bem abaixo da tensão de ruptura quando se

pode desenvolver um acúmulo do dano com cargas cíclicas continuadas conduzindo a uma falha do

componente ou estrutura. Todos dos materiais são anisotrópicos e não homogêneos. Metais de

engenharia são compostos por agregados de pequenos grãos de cristal. Dentro de cada grão a estrutura

também é anisotrópica devido aos planos do cristal e se a fronteira do grão é fechada, a orientação

destes planos muda. Estas não homogeneidades existem não somente pela estrutura de grãos, mas

também por causa de inclusões de outros materiais. Como resultado da não homogeneidade tem-se uma

distribuição de tensões não uniforme. Regiões da microestrutura onde os níveis de tensão são altos

normalmente são os pontos onde o dano de fatiga se inicia.

Para metais dúcteis de engenharia, grãos de cristal que possuem uma orientação desfavorável relativa

ao carregamento aplicado desenvolvem primeiro 'slip bands' (são regiões onde há intensa deformação

devido ao movimento entre os planos do cristal.

Materiais com alguma limitação de ductibilidade como são os metais de alta resistência, o dano

microestrutural é menos espalhado tendendo a ser concentrado nos defeitos no material. Uma pequena

trinca desenvolve-se a partir de uma lacuna, inclusão, 'slip band', contorno do grão. Esta trinca cresce

então num plano geralmente normal à tensão de tração até causar uma falha, algumas vezes juntando-se

com outras trincas durante o processo. Assim, o processo em materiais com ductibilidade limitada é

caracterizada pela propagação de poucos efeitos, em contraste com danos intensificados mais

espalhados que ocorrem em materiais altamente dúcteis. Em materiais de fibra composta, a fadiga é

geralmente caracterizada pelo crescimento de trincas e de laminações espalhadas desenvolvendo acima

de uma relativa área.

Quando a falha é dominada pelo crescimento da trinca, a fratura resultante, quando vista

macroscopicamente, geralmente exibe uma superfície polida próximo à área em que se originou.

Superfícies rugosas normalmente indicam um crescimento mais rápido da trinca. Linhas curvas

concêntricas à origem da trinca são frequentemente vistas e marcam o progresso da trinca em vários

estágios.

Após a trinca ter caminhado um determinado comprimento a falha poderá ser dúctil (envolvendo

grandes deslocamentos) ou frágil (pequenos deslocamentos).

2.11 DUREZA (escala para borrachas e elastômeros)

A dureza é uma propriedade muito utilizada na Indústria da Borracha. Como se trata de uma

propriedade relativamente simples para “definir” as borrachas num passado recente. É uma propriedade

importante na generalidade das aplicações. Uma relação de carácter sensitivo e a verdadeira dureza da

borracha, medida em unidades Shore A, é apresentada na Tabela 3.

22

Tabela 3

Dureza (sensitiva) Dureza Shore A

Muito Macia Inferior a 40

Macia 40-60

Média 60-75

Dura 75-90

Muito Dura 90-100

A medida da dureza é baseada na penetração de uma esfera rígida num provete normalizado, em

condições previamente fixadas. É conhecida a relação entre a profundidade de penetração de uma

esfera rígida e o módulo de Young, para um material perfeitamente elástico e isotrópico:

65,165,0

0

0038,0 PRE

F

sendo:

F – a força de penetração, em Newton;

E0 – o módulo de Young, em MPa;

R – o raio do penetrador esférico, em mm;

P – a profundidade de penetração, em mm.

Para cada valor da penetração pode - se fazer corresponder um valor ou grau de dureza e tendo então,

por exemplo, a escala Graus Internacionais de Dureza de Borracha, abreviadamente,

GIDB(internacionalmente designada dureza IRHD – International Rubber Hardness Degrees).

Esta relação entre a dureza e o módulo de Young é muito importante em todo o desenvolvimento da

teoria das deformações, como será visto.

Existem várias escalas de dureza de borracha, sendo as mais conhecidas:

As escalas utilizadas nas normas ISO (GIDB ou IRHD – International Rubber Hardness Degrees);

British Standard Hardness Number;

ASTM Hardness Number;

As escalas Shore (A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S, e R) (são as escalas previstas pela

norma ASTM D2240-00)

Pusey & Jones;

Microdureza GIDB (IRHD).

Podendo apresentar, sob a forma gráfica, equivalência entre as diversas medidas de dureza. Na Figura

10, temos a equivalência entre dureza Shore A e dureza IRHD (GIDB). Nas Figuras 11 e 12, são

representadas a equivalência de várias medidas de dureza.

23

Figura 10 – Dureza Shore A vs. Dureza IRHD Figura 11 – Equivalência entre diversas escalas de dureza

Figura 12: Correspondência entre vários tipos de dureza Shore

Existem atualmente variados tipos de aparelhos, ditos “de bolso”, para utilização manual, ou de consola, para

utilização em laboratório, de leitura analógica ou digital, manuais ou automáticos, como se mostra nas

figuras seguintes (Figuras 13, 14 e 15).

Figura 13: Durômetro de bolso - Cortesia da empresa Bareiss Prüfgerätebau GmbH, Alemanha

24

Figura 14: Durômetro Pusey & Jones - Cortesia da empresa Gravimeta, Porto

Figura 15: Durômetros e micro-durômetro - Cortesia da empresa Gibitre Instruments, Itália

As medidas/instrumentos de dureza mais utilizadas são:

Dureza Shore O ou OO, para borrachas esponjosas ou celulares;

Dureza Shore A, para borrachas de dureza média, podendo ainda medir borrachas de dureza meio

macia e meio dura, no conceito de uma gradação mais refinada de dureza, tal como se apresenta na

Tabela 4, onde são indicadas as várias escalas e as faixas da sua aplicabilidade;

Dureza Shore D, para borracha dura e extra dura (ebonite);

Os microdurômetros, para medida da dureza de artefatos de reduzidas dimensões, onde não é possível

utilizar os durômetros convencionais;

Pusey & Jones, medida de dureza muito utilizada em rolos revestidos com borracha, na Indústria do

Papel).

Tabela 4 – Gradação da dureza da Borracha

Normas aplicáveis: NP 2916; NP 2917 e NP 2918; NP ISO 48; ISO 48 e ISO 7619; ASTM D531;

ASTM D 1415 e ASTM D2240 (Veja-se Anexo A).

25

CAPÍTULO 3: TREFILAÇÃO

A trefilação é uma operação em que a matéria-prima (por exemplo, o fio máquina resultante de um

processo de laminação) é estirada através de uma matriz em forma de canal convergente (FIEIRA ou

TREFILA) por meio de uma força de tração aplicada do lado de saída da matriz.

O escoamento plástico é produzido principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação da

matriz sobre o material.

Forma resultante: a simetria circular é muito comum em peças trefiladas, mas não obrigatória.

Condições térmicas: normalmente a frio.

Uso - produtos mais comuns:

Barras 25mm

Arames

Comuns grossos 255mm

médios 51,6mm

finos 1,60,7mm

Especiais 0,02mm

Tubos Trefilados de diferentes formas

3.1 GEOMETRIA DA FIEIRA (Matriz)

A fieira (matriz) é o dispositivo básico da trefilação e compõe todos os equipamentos trefiladores.

A Geometria da fieira: é dividida em quatro zonas:

26

(1) de entrada

(2) de redução (a = ângulo de abordagem)

(3) (guia) de calibração-zona cilíndrica (acabamento é crítico)

(4) de saída

Estrutura da Fieira (Matriz)

3.2 TREFILAÇÃO DE TUBOS

Os Tubos podem ser trefilados dos seguintes modos:

Sem apoio interno (REBAIXAMENTO ou AFUNDAMENTO - fig.a)

Com mandril passante (fig.b)

Com plug (bucha) interno (fig. c)

Com bucha flutuante (fig.d)

27

3.3 TREFILAÇÃO DE ARAMES DE AÇO

Etapas do processo

Os passos a percorrer são discriminados no esquema abaixo. Observe que a trefilação propriamente

dita é precedida por várias etapas preparatórias que eliminam todas as impurezas superficiais, por

meios físicos e químicos.

Matéria-prima: fio-máquina (vergalhão laminado a quente);

Descarepação: - Mecânica (descascamento): dobramento e escovamento. Química (decapagem):

com HCl ou H2S04 diluídos;

Lavagem: em água corrente;

Recobrimento: comumente por imersão em leite de cal Ca (OH)2 a 100°C a fim de neutralizar

resíduos de ácido, proteger a superfície do arame, e servir de suporte para o lubrificante de trefilação;

Secagem (em estufa) - Também remove H2 dissolvido na superfície do material;

Trefilação - Primeiros passes a seco. Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e trefilação a

úmido.

Tratamentos térmicos dos arames

Depois da trefilação os arames são submetidos a tratamentos térmicos para alívio de tensões e/ou

obtenção de propriedades mecânicas desejadas. Abaixo, os principais tratamentos utilizados.

Recozimento:

Indicação: principalmente para arames de baixo carbono.

Tipo: subcrítico, entre 550 a 650°C.

Objetivo: remover efeitos do encruamento.

28

Patenteamento:

Indicação: aços de médio a alto carbono (C> 0,25 %)

Tipo: aquecimento acima da temperatura crítica (região g) seguido de resfriamento controlado, ao ar ou

em banho de chumbo mantido entre 450 e 550°C.

Objetivo: obter uma melhor combinação de resistência e ductilidade que a estrutura resultante (perlita

fina ou bainita) fornece.

3.4 TREFILADORAS DE TAMBOR

As trefiladoras de tambor podem ser classificadas em três grandes grupos:

·Simples (1 só tambor) - para arames grossos

Duplas para arames médios

Múltiplas (contínuas) para arames médios a finos.

Material da Fieira:

Os materiais dependem das exigências do processo (dimensões, esforços) e do material a ser trefilado.

Os mais utilizados são:

29

Carbonetos sinterizados (sobretudo WC) – widia

Metal duro, etc.

Aços de alto C revestidos de Cr (cromagem dura)

Aços especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc)

Ferro fundido branco

Cerâmicos (pós de óxidos metálicos sinterizados)

Diamante (p/ fios finos ou de ligas duras)

Defeitos em Trefilados

Podem resultar:

de defeitos na matéria-prima (fissuras,lascas, vazios, inclusões);

do processo de deformação.

Exemplo de defeito: Trincas internas em ponta de flecha ("chevrons"):

Quando a redução é pequena e o ângulo de trefilação é relativamente grande (tipicamente, quando

D/L>2) a ação compressiva da fieira não penetra até o centro da peça.

Durante a trefilação as camadas mais internas da peça não recebem compressão radial, mas são

arrastadas e forçadas a se estirar pelo material vizinho das camadas superficiais, que sofrem a ação

direta da fieira.

Tal situação (deformação heterogênea) gera tensões secundárias trativas no núcleo da peça, que pode

vir a sofrer um trincamento característico, em ponta de flecha.

A melhor solução é diminuir a relação D/L, o que pode ser feito empregando-se uma fieira de menor

ângulo (a), ou então se aumentando a redução no passe (em outra fieira com saída mais estreita).

Exemplo: Fabricação de pregos na Belgo Juiz de Fora

Os pregos são fabricados a partir do arame trefilado. Esquematicamente, o processo de fabricação dos

pregos na Belgo Juiz de Fora segue o seguinte fluxo:

30

Fio máquina

Nesse processo utiliza-se de máquinas, denominadas prensas de pregos, que tem a finalidade de dar a

forma final ao produto a partir do fio máquina.

Após a confecção do prego, vem a fase de polimento do produto que é efetuada em tambores rotativos

os quais o prego é abastecido juntamente com serragem de madeira e tamborado por um determinado

tempo a fim de promover uma limpeza superficial, retirando os resíduos oleosos provenientes da fase

anterior.

Após o polimento, passa-se à fase de embalagem e acondicionamento, que é efetuada em máquinas de

pesagem e envase. Nessa fase o produto é pesado em quantidades que podem variar de 500g a 1kg e

acondicionado em bolsas plásticas que logo após são colocadas em caixas de 20kg.

31

CAPÍTULO 4: TÉCNICAS DE SOLDAGEM DE COMPONENTES ELETRÔNICOS

4.1 INTRODUÇÃO

Quase todos os dispositivos eletrônicos hoje em dia são montados em uma placa de circuito impresso

(PCI ou PCB). Para efetuar a montagem ou manutenção do circuito você precisa conhecer algumas

técnicas de soldagem e dessoldagem. A solda tem como finalidades permitir um bom contato elétrico e

uma boa rigidez mecânica.

Uma junta mal soldada afeta de forma acentuada o fluxo da corrente levando a falhas na operação do

circuito. Uma placa de PCB pode ser danificada por excesso de calor ou a falta de calor pode causar uma

solda fria por. Se a solda escorrer, duas trilhas do circuito podem entrar em curto circuito.

Uma boa solda requer pratica e conhecimento sobre os princípios de soldagem. O objetivo desta aula é

permitir que você comece a desenvolver essas habilidades. Quanto mais circuitos você montar mais

pratica adquirirá, para isso monte a maior quantidade de Kits possível.

Figura 1: Exemplos de dispositivos para soldar

Tipos de Dispositivos para Solda

Existem vários tipos de dispositivos usados na soldagem de componentes eletrônicos: ferros de solda,

pistola de solda e estação de solda. Ferros são usados para trabalhos leves e médios e pistolas são usados

para trabalhos mais pesados. O tipo estação pode servir pra trabalhos de leve a pesado.

Ferros de soldar podem variar de 15W a centenas de Watts. Para o trabalho em circuitos impresso os ferro

de 15W a 40W são mais adequados. Para potencias maiores corre-se o risco de danificar as trilhas. O ferro

é constituído de uma base oca dentro da qual existe uma resistência aquecedora. Uma ponta metálica será

aquecida quando o ferro for ligado. Aqui daremos ênfase ao ferro de solda por ser mais barato e popular.

4.2 LIMPEZA DO FERRO DE SOLDA

A Ponta do Soldador

O material da ponta na maior parte dos casos é de cobre coberto com outro material. Para aumentar a sua

duração muitas vezes é coberto de ferro, mas isso diminui a transferência de calor.

A ponta deve sempre ser estanhada com uma camada de estanho para evitar que a a mesma oxide. Caso a

ponta fique com pequenas incrustações negras, as mesmas devem ser removida com uma lâmina e em

seguida novamente estanhada. Não use substancias abrasivas (lixa por exemplo) para esta operação, pois

isso diminuí a vida útil da ponta. Caso necessário troque a ponta de solda.

Figura 2: Estanhando a ponta do ferro

32

(a) (b) (c)

Figura 3: Cuidados com a ponta (a) Ponta estanhada (b) Ponta suja (c) Base com esponja de limpeza.

Trocando a Ponta ou a Resistência

Dependendo do valor do ferro de soldar as vezes vale a pena trocar a ponta e/ou a resistência aquecedora.

Para isso você deve abrir o ferro.

Comece desparafusando e retirando a ponta. Retire os parafusos do cabo e empurre o fio da resistência

para dentro. Retire o "espaguete" da emenda da resistência. Não perca estes "espaguetes" já que além de

isolantes elétricos, são isolantes térmicos. Coloque a nova resistência dentro do tubo metálico. Refaça a

emenda do cabo de força e recoloque os "espaguetes". Posicione a resistência até ela encostar bem perto

da ponta. Recoloque os parafusos do cabo e a ponta. Abaixo vemos o procedimento:

Figura 4: trocando a ponta do ferro de solda

4.3 A SOLDA

A solda é composta de dois materiais de baixo ponto de fusão, estanho e chumbo. Ás vezes pode conter

pequenas quantidades de outros materiais para usos especiais. Essa liga tem um ponto de fusão ao redor

de 360º a 370º, tornando-a ideal para fazer juntas entre dois metais. A solda é identificada a partir da

proporção entre estanho e chumbo. sendo que comumente temos as proporção mais comum 40/60, 50/50 e

60/40.

Figura 5: Diversas embalagens de solda

33

O Fluxo

A maioria das soldas contem o fluxo no seu núcleo facilitando desta forma a sua aplicação quando do

aquecimento. A função do fluxo é remover a fina camada de oxido que se forma na superfície a ser

soldada criando um bom contato metal-metal.

4.5 APLICAÇÃO DE SOLDA NOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS

Antes de Efetuar a Soldagem: Limpando as Conexões

Para uma adesão adequada entre as superfícies metálicas as mesmas devem ser limpas. O fluxo só remove

o oxido, qualquer traço de graxa devem ser retirados.Use uma esponja de aço (Bom Bril ou equivalente).

Limpando a ponta do ferro

1 - Segue o ferro de solda da mesma forma que o lápis para escrever;

2 - Limpe e estanhe a ponta do ferro de solda;

3 - Encoste a ponta ao mesmo tempo na trilha e no terminal do componente. Mantenha o ferro imóvel

durante esta operação;

4 - Aplique solda na trilha até ela cobrir toda a ilha e o terminal do componente;

5 - Retire o ferro rapidamente. A operação da soldagem deve ser feita rapidamente para não danificar as

trilhas da placa. Abaixo vemos o procedimento:

4.6 SUGADORES DE SOLDA

Esta ferramenta é usada para retirar a solda do circuito. É formada por um tubo de metal ou plástico com

um êmbolo impulsionado através de uma mola. Abaixo vemos diversos modelos de sugadores de solda:

34

Para o sugador durar o máximo de tempo possível, de vez em quando temos que desmontá-lo para fazer

uma limpeza interna e colocar grafite em pó para melhorar o deslizamento do embolo. Também podemos

usar uma "camisinha" para proteger o bico. A "camisinha" é um bico de borracha resistente ao calor e

adquirido nas lojas de ferramentas ou componentes eletrônicos.

4.6.1 USO CORRETO DO SUGADOR DE SOLDA

Abaixo vemos a sequência para aplicar o sugador de solda e retirar um componente de uma placa de

circuito impresso:

1 - Encoste a ponta do ferro na solda que vai ser retirada. O recomendável aqui é colocar um pouco mais

de solda no terminal do componente. Isto facilita a dessoldagem;

2 - Derreta bem a solda no terminal do componente;

3 - Empurre o embolo (pistão) do sugador e coloque-o bem em cima da solda na posição vertical, sem

retirar o ferro;

4 - Aperte o botão, o pistão volta para a posição inicial e o bico aspira a solda para dentro do sugador;

5 - Retire o ferro e sugador ao mesmo tempo. Agora o componente está com o terminal solto. Se ficar

ainda um pouco de solda segurando o terminal, coloque mais e repita a operação.

4.7 ACESSÓRIOS PARA SOLDAGEM

Estes acessórios são basicamente uma esponja vegetal que deve ser umedecida para limpar a ponta do

ferro, suportes para colocar o ferro aquecido e a pasta de solda (breu) usada quando vamos soldar numa

superfície onde é difícil a aderência da solda. Abaixo vemos os elementos citados:

35

4.8 PISTOLA DE SOLDA

É um tipo de ferro de solda que aquece a ponteira quase instantaneamente quando apertamos um botão

que ele tem em forma de gatilho. Também tem uma pequena lâmpada para iluminar o local onde está

sendo feita a soldagem. Este ferro é indicado para soldas mais pesadas, ou seja, componentes grandes com

terminais mais grossos. Abaixo vemos um tipo de pistola:

36

CAPÍTULO 5: CARBONO E GRAFITA

INTRODUÇÃO:

Material não-metálico que é usado como condutor nas escovas dos motores, devido a excelentes

propriedades físicas para essa finalidade. É também muito utilizado na tecnologia de resistores, de

potenciômetros de carvão e na produção de eletrodos para fornos elétricos ou para descargas luminosas

(arcos).

Possui coeficiente de variação da resistência com a temperatura negativo e comportamento elétrico

favorável em altas temperaturas.

Características técnicas:

Peso específico = 2,1g/cm3; =5.10

-4 oC

-1

Resistência à compressão: 7,56kg/mm2

Calor específico: 0,172cal/g oC

Apresentam-se nas formas cristalina e amorfa. A forma amorfa caracteriza-se pelo agrupamento dos

átomos de uma maneira caótica e aleatória.

Forma cristalina:

Diamante........................resistividade = 5.1012

m

Grafita............................resistividade =1,5. 105 m

Amorfa:

Carvão de lenha

Coque de petróleo

Negro fumo (aplicado na fabricação de pilhas secas)

Negro animal

Hulha (variedade impura do carvão amorfo, também conhecida como carvão de pedra)

antracito

Observações: O negro de fumo é o material que mais se aproxima da característica do corpo negro

ideal.

O carbono em forma de grãos é bastante usado em cápsula de microfone, em que a onda sonora

provoca variações em sua resistência; as referidas variações possibilitam a modulação de uma corrente

contínua polarizante.

Grafita Natural

É a matéria-prima básica para obtenção de grafita utilizada nas aplicações elétricas.

37

Figura 1: Formula química da grafita e aplicação em microfone

A grafita natural é pouco utilizada em virtude das impurezas e da dificuldade de obtenção em

peças. Devido a isso, quase toda a grafita industrial é sintética, obtida pela sinterização e recristalização

de peças de grafita natural compactas (por prensagem ou extrusão), submetidas, em seguida, a longos

ciclos de aquecimento, sob elevadas temperaturas, geralmente pela passagem da corrente elétrica

através da própria peça. Essa grafita apresenta muitas facilidades para a usinagem e esmerilhagem.

O carbono amorfo, em geral de difícil usinagem, tem utilização limitada a peças ou aplicações

que não necessitem acabamentos especiais.

38

CAPÍTULO 6: CONCEITOS BÁSICOS SOBRE CONDUTORES

Condutor (elétrico): é um produto metálico, geralmente de forma cilíndrica e de comprimento muito

maior do que a maior dimensão transversal utilizado para transportar energia elétrica ou para transmitir

sinais elétricos.

A NBR 6880 define, para condutores de cobre, seis classes de encordoamento, enumerada de 1 a 6 e

com graus crescentes de flexibilidade, sendo:

Classe 1 - Condutores sólidos (como exemplo: Fio Extinflan e Cabo Braschumbo);

Classe 2 - Condutores encordoados, compactados ou não; (como exemplo: Cabo Extinflan, Cabo

Brasnax, Cabos de Cobre Nú, Cabo Bras Control e Cabo Bras Control Blindados).

Classe 3 - Condutores encordoados, não compactados (não aplicável aos Cabos Brasfio).

Classe 4, 5 e 6 - Condutores Flexíveis;

• exemplo de classe 4: Cabo Extinflan Flex, Cabo Brasflex e Cabo Brascord.

• exemplo de classe 5: Cabo Brasnax Flex e Bras 90-Flex.

• exemplo de classe 6: Cabo Brasnax Solda Flex e Cabo Bras Solda HEPR e Cabo Brasmoviflex.

Condutor encordoado: é o condutor constituído por um conjunto de fios dispostos helicoidalmente.

Essa construção confere ao condutor uma flexibilidade maior em relação ao condutor sólido (fio).

Corda: é o componente de um cabo constituído por um conjunto de fios encordoados e não isolados

entre si. Uma corda pode ser constituída por várias “cordinhas”, que são usualmente chamadas de

pernas.

Condutor compactado: é um condutor encordoado no qual foram reduzidos os interstícios entre os

fios componentes, por compressão mecânica, trefilação ou escolha adequada da forma ou disposição

dos fios.

Fio: é um produto metálico maciço e flexível, de seção transversal invariável e de comprimento muito

maior do que a maior dimensão transversal. Os fios podem ser usados diretamente como condutores

(com ou sem isolação), ou na fabricação de cabos.

Cabo: é um condutor encordoado constituído por um conjunto de fios encordoados, isolados ou não

entre si, podendo o conjunto ser isolado ou não.

O termo “cabo” é muitas vezes usado para indicar, de um modo global, fios e cabos (propriamente

ditos), em expressões como “cabos elétricos”, “cabos de baixa tensão”,etc.

Revestimento: é definido como uma camada delgada de um metal ou liga, depositada sobre um metal

ou liga diferente para fins de proteção. Um fio revestido é um fio dotado de revestimento, como é o

caso, por exemplo, do “fio estanhado”. Por sua vez, um cabo revestido é um cabo sem isolação ou

cobertura, constituído de fios revestidos.

Fio nu: é um fio sem revestimento, isolação ou cobertura.

39

Cabo nu: é um cabo sem isolação ou cobertura, constituído por fios nus.

Isolação: é definida como um conjunto dos materiais isolantes utilizados para isolar eletricamente. É

um termo com sentido estritamente qualitativo (isolação de PVC, etc.), que não deve ser confundido

com isolamento, este de sentido quantitativo (tensão de isolamento de 750V, resistência de isolamento

de 5MΩ, etc.)

A isolação é aplicada sobre o condutor com a finalidade de isolá-lo eletricamente do ambiente que o

circunda. Os materiais utilizados como isolação, além de alta resistividade, devem possuir alta rigidez

dielétrica, sobretudo quando empregados em tensões elétricas superiores a 1kV.

Condutor isolado: é o fio ou cabo dotado apenas de isolação. Observa-se que a isolação não precisa

necessariamente ser constituída por uma única camada (por exemplo, podem ser usadas duas camadas

do mesmo material, sendo a camada externa especialmente resistente à abrasão).

Cobertura: é um invólucro externo não metálico e contínuo, sem função de isolação, destinado a

proteger o fio ou o cabo contra influências externas.

Cabo unipolar: é um cabo constituído por um único condutor isolado e dotado, no mínimo, de

cobertura. (exemplos: Cabo Brasnax).

Cabo multipolar: é constituído por dois ou mais condutores isolados e dotado, no mínimo, de

cobertura. Os condutores isolados constituintes dos cabos unipolares e multipolares são chamados de

veias. Os cabos multipolares contendo 2, 3 e 4 veias são chamados, respectivamente, de cabos

bipolares, tripolares e tetrapolares. (exemplos: Cabo Brasflex, Cabo Brasnax Flex, entre outos).

40

O termo genérico cabo isolado indica um cabo constituído de uma ou mais veias e, se existentes, o

envoltório individual de cada veia, o envoltório do conjunto das veias e os envoltórios de proteção do

cabo, podendo ter também um ou mais condutores não isolados.

Nos cabos uni e multipolares a cobertura atua principalmente como proteção da isolação, impedindo

seu contato direto com o ambiente, devendo, portanto, possuir propriedades compatíveis com a

aplicação do cabo. Nas coberturas, podem ser utilizados vários materiais, sendo os mais comuns:

• Polímeros termofixos, ( neoprene, polietileno clorossulfonado (hypalon), borracha de silicone, etc.

•Polímeros termoplásticos, tais como PVC, polietileno, poliuretano, etc.

O enchimento: é o material utilizado em cabos multipolares para preencher os interstícios entre as

veias.

Capa: é o invólucro interno, metálico ou não, aplicado sobre uma veia, ou sobre um conjunto de veias

de um cabo.

a) Capas não metálicas, geralmente de polímeros termoplásticos, têm como finalidade principal dar ao

cabo a forma cilíndrica.

b) Capas metálicas, via de regra, de chumbo ou alumínio, exercem também função mecânica e

elétrica.

NOTAS: Para os fios e para os cabos de um único condutor, indica-se a seção nominal do condutor

respectivo, isto é, S(mm2). Para os cabos multipolares de condutores componentes de seções iguais, a

seção nominal é indicada sob a forma de produto do número de veias pela seção nominal de uma veia,

isto é NxS (mm2); para os cabos multipolares com condutores componentes de seções diferentes, a

seção nominal é indicada sob a forma de soma dos produtos do número de veias de cada seção pela

respectiva seção, assim, por exemplo, N1xS1+N2xS2 (mm2)+N2xS2 (mm

2). Para os cabos multiplexados

utiliza-se a mesma indicação.

* Observação: Neste material os fios, cabos e condutores são nomes comerciais adotados por um

determinado fabricante. Portanto, o leitor deverá se adequar aos nomes comerciais adotados pelo

fabricante de sua preferência.

41

CAPÍTULO 7: ISOLAÇÃO EM CONDUTORES DE AT

7.1 INTRODUÇÃO

As isolações dos cabos de potência podem ser constituídas por materiais sólidos e do tipo estratificadas.

a) Sólidos

Termoplásticos

Ex: Cloreto de Povinila (PVC)

Polietileno

Termofixos

Ex: Borracha Etileno Propileno (EPR)

Polietileno Reticulado (XLPE)

b) Estratificadas

Usam papel impregnado que é uma isolação estratificada constituída por fitas delgadas de papel,

distribuídas helicoidalmente em diversas camadas e impregnadas com material isolante.

O papel impregnado é utilizado nos cabos a óleo sob pressão. Aplicado na área de transmissão

subterrânea (faixa de 69 a 345kV no Brasil e 1100kV no exterior).

Isolação: tem um sentido qualitativo – isolação de um cabo de PVC

Isolamento: tem um sentido quantitativo – isolamento de 15kV

PVC: tele transmissão a média distância

EPR: utilizado em tensões ≤69kV

XLPE: utilizado em tensões ≤15kV

Utilizado em cabos de média tensão

Tabela 1 - Temperaturas Características das Isolações Usuais

ISOLAÇÃO Temperatura Máx. de

Serviço Contínuo [oC]

Temperatura de Serviço

sobrecarga [oC]

Tempo de

curto circuito

[s]

PVC 70 100 160

EPR 90 130 250

Papel impregnado com

óleo

90 130 250

XLPE 90 130 250

Papel impregnado com

massa não escoante

80 100 200

42

Tabela 2 – Materiais de Isolação

NOME COMPOSIÇÃO QUÍMICA

TERMOFIXOS

* Polietileno Reticulado Polietileno

* EPR Borracha Etileno Propileno

Butil Isoprene isobutileno

SBR Borracha estireno butadieno

Silicone Metil clorosilane

TFE(Teflon Halano) tetrafluoretileno

Borracha natural Isoprene

Neoprene Cloroprene

Borracha CP (Hypalon) Polietileno Clorossufanado

TERMOPLÁSTICOS

Polietileno (PET) Polietileno

* PVC Cloreto de Povinila

Nylon Poliamida

7.2 Blindagens:

Consiste na aplicação de camadas condutoras ou semicondutoras. São duas fitas de papel

semicondutoras aplicadas helicoidalmente.

Capas:

Função proteger a isolação de um cabo contra agentes do meio.

Metálicas

Não metálicas

a) Capas Metálicas: (chumbo)

Oferecem proteção contra:

Umidade

Deterioração

b) Capas Não Metálicas

Podem ser de:

PVC

Polietileno

Neoprene

Polietileno reticulado e poliuretano

43

Oferecem proteção contra:

Umidade

Agentes químicos

Agentes atmosféricos

Mecânicos

Isolamento elétrico

Características Mecânicas da Isolação

ISOLAÇÃO Carga de

ruptura

Alongamento

à ruptura

Resistência a

abrasão

Resistência a

golpes

Flexibilidade

PVC 1,25 150% BOM BOM BOM

PET 1,00 300% BOM BOM REGULAR

XLPE 1,25 200% EXCELENTE EXCELENTE REGULAR

NEOPRENE 1,25 300% EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

RESISTÊNCIA A AGENTES QUÍMICOS

ISOLAÇÃO ÁCIDOS ORGÂNICOS

Sulfúrico

3+30%

Clorídrico

10%

Tetracloreto

de Carbono

Óleos Gasolina

PVC REGULAR REGULAR BOA REGULAR BOA

PET EXCELENTE EXCELENTE BOA BOA BOA

XLPE EXCELENTE EXCELENTE BOA BOA BOA

NEOPRENE EXCELENTE MEDIOCRE MEDIOCRE BOA REGULAR

7.3 Causas de Avarias em cabos:

a) Causas Internas

Sobretensão: provoca a perfuração do isolante

- operações incorretas na rede

- descargas atmosféricas

Sobre intensidade: devido aquecimento

- provoca envelhecimento acelerado do material isolante

- ruptura dos condutos

Envelhecimento natural do isolante

- perda de rigidez dielétrica

b) Causas Externas

Origens Mecânicas

44

- choque no transporte

- choque na instalação

- escavação e movimentação do solo

Origem Elétrica

- eletrolise das camadas (correntes de retorno – rede elétrica), sistemas de tração ferrovias

Instalações Inadequadas

- sob temperatura ambiente excessivamente baixa (torna o isolante frágil)

- emendas mal feitas

7.4 Tipos de Defeitos

Defeito de isolamento entre condutor e massa (terra)

Defeito de isolamento entre condutores

Ruptura de condutor ou condutores sem defeito de isolamento

Ruptura de condutor ou condutores com defeito de isolamento

Defeito de Isolamento: é localizado através da medição de resistência com Megaohmímetro

(MEGGER).

Defeito de Ruptura: é localizada através da medição da capacitância com Capacímetro.

45

CAPÍTULO 8: RIGIDEZ DIELÉTRICA EM ÓLEOS ISOLANTES

8.1. INTRODUÇÃO

Em geral transformadores de potência acima de 20kVA e tensões acima de 6kV trabalham imersos em

óleos isolantes.

Objetivos do óleo:

Garantir um perfeito isolamento entre os componentes

Dissipar para o exterior o calor proveniente do Efeito Joule nos enrolamentos e núcleo.

Para que o óleo cumpra esses objetivos ele deve apresentar características e propriedades físicas e

elétricas tais como:

Rigidez dielétrica

Índice de neutralização

Teor de água

É o que define de maneira geral a qualidade do óleo.

8.2. RIGIDEZ DIELÉTRICA K [kV/mm]

É a propriedade do dielétrico de se opor à descarga elétrica através de sua estrutura.

K T

A umidade (u) pode alterar ou danificar o dielétrico.

u K

A rigidez determina o valor máximo da tensão acima do qual o dielétrico deixa bruscamente de

funcionar como isolante permitindo a passagem de corrente pela estrutura.

A rigidez (K) pode então variar com:

A frequência

A temperatura

Duração e tempo de aplicação da tensão

Tabela 8.1:Rigidez Dielétrica de alguns materiais.

Dielétrico K [kV/mm]

Ar (seco) 3

Baquelite 14

Teflon 20

Óleo mineral 15 a 80

Vidro 80

Papel impregnado 20

Mica 60

46

8.3. ÍNDICE DE NEUTRALIZAÇÃO

Indica uma medida dos compostos ácidos presentes no óleo. O índice é obtido através de amostras

repetitivas, que mostra a tendência para deterioração ou alterações químicas do óleo, provocadas pelo

consumo exagerado do agente inibidor. Este consumo exagerado pode ser causado por:

Contaminantes solúveis

Agentes catalizadores

Oxigênio em contato com o ar

Temperatura de operação

Análises revelam a deterioração ou alteração causadas pela temperatura elevada de funcionamento.

A aeração do óleo e de contaminantes solúveis em pequena escala não acarretam grandes problemas.

Número de Neutralização: η

Óleo novo em boas condições = 0,03mgKOH/g

Óleo em serviço valor máximo admissível =0,10mgKOH/g

η condução elétrica corrosão metálica longa vida útil da isolação

8.4. TEOR DE H2O (água)

A presença de água no óleo, quer seja por à livre ou dissolvida, reflete na sua rigidez dielétrica.

Alguns equipamentos usados para determinação do teor de água, não tem sensibilidade para os ppm’s

de acordo com a classe de tensão do equipamento.

Teor de água do óleo novo ≤ 25ppm para transformadores de MT e AT

Teor de água do óleo novo < 20ppm para transformadores de BT

8.5. TESTE DA RIGIDEZ DIELÉTRICA

Determinação da Rigidez Dielétrica (tensão de ruptura)

Dois métodos:

ABNT/IBPMB-330

ASTN(D-1816)/79

a) Método ABNT:

Recomendado para determinar a rigidez dielétrica de óleos derivados de petróleo, hidrocarbonetos

empregados como isolantes e refrigerantes de:

Transformadores

47

Disjuntores

e similares

Não recomendado para teste de óleos filtrados desgaseficados e desidratados.

b) Método ASTM (cobre o ABNT)

É recomendado para testar óleos filtrados.

* Aplicação para testar óleo de transformadores em serviço.

Ensaio:

Baseia-se na aplicação da diferença de potencial entre duas placas, que possuem espaçamento

conhecido entre elas.

E: campo elétrico [kV/mm]

V: ddp aplicada entre as placas [kV]

d: distância entre as placas [mm]

Comparar o resultado com valores tabelados em normas para verificar o uso em Transformadores.

Tabela 8.2: Condição do óleo segundo sua Rigidez dielétrica.

Para transformadores com temperatura do óleo

25≤T≤35oC Óleos Minerais

Rigidez K [kV/mm] Condição

K35 EXCELENTE

30K35 MUITO BOA

25K30 BOA

20K25 SATISFATÓRIA

15K20 DUVIDOSA

K15 REJEITÁVEL

Os valores da Tabela 2 são para:

d=2,54mm=0,1” (padrão)

O valor 30kV por exemplo deve ser interpretado como: 30kV/2,54mm

8.6. CLASSIFICAÇÃO DOS ÓLEOS ISOLANTES

Quanto ao Tipo:

48

Óleo Isolante Mineral (OIM) - petróleo

- Nafténicos: tipo A

- Parafénicos : tipo B

Ascárel (proíbido – PCB)

Silicone

Esteres

- Sintéticos (petróleo)

- Naturais (sementes)

- Rtemp

UGELEC

Cl2Cl4

Leitura complementar ver monografia de Especialização em Segurança do Trabalho.

Autor: Marco Antonio Ferreira Finocchio.

Título: Ascarel um risco ocupacional e suas alternativas de substituição.

8.7. PROCESSOS DE TRATAMENTO DO ÓLEO

O método de tratamento do óleo isolante depende das condições e estado do mesmo.

Óleo Contaminado

Quando contém umidade e partículas em suspensão, excluindo-se os produtos de sua oxidação.

Óleo deteriorado

Aquele que sofreu oxidação, possuindo ácidos orgânicos e sedimento de borra.

O Tratamento do Óleo Contaminado:

Visa remover por meios:

Mecânicos

Umidade

Partículas sólidas em suspensão

Este tratamento chama-se Recondicionamento do Óleo.

a) Filtração:

É feita por papel de filtro. Através dela consegue-se remover a água não dissolvida e as partículas

sólidas em suspensão.

49

Executada por um filtro-prensa.

O papel do filtro deve sofrer secagem na estufa a uma temperatura de 95oC a 105

oC durante 6 a 12

horas.

b) Centrifugação

Tem como objetivo separar mecanicamente o óleo da água em suspensão em partículas como:

Sedimentos

Carvão

Para que a água possa ser plenamente removida do óleo por centrifugação, sua temperatura deve estar

entre 49oC a 52

oC.

c) Desidratadores à vácuo

Óleo novo ou pouco contaminado: sofre tratamento somente de filtragem

Óleo muito contaminado:

- filtragem

- desidratação à vácuo ou

- centrifugação

* Valor do nível de vácuo 0,66kPa (5mmHg)

* Tóleo ≤ 60oC – para evitar fracionamento

d) Percolação

Faz o óleo passar através de um meio adsorvente para retirar suas impurezas.

Material adsorvente usado é a terra Fúler (argila)

Elementos Adsorventes:

Terra Fúler (argila)

Alumínia

A percolação do óleo pode ser feita por gravidade ou à pressão

Percolação por gravidade: uma coluna de óleo poe seu próprio peso.

Percolação por pressão: a pressão de 500kPa (5daN/cm2)

50

CAPÍTULO 9: FUSÍVEIS E APLICAÇÕES

9.1 INTRODUÇÃO

São os elementos de proteção mais simples construtivamente existentes. Destinam-se a proteger:

Condutores

Equipamentos ligados

Contra condições anormais como:

Sobrecarga

Sobrecorrente

Icc

Sobretensão

Subtensão

Para proteção contra efeitos de uma sobrecorrente que atinge seu valor máximo na Icc, são empregados fusíveis e relés

eletromagnéticos, e às vezes relés térmicos.

9.2 DEFINIÇÕES

Dispositivo Fusível: Dispositivo de proteção, que opera pela fusão de uma ou mais de suas partes

constituintes, interrompendo a Icc, quando esta ultrapassar um valor especificado.

Símbolos

Fusível: Parte que requer substituição após operação.

Elemento Fusível: Parte que deve fundir

Contato do Fusível: Parte condutora que permite sua ligação

9.3 COMPONENTES DO FUSÍVEL

Corpo de material isolante (Resistência mecânica)

Elemento de fusão (elo)

Base (onde é montado)

Soquete

Parafuso de ajuste

Lâminas ou facas (contatos)

51

Contatos de pressão na base de fixação

Observações: Ver fabricantes

*Até 200A Sistema Diazed

*Maior que 1000A Sistema de pressão

9.4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS

In: é aquela que o fusível suporta continuamente, sem se aquecer acima de limites especificados.

Icc: corrente máxima que pode circular no circuito, e que deve ser desligada instantaneamente.

Capacidade de ruptura: é o valor de potência que o fusível é capaz de desligar com segurança.

Vn: é a isolação do fusível.

Resistência de contato:Depende do material e da pressão exercida. A resistência de contato entre base

e o fusível é responsável por eventuais aquecimentos.

* Em funcionamento deve o fusível obedecer a uma característica tempo desligamento corrente

circulante, perfeitamente conhecida.

9.5 ELO DE FUSÃO

Princípios básicos devem ser considerados na escolha do material do invólucro:

Deve suportar pressões internas

Deve suportar a elevação da temperatura

* A fusão do elemento fusível deve-se dar no centro do invólucro

Os elos fusíveis são em geral, ligas de chumbo e estanho, podendo ser ainda de cádmio, bismuto e

mercúrio. Esses elementos possuem baixo ponto de fusão (60 a 200oC).

Ligas de menor ponto de fusão são utilizadas na confecção de fusíveis rápidos (fusível com fusão em

centésimos de segundos).

Porcentagem da composição das ligas fusíveis (Elos Fusíveis)

Pb Sn Bi Cd Hg Ponto de Fusão[oC]

67 33 - - - 200*

38 62 - - - 183

50 - 50 - 160

32 50 - 18 - 145

27 13 50 10 - 72

20 - 20 - 60 20

*mais utilizada

9.6 FUNCIONAMENTO DO ELO

Sua fusão de ocorrer no elo fusível, que interromperá a meio comprimento dentro do corpo do material

isolante que o envolve.

52

O elo deve possuir uma seção reduzida no centro. A fusão pode ocorrer em dois meios basicamente:

No ar ambiente (forma arco perigoso podendo se propagar)

Com elemento de extinção (por exemplo areia)

A Areia não deve ter grãos:

1 Um grão muito grande que permita a formação de vazios inadimissíveis entre os mesmos, deixando

livre caminhos através dos quais se possam dar descargas indesejáveis.

2 Um grão muito pequeno, não permitirá a expansão dos gases que se formam no instante da fusão,

criando elevadas sobrepressões, cuja grandeza depende das condições de curto circuito que poderão

romper a parede do invólucro.

Na instalação do fusível, considerar o comportamento Seletor (Coordenada) entre os mesmos. A

característica Seletora é responsável pelo desligamento do fusível certo, num sistema protegido por

mais de um fusível.

O comportamento seletor entre fusíveis é observado pela comparação das características de

desligamento tempo x corrente (para desligamento)

Termos:

Um componente estar a montante significa que ele está antes do outro em questão, mais perto

da fonte de energia.

Um componente estar a jusante significa que ele está depois do outro em questão, mais perto

da carga final.

Jusante e montante são lugares referenciais de um rio pela visão de um observador.

Jusante: é o fluxo normal da água, de um ponto mais alto para um ponto mais baixo.

53

Montante: é a direção de um ponto mais baixo para o mais alto.

9.7 TIPOS DE FUSÍVEIS SUAS APLICAÇÕES E VALORES COMERCIAIS

Classificação dos Fusíveis:

1 Segundo a tensão de alimentação:

AT

BT

2 Segundo a característica de desligamento:

Efeito Rápido

Efeito Retardado

9.7.1 Fusíveis Rápidos e Retardados

Isto vai depender das características de serviço.

a) Retardados: são aplicados em circuitos onde não ocorre variação considerável de corrente entre a

fase de partida e a de regime normal de funcionamento. Exemplo de cargas motoras.

b) Rápidos: são aplicados a circuitos de iluminação. Exemplo lâmpadas incandescentes.

9.7.2 Fusíveis de BT

Rolha (rosca)

Cartucho

Faca

Diazed

NH

a) Rolha

- baixa capacidade de ruptura

- não garante plena segurança de desligamento

- resistência de contato acentuada.

Utilização:

- circuitos de iluminação e força

- instalações residenciais (antigamente)

Valores Comerciais: 6 - 10 - 15 - 20 - 25 – 30A

Vmax trabalho: 250V

54

b) Cartucho

Apresenta parte metálicas de:

- latão

- cobre

- bronze

- Possui acentuada oxidação e resistência elevada nos contatos.

Utilização:

- circuitos de iluminação e força

Valores Comerciais: 10 - 15 - 20 - 25 - 30 - 40 - 50 - 60 - .....-100A

Vmax trabalho: 250V

c) Faca

- baixa capacidade de ruptura

- não garante plena segurança de desligamento

- resistência de contato acentuada.

Utilização:

- corrente muito elevadas

- circuitos de força

Valores Comerciais: 80 - 100 - 150 - 200 - 250 - 300 - 400 - 500 - .....- 600A

Vmax trabalho: 250V ou até 500V

d) Diazed

- rápido

- retardado (lento).

Utilização:

- circuitos de iluminação e força

Valores Comerciais: 2 - 4 - 6 - 10 - 16 - 20 - 25 - 35 - 50 - 63A

Vmax trabalho: 250V ou até 500V

e) NH

Proteção de sistemas industriais, onde estão presentes correntes nominais elevadas e sistemas que

apresentam ima Icc elevada.

55

São geralmente retardados, pois são empregados como fusíveis gerais ou como proteção de cargas

motoras.

Capacidade de ruptura 70kA

Capacidade de ruptura 100kA

Valores Comerciais: 6 - 10 - 15 - 20 - 25 - 30 - ......... - 1000A

Vmax trabalho: 500V

9.7.3 Fusíveis de AT

- Para correntes elevadas e AT

- Utilizado junto a disjuntores magnéticos nos circuitos de proteção

7.4 Fusíveis de Baixa Corrente para Circuitos Eletrônicos

a) Fusível Rápido (Fast blow)

- tempo de fusão da ordem de centésimos de segundos

- em cartucho de vidro ou porcelana

b) Fusível retardado (Slow blow)

- em cartucho de vidro ou porcelana

c) Fusível Normal

- em cartucho de vidro ou porcelana

Em telefonia:

Centrais telefônicas: 1 – 2 – 3 A- ,....../60V

Circuitos de conversão: 0,5 - 1 - 2A -, /60V

9.8 FÓRMULA DE PREECE

Fornece a relação entre o diâmetro do fio liga (fusível) e a corrente para fusão.

I: corrente de fusão do fio [A]

a: parâmetro tabelado do material

d: diâmetro do fio [mm]

56

Material a

Cobre 80

Alumínio 59,3

Constantan 44,4

Prata alemã 40,9

Estanho 12,83

Chumbo 10,77

67 Pb+33 Sn 10,30

Exemplo 1: Qual o diâmetro em mm de um fio de cobre que deverá fundir para I=75A.

Solução: I=75A Cobre a=80

Cálculo da seção de um fusível em função do tempo para fusão:

S: seção do fio [mm2]

I: corrente [A]

k: constante do material

t: tempo [s]

ΔT: diferença de temperatura [oC]

Material k

Alumínio 0,011

Cobre 0,005

Chumbo 0,140

Niquelita 0,119

Exemplo 2: Qual o tempo necessário para se dar a fusão de um fio de chumbo de 2,4mm2 , com uma

corrente de 42A? Dados: Ta= 35oC, Tf=327

oC.

Solução: Ta= 35oC Tf=327

oC k=0,140

57

t=6,8381s

9.9 REGIME DE TRABALHO DOS FUSÍVEIS

Os fusíveis devem suportar continuamente a corrente máxima do circuito protegido ou do aparelho

protegido. Normalmente, 150% dessa corrente especifica a corrente nominal do fusível. A tabela 2

mostra o tempo de fusão quando os fusíveis são submetidos a uma corrente 150% maior do que a

corrente nominal.

In 150%. Imáx Imáx=1,5.In

Tabela 2. Tempo de fusão dos fusíveis submetidos a 150% de sua corrente nominal.

Corrente nominal (A) Tempo para fusão (min)

0 a 30 1

30 a 60 2

60 a 100 4

100 a 200 6

200 a 400 10

400 a 600 15

É fácil de perceber-se que o tempo de fusão do fusível está ligado com a corrente que passa por ele,

logo, para uma corrente muito maior do que nominal, como por exemplo 500%, ele deve fundir em 0,1

segundos. Sabe-se que nem os fusíveis rápidos, nem os de ação retardada fundem-se nos tempos dados

pela tabela, sendo que o primeiro funde-se muito antes e o segundo muito depois.

CURVA DE RESPOSTA DE UM FUSÍVEL NORMAL, RÁPIDO E RETARDADO

Abaixo tem-se a curva característica para um fusível de 400A e 250V. Especificação de tempo para

desligamento de fusível.

In=400A Vn=250V

1,5In=600A 5.In=200A 3.In=1200A

58

Código de Cor Diazed:

Cor I[A]

Rosa 2

Marrom 4

Verde 6

Vermelho 10

Cinza 16

Azul 20

Amarelo 25

Preto 35

Branco 50

Laranja 63

9.10 NORMAS

NB3 -ABNT

59

CAPÍTULO 10: HEXAFLUORETO DE ENXOFRE SF6

É um composto químico inorgânico formado por enxofre e flúor com a fórmula química SF6. Trata-se

de um gás sintético, utilizado principalmente pela indústria elétrica, como meio isolante e extintor de

arco elétrico, tanto em disjuntores, como em uma subestação blindada.

Constituído por um átomo de enxofre, circulado por 6 átomos de flúor. Possui grande

eletronegatividade, portanto extingue arcos elétricos. É quimicamente inerte, mas é 23000 vezes mais

nocivo para o efeito estufa que o dióxido de carbono. Entretanto, representa menos de 1% de

colaboração no aquecimento global.

Uma curiosidade sobre esse gás é que, ao ser inalado, ele torna a voz mais grossa, efeito contrário ao do

gás hélio. Isso ocorre porque é um gás 5 vezes mais denso que o ar, o que reduz a frequência das ondas

sonoras. Além disso, é usado na experiência da água invisível, na qual se enche um aquário com

Hexafluoreto de Enxofre e se coloca um barco feito de alumínio, como ele está cheio de ar ele flutua

como se estivesse sobre a água. Não é um gás tóxico, no entanto por ser mais denso que o ar, em

ambientes fechados e de pouco espaço, expulsa o oxigênio, causando asfixia.

Figura 1: Molécula de SF6

Principais riscos associados: Gás inerte, asfixiante simples em contrações altas.

O SF6 é um gás que é usado em equipamentos elétricos. É transparente, inodoro, não inflamável e

quimicamente estável. Isto significa que à temperatura de quarto não reage com qualquer outra

substância. A estabilidade vem do arranjo simétrico dos seis átomos de fluoreto em torno do átomo

central de enxofre. É esta estabilidade que faz este gás útil em equipamentos elétricos. O SF6 é um

isolante elétrico muito bom e pode efetivamente extinguir arcos elétricos nos aparelhos de alta e media

tensão enchidos com SF6. O SF6 pode ser achado no mundo inteiro em milhões de aparelhos elétricos;

o equipamento elétrico que contém SF6 é um artigo de grande exportação.

O SF6 é formado por uma reação química entre enxofre fundido e fluoreto. O fluoreto é obtido pela

eletrólise de ácido de fluorídrico (HF).

O SF6 puro não é venenoso. O gás não é perigoso ao inalar, uma vez que o conteúdo de oxigênio é

bastante alto. Em princípio pode-se inalar sem perigo uma mistura de 80% de oxigênio e 20% de SF6.

O SF6 é aproximadamente 6 vezes mais pesado do que o ar. Isso significa que pode concentrar-se em

canalizações de cabos ou no fundo de depósitos. O gás não é perigoso ao inalar, mas se há uma

acumulação importante do gás, há um risco de sufocação devido à falta de oxigênio.

60

O SF6 é utilizado como gás isolante em subestações, como isolante e médio refrigerante em

transformadores e como material extintor de arco elétrico em seccionamentos de alta e média tensão.

Estes são sistemas fechados que estão extremamente seguros e livres de improváveis fugas.

Em sistemas de energia elétrica, é exigido nos interruptores de alta e media tensão no poder de corte

para no caso de uma falha proteger as pessoas e os equipamentos.

As subestações isoladas com gás encontram-se principalmente em áreas urbanas e frequentemente

instaladas em edifícios num pequeno local. Estas subestações reduzem o campo magnético e removem

completamente o campo elétrico. Esta é uma real vantagem para os instaladores, pessoal de

manutenção e as pessoas que vivem na redondeza de subestações.

O SF6 é também usado de outros modos. Misturado com argônio, pode ser usado em janelas isoladas. O

SF6 é usado na indústria de metal, por exemplo, quando o magnêsio é utilizado. Os cirurgiões dos olhos

usam SF6 como agente refrescante em operações. O SF6 também pode ser usado como um agente que

extingue o fogo porque é não inflamável e refrescante.

Em aplicações elétricas, o SF6 é só usado hermeticamente em sistemas fechados e seguros que debaixo

de circunstâncias normais não libertam gás. Porque utilizar SF6 em equipamento elétrico:

O SF6 garante uma insolação elétrica ótima e uma boa extinção do arco elétrico. Estas propriedades do

SF6 tornam possível construir equipamentos elétricos e aparelhos que são compactos, usam uma

quantidade pequena de material, estão seguros e duraram muito tempo. À pressão atmosférica normal,

o SF6 tem um dielétrico de capacidade resistiva que é 2.5 vezes melhor que a do ar. Normalmente o gás

é utilizado a 3-5 vezes a pressão atmosférica e então as propriedades de dielétrico são dez vezes melhor

que a do ar.

É bom isolador porque é fortemente dopado em eletróns negativos. Isto significa que as moléculas de

gás pegam eletróns livres e constróem ións negativos, que não se movem rapidamente. Isto é

importante quando se criam avalanches de eletróns que podem conduzir a flashovers.

Controla de forma definitiva o arco na interrupção do circuito porque tem excelentes propriedades

refrescantes a temperaturas (1500-5000K) na qual os arcos extinguem (o gás usa energia quando

dissocia e então produz um efeito refrescante).

Os interruptores de média e alta tensão com SF6 ocupam um grande “volume” no mercado. O Gás

isolou subestações completas, GIS ou RMU, é usado onde o espaço é restringido ou o ambiente é

severo. Eles são virtualmente de manutenção livre. O equipamento elétrico enchido com SF6 esta em

uso à aproximadamente 40 anos e a experiência de serviço é muito boa. Assim:

SF6 têm um dielétrico de capacidade resistiva muito alta

SF6 extingue efetivamente arcos eléctricos em circuito de média e alta tensão

os aparelhos com SF6 são compactos e quase livres de manutenção

o equipamento com SF6 está extremamente seguro quando operado por usuários

Os transformadores imersos em hexafluoreto de enxofre, na atualidade, foram desenvolvidos para

comercialização por investigadores japoneses, apresentam aspectos construtivos próprios. O núcleo

magnético é formado pelo empacotamento da chapa magnética, sem pernos de aperto e sustentado por

uma estrutura de perfilado de ferro.

Os enrolamentos são isolados com materiais sintéticos e podem ser do tipo bobina ou do tipo em banda

de cobre, conforme a intensidade da corrente elétrica que os atravessa. Estes órgãos, que formam a

parte ativa do transformador, encontra-se encerrados no interior de uma cuba hermética.

O material isolante elétrico e condutor de calor utilizado para promover o isolamento elétrico e o

arrefecimento do transformador é um gás: o hexafluoreto de enxofre (SF6). Trata-se de um gás que,

61

como isolante elétrico, tem um valor de rigidez 2,5 vezes superior à rigidez do ar à pressão atmosférica,

e que apresenta uma boa regeneração da rigidez dielétrica, depois de submetido a ruptura pelo arco

elétrico. Este gás, como condutor térmico, apresenta um elevado calor especifico, o que facilita o

transporte do calor dos enrolamentos onde se desenvolve para a superfície da cuba onde se dissipa. O

SF6 não é solúvel em água e não liberta elementos tóxicos ou perigosos quando aquecido, pelo que não

apresenta agressividade ambiental.

Todo o gás utilizado no transformador está contido na cuba, com um valor de pressão pequeno (1bar a

4bar). Por isso, a cuba não necessita de respeitar as normas construtivas para recipientes submetidos a

elevadas pressões, registando-se mesmo casos de utilização do alumínio na construção dessa cuba.

Como o gás tem uma dupla função de isolante elétrico e de condutor térmico, através do valor da

respectiva pressão e do método de refrigeração consegue-se uma grande variedade de soluções

construtivas e características nominais: um aumento da pressão do gás pode traduzi-se por uma maior

potência nominal ou por um menor atravancamento do transformador.

A ventilação do transformador pode ser feita por convecção natural do gás ou por circulação forçada de

outro líquido refrigerante, que pode estar ou não estar em contato direto com o SF6.

Devido à utilização do hexafluoreto de enxofre e de lâminas de isolantes sintéticos no isolamento dos

enrolamentos do transformador, que são materiais isolantes com constante dieléctrica diferente das

habituais, as distâncias enter enrolamentos e entre subenrolamentos e as dimensões dos calços de

separação dos enrolamentos vêm alteradas, o que, sendo uma particularidade construtiva, não chega a

influenciar o valor das dimensões globais do transformador. Os transformadores em SF6 apresentam

um conjunto de vantagens e alguns inconvenientes.

Como vantagens deste tipo de transformadores salienta-se que são seguros quanto ao contacto acidental

porque têm as partes activas protegidas por uma cuba. O material isolante, o SF6, é autoregenerador

quanto à ruptura pelo arco elétrico. Apresentam materiais isolantes quimicamente estáveis e sem

problemas de envelhecimento.

O comportamento destes transformadores quanto ao impacto ambiental é bom porque no fim da vida

útil os seus materiais são recicláveis, não apresentam agressividade ambiental durante o fabrico e

durante o funcionamento, e funcionam bem tanto protegidos do meio ambiente em instalações

interiores como expostos ao tempo em instalações exteriores.

Quanto à aplicação destes transformadores imersos em gás verifica-se que apresentam uma boa

capacidade de sobrecarga e que não necessitam de fossa na sua instalação, o que reduz as necessidades

de espaço para construção das subestações ou postos de transformação.

Verifica-se que um transformador com SF6 ocupa menos 30% de espaço e apresenta-se como valor

típico na sua aplicação uma redução de 15% no custo global de um subestação, apesar deste tipo de

transformador ser mais caro que o tradicional transformador imerso em óleo. Assim, o preço constitui o

seu maior inconveniente.

O transformador em SF6 é apresentado como uma maquina elétrica que não requer manutenção. Tal é

justificado pelos seus aspectos construtivos e pelas características do gás isolante em que está imerso: o

hexafluoreto de enxofre.

Os transformadores imersos em hexafluoreto de enxofre (SF6) devido aos seus aspectos construtivos e

às características deste gás requerem um conjunto pequeno de atos de manutenção, essencialmente no

cumprimento do disposto no Regulamento de Segurança. Por isso, podem-se aproveitar as sessões de

manutenção da instalação para efetuar a pouca e simples, ações necessárias à manutenção dos

transformadores em SF6.

62

CAPÍTULO 11: ÓLEO ISOLANTE

11.1 INTRODUÇÃO

Os Óleos Minerais Isolantes (OMI) são extraídos do petróleo para finalidades elétricas, com tratamento

específico e destinados à utilização em transformadores, chaves seccionadoras, reatores, disjuntores,

religadores, capacitores etc. Em um equipamento elétrico, o óleo é utilizado para assumir o papel de

isolante e refrigerante. Para isolar, o óleo deve ser imune de umidade e de contaminantes e para resfriar

deve possuir baixa viscosidade e baixo ponto de fluidez para promover sua melhor circulação.

O óleo isolante ideal é aquele que tem baixa viscosidade; alto poder dielétrico e alto ponto de fulgor;

são isento de ácidos, álcalis e enxofre corrosivo; resiste à oxidação e à formação de borras; tem baixo

ponto de fluidez e não ataca os materiais usados na construção de transformadores e artefatos elétricos;

tem baixa perda dielétrica e não contém produtos que possam agredir o homem ou o meio ambiente.

11.2 REFINAÇÃO

Os óleos nafténicos são empregados na produção de óleos isolantes, porém os óleos parafínicos

também se prestam para este fim. Uma vez selecionada a viscosidade adequada, o óleo é submetido a

um ou uma combinação dos seguintes processos: tratamento a ácido, extração por solvente ou

hidrogenação.

11.2.1 - Tratamento a ácido

No tratamento ácido, os ácidos são removidos através de neutralização com soda, lavagem com água e

tratamento com argila.

11.2.2 - Tratamento a extração por solvente

Na extração por solventes, o óleo entra em contato com furfural para a separação dos carbonatos

aromáticos e é tratado com argila.

11.2.3 - Tratamento a hidrogenação

Na hidrogenção, faz-se a reação com hidrogênio na presença de catalisador seguida de tratamento com

vapor de água e argila.

Dependendo da origem do básico, o óleo isolante poderá ser submetido a um processo de

desparafinação, para adequar seu ponto de fluidez.

11.3 PROPRIEDADE FÍSICAS, QUÍMICAS E ELÉTRICAS

11.3.1 - Propriedades físicas

11.3.1.1 - Viscosidade: deve ser baixa para circular com facilidade e dissipar adequadamente o calor.

11.3.1.2 - Ponto de Fulgor: para a segurança dos equipamentos com relação à possibilidade de

incêndios, deve-se assegurar um ponto de fulgor mínimo adequado.

11.3.1.3 - Ponto de Anilina: indica o poder de solvência do óleo por matérias com as quais entrará em

contato. Um baixo ponto de anilina indica maior solvência do produto, o que não é desejável.

63

11.3.1.4 - Tensão Interfacial: indica a existência de substâncias polares dissolvidas no óleo. Estas

substâncias prejudicam as propriedades dielétricas do óleo, além de contribuírem para o seu

envelhecimento. Um alto valor é desejável.

11.3.1.5 - Cor: o óleo isolante novo costuma ser claro. O escurecimento em serviço indica sua

deterioração.

11.3.1.6 - Ponto de Fluidez: sendo a temperatura abaixo da qual o óleo deixa de escoar, esta

característica deve ser compatível com a mínima temperatura em que o óleo vai ser utilizado. O ensaio

também ajuda na identificação do tipo de óleo: parafínico ou naftênico.

11.3.1.7 - Densidade: influi na capacidade de transmissão de calor do óleo. Nos óleos isolantes

encontra-se entre 0,850 e 0,900, estando mais próxima de um dos dois valores segundo sua

predominante composição em hidrocarbonetos (parafínicos ou naftênicos).

11.3.2 - Propriedades químicas

11.3.2.1 - Estabilidade à oxidação: é importante para o bom desempenho do óleo e durabilidade do

sistema isolante. A oxidação é decorrente da estocagem do óleo e das próprias condições de operação

dos equipamentos elétricos e se manifesta através de borra e de acidez do óleo. Estes efeitos

indesejáveis podem ser atenuados através da utilização de aditivos anti-oxidantes.

11.3.2.2 - Acidez e água: devem ser extremamente baixos para evitar a passagem de corrente elétrica,

reduzir a corrosão e aumentar a vida de todo o sistema.

11.3.2.3 - Compostos de enxofre (sulfatos): devem estar ausentes para evitar que o óleo cause corrosão

ao cobre e à prata existentes nos equipamentos.

11.3.2.4 - Tendência à evolução de gases: esta característica mede a tendência de um óleo desprender

ou absorver gases (normalmente o hidrogênio), sob determinadas condições.

Um valor positivo indica desprendimento de gases, enquanto que, um valor negativo significa absorção

de gases, importante para a operação segura do equipamento.

113.3 - Propriedades elétricas

11.3.3.1 - Rigidez dielétrica: é a capacidade do óleo de resistir à passagem da corrente elétrica.

Quanto mais puro estiver o óleo, maior a rigidez dielétrica. Umidade, partículas sólidas e gases

dissolvidos prejudicam a capacidade isolante do óleo.

A rigidez dielétrica é fortemente afetada quando o óleo possui íons e partículas sólidas higroscópicas.

Neste caso é preciso tratar o óleo com aquecimento e filtragem.

11.3.3.2 - Fator de potência: é uma indicação das perdas dielétricas no óleo. O óleo será melhor, quanto

menores forem estas perdas. A condução de corrente nos óleos pode ser causada por elétrons livres

resultantes da ação do campo eletromagnético sobre as moléculas ou por partículas carregadas.

O fator de potência mede a contaminação do óleo por água e contaminantes sólidos ou solúveis.

ÓLEO MINERAL ISOLANTE TIPO A (Nafténico)

PORTARIA N° 46, DE 02/12/94 REGULAMENTO TÉCNICO Nº 03/94

64

OBSERVAÇÕES:

(1) Os valores estipulados são absolutos segundo a Norma ASTM E 29 e não estão sujeitos à correção pela tolerância dos

métodos de ensaio.

(2) Esta especificação requer que o óleo isolante atenda ao limite de fator de perdas dielétricas a 25ºC e a 100ºC ou a 90ºC.

(3) Este valor é exigido por tratar-se de óleo isolante de origem naftênica. No entanto, considerando-se as condições

climáticas do Brasil outros valores poderão ser aceitos quando se tratar de aplicação do produto no país.

(4) Esta especificação requer que o produto seja aprovado em um ou outro ensaio e não nos dois. Em caso de dúvida, esta

deverá ser dirimida através do ensaio de eletrodo de disco.

(5) Enquanto não se dispuser, no País, de instrumentação necessária ao controle e acompanhamento desse ensaio, a

aceitação do limite estabelecido está condicionada à informação do fabricante de que o produto foi obtido do mesmo

petróleo e sob o mesmo processamento de que resultaram os valores anteriores dentro desta especificação. A PETROBRAS

informará aos usuários, o fabricante e a marca do produto, a cada importação que fizer.

(6) A comercialização do produto poderá ser feita com base no laudo de qualidade garantido pelo supridor estrangeiro.

(7) O ensaio de viscosidade será realizado em duas temperaturas dentre as três citadas.

(8) Estes itens não se aplicam a produtos transportados em navios ou caminhões-tanques, ou estocados em tanque, em que

possa ocorrer absorção de umidade. Neste caso, deverá ser processado tratamento físico adequado para que estabeleça os

valores especificados no presente Regulamento Técnico.

(9) O óleo deve ser claro, limpo e isento de material em suspensão.

ÓLEO MINERAL ISOLANTE TIPO B (Parafínico)

RESOLUÇÃO Nº 09/88 de 01/11/88 REGULAMENTO TÉCNICO Nº 06/79-Rev. 2

65

OBSERVAÇÕES

(1) O ensaio de viscosidade será realizado em duas temperaturas dentre as três citadas.

(2) Estes ítens não se aplicam a produtos transportados em navios ou caminhões-tanques, ou estocados em tanque, em que

possa ocorrer absorção de umidade. Neste caso, deverá ser processado tratamento físico adequado para que estabeleça os

valores especificados no presente Regulamento Técnico.

(3) Esta especificação requer que o produto seja aprovado em um ou outro ensaio e não nos dois. Em caso de dúvida, esta

deverá ser dirimida através do ensaio de eletrodo de disco.

(4) Esta especificação requer que o óleo isolante atenda ao limite de fator de perdas dielétricas a 90ºC pelo método IEC-247

ou a 100ºC pelo método ASTM D 924. Esta especificação não exige que o óleo isolante atenda aos limites medidos por

ambos os métodos. Em caso de dúvida, esta deverá ser dirimida através do ensaio de fator de perdas dielétricas a 100ºC.

(5) O ensaio do fator de perdas dielétricas a 90ºC, de óleo oxidado pelo método IEC-74, será realizado conforme método

IEC-247 e após a preparação desse óleo feita de acordo com o item 10.4.1 do método IEC-813.

(6) Não corrosivo.

(7) O óleo deve ser claro, límpido, isento de material em suspensão ou sedimentado.

(8) Não detectável.

Nota: Os recipientes destinados ao fornecimento do óleo mineral isolante devem ser limpos e isentos de

matérias estranhas. O revestimento interno deve ser constituído de resina epóxi, convenientemente

curada, ou material equivalente em desempenho.

66

CAPÍTULO 12: TRANSFORMADORES A ÓLEOS ISOLANTES

Os transformadores possuem no seu interior um líquido isolante. Este líquido apresenta dupla função

isolar e refrigerar o equipamento para que tenha um perfeito funcionamento. Este óleo se caracteriza

pela sua rigidez dielétrica. Atualmente existe uma gama muito grande de líquidos isolantes como:

Óleo mineral Tipo A Nafténico

Óleo mineral Tipo B Parafénico

Óleo Silicone

Óleo Ester Sintético

Óleo Ester Natural (Vegetal)

Outros...

A necessidade do tratamento no óleo do transformador é necessária quando sua capacidade dielétrica

ou o índice de acidez, atingir seus valores limite ( rigidez dielétrica menor que 30kV, ou índice de

acidez maior que 0,5).

A realização periódica desta verificação, com a realização do tratamento adequado do óleo isolante

antes de atingir os índices críticos de rigidez dielétrica e acidez apresenta as seguintes vantagens:

Evita a ocorrência e o acumulo de lama (borra) dentro do equipamento, sendo benéfica para boa

realização das trocas térmicas diminuindo a temperatura de operação do transformador.

Diminui a degradação do óleo eliminando a presença de produtos que causem a oxidação do

equipamento e a redução da rigidez dielétrica do óleo.

Aumenta a vida útil do equipamento, pois o bom estado do óleo isolante é primordial para a

preservação da vida do equipamento.

A Tabela 1 apresenta uma sugestão de rotina de controle do óleo isolante dos transformadores:

Tabela 1 – Controle de rotina do óleo em transformadores

Controle de Rotina do Óleo de Transformadores

Antes da colocação

sob Carga

Cada 3 meses

de utilização

Cada 2 anos

de utilização

Tensão de Ruptura (Rigidez Dielétrica) X

Teor de Água X

Resistividade X

Fator de Dissipação X

Índice de Neutralização X

Ponto de Fulgor X

Tensão Interfacial X

67

CAPÍTULO 13: GASES DISSOLVIDOS NO ÓLEO ISOLANTE DE TRANSFORMADORES E

SIMILARES

13.1 MÉTODOS DE ANALISE:

Rogers

Doernenburg

Triângulo de Duval

Gás Chave (H2)

13.2 PRINCIPAIS NORMAS:

ABNT – NBR 7274 e IEC 599

13.3 GASES:

H2: Em grandes quantidades esta relacionada ao Efeito Corona. Em menor quantidade está

relacionado à decomposição térmica do óleo.

C2H2 (Acetileno): Associado a arcos elétricos no óleo

CH4 (Metano): É resultante da decomposição térmica do óleo.

C2H6 (Etano): É resultante da decomposição térmica do óleo.

C2H4 (Etileno): É resultante da decomposição térmica do óleo.

CO (Monóxido de Carbono): É produzido pelo envelhecimento térmico do papel.

CO2 (Dióxido de Carbono): É produzido pelo envelhecimento térmico do papel.

O2

N2

13.4 MÉTODO DE DUVAL

O método proposto por DUVAL (2002), leva em conta apenas a concentração percentual relativa dos

gases acetileno, etano e metano. O princípio de funcionamento do critério é mais bem visualizado pela

Figura 1, onde a evolução de gases gerados para determinadas falhas, é representada por um triângulo.

As coordenadas são definidas pela relação percentual de cada um dos gases em relação ao total de

gases gerados. O critério pode identificar três falhas de origem elétrica e três falhas de origem térmica.

Figura 1. Triângulo de Duval.

68

Cada código apresentado no triângulo representa uma condição de falha, como descrito abaixo:

PD: descargas parciais;

T1: falha térmica com temperatura T<300ºC;

T2: falha térmica com temperatura: 300ºC<T<700ºC;

T3: falha térmica com temperatura T>700ºC;

D1: descargas de baixa energia;

D2: descargas de alta energia;

DT: mistura de falhas.

As coordenadas do triangulo são correspondentes aos resultados da ADGD (Analise de Gases

Dissolvidos), em que se pode calcular sua concentração em ppm de acordo como é apresentado a

seguir:

%100.%42224

44

HCHCCH

CHCH

%100.%

42224

2222

HCHCCH

HCHC

%100.%42224

4242

HCHCCH

HCHC

Exemplo 1: Uma amostra de óleo isolante de transformador apresenta a seguinte configuração:

CH4 = 45ppm C2H2=15ppm C2H4=90ppm

Determine o tipo de falha do equipamento utilizando o Triângulo de Duval, bem como a % de cada gás.

69

CAPÍTULO 14: MATERIAIS DIVERSOS

14.1 SÍLICA GEL DESSECANTE

Normalmente em forma de pequenas pérolas brancas ou azuis, é um poderoso agente desumidificante e

desidratante mundialmente recomendado para a proteção de produtos, objetos e materiais diversos,

contra a umidade e a oxidação aérea.

Sua utilização assegura a integridade dos produtos e materiais, preservando características e

propriedades originais até a utilização ou consumo, pois mantém protegidos da ação nociva da umidade

residual, oxidação e proliferação de fungos.

Silica Gel (Contra Umidade, Bolor, Fungos, Ferrugem)

Sílica gel azul fica rosa quando já está saturada

A Silica Gel é um produto usado para absorver umidade do ar. Retirando-se a humidade do ambiente

evita-se a proliferação de fungos que causam bolor e mofo. Quedas repentinas de temperatura (a noite

por exemplo) causam a condensação da umidade do ar em cima de seus materiais. A sílica-gel absorve

a umidade antecipadamente evitando este problema. Devido a suas excelentes propriedades é utilizada

amplamente em embalagens de produtos de informática, fotografia, medicamentos e alimentos.

Sílica branca - Saches embalagem TNT - Opções de compras

OPÇÃO 1: Sache 2g - Pacote com 50 saches - (total 100g) - tamanho sache = 4,0 x 5,0 cm

OPÇÃO 2: Sache 25g - Pacote com 10 saches - (total 250g) - tamanho sache = 7,0 x 7,5 cm

Sílica Azul - Saches transparentes - Opções de compras

OPÇÃO 3: Sache 10g - Pacote com 10 saches (total 100g) - tamanho sache = 5,5 x 7,5 cm

OPÇÃO 4: Sache 25g - Pacote com 6 saches (total 150g) - tamanho sache = 7,0 x 7,5 cm

OPÇÃO 5: Sache 50g - Pacote com 4 saches (total 200g) - tamanho sache = 7,5 x 9.0 cm

Diferenças Silica Branca x Silica Azul:

Os saches de sílica azul tem envelope transparente. Quando a silica azul estiver saturada (sem

capacidade de absorver mais umidade) a coloração das pérolas muda de azul para rosa claro. Desta

forma você sabe facilmente o momento de trocar o sache. A sílica gel azul tem um custo um pouco

maior devido ao uso do aditivo para mudar a coloração. A silica gel azul tem uma absorção mais lenta

quando comparado com a silica branca (em função do tipo de embalagem do sache). Os saches de sílica

branca tem microfuros que tornam a absorção mais rápida.

Modo de uso:

Coloque os saches nas caixas ou embalagens que deverão ser protegidas.

Os saches que sobram devem ficar armazenados na embalagem hermética enviada originalmente (tipo

ziploc)

A recomendação do fabricante é usar 1kg de silica gel por m3

Assim em uma caixa de 40cmx30cmx15cm seriam recomendados 18 gramas para proteger a caixa.

Não abra os saches individuais. Eles estão prontos para uso.

70

Mantenha longe de animais e crianças

14.2 ZARCÃO

Características:

Primário anti-corrosivo baseado em resinas alquídicas e num pigmento de chumbo.

Indicação: Indicado para proteção de todos os substratos ferrosos e superfícies metálicas, usados na

construção civil e na indústria metalomecânica. Possui excelentes propriedades anti-corrosivas.

Especificações:

Cor - Laranja

Aspecto - Mate

Viscosidade - (110 – 130)”cF4

Secagem - Superficial- 5horas

Maleável- 24 Horas

Em profundidade- 48horas

COV (Compostos Orgânicos Voláteis):Valor limite EU para este produto (cat.A/i): 600g/L (2007) /

500g/L (2010). Este produto contém no máximo 502.24g/L.

(Valor do produto pronto a aplicar. Não nos responsabilizamos por alterações que lhe forem feitas, fora

das nossas instalações).

Diluição: Diluente Sintético. Diluente de limpeza- Diluente Celuloso.

Aplicação:

A superfície onde se vai aplicar o produto deve estar bem seca, limpa e isenta de poeiras e de ferrugem.

Aplicar uma demão de produto, diluído a 5%, com trincha, rolo ou pistola.

Após a secagem, aplicar um esmalte sintético.

Rendimento: 10 a 12m²/Lt

Conservação:

Dois anos nas embalagens de origem, cheias e bem fechadas.

Guardar em local seco, arejado, longe de fontes de calor e de ignição e ao abrigo da geada e dos raios

solares.

Informação de segurança:

Produto inflamável.

Produto tóxico por inalação e por ingestão.

Produto nocivo por inalação e em contacto com a pele.

71

Evitar o contato com a pele e com os olhos.

Utilizar somente em locais bem ventilados e longe de fontes de calor e de ignição.

14.3 AGREGADOS (BRITA)

Pela NBR 9935/87, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), agregado é definido como

material sem forma ou volume definido, geralmente inerte, de dimensões e propriedades adequadas para

produção de argamassas e concreto.

Desempenhando uma função econômica da máxima importância, pois geralmente é o elemento de custo

mais baixo por unidade, de volume no concreto e no concreto betuminoso, o agregado atua de forma

decisiva no incremento de certas propriedades, tais como:

A redução da retração (bastante grande na pasta de cimento);

Aumento da resistência aos desgastes;

Além de outras.

Podemos classificar os agregados quanto à origem, às dimensões e à massa unitária.

Classificação dos Agregados

1. Origem

Quanto à origem, eles podem ser:

Naturais - são aqueles que já são encontrados na natureza sob a forma de agregados: areia de mina,

areia de rios, seixos rolados, pedregulhos etc.

Artificiais - são aqueles que necessitam ser trabalhados para chegarem à condição necessária e

apropriada para seu uso: areia artificial, brita etc.

O termo artificial, aqui usado, é quanto ao modo de obtenção, e não com relação ao material em si.

Há autores que classificam como artificiais aqueles agregados que são obtidos por processos especiais

de fabricação, tais como: escória de alto-forno, argila expandida etc.

2. Dimensões

Quanto às dimensões, os agregados são classificados em miúdos e graúdos. Recebem, entretanto,

denominações especiais que caracterizam certos grupos, como:

fíler

areia

pedrisco

seixo rolado

e brita.

72

Agregado miúdo é a areia de origem natural ou resultante do britamento de rochas estáveis, ou a mistura

de ambas, cujos grãos passam pela peneira ABNT nª4 (4,8mm) e ficam retidos na peneira ABNT no

200

(0,075mm) (NBR 7211).

Agregado graúdo é o pedregullho (cascalho ou seixo rolado) ou a brita proveniente de rochas estáveis,

ou a mistura de ambos, cujos grãos passam por uma peneira de malha quadrada com abertura nominal

de 152mm e ficam retidos na peneira ABNT nª 4 (4,8mm) (NBR7211). Fíler é o material granular que

passa na peneira ABNT no 100 (0,150mm), conforme a NBR 5734. Como exemplo temos: cal extinta,

calcários etc.

Areia é o material granular miúdo originado através de processos naturais ou artificiais de desintegração

de rochas naturais ou proveniente de outros processos industriais. É chamada de areia natural se

resultante da ação de agentes da natureza e de areia artificial quando proveniente de britagem ou outros

processos indústrias. Pedrisco, também chamado areia artificial, é a mistura, nas mais variadas

proporções de brita de graduação 0 (zero) com areia artificial.

Pedregulho é o agregado graúdo que pode ser utilizado em concreto tal qual é encontrado na natureza

sem sofrer qualquer tratamento que não seja lavagem e seleção. Em algumas regiões, é conhecido como

cascalho ou seixo rolado.

Brita ou pedra britada é o agregado graúdo originado através da cominuição artificial de rocha

Nota: por razões comerciais, classificam-se as britas:

brita zero 4,8mm a 9,5mm

brita 1 9,5mm a 19,0mm

brita 2 19,0mm a 25,0mm

brita 3 25,0mm a 38,0mm

brita 4 38,0mm a 76,0mm

pedra-de-mão > 76,0mm

Na designação do tamanho de um agregado, dimensão máxima característica é a grandeza associada á

distribuição granulométrica do agregado, correspondente à abertura de malha quadrada, em milímetro,

das peneiras das séries normal e intermediária, a qual corresponde uma porcentagem retida acumulada

igual ou imediatamente inferior a 5% em massa, de acordo com a NBR 7211.

3. Massa Unitária

Quando à massa unitária, podemos classificar os agregados em:

leves (menor de 1 t/m3) – pedras-pomes, vermiculite, argila expandida etc.;

normais (1t/m3 a 2t/m

3) – areias quartzosas, seixos, britas de gnaisses, granito, etc.;

OBS: Os agregados poderão ser usados para misturas de concreto, misturas betuminosas, bases, etc. As

suas características e propriedades podem ter efeitos consideráveis na sua qualidade e esses efeitos vão

variar de acordo com a finalidade de sua aplicação. Assim por exemplo, agregados arredondados podem

levar à instabilidade numa mistura betuminosa, e ao mesmo tempo são ideais como agregado de concreto

onde a “trabalhidade” da massa é essencial para a aplicação e compactação.

Dessa forma, apesar de termos reunidos todos os testes para agregados no mesmo capítulo, procuramos

destacar, sempre que necessário, as diferenças do emprego em concreto ou asfalto.