MATEMÁTICA INDUSTRIAL - APLICAÇÕES E ESTUDOS DE CASOS NA MANUTENÇÃO MECÂNICA DA

ARCELORMITTAL TUBARÃO1

Salustiano Martins Pinto Júnior, MSc

2 3

Resumo Esse trabalho tem a intenção de fortalecer o papel da matemática industrial em auxiliar as equipes de manutenção em suas atividades. Serão apresentados casos reais de manutenção mecânica onde a aplicação da matemática logrou grande sucesso na ArcelorMittal Tubarão. Em todos os casos o auxílio da matemática tornou possível a antecipação da equipe de manutenção ao ajuste e correção dos equipamentos além da simulação de diferentes cenários possíveis de acontecer, trabalhando assim de forma pró-ativa e com alta confiabilidade. Palavras-chave: Matemática Industrial, Confiabilidade, Manutenção. 1 28º Congresso Brasileiro de Manutenção – ABRAMAN 2013.

2 Mestre em Mecânica dos Sólidos, ArcelorMittal Tubarão.

3 Professor dos cursos de Engenharia da FAESA - Faculdades Integradas Espírito-Santense

1 INTRODUÇÃO A matemática na rotina da manutenção industrial nos últimos anos esteve esquecida e sem o seu merecido destaque na solução dos problemas e na otimização dos recursos e da produção das empresas. Porém recentemente tornou-se uma rotina a interação entre universidades e empresas pela demanda por pessoal qualificado e com conhecimento matemático suficiente para tratar problemas do contexto industrial. Os resultados obtidos com o uso da matemática aplicada em problemas reais da indústria despertaram o interesse das empresas na sua utilização. A ArcelorMittal Tubarão, empresa siderúrgica consolidada no mercado mundial na produção de aço de alta qualidade, possui um dos seus mais fortes pilares na sua equipe de manutenção. Os seus principais objetivos são a confiabilidade dos equipamentos, dos métodos de produção e segurança das pessoas, contribuindo diretamente nos resultados da empresa. O uso da matemática industrial pela equipe de engenharia de manutenção está focado em propor soluções práticas aos problemas de manutenção e se consolida como parte integrante na sua estratégia de gestão de ativos e no prolongamento de vida útil de seus equipamentos. 2 MATEMÁTICA INDUSTRIAL

A matemática industrial é a arte de utilizar a modelagem matemática, a computação e a matemática aplicada nas resoluções de problemas do cotidiano das empresas e organizações. Conhecimentos de estatística, matemática pura, computação e outras áreas afins são fundamentais para a sua aplicação no auxilio de tomada de decisão em diferentes níveis dentro das empresas. Nas atividades de manutenção industrial da ArcelorMittal Tubarão as funções matemáticas mais freqüentes e bem sucedidas são:

− Modelagem e simulação de processos; − Previsibilidade de variáveis; − Formulação matemática de problemas; − Correlação de variáveis; − Solução de problemas; − Análise estatística;

A aplicação da Matemática na manutenção industrial prioriza o estudo de técnicas avançadas de pesquisa operacional, análise matemática, análise estatística, otimização, métodos de matemática aplicada em geral, dentre outras. Tradicionalmente, usa-se o termo “Matemática Industrial” para denominar a extração da essência matemática de um problema real e a busca de sua solução ótima, pautando pela qualidade da solução, modelagem matemática, e tempo gasto na busca desta solução. De forma sucinta, a aplicação da matemática industrial passa por algumas regras delineadoras:

− IDENTIFICAÇÃO E FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DO PROBLEMA: Necessário o conhecimento de modelos matemáticos representativos, cuidadosamente escolhidos.

− PROCESSO DE SOLUÇÃO: Compreende o tratamento e a abordagem dos métodos modernos de matemática aplicada, tais como otimização, análise numérica, equações diferenciais, etc.

− INTERPRETAÇÃO DA SOLUÇÃO: Necessário estabelecer uma comunicação com os demais membros da equipe de trabalho a fim de apresentar a solução. Para isso são necessários conhecimentos básicos de gerenciamento de pessoal, manipulação de dados, algoritmos, estruturas de dados, etc.

De acordo com a tendência mundial o avanço tecnológico leva as equipes de manutenção a usarem todo tipo de técnicas disponíveis. As áreas na manutenção para aplicação da matemática industrial são múltiplas. As restrições seriam, em princípio, praticamente inexistentes. Apresentam-se a seguir aplicações da matemática industrial na solução de problemas recentes da manutenção da ArcelorMittal Tubarão contribuindo de forma decisiva no seu sucesso. 3 APLICAÇÕES NA MANUTENÇÃO INDUTRIAL Na manutenção industrial a matemática pode ser aplicada na modelagem de processos ainda não descritos ou na resolução de modelos não tão simples. Aplicações como a correlação entre variáveis, a sua previsibilidade e a determinação de equações que representem essas variáveis são algumas das linhas de aplicação mais comuns na manutenção da ArcelorMittal Tubarão visando a antecipação de falhas e o prolongamento da vida útil dos seus equipamentos. O primeiro caso a ser apresentado ocorreu no Lingotamento Contínuo, unidade de produção de placas, na torre de giro de panela onde o seu rolamento principal (Diâmetro: 4900mm e peso: 6300kg) apresentava folga radial excessiva, acima do recomendado pelo fabricante. A folga radial é um fator determinante no controle de desgaste e na previsibilidade de substituição do rolamento da torre de giro, com tempo de parada do equipamento para manutenção previsto em 10 dias. Além de seu alto custo de aquisição, qualquer falha não prevista implica diretamente em parada de produção da máquina de Lingotamento Contínuo acarretando perdas significativas na produção e na geração de receita para a empresa. Uma análise de correlação foi desenvolvida utilizando as medições periódicas da folga radial do rolamento pela inspeção mecânica e realizado um ajuste de curva para determinar a melhor equação que representasse as variáveis. O ajuste de Curvas é um método que consiste em encontrar uma curva que melhor se ajuste a uma série de pontos. No caso do rolamento de giro os pontos são a folga radial e o tempo. O ajuste de curvas é muito utilizado para, a partir de dados conhecidos, fazer-se extrapolações. A partir destes dados conhecidos, pode-se fazer projeções para o futuro e com isso, determinar o melhor momento da intervenção da manutenção. A ideia é determinar uma curva que melhor se ajuste aos dados disponíveis e dessa forma monitorar a previsibilidade da folga radial em atingir o seu valor limite. A folga radial máxima é definida baseado na experiência da equipe de manutenção e do fabricante do rolamento possibilitando a programação da sua substituição com segurança e planejamento adequado.

O ajuste de curva foi realizado obtendo-se um polinômio de grau 4 e correlação R2 de 0,9921 indicador que o ajuste obtido estava adequado.

y = 4E-12x4 + 2E-08x3 - 1E-05x2 + 0,006x + 0,0051

R2 = 0,9921

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 100 200 300 400 500 600

folg

a (m

m)

Fig. 1 – Ajuste de Curva

O uso da equação orientou na decisão do melhor momento para realizar a parada de manutenção para substituição do rolamento de modo a minimizar os impactos no plano de produção da empresa e, ao mesmo tempo, garantir a sua segurança de funcionamento.

Fig. 2 – Previsão de Folga Radial

Percebe-se no gráfico, que até o ano de 2006 os valores da folga medidos não haviam sofrido alterações significantes. A partir de janeiro de 2007 houve um incremento no valor da folga e após junho de 2007 a folga iniciou uma aceleração acentuada no desgaste com previsão de 2,31mm em Abril de 2008. Dessa forma a parada para troca do rolamento foi programada com duração final de 210h.

O segundo caso ocorreu na Sinterização, unidade de produção do Sinter (carga metálica de abastecimento do Alto-Forno) no seu sistema de exaustão principal onde a emissão do particulado freqüentemente ultrapassava o limite máximo aceitável pelas normas ambientais da empresa. Quando a produtividade da Sinterização ultrapassava 40t/m2xdia a taxa de emissão ultrapassava 50mg/Nm3 obrigando a operação da Sinterização a reduzir o ritmo de produção para cumprir a legislação ambiental. No período de Junho a Outubro de 2008 a média diária de emissão foi de 47mg/Nm3 impondo limitações na produção para manter a média abaixo do limite ambiental.

Fig. 3 – Taxa de Emissão

A equipe de Operação observou que o aumento da temperatura estava relacionado a diminuição da taxa de emissão de particulado. Uma amostragem foi realizada em um período de 165h (aquisição dos dados de hora em hora), com o objetivo de desenvolver uma análise de correlação e comprovar sua existência.

Fig. 4 – Particulado e Temperatura

Gráfico da variação do Particulado e da Temperatura

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

Par

ticu

lad

o (

mg

/Nm

3)

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

Tem

per

atu

ra (

ºC)

PARTICULADO TEMP MEDIA

O ajuste de curva foi realizado obtendo-se uma equação linear e correlação (R2) de 0,6019. Com temperaturas acima de 140ºC de acordo com a análise o resultado da emissão de particulado será abaixo de 40mg/Nm3, abaixo do limite legal ambiental. Com a análise de correlação entre a temperatura e o nível de emissão de particulado foi possível determinar um ponto ótimo para servir de orientação nos parâmetros operacionais e de Manutenção. A análise de dispersão entre temperatura e taxa de emissão de particulado, quando utilizado a média móvel de 10horas, minimiza os ruídos e revela a existência de correlação (R2) de 60,19% que, para um processo industrial, foi considerada significativa.

Fig. 5 – Correlação do Particulado e Temperatura

Dessa forma estava caracterizado que a temperatura do gás de exaustão possui influência significativa na taxa de emissão de particulado no processo produtivo da Sinterização. Investigando o fenômeno verificou-se que o aumento da temperatura acarreta uma diminuição da emissão de particulado sendo explicado pela diminuição da sua resistividade. A performance do precipitador eletrostático varia muito de acordo com a resistividade elétrica do material particulado a ser coletado. No caso de alta resistividade, um fenômeno conhecido como back corona ocorre reduzindo a sua eficiência de coleta. Existem outros fatores que também influenciam nessa correlação os quais foram também estudados e identificados, entre eles a matéria prima que possui álcalis o qual acarreta a elevação da resistividade do particulado diminuindo a eficiência de coleta do precipitador eletrostático. A matéria prima possui álcalis o qual acarreta a elevação da resistividade do particulado diminuindo a eficiência de coleta do precipitador eletrostático. O resultado do estudo indica a temperatura de 140ºC como um ponto ótimo para ajuste dos equipamentos auxiliando ainda nas decisões de melhorias do plano de manutenção e investimentos futuros.

Gráfico da Dispersão do Particulado x TemperaturaMédia Móvel de 10 horas

y = -0,28x + 79,213

R2 = 0,6019

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

55,0

110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 160,0 170,0

Temperatura (ºC)

Par

ticu

lad

o (

mg

/Nm

3)

4 RESULTADOS Os dois casos apresentados formam um conjunto de aplicações da matemática industrial pelas equipes de manutenção da ArcelorMittal que cresce a cada dia. Outras aplicações são utilizadas como a estimativa futura de desgaste em chapas do costado de Silo ou em correias de borracha dos transportadores de correia. Através da inspeção por ultra-som o desgaste seja na chapa do costado ou na correia de borracha é registrado e analisado para inferência do seu tempo restante de vida útil buscando maximizar a sua utilização. Outra aplicação de sucesso foi na reforma dos carros Torpedos responsável pela logística na ArcelorMittal por transportar toda a produção de ferro gusa em altas temperaturas. A figura 6 representa os valores referentes às deformações encontradas no carro torpedo número 5. Os dados destacados em vermelho indicam uma predição de condições futuras a partir do ajuste de uma curva exponencial, baseada nos dados topográficos levantados em campo. O estudo foi fundamental para o planejamento da reforma dos carros torpedos minimizando os impactos na produção da empresa.

Fig. 6 – Inferência da inclinação do Munhão do Carro Torpedo

Os resultados positivos consolidam cada vez mais o uso da matemática industrial na solução dos problemas da manutenção contribuindo para o aumento da disponibilidade dos equipamentos bem como do prolongamento de sua vida útil. 5 CONCLUSÃO Um dos objetivos principais da manutenção preditiva na ArcelorMittal Tubarão está na determinação do melhor momento para intervenção e execução dos serviços de reparo. Com isso temos uma maximização da disponibilidade do equipamento para a produção e reflexo direto no lucro da empresa. No Brasil, a baixa qualidade da educação básica e das faculdades, e a pouca oferta de ensino profissionalizante atrapalham a inovação, a produtividade e a competitividade das empresas, sendo que o uso da matemática nas atividades da industria é fundamental para melhorar a produtividade e a competitividade.

Na última avaliação do Pisa (Programa Internacional de Avaliação de Alunos, realizado pela OCDE), em 2009, o Brasil ocupou a 57ª posição quando o conteúdo avaliado é matemática.

Fig. 7 – Desempenho em Matemática de alunos de 15 anos

Fonte: CNI/OCDE/Pisa (2010) De modo geral, as empresas cada vez mais necessitam de pessoal qualificado com conhecimento matemático suficiente para tratar os problemas que surgem com elevada freqüência. Isto é uma tendência mundial amparada pelo crescente desenvolvimento tecnológico das empresas. Nesse contexto a ArcelorMittal Tubarão incentiva o desenvolvimento das suas equipes de manutenção com treinamentos e a formação técnica específica para que possam sempre atuar na definição da melhor solução dos seus problemas de manutenção e contribuir no crescimento sustentável da empresa.