Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena ... · Agradeço aos meus amigos de...

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Universidade de São Paulo

Escola de Engenharia de Lorena

Departamento de Engenharia de Materiais

Luis Henrique Consoline Junior

Aumento do Processamento de Sucata de Cilindros e sua Influência na Fundição de

Cilindros para Laminação

Lorena

2014

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Luis Henrique Consoline Junior

Aumento do Processamento de Sucata de Cilindros e sua Influência na Fundição de

Cilindros para Laminação

Projeto de monografia apresentado à Escola de

Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo como

requisito para obtenção de título de Engenheiro de Materiais

Orientador: Dr. Antonio Jefferson da Silva Machado

Lorena

2014

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DEDICATÓRIA

À Deus que me manteve focado nos objetivos e no

caminho correto da vida.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente à Deus, por estar sempre ao meu lado em todos os momentos,

guiando e iluminando meu caminho, sem deixar que nada de ruim ocorra comigo e minha

família e dando forças para conquistar meus sonhos e objetivos.

Agradeço minha família por ter me dado todo o suporte necessário para que eu pudesse

cursar uma universidade e dedicar parte da minha vida exclusivamente aos estudos, e ao apoio

e carinho que me deram durante toda minha vida.

Agradeço à meu orientador Profº Dr. Antonio Jefferson da Silva Machado pela

oportunidade de desenvolver este projeto, por ter me dado à oportunidade de fazer uma

iniciação científica durante a graduação, pela extrema paciência e disposição em ajudar e

principalmente a todos os ensinamentos dados por ele.

Agradeço à todas as pessoas que moraram e vivem atualmente comigo na república. São

pessoas que fazem parte da minha vida e como grandes amigos, me ajudaram sempre que

precisei e deixaram essa fase da minha vida ser muito mais fácil.

Agradeço meu chefe Lício Marcis Queji, pela oportunidade de estagiar em uma grande

empresa como a Gerdau e poder fazer este projeto junto a empresa, e a todos meus colegas de

trabalho, em especial Rodrigo Pagliarine Vivencio, Marcelo Rodrigues, Diego de Campos

Ribeiro, Thomas Bornstein , e Ana Beatriz Fantinati Lucente, que sempre que disponíveis

transmitiram seus conhecimento e contribuíram com a evolução deste trabalho.

Agradeço aos meus amigos de faculdade que contribuíram para no desenvolvimento

desse trabalho, em especial Arthur Scaramussa, Fabio Luiz Caffarello e Sarah Viana.

Agradeço à toda equipe da EEL, professores e servidores, que possibilitarem meus

estudos e desenvolvimento, tanto pessoal quanto profissional.

Agradeço à todos que contribuíram para que este trabalho pudesse ser realizado, meus

sinceros agradecimento.

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RESUMO

CONSOLINE, L. H. Jr. Aumento do Processamento de Sucata de Cilindros e sua

Influência na Fundição de Cilindros para Laminação. 2014. 93 f. Projeto de monografia

(Trabalho de conclusão de curso) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São

Paulo, Lorena, 2014.

A empresa da Gerdau S/A - Pindamonhangaba/SP possui em sua Usina uma área

específica para a produção de cilindros fundidos, voltados para atender o mercado de

laminação. Esses cilindros possuem composições químicas e dimensões variadas, de acordo

com a linha de produção e a necessidade dos clientes. Eles se dividem em duas partes: Mesa

(região formada por um material da casca, qual compreende a parte externa do cilindro que

entra em contado direto com o produto a ser laminado) e Pescoços (região formada pelo

material do núcleo, juntamente com a parte interna da mesa, qual compreende a parte de

encaixe nos laminadores). Os cilindros possuem uma vida útil, que quando atingida são

descartados transformando-se em sucatas. A fim de reaproveitar essa sucata, gerando um

retorno financeiro e ambiental, a Gerdau compra esses cilindros sucatados para serem

reaproveitados na fundição de novos cilindros. Toda a sucata comprada é armazenada no pátio

de sucata da área, onde por meio de um processo de oxicorte, essa sucata é cortada em pedaços

menores e utilizada em fornos de indução para preparação da composição química das cascas

de novos cilindros. Para aumentar o volume de peças oxicortadas, esse trabalho abordará um

projeto realizado junto aos operadores da área utilizando uma metodologia específica da

empresa, visando o emprego de ferramentas da qualidade para solucionar problemas. Outro

ponto que será abordado com mais detalhes no presente trabalho é a comprovação, por meio de

diversas técnicas de caracterização (ultrassom, raios-X, análise microestrutural etc.), que a

utilização de sucata de cilindros não gera desvios na qualidade de um produto novo. Para isso, é

apresentado de forma detalhada toda a metodologia de produção de um cilindro por meio de

técnicas de fundição.

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1: (A) MÁQUINA CENTRÍFUGA FHW, (B) VAZAMENTO DO METAL LÍQUIDO QUE IRÁ COMPOR A CASCA DO

CILINDRO................................................................................................................................................................... 13

FIGURA 2: VAZAMENTO DO METAL LÍQUIDO QUE IRÁ COMPOR O NÚCLEO DO CILINDRO DENTRO DA FOSSA, LOCAL

ONDE OCORRE O PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO. .................................................................................................... 14

FIGURA 3 – REPRESENTAÇÃO DO FORMATO DE UM CILINDRO DE LAMINAÇÃO.

<HTTP://WWW.ANGELFIRE.COM/CRAZY3/QFL2308/1_MULTIPART_XF8FF_2_DIFRACAO.PDF> ........................... 23

FIGURA 4– ESQUEMÁTICA DO POSICIONAMENTO DOS CILINDROS DE ENCOSTO.

<HTTP://WWW.ANGELFIRE.COM/CRAZY3/QFL2308/1_MULTIPART_XF8FF_2_DIFRACAO.PDF> ........................... 24

FIGURA 5- REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA NODULIZAÇÃO EM CONVERSORES. (ASM. METALS HANDBOOK.

CASTING. 10TH EDITION, 1996. VOL 15). .................................................................................................................. 26

FIGURA 6 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DOS PROCESSOS DE NODULIZAÇÃO POR TUNDISH COVER (A) E POR

SANDUÍCHE(B) ( ASM. METALS HANDBOOK. CASTING. 10TH EDITION, 1996. VOL 15). .......................................... 27

FIGURA 7 - FOTO MICROGRAFIA DE GRAFITAS NA FORMA ESFEROIDAL, OU NODULAR. (ASM METALS HANDBOOK,

PROPERTIES AND SELECTION: IRONS, STEELS, AND HIGH PERFORMANCE ALLOYS. 10TH EDITION (1996). VOL 1.) 28

FIGURA 8– REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM EQUIPAMENTO BÁSICO DE ULTRASSOM.

<WWW.ABMBRASIL.COM.BR/EPSS/ARQUIVOS/DOCUMENTOS/2011_4_19_9_9_56_32042.PDF> ....................... 30

FIGURA 9 – ESTRUTURA CRISTALINA DO NACL MOSTRANDO REGULAR DOS ÍONS NA+1 E CL-1. À DIREITA CRISTAIS DE

NACL, CUJA MORFOLOGIA EXTERNA ESTÁ RELACIONADA AO ARRANJO DA ESTRUTURA CRISTALINA.

<WWW.ANGELFIRE.COM/CRAZY3/QFL2308/1_MULTIPART_XF8FF_2_DIFRACAO.PDF> ........................................ 32

FIGURA 10 – DIFRAÇÃO DE RAIOS X.

<WWW.ANGELFIRE.COM/CRAZY3/QFL2308/1_MULTIPART_XF8FF_2_DIFRACAO.PDF> ........................................ 33

FIGURA 11- EXEMPLO DE UM DIAGRAMA DE CAUSA E EFEITO ....................................................................................... 36

FIGURA 12 - GRÁFICO DE CONTROLE E SEUS SINAIS ESTATÍSTICOS. ................................................................................ 37

FIGURA 13 - PRODUÇÃO DE PEÇAS CORTADAS JUN/2012 ATÉ SET/2013 ........................................................................ 39

FIGURA 14 - ITEM DE CONTROLE ...................................................................................................................................... 39

FIGURA 15 - PROJEÇÃO DO HISTÓRICO E DAS METAS...................................................................................................... 40

FIGURA 16 - CRONOGRAMA ATUAL DO GSP .................................................................................................................... 41

FIGURA 17 - CILINDROS ARMAZENADOS NO PÁTIO DE SUCATA ...................................................................................... 42

FIGURA 18 - CORTES REALIZADOS EM DIFERENTES TIPOS DE CILINDROS ........................................................................ 43

FIGURA 19 - OPERAÇÃO DE OXICORTE ............................................................................................................................. 43

FIGURA 20 - TEMPO DE CORTE PARA CADA MATERIAL .................................................................................................... 44

FIGURA 21 - CAUSAS PROVÁVEIS ENCONTRADAS ............................................................................................................ 45

FIGURA 22 - TESTE DE HIPÓTESE – SELEÇÃO DAS CAUSAS A SEREM ATACADAS ............................................................. 46

FIGURA 23 - PLANO DE AÇÃO COM AS AÇÕES CONCLUÍDAS ........................................................................................... 48

FIGURA 24 - EXEMPLO DE CAÇAMBA UTILIZADA PARA A DISPOSIÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA. ......................................... 50

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FIGURA 25 - MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DO BANHO METÁLICO NO FORNO DE INDUÇÃO E EXEMPLO DAS PONTAS DE

IMERSÃO. .................................................................................................................................................................. 52

FIGURA 26 - VISTA EM CORTE TRANSVERSAL DE UM FORNO DE INDUÇÃO DO TIPO CADINHO. (ASM. METALS

HANDBOOK. CASTING. 10TH EDITION, 1996. VOL 15).............................................................................................. 55

FIGURA 27 - OPERAÇÃO DE BASCULAMENTO OU TRANSFERÊNCIA DO METAL DO FORNO PARA A PANELA. ................ 56

FIGURA 28 - AREIAS BASE EMPREGADAS EM FUNDIÇÃO. (A) SÍLICOSAS SUB-ANGULARES; (B) CROMITA. ..................... 58

FIGURA 29 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE GRÃOS DE AREIA ENVOLVIDOS POR UM FILME DE AGLOMERANTES E

ADITIVOS. .................................................................................................................................................................. 60

FIGURA 30 - MISTURADORES EMPREGADOS NA PREPARAÇÃO DE AREIA. (A) MISTURADOR DE GALGA OU COM “MÓS

VERTICAIS”; (B) MISTURADOR CONTÍNUO PARA AREIAS QUIMICAMENTE LIGADAS (CURA A FRIO). ..................... 61

FIGURA 31 - PROCESSO DE SOCAMENTO DE AREIA DO MOLDE. ..................................................................................... 62

FIGURA 32 - CAIXAS INFERIOR E SUPERIOR MOLDADAS, AGUARDANDO PINTURA E ESTUFAGEM. ................................ 63

FIGURA 33 - MOLDE INFERIOR PINTADO E ESTUFADO. .................................................................................................... 64

FIGURA 34 - COQUILHA EMPREGADA NA PRODUÇÃO DE CILINDROS. ............................................................................ 65

FIGURA 35 – PROCESSO DE LIMPEZA DA COQUILHA. ....................................................................................................... 67

FIGURA 36 - SUPERFÍCIE INTERNA DE UMA COQUILHA APÓS LIMPEZA INADEQUADA, AINDA APRESENTANDO

RESIDUAL DE TINTA. ................................................................................................................................................. 67

FIGURA 37 - VAZAMENTO DE METAL LÍQUIDO NA CENTRÍFUGA FHW ............................................................................ 69

FIGURA 38 - VAZAMENTO DE METAL LÍQUIDO PARA DENTRO DO SLEEVE POSICIONADO NA FOSSA ............................. 70

FIGURA 39 - DESMOLDE DE UM CILINDRO ....................................................................................................................... 71

FIGURA 40 - CILINDROS SENDO TRATADOS EM FORNO ELÉTRICO................................................................................... 72

FIGURA 41 - DRX SENDO REALIZADO EM UM CILINDRO .................................................................................................. 74

FIGURA 42 - MEDIÇÃO DA QUANTIDADE DE AUSTENITA RETIDA EM UM CILINDRO ....................................................... 74

FIGURA 43 - EVOLUÇÃO DAS METAS MOSTRADAS NO ITEM DE CONTROLE DO PROJETO. ............................................. 75

FIGURA 44 - MICROGRAFIA POR MEV (AMPLIAÇÃO 200X) DA MESA DO CILINDRO Nº 113853 COM 0.02% DE SUCATA

NA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA CASCA..................................................................................................................... 84

FIGURA 45 - MICROGRAFIA POR MEV (AMPLIAÇÃO 100X) DA MESA DO CILINDRO Nº 113853 COM 0.02% DE SUCATA


FIGURA 46 - MICROGRAFIA POR MEV (AMPLIAÇÃO 50X) DA MESA DO CILINDRO Nº 113853 COM 0.02% DE SUCATA NA

COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA CASCA. ......................................................................................................................... 86

FIGURA 47 - MICROGRAFIA POR MEV (AMPLIAÇÃO 200X) DA MESA DO CILINDRO Nº 108699-A COM 47.62% DE

SUCATA NA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA CASCA. ...................................................................................................... 87

FIGURA 48 - MICROGRAFIA POR MEV (AMPLIAÇÃO 100X) DA MESA DO CILINDRO 108699-A COM 47.62% DE SUCATA


FIGURA 49 - MICROGRAFIA POR MEV (AMPLIAÇÃO 50X) DA MESA DO CILINDRO Nº 108699-A COM 47.62% DE SUCATA


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LISTA DE TABELAS

TABELA 1: COMPOSIÇÃO QUÍMICA GENÉRICA DE UM CILINDRO FUNDIDO. ................................................................... 15

TABELA 2: FONTES E USOS DE METÁLICOS EM SIDERURGIA E FUNDIÇÕES ..................................................................... 18

TABELA 3 – SUCATA INDUSTRIAL GERADA ....................................................................................................................... 20

TABELA 4 – SIDERURGIA E METÁLICOS NO BRASIL_EVOLUÇÃO ....................................................................................... 21

TABELA 5– CONSUMO DE METÁLICOS NA SIDERURGIA. .................................................................................................. 22

TABELA 6 - HISTÓRICO DO VALOR BASE E METAS DEFINIDAS .......................................................................................... 40

TABELA 7 - PADRÃO DE CALCULO DE GANHO .................................................................................................................. 41

TABELA 8 - MATRIZ DE PRIORIZAÇÃO ............................................................................................................................... 47

TABELA 9 – CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS E FÍSICAS DE AREIAS BASE EMPREGADAS EM FUNDIÇÃO (ADAPTADO DE

FERNANDES, 2001, P.31). ......................................................................................................................................... 59

TABELA 10 - PERCENTUAL DE SUCATA DE CILINDROS PRESENTE NO MATERIAL DA CASCA DE CADA CILINDRO DA

AMOSTRA. ................................................................................................................................................................. 76

TABELA 11 - CARACTERÍSTICAS DO CILINDRO Nº 110978-A ............................................................................................. 77

TABELA 12 - CARACTERÍSTICAS DO CILINDRO Nº 114075 ................................................................................................ 77




TABELA 16 - CARACTERÍSTICAS DO CILINDRO Nº 113851-B ............................................................................................. 79




TABELA 20 - VALORES DE TENSÃO RESIDUAL NOS CILINDROS ......................................................................................... 81

TABELA 21 - VALORES DE AUSTENITA RETIDA E DUREZA LD NOS CILINDROS .................................................................. 82

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EQUAÇÕES

EQUAÇÃO 1 - LEI DE BRAGG ............................................................................................................................................. 33

EQUAÇÃO 2 - CALCULO DE GANHO DO GSP ..................................................................................................................... 41

EQUAÇÃO 3 - PESO DA LIGA A SER ADICIONADO AO FORNO .......................................................................................... 53

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SUMÁRIO

1. Introdução ............................................................................................................................................................ 12

1.1. Contextualização ............................................................................................................................................. 12

1.2. Justificativa ..................................................................................................................................................... 16

1.3. Objetivos ......................................................................................................................................................... 17

1.4. Objetivo Específico ......................................................................................................................................... 17

2. Revisão da Literatura ........................................................................................................................................... 18

2.1. Geração de Sucata ........................................................................................................................................... 19

2.2. Panorama Evolutivo da Siderurgia .................................................................................................................. 21

2.3. Cilindros de Laminação .................................................................................................................................. 23

2.4. Oxicorte ........................................................................................................................................................... 24

2.5. Influência do Pó de Ferro ................................................................................................................................ 24

2.6. Processos de Nodulização ............................................................................................................................... 25

2.7. Processo de inoculação ................................................................................................................................... 28

2.8. Microscopia Eletrônica de Varedura (MEV) .................................................................................................. 29

2.9. Ultrassom ........................................................................................................................................................ 29

2.10. Tensão Residual em Tratamentos Térmicos ............................................................................................... 31

2.11. Difratometria de Raios – X ......................................................................................................................... 32

2.12. Software GSP (Grupo de Solução de Problemas) ....................................................................................... 33

3. Materiais e Métodos ............................................................................................................................................ 38

3.1. GSP – Aumento do Processamento de Sucata ................................................................................................ 38

3.2. Processo de Oxicorte ....................................................................................................................................... 49

3.3. Etapas do processo de desenvolvimento do metal líquido .............................................................................. 49

3.3.1. Preparação da carga sólida ..................................................................................................................... 49

3.3.2. Carregamento do Forno .......................................................................................................................... 50

3.3.3. Fusão ou derretimento da carga .............................................................................................................. 51

3.3.4. Preparação da composição química ....................................................................................................... 52

3.3.5. Equipamento empregado para preparação do metal líquido ................................................................... 54

3.3.6. Vazamento do metal líquido e adições na panela ................................................................................... 55

3.4. Processo de Moldação e Pintura...................................................................................................................... 56

3.4.1. Materiais empregados na Moldação ...................................................................................................... 57

3.4.1.1. Areia Base...................................................................................................................................... 57

3.4.1.2. Aglomerantes e Aditivos ................................................................................................................... 59

3.4.2. Preparação da areia de moldagem .......................................................................................................... 60

3.4.3. Preparação do Molde .............................................................................................................................. 61

3.4.4. Montagem – Preparação da Coquilha ..................................................................................................... 64

3.4.5. Pintura da coquilha ................................................................................................................................ 65

3.5. Fundição FHW ................................................................................................................................................ 68

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3.6. Desmolde e Ultrassom .................................................................................................................................... 70

3.7. Tratamento Térmico ........................................................................................................................................ 71

3.8. Raios – X ......................................................................................................................................................... 72

3.9. Análise Microestrutural ................................................................................................................................... 74

4. Resultados e Discussão; ...................................................................................................................................... 75

4.1. Evolução do Item de Controle ......................................................................................................................... 75

4.2. Percentual de Sucata em uma amostra de Cilindros ....................................................................................... 76

4.2.1 Características dos Cilindros utilizados .................................................................................................. 77

4.2.2. Tensão Residual, Dureza e Austenita Retida. ......................................................................................... 81

4.2.3. Ultrassom ............................................................................................................................................... 83

4.2.4. Análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV) ....................................................................... 83

5. Conclusão ............................................................................................................................................................ 90

6. Referencias Bibliográficas ................................................................................................................................... 91

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1. Introdução

1.1. Contextualização

A Gerdau é líder no segmento de aços longos nas Américas e uma das principais

fornecedoras de aços longos especiais do mundo. É a maior recicladora da América Latina e no

mundo, transforma, anualmente, milhões de toneladas de sucata em aço, reforçando seu

compromisso com o desenvolvimento sustentável das regiões onde atua. A Usina Gerdau –

Aços Especiais SP, localizada na cidade de Pindamonhangaba, estado de São Paulo, possui em

sua estrutura uma área de Fundição de Cilindros, em que dispõe de uma ampla linha de

produtos, disponibilizando serviços associados a eles, de forma a melhor atenderem os seus

clientes e torná-los mais competitivos. Ela iniciou sua operação com capacidade de produção

acabada de 1.200 t/mês, atualmente a capacidade de produção de cilindros é de 3.600 t/mês.

A fabricação de cilindros fundidos envolve a participação de sete células que são: a)

Pátio de Sucata e Matéria Prima, o qual tem a função de armazenar e distribuir todos os tipos

de materiais e insumos que serão posteriormente transformados em metal líquido pelo Forno de

Indução (b), que é a célula subsequente do processo; c) Moldação e Pintura, onde é preparado o

molde metálico, formado por coquilha (região onde será formada a mesa do cilindro) e caixa

superior e inferior (região onde serão formados os pescoços do cilindro), que receberá esse

metal em uma das células de produção, que é dividida em linhas: d) FHW - Finish Hot Work

onde é produzido os cilindros pesados, em média 9 toneladas, fundidos pelo processo

centrífugo, e) WR - Work Roll produz cilindros leves, em média 1 tonelada, fundidos também

por processo centrífugo e Convencional, f) cilindros de diferentes tamanhos dependendo do

tipo do produto a ser fabricado, pelo processo de fundição estática; g) Tratamento Térmico,

que tem por objetivo adequar as propriedades mecânicas de cada cilindro de acordo com as

devidas especificações. Após a estas etapas, são realizados testes e inspeções para garantir a

qualidade do produto antes dele ir para sua última fase de preparação, a usinagem, onde é dado

todo o acabamento necessário ao cilindro para por fim ser enviado ao cliente. Todos esses

cilindros são aplicados futuramente em laminadores de tiras a quente e a frio, cadeiras

acabadoras e desbastadoras dos laminadores de produtos longos entre outros.

Neste trabalho, utilizou-se para todos os fins, cilindros produzidos na linha FHW, que são

os mais produzidos. Para sua produção, é necessário a preparação de dois materiais distintos,

denominados casca e núcleo. O primeiro é destinado à parte superficial do cilindro (mesa),

correspondendo a 30% do todo, e o segundo compreende o interior do cilindro (interior da

mesa) e os pescoços (partes que são utilizadas para o encaixe dos cilindros nas máquinas dos

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clientes). Durante a fundição o molde metálico do cilindro está posicionado dentro de uma

máquina centrífuga, qual gira em determinada frequência, onde ao receber o metal da casca, faz

com que esse metal fique aderido nas paredes da coquilha do molde, formando a parte

superficial da mesa. Para ser realizado o vazamento do metal do núcleo, irá depender das

características do produto, pois há cilindros que tem todo seu processo de fundição dentro da

máquina centrífuga. O metal do núcleo é vazado diretamente na máquina completando o

cilindro, e outro que o metal do núcleo é vazado com o molde do cilindro, já com o metal da

casca, dentro de uma fossa, na forma de fundição estática (veja figura 1 (b)). De qualquer

forma, o molde depois de ter todo seu interior preenchido, tem seu processo de solidificação

feito com ele dentro de uma fossa, conforme mostra a figura 2.

Figura 1: (A) Máquina centrífuga FHW, (B) vazamento do metal líquido que irá compor a casca do

cilindro. [GERDAU. PIN-PR-715-002 - Operação da centrifuga FHW. Pindamonhangaba, 2014.]

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Figura 2: Vazamento do metal líquido que irá compor o núcleo do cilindro dentro da fossa, local onde

ocorre o processo de solidificação. [GERDAU. PIN-PR-715-002 - Operação da centrifuga FHW.

Pindamonhangaba, 2014.]

A preparação do metal ou o acerto de composição química é uma das etapas do

processo de fundição, com que é produzido o metal líquido que será utilizado para formar o

cilindro após a solidificação. Para a preparação da carga sólida são definidos os pesos de todas

as matérias primas empregadas, além de sobras líquidas tais como: sucata de aço e de cilindro,

gusa, retorno sólido da fundição (metal perdido em fundições passadas), adições metálicas

ferrosas (Fe-Si, Fe-Mo, Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-V, etc.), metálicas não ferrosas (Al, Cu, Ni, Mg, etc.)

e não-metálicas (Ca-Si, CaO, fluorita, grafite, etc.). Depois de calculado os pesos necessários

para cada constituinte da carga, ela é levada a um dos fornos de indução onde ocorrerá a fusão

desta carga. Após a completa fusão do banho inicia-se o acerto de composição química, para

atender a especificação da estequiometria específica de cada produto, sendo necessário acerto

das cargas durante o decorrer da preparação do metal líquido devido à origem dos materiais

utilizados e desvios de cargas gerados no decorrer do processo. Um processo de nodulização

seguido de inoculação é feito com o objetivo de se obter uma microestrutura com nódulos de

grafita, característica de diversos cilindros produzidos. . Durante o processo de fusão, é muito

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importante o monitoramento da movimentação da carga sólida para se evitar impactos e/ou

projeção de metal líquido para fora do forno. Muitas vezes o processo de carregamento é

realizado em conjunto com o processo de fusão para se evitar deslocamentos bruscos e/ou

impactos da carga sólida com a parede do forno (refratário). Para respeitar os direitos autorais

da Gerdau, é utilizada nesse trabalho uma composição química genérica, porém que não muito

longe da realidade, conforme mostrado na tabela I:

Tabela 1: Composição química genérica de um cilindro fundido.

O metal da casca e do núcleo se difere pela composição química, tempo de banho e

temperatura, gerando no fim dois materiais de diferentes características microestruturais, mas

que juntos formam um cilindro de alta qualidade e desempenho. O material da casca é rico em

carbonetos, principalmente de Vanádio e Tungstênio, promovendo uma microestrutura de

maior resistência ao desgaste para o processo de laminação. Já o núcleo possui em sua

microestrutura maiores quantidades de grafita, que por sua vez garante maior tenacidade,

absorvendo grandes quantidades de energia devido aos processos de tração e compressão que o

cilindro sobre em serviço.

A utilização de sucata metálica no processo de fundição é uma maneira que a empresa

tem de reduzir custos com a aquisição de matérias primas e ligas metálicas além de ser uma

forma indireta de preservação dos solos, ajudando evitar a extração de muitos minérios, que

cada vez mais estão em falta no mundo. A Gerdau reutiliza a própria sucata gerada por desvios

de produção, seja na forma de lingotes, proveniente de fundições que necessitam ter excesso de

sobre-metal e sobras de metal líquido nos fornos de indução, ou cilindros que são sucatados por

não atenderem as especificações do cliente, tanto na parte dimensional da peça como em suas

propriedades mecânicas, não podendo ao menos ser reaproveitados através de outros clientes. A

empresa também realiza a compra de cilindros cuja vida útil foi alcançada dentro de seus

próprios clientes, deixando uma reserva de sucata de cilindro armazenada em seu pátio de

sucatas. Entretanto, a utilização desses tipos de materiais na preparação de metal líquido não é

tão simples, pois apenas 6% da sucata podem ser utilizadas. Esse limite se da ao fato dessa

sucata possuir uma composição química fora da estequiometria necessária, tendo altos teores de

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Silício e Cromo proveniente da perda de outros elementos químicos durante o resfriamento, uso

ou degradação do metal já solidificado. Além disso, é necessária uma etapa de fusão dessa

sucata com outros materiais para que ocorra o acerto da composição química, baixando os

teores de Silício e Cromo, para não causar impacto negativo nas etapas de nodulização e

inoculação. Outro complicador é que os fornos possuem determinada altura e largura, e

obviamente os materiais que serão reciclados precisam atender estas dimensões. Outro aspecto

importante é o peso de sucata, pois se estiverem acima do especificado podem danificar o

fundo dos fornos quando adicionados.

Sendo assim, para obter peças que atendam todas essas exigências, é utilizado um

processo de oxicorte, onde a sucata é posicionada adequadamente dentro de uma campânula,

localizada no pátio de sucatas, que garante a segurança do maçariqueiro durante a operação, e

com a ajuda de um maçarico a base de oxigênio e acetileno é realizado cortes na peça, pré-

demarcadas com alguns simples riscos a giz na peça. Porém nem todos os materiais

processados são utilizados na Fundição, pois há sucatas que possuem elementos químicos em

teores prejudiciais no processo de nodulização e inoculação, como já citados. Neste caso, esses

materiais são enviados a Aciaria da própria Gerdau para serem utilizadas em fornos elétricos na

produção de metal líquido destinado a fabricação de tarugos de aço. Tal produção não sofre

efeitos prejudiciais por conta da composição química dessas sucatas.

1.2. Justificativa

As reservas de minérios que contém os metais citados na tabela 1 estão cada dia mais

escassas, tendo em vista que o homem faz o seu uso constante e em altas quantidades.

Levando-se em conta que são reutilizadas por volta de 600 toneladas por mês de sucatas

provenientes por cilindros na Gerdau, estamos falando de quantidades significativas de metais

que deixamos de extrair do meio ambiente (aproximadamente 19,2 toneladas de carbono, 5,4

toneladas de Silício, 4,8 toneladas de Manganês, 0,36 toneladas de Fosforo, 0,06 toneladas de

Enxofre, 27 toneladas de Níquel, 10,8 toneladas de Cromo, 2,1 toneladas de Molibdênio, 0,6

toneladas de Vanádio, 0,6 toneladas de Tungstênio e 529, 08 toneladas de Ferro). No ano de

2008 a produção mundial de minério de ferro foi de 2,2 bilhões de toneladas, tendo a China

como maior produtora com 700 milhões de toneladas, e o Brasil em segundo lugar com 370

milhões de toneladas, para uma reserva mundial de 370 bilhões de toneladas.

Entre agosto de 2012 e julho de 2013, a média de sucata processada pelo oxicorte na

Fundição foi de 427 toneladas por mês, porém melhorias no processo foram implantadas

visando aumentar a produção para 600 toneladas por mês, atingindo um aumento de

17

R$986.100,00/ano na renda da empresa. Para bater essa meta, diversas ações foram tomadas e

testes foram feitos, tendo como uma das principais medidas a implementação do uso de pó de

ferro junto à saída de oxigênio do maçarico, aumentando assim a velocidade em que a sucata é

cortada devido à reação exotérmica que ocorre entre a superfície do metal que esta sendo

cortado, as partículas de ferro e a chama do maçarico.

1.3. Objetivos

O principal objetivo do presente trabalho é provar por meio de diferentes testes que a

sucata utilizada para a produção de cilindros fundidos não interfere na qualidade e desempenho

do produto e mostrar também como foi possível aumentar a produção de sucatas oxicortadas

com ações realizadas através de um projeto elaborado junto aos funcionários da área.

1.4. Objetivo Específico

Especificamente os objetivos do estudo são:

Acompanhar todo processo de fundição de um cilindro que faça uso de sucata

metálica, e mostrar através de técnicas como: microscopia eletrônica de varredura,

ultrassom, difratometria de raios-X, testes de dureza e tensão interna, que seu uso

não gera desvios de qualidade;

Mencionar todas as etapas do projeto de aumento do rendimento de peças

oxicortadas, os levantamentos de dados, metas, observações, análises de causa e

efeito, plano de ação, testes realizados, resultados obtidos e demais ferramentas de

qualidade envolvidas;

Mostrar a influência da utilização do pó de ferro no processo de oxicorte, quais são

as reações que ocorrem na superfície da peça que está sendo cordada e como que ele

vem sendo utilizado;

18

2. Revisão da Literatura

São genericamente denominados “METÁLICOS” os insumos dos fornos siderúrgicos

contendo o elemento ferro, principal constituinte das ligas ferrosas (aço, principalmente)

produzidas nestes fornos.

Como insumos metálicos podem ser entendidos:

O mineral de ferro, em bruto ou aglomerado, que é carregado nos fornos de redução ou

como refrigeradores das cargas dos conversores de aço;

O mineral já reduzido, que alimenta os fornos de refino de aço, sob a forma de gusa

líquido (líquido ou sólido) ou de ferro-esponja e outros pré-reduzidos;

O material de reciclagem – a sucata – gerada internamente às usinas no seu processo de

produção metalúrgica e transformação mecânica de aço, ou adquirida no mercado de coleta /

beneficiamento do material (sucata “externa”). A ‘’sucata externa’’ pode ser gerada na

transformação do aço laminado ou das peças fundidas ferrosas nas indústrias processadoras

(sucata industrial ou de processamento) ou pelo reaproveitamento do metal após

encerramento de vida útil do bem contendo aço (sucata de obsolescência ou “ferro-velho”).

A Tabela II, lista fontes e usos dos metálicos para siderurgia e fundição ferrosa, e a

abrangência das análises e quantificações incluídas nesta Nota Técnica, restringida aos

metálicos utilizados nos fornos das aciarias das usinas siderurgia e na fusão de metais ferrosos

nas fundições.

Tabela 2: FONTES E USOS DE METÁLICOS EM SIDERURGIA E FUNDIÇÕES

19

(*) Objeto de Nota Técnica em separado. A alimentação do ferro-ligas nos fornos de aço

tem como finalidade principal a carga do elemento de liga e não do elemento ferroso.

(**) Parcelas de pouca expressão, não consideradas.

2.1. Geração de Sucata

Tomando como origem e destino final a SIDERURGIA (e o setor de fundição de peças

ferrosas), destaca-se primeiramente a sucata interna gerada na produção e transformação do aço

em laminados e peças fundidas, reciclada nas próprias usinas e fundições. A geração dessa

sucata interna na siderurgia depende basicamente do grau de integração da usina a jusante da

produção do aço. No caso brasileiro, em que significativa parcela do out-put das usinas é de

semiacabados (placas e tarugos para exportação), a sucata gerada é da ordem de 10% da

produção de aço bruto.

(média setorial). Na média mundial, usinas 100% integradas até a laminação a frio de

placas ou laminação de longos e trefilaria de arames, este índice atinge a 13,5% da produção de

aço.

Os produtos siderúrgicos, laminados e fundidos, de produção nacional ou importados

abastecem os setores consumidores nacionais (automotivo, de bens de capital, de

eletrodomésticos, da construção civil, da produção de embalagens, etc.) e também o mercado

externo, através de exportação de semiacabados e laminados de aço e de peças fundidas

ferrosas.

20

No processamento do aço pelas indústrias consumidoras é gerada a sucata industrial,

resultante das perdas na transformação do aço em bens finais, em diferentes intensidades de

acordo com o setor consumidor, como se verifica na tabela 3:

Tabela 3 – Sucata Industrial Gerada

Os bens contendo aço produzido pela Indústria Nacional, mais os importados do Exterior

e menos os exportados pelo Brasil (comercio externo indireto de aço) são POSTOS EM USO

21

em nosso país a cada ano. Com a passagem do tempo e sua retirada de uso, parte do aço

contido é reciclada, constituindo a geração de SUCATA DE OBSOLESCÊNCIA, vulgarmente

conhecia como ‘’ferro-velho’’, que é coletada pelas usinas, processadores e comerciantes de

sucata em todo o país.

No Brasil, a sucata de obsolescência vem participando com pouco mais de 1/3 do

consumo total de sucata. Na média mundial sua participação atinge a 45% do total consumido

de sucata.

2.2. Panorama Evolutivo da Siderurgia

A tabela abaixo apresenta 20 anos de evolução da Siderurgia Brasileira e do consumo de

metálicos e de SUCATA, segundo a origem de sua geração.

Tabela 4 – Siderurgia e Metálicos no Brasil_Evolução

A participação das aciarias elétricas na produção brasileira de aço gira entre 20% e 24%,

bem menor do que a verificada no quadro mundial, da ordem de 32%. Este fato induz a

diferentes proporções no consumo de metálicos no setor siderúrgico, como pode-se analisar na

tabela 5:

22

Tabela 5– Consumo de Metálicos na Siderurgia.

A menor participação de sucata no mix do consumo de metálicos para aciaria, no caso

brasileiro, também está relacionada à disponibilidade de gusa sólido de produção independente,

que representou, em 2007, 8,0% da carga das aciarias brasileiras, ou 10,6% do gusa consumido.

O Brasil exporta cerca de 1/3 de sua produção de aço. Assim, a sucata industrial ou de

processamento dos semiacabados e laminados de aço exportado é gerada no exterior, inclusive

a sucata de geração interna ou de usina que seria obtida se cerca de 5 Mt/ano de semiacabados

(placas e tarugos) fossem laminados no Brasil.

23

2.3. Cilindros de Laminação

Os cilindros são componentes de destaque inegável na elaboração dos laminados:

mantém contato direto com o produto acabado e são responsáveis por sua forma e aspecto.

Os cilindros de laminação são compostos de três partes principais:

MESA: região do cilindro onde ocorre o contato com o material a ser laminado –

pode ser lisa ou com canais;

PESCOÇOS: região dos cilindros onde se encaixam os mancais;

TREVOS OU GARFOS DE ACIONAMENTO: serve de ligação do cilindro com os

eixos de força, por meio de uma luva;

Figura 3 – Representação do formato de um cilindro de laminação.

<http://www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_multipart_xF8FF_2_DIFRACAO.pdf>

Os cilindros de laminação podem utilizados como cilindros de trabalho ou cilindros

de encosto (ou apoio).

Os cilindros de trabalho são aqueles que entram em contato direto com o material

laminado. Sofrem, portanto, as maiores solicitações de temperatura e desgaste.

Os cilindros de encosto (ou apoio) são aqueles que não entram em contato com o

material laminado, mas sim com o cilindro de trabalho. Servem para apoiar o cilindro

de trabalho impedindo sua flexão. Para isso, são cilindros de maior porte, como mostrados

na Figura 4:

24

Figura 4– Esquemática do posicionamento dos cilindros de encosto.

<http://www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_multipart_xF8FF_2_DIFRACAO.pdf>

2.4. Oxicorte

O princípio de funcionamento deste processo de corte de metais se dá através da reação

de combustão localizada e contínua entre um jato de oxigênio puro, agindo sobre um ponto de

metal previamente aquecido à sua temperatura de queima (ou ignição) por uma chama

oxicombustível, e o ferro contido nestes metais. Esta combustão produz oxido de ferro que

junto com uma pequena região circunvizinha do metal não oxidado se funde, sendo arrastada

pela ação mecânica do jato de oxigênio de corte, expondo a este jato mais metal para

continuidade da reação. A largura estreita e progressiva de metal removido promove a

separação das partes.

2.5. Influência do Pó de Ferro

25

Inúmeros tipos de aços reagem com o oxigênio de corte, produzindo óxidos refratários

cujos pontos de fusão são mais altos que os do material base o que impede ou impossibilita a

ação do corte. Outros materiais como ferro fundido e metais não ferrosos ou queimam com

menos calor ou tendem a resfriar a zona de corte a tal ponto que impossibilita a ação do corte.

Injetando-se pó de ferro na chama, forma-se na interface de corte um óxido eutético de mais

baixo ponto de fusão onde uma reação adicional ferro-oxigênio é gerada permitindo o

prosseguimento do corte. Nesse processo um pó de ferro de malha 200 é adicionado ao jato de

oxigênio. Ao passar pelas chamas de pré-aquecimento o pó é aquecido e ao ser introduzido

no jato de oxigênio abre em chamas. O calor e a ação do fluxo de pó de ferro incandescente

permitem ao oxigênio oxidar o metal base de forma contínua.

2.6. Processos de Nodulização

Nesta etapa, o metal líquido passa por um tratamento para produzir o ferro fundido

nodular (grafita esferoidal). Este tratamento emprega ligas nodulizantes, normalmente a base de

magnésio ou o próprio magnésio puro, que desoxidam e dessulfuram o metal reduzindo

sensivelmente os teores de oxigênio e enxofre no líquido, criando assim condições favoráveis à

formação, diretamente do metal líquido, da grafita esferoidal ou em nódulos. Esta formação

depende principalmente da composição química, do grau de inoculação e da velocidade de

resfriamento imposta ao líquido dentro do molde.

O processo de nodulização é realizado normalmente a uma temperatura entre 1450 a

1620°C. A reação entre o magnésio metálico e o ferro fundido é muito forte e libera muito

calor. O magnésio, devido a sua alta pressão de vapor, é sublimado (passa do estado sólido

diretamente para o gasoso), sendo que parte deste gás formado é incorporado ao banho

metálico e outra parte oxidado ou consumido por ação de dessulfuração e desoxidação. Para

melhorar a eficiência do processo, empregam-se conversores, que são basicamente vasos

fechados onde se processa a reação, conforme ilustrado na Figura 5. Nestes conversores, o

magnésio, normalmente puro, é colocado em um dispenser ou câmara de magnésio no fundo do

equipamento (Figura 5A) que contém o ferro líquido. Em seguida o equipamento é girado e sua

tampa fechada, passando o ferro líquido cobrir a liga de magnésio, processando-se assim a

reação (Figura 5B). Os vapores de magnésio atravessam toda a massa ferrosa, reduzindo seus

teores de oxigênio e enxofre, criando assim a condição favorável à formação da grafita

26

esferoidal.

Figura 5- Representação esquemática da nodulização em conversores. (ASM. Metals Handbook. Casting. 10th

Edition, 1996. Vol 15).

Outros métodos que podem ser empregados são “sanduíche”, “tundish cover e

“injeção de arame recheado com magnésio”. Nos processos “sanduíche” bem como no tundish

cover, utiliza-se normalmente uma liga granulada FeSiMg contendo de 5 a 7% de magnésio. O

processo sanduíche consiste em colocar uma quantidade de liga na bolsa (degrau) no fundo da

panela, recobri-la com sucata de aço, cavaco de ferro fundido ou FeSi granulado e em seguida

preencher a panela com metal líquido, ocorrendo assim a reação do magnésio com o metal. No

processo de tratamento tundish cover a liga nodulizante também é colocada no fundo da

panela, porém não é coberta com chapas de aço. Na parte superior da panela é colocado um

dispositivo refratário conhecido por tundish cover, que veda toda parte superior. Este

dispositivo funciona como um funil com um tampão. O metal é derramado sobre o tundish

cover e quando o tampão é aberto, passa pelo funil e cai dento da panela, cobrindo a liga

nodulizante. A partir deste momento a reação se processa. Um outro método também utilizado

é chamado de “arame recheado”, que se resume em um tubo de aço preenchido com uma liga

em pó que pode conter diferentes teores de magnésio, além de outros elementos de liga como

silício e cério. Este tubo é introduzido no ferro líquido e com o derretimento da fina parede de

aço, a liga nodulizante passa a ter contato com o ferro e desencadeia a reação. A Figura 6

mostra esquematicamente os processos tundish cover (Figura 6A) e sanduíche (Figura 6B).

27

Figura 6 - Representação esquemática dos processos de nodulização por tundish cover (A) e por sanduíche(B)

( ASM. Metals Handbook. Casting. 10th Edition, 1996. Vol 15).

Para se obter uma eficácia do processo de nodulização, alguns fatores e cuidados

devem ser respeitados. São eles:

O teor de magnésio necessário para produzir grafite esferoidal varia geralmente de 0,04 a

0,06%. Porem, se o teor inicial de enxofre for inferior a 0,015%, um teor mais baixo de

magnésio, na faixa de 0,035 a 0,04%, pode ser satisfatório;

Teor de S residual deve estar preferencialmente na faixa de 0,010 a 0,015%. Valores

menores podem prejudicar nucleação da grafita na inoculação e valores maiores consomem

Magnésio;

Temperatura do metal líquido: Devido à alta pressão vapor do magnésio, quanto mais alta

a temperatura, menor eficiência. A faixa de temperatura ideal para o processo é de 1450 a 1510

°C;

Tempo entre nodulização e vazamento: Depois de realizado a nodulização, o vazamento

deve ser o mais rápido possível, sob risco de perda de eficiência do magnésio, o que provocaria

a degeneração da grafita, tendendo esta para a forma lamelar.

Se comparada com outras morfologias de grafita, a forma esferoidal permite a

obtenção de um ferro com elevada resistência ao escoamento e boa ductilidade, razão pela qual

lhe é atribuído o nome de “ferro dúctil”.

LIGA

DE

MAGNÉ

SIO

28

A Figura 7 apresenta a foto micrografia de grafitas na forma esferoidal. Pela Figura

7A pode-se verificar que o nódulo de grafita é formado por finas folhas que se assentam umas

sobre as outras como um repolho. Pela Figura 7B podem-se verificar dois nódulos de grafita em

uma matriz bainítica.

Figura 7 - Foto micrografia de grafitas na forma esferoidal, ou nodular. (ASM Metals Handbook, Properties

and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys. 10th Edition (1996). Vol 1.)

2.7. Processo de inoculação

A inoculação consiste na adição de compostos ferro silício logo antes do vazamento na

centrífuga ou no molde da fundição convencional. O objetivo da inoculação é favorecer a

formação de grafita. Aqui cabe uma reflexão. Por que a nodulização é feita antes da

inoculação? A resposta é simples. Se o banho fosse inoculado antes da nodulização, o efeito da

inoculação seria destruído pela agitação e pela elevação da temperatura que ocorre na

nodulização.

Um efeito importante e não intuitivo da inoculação é que ela contrabalança o efeito de

variações de sessão da peça. A formação de carbonetos é promovida por maiores taxas de

resfriamento. Em casos nos quais a peça tem variação de sessão o material que não fosse

inoculado seria, nas sessões mais finas, maior tendência à formação de carbonetos, maior

dureza e maior fragilidade do que em sessões mais espessas. Com a inoculação este efeito é

diminuído, pois a inoculação contrabalança o efeito das altas taxas de resfriamento nas sessões

finas da peça.

29

2.8. Microscopia Eletrônica de Varedura (MEV)

Na microscopia eletrônica a área a ser analisada é irradiada por um fino feixe de elétrons

e, como resultado da interação do feixe de elétrons com a superfície da amostra, uma série de

radiações é emitida, tais como: elétrons secundários, elétrons retroespalhados, raios-X

característicos, elétrons Auger, fótons, etc. Estas radiações, quando captadas corretamente, irão

fornecer informações características sobre a amostra (topografia da superfície, composição,

cristalografia, etc.) (Silva, Rodrigues, & Nono, 2008).

Na microscopia eletrônica de varredura os sinais de maior interesse para a formação da

imagem são os elétrons secundários e os retroespalhados. À medida que o feixe de elétrons

primários vai varrendo a amostra, estes sinais vão sofrendo modificações de acordo com as

variações da superfície. Os elétrons secundários fornecem imagem de topografia da superfície

da amostra e são os responsáveis pela obtenção das imagens de alta resolução, enquanto que os

retroespalhados nos fornecem imagens característica de variação de composição (Silva,

Rodrigues, & Nono, 2008).

2.9. Ultrassom

Método de ensaio não destrutivo com capacidade de detecção de descontinuidades

internas tipo porosidade central levando em consideração o custo de implantação, baixa

complexidade e rapidez durante o ensaio, e possibilidade de trabalho em grande escala de

produção.

O funcionamento deste ensaio baseia-se na introdução de um feixe sonoro de alta

frequência através do uso de uma sonda (cabeçote), que é colocada junto com um acoplante à

superfície do material a ser inspecionado. Durante o seu percurso, o feixe sonoro pode sofrer

reflexões em interfaces existentes no material. Descontinuidades como poros, trincas, inclusões

diversas, dupla laminação entre outros atuam como interfaces, o mesmo ocorrendo com as

paredes ou com a superfície do material.

A figura 8 mostra a representação esquemática de um equipamento de ultrassom onde se

destacam a fonte de energia para alimentação de todos os circuitos do equipamento, um

temporizador, um circuito gerador de pulsos, um circuito receptor/amplificador, um circuito de

varredura e uma tela para apresentação dos sinais.

O temporizador é o responsável pelo acionamento do gerador de pulsos, o qual excita

30

o elemento piezoelétrico da sonda. Ao mesmo tempo, ele aciona o circuito de varredura

do equipamento, conectado às placas de deflexão verticais. Este circuito é o responsável pela

medição do tempo, gerando uma linha horizontal na base da tela de apresentação dos sinais. Ao

ser excitado por um pulso elétrico o elemento piezoelétrico vibra, convertendo a energia

elétrica em energia acústica. O pulso sonoro gerado é então transmitido para a peça, através do

acoplante colocado entre a sonda e a superfície da mesma, propagando-se através do material.

Quando o feixe sonoro encontra uma superfície refletora em sua trajetória, ele retorna á sonda,

atingindo o elemento piezoelétrico, provocando a sua vibração. Através do efeito piezoelétrico

a energia sonora é convertida em energia elétrica. A voltagem induzida é amplificada pelo

circuito de amplificação conectado às placas de deflexão verticais e o sinal correspondente é

apresentado na tela, em uma determinada posição, que indica o tempo percorrido entre a

emissão e a recepção do sinal. Na figura 8 pode-se observar o retorno do sinal devido à

descontinuidade no material e do sinal referente à superfície da peça oposta àquela onde está

posicionada a sonda.

Figura 8– Representação esquemática de um equipamento básico de ultrassom.

<www.abmbrasil.com.br/epss/arquivos/documentos/2011_4_19_9_9_56_32042.pdf>

31

2.10. Tensão Residual em Tratamentos Térmicos

Designam-se por tensões residuais as tensões que se equilibram mutuamente (somatório

das forças e dos momentos igual à zero) num dado volume de material não sujeito a

constrangimento externo (nem térmico, nem mecânico).

As tensões residuais surgem sempre que uma dada região de um material é deformada

elástica ou plasticamente de modo não homogéneo fazendo surgir incompatibilidades do estado

de deformação.

As tensões residuais podem classificar-se em três grupos, de acordo com um esquema

proposto por Macherauch:

- tensões residuais de 1ª ordem que são aproximadamente homogéneas ao longo de áreas

relativamente extensas (vários grãos) e que estão em equilíbrio quando estendidas à globalidade

do material; qualquer interferência no equilíbrio de forças e momentos de um elemento de

volume contendo tensões de 1ª ordem trará como consequência uma alteração das suas

dimensões;

- tensões residuais de 2ª ordem que são aproximadamente homogéneas ao longo de um

grão ou de parte de um grão e que estão em equilíbrio para uma zona do material abrangendo

vários grãos; só são detectáveis variações macroscópicas de dimensões de um elemento de

volume contendo tensões residuais de 2ª ordem se ocorrer várias destas perturbações

elementares em diferentes regiões do material;

- tensões residuais de 3ª ordem que são heterogéneas quando analisadas numa área

submicroscópica, ou seja, à escala de algumas distâncias interatómicas, estando em equilíbrio

só ao longo de regiões muito reduzidas de um grão; se houver uma ruptura do equilíbrio deste

tipo de tensões não será detectável nenhuma variação macroscópica de dimensões.

A classificação das tensões residuais acima apresentadas pode ser posta em

correspondência com a classificação mais habitual de macro e microtensões. As macrotensões

são as tensões de 1ª ordem; são estas as tensões que usualmente são objeto de atenção numa

análise do ponto de vista de engenharia; as microtensões são consideradas como uma

combinação de tensões de 2ª e 3ª ordem.

32

2.11. Difratometria de Raios – X

A difratometria de raios X corresponde a umas das principais técnicas de caracterização

microestrutural de materiais cristalinos, encontrando aplicações em diversos campos do

conhecimento, mais particularmente na engenharia e ciências dos materiais, engenharias

metalúrgica, química e minas, além de geociências, dentre outras.

Os raios X ao atingirem um material podem ser espalhados elasticamente, sem perda de

energia pelos elétrons de um átomo (dispersão ou espalhamento coerente). O fóton de raios X

após a colisão com o elétron muda sua trajetória, mantendo, mantendo, porém, a mesma fase e

energia do fóton incidente. Sob o ponto de vista da física ondulatória, pode-se dizer que a onde

eletromagnética é instantaneamente absorvida pelo elétron e reemitida; cada elétron atua,

portanto, como centro de emissão de raios X.

Se os átomos que geram esse espalhamento estiverem arranjados de maneira sistemática,

como em uma estrutura cristalina (figura 9) apresentando entre eles distâncias próximas ao do

comprimento de onda da radiação incidente, pode-se verificar que as relações de fase entre os

espalhamentos tornam-se periódicas e que efeitos de difração dos raios X podem ser

observados em vários ângulos.

Figura 9 – Estrutura cristalina do NaCl mostrando regular dos íons Na+1 e Cl-1. À direita cristais de NaCl,

cuja morfologia externa está relacionada ao arranjo da estrutura cristalina.

<www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_multipart_xF8FF_2_DIFRACAO.pdf>

Considerando-se dois ou mais planos de uma estrutura cristalina, as condições para que

ocorra difração de raios X (interferência construtiva ou numa mesma fase) vão depender da

diferença de caminho percorrida pelos raios X e o comprimento de onda da radiação incidente.

Essa condição é expressa pela lei de Bragg, ou seja (Figura 10), onde

33

corresponde ao comprimento de onda da radiação incidente, “ “ a um número inteiro

(ordem de difração), “ ” a distância interplanar para o conjunto de planos hkl (índice de

Miller) da estrutura cristalina e ao ângulo de incidência dos raios X (medido entre ao feixe

incidente e os planos cristalinos).

Figura 10 – Difração de raios X.

<www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_multipart_xF8FF_2_DIFRACAO.pdf>

Equação 1 - Lei de Bragg

A intensidade difratada, dentre outros fatores, é dependente do número de elétrons no

átomo; adicionalmente, os átomos são distribuídos no espaço, de tal forma que os vários planos

de uma estrutura cristalina possuem diferentes densidades de átomos ou elétrons, fazendo com

que as intensidades difratadas sejam, por consequencia, distintas para os diversos planos

cristalinos.

2.12. Software GSP (Grupo de Solução de Problemas)

O software GSP (Grupo de Solução de Problemas) tem como objetivos: Promover

melhorias nos resultados e contribuir para o atendimento das metas; Estimular o trabalho em

equipe, a iniciativa e a participação de todos; Promover o uso de metodologia de solução de

problemas; Promover o comprometimento de todos frente às metas da empresa; Promover o

desenvolvimento pessoal; Reconhecer e remunerar as contribuições diferenciadas das equipes.

Utilizando o conceito MASP (Método de Análise e Solução de Problemas), o GSP se

divide em 8 etapas:

1. Identificação do problema: Será exposto o problema em questão, seu histórico, suas perdas

atuais e ganhos viáveis. É definido um item de controle que será responsável por mostrar a

evolução das metas. A definição de um cronograma também é estabelecida nessa etapa.

34

2. Observações: É feito toda a coleta de informações pertinentes ao projeto, utilizando algumas

ferramentas de qualidade para descobrir onde atacar o problema, suas características.

3. Análise: Definição das causas influentes e mais prováveis. É realizado um brainstorming

junto à equipe e em seguida, montado um diagrama de causa e efeito com foco nas causas

raízes do problema;

4. Plano de Ação: Nesta etapa ocorre a elaboração da estratégia de ações, envolvendo todos os

participantes do grupo. É utilizado a ferramenta de Lean Manufacturing 5W2H (é um

checklist de determinadas atividades que precisam ser desenvolvidas com o máximo de

clareza possível por parte dos colaboradores da empresa). O nome da metodologia vem do

inglês e siginifica:

What – O que será feito;

Why – Por que será feito;

Where - Onde será feito;

When – Quando será feito;

How – Como será feito;

How Munch – Quanto custará fazer;

5. Ação: Etapa de execução das ações

6. Verificação: Ocorre a comparação dos resultados antes e após as ações concluídas. São

levantados possíveis efeitos secundários, positivos ou negativos, provocados pelas

mudanças ocorridas. Essa etapa dura 3 meses, onde é verificado o atingimento das metas, e

em caso delas não serem alcançadas, o GSP retorna para a etapa 2, já se alcançadas o projeto

avança para a etapa 7.

7. Padronização: Elaboração ou alteração do padrão (estabelece um novo padrão de rotina)

e/ou treinamento, a fim de disseminar as mudanças ocorridas a toda equipe.

8. Conclusão: Levantamento dos problemas remanescentes (se houver). Há uma análise e

demonstrações gráficas dos resultados atingidos, assim como os pontos problemáticos

ocorridos durante o projeto.

Um problema é um resultado indesejável do trabalho, dividindo-se em:

Busca a recuperação de uma perda, a correção de um mau desempenho, o retorno a

desempenhos já atingidos no passado.

Melhorar um nível de desempenho existente, que já é bom, visando chegar a um nível de

benchmark.

As principais ferramentas empregadas para solucionar os problemas são:

35

• 1 – Estratificação: é uma técnica simples para agrupar dados (ou informações) em

subgrupos conforme determinados critérios. É utilizada para identificar as possíveis causas

que afetam um determinado processo.

• Destacam-se 4 pontos importantes a partir dos quais o problema deve ser investigado.

São eles: tempo, local, tipo e sintoma

• 2 – Diagrama de Pareto: é uma ferramenta importante que ajuda a identificar a “freqüência”

(número de vezes durante um tempo) que um problema está ocorrendo.

• É uma técnica que separa os poucos problemas (ou causas vitais) dos muito triviais (muito

freqüentes).

• Através de gráficos de barras, indica por meio de colunas dispostas em ordem decrescente,

a importância relativa de cada categoria de dados (por exemplo: trincas, riscos, etc).

3 – Folha de Verificação: É um formulário em papel no qual os itens a serem verificados já

estão impressos, de modo que os dados possam ser coletados de forma resumida e fácil. Suas

principais finalidade são:

Facilitar a coleta de dados;

Organizar os dados de acordo com a coleta, para serem usados facilmente mais tarde;

São exemplos de folha de verificação: distribuição do processo de produção; item

defeituoso; localização de defeitos; causa de defeitos.

4. O Diagrama de Ishikawa, também conhecido como Diagrama de Causa e

Efeito ou Diagrama Espinha-de-peixe1 , é uma ferramenta gráfica utilizada para o

gerenciamento e Controle da Qualidade (CQ) em processos diversos, especialmente na

produção industrial. Originalmente proposto pelo engenheiro químico Kaoru

Ishikawa em 1943 e aperfeiçoado nos anos seguintes.

Em sua estrutura, as causas dos problemas (efeitos) podem ser classificados como sendo

de seis tipos diferentes quando aplicada a metodologia 6M:

Método: toda a causa envolvendo o método que estava sendo executado o trabalho;

Matéria-prima: toda causa que envolve o material que estava sendo utilizado no trabalho;

Mão-de-obra: toda causa que envolve uma atitude do colaborador (ex: procedimento

inadequado, pressa, imprudência, ato inseguro, etc.)

Máquinas: toda causa envolvendo á máquina que estava sendo operada;

Medida: toda causa que envolve os instrumentos de medida, sua calibração, a efetividade de

indicadores em mostrar as variações de resultado, se o acompanhamento está sendo realizado,

se ocorre na frequência necessária etc.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Ishikawa#cite_note-InfoEscola-1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Gest%C3%A3o_da_Qualidade

http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenheiro

http://pt.wikipedia.org/wiki/Kaoru_Ishikawa

http://pt.wikipedia.org/wiki/Kaoru_Ishikawa

http://pt.wikipedia.org/wiki/1943

36

Meio ambiente; toda causa que envolve o meio ambiente em si ( poluição, calor, poeira,

etc.)e o ambiente de trabalho (layout, falta de espaço, dimensionamento inadequado dos

equipamentos, etc.).

O sistema permite estruturar hierarquicamente as causas potênciais de determinado

problema ou oportunidade de melhoria, bem como seus efeitos sobre a qualidade dos

produtos. Permite também estruturar qualquer sistema que necessite de resposta de

forma gráfica e sintética (isto é, com melhor visualização).

Figura 11- Exemplo de um Diagrama de Causa e Efeito [GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do

processamento de sucata. Pindamonhangaba, 2014.]

5. Histograma: representação gráfica na qual um conjunto de dados é agrupado em classes

uniformes, representado por um retângulo cuja base horizontal são as classes e seu

intervalo e a altura vertical representa a frequência com que os valores desta classe estão

presente no conjunto de dados. O histograma é um gráfico composto por retângulos

justapostos em que a base de cada um deles corresponde ao intervalo de classe e a sua

altura à respectiva freqüência. Quando o número de dados aumenta indefinidamente e o

intervalo de classe tende a zero, a distribuição de freqüência passa para uma distribuição

de densidade de probabilidades. A construção de histogramas tem caráter preliminar em

qualquer estudo e é um importante indicador da distribuição de dados. Podem indicar se

uma distribuição aproxima-se de uma função normal, como pode indicar mistura de

populações quando se apresentam bimodais.

37

6. Gráficos de Controle: Ferramenta que permite mostrar as “variações” do processo

identificando as “causas” destas “variações” que podem ser “causas comuns” ou “causas

especiais”.

Figura 12 - Gráfico de Controle e seus Sinais Estatísticos.[ GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do


O Gráfico de Controle consiste de uma linha central e duas linhas chamadas Limite

Superior de Controle e Limite Inferior de Controle e apresenta os valores característicos

marcados no gráfico representando o comportamento do processo.

7. Diagrama de Dispersão: Diagrama ou gráfico de dispersão é uma representação gráfica

para dados bivariados quantitativos, em que cada par de dados (x,y) é representado por um

ponto de coordenadas (x,y), num sistema de eixos coordenados.

Este tipo de representação é muito útil, pois permite realçar algumas propriedades entre os

dados, nomeadamente no que diz respeito ao tipo de associação entre os x's e os y's.

http://wikiciencias.casadasciencias.org/wiki/index.php/Dados_bivariados

38

3. Materiais e Métodos

3.1. GSP – Aumento do Processamento de Sucata

No dia 28/06/2013 foi iniciado um GSP (Grupo de Solução de Problemas), com a

participação de 6 colaboradores da Gerdau, com o objetivo de reduzir os custos com insumos

comprados para formar a carga fria que irá para os fornos de indução com o aumento da

produção mensal de sucata oxicortada no Pátio de Sucata. Atualmente o GSP se encontra no

último mês da etapa 6 (verificação).

Na primeira etapa desse projeto, após as definições da equipe e do problema que será

atacado, foram levantados e definidos os seguintes dados:

Dados Quantitativos: volume de cilindros no pátio de sucata = 12.000 toneladas; as

operações de corte ocorrem 6 dias por semana em 3 turnos; é necessário 2

operadores na atividade, um realizando o corte com o maçarico e outro auxiliando a

movimentação de cargas pela ponte rolantes, qual tem uma capacidade máxima de

12 toneladas;

Produção de peças cortadas no período de junho/2012 e setembro/2013:

39

Figura 13 - Produção de peças cortadas jun/2012 até set/2013. GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento

do processamento de sucata. Pindamonhangaba, 2014.

Definição do Item de Controle:

Figura 14 - Item de Controle. [GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do processamento de sucata.


40

Figura 15 - Projeção do Histórico e das Metas. [GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do


Levantamento da Base de Cálculo Utilizada:

Tabela 6 - Histórico do Valor Base e Metas Definidas

Cronograma Atual:

41

Figura 16 - Cronograma atual do GSP. [GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do processamento de

sucata. Pindamonhangaba, 2014.]

Previsão de Ganho:

Tabela 7 - Padrão de Calculo de Ganho

A – Produção Base (t/mês);

B – Produção Referência (meta ou real)(t/mês);

C – Margem de Contribuição (R$/t);

D – Rendimento Metálico Áreas Seguintes (%)

Ganho = (B-A)*C*D*12

Equação 2 - Calculo de ganho do GSP

Na etapa 2 do GSP foi levantado várias observações pertinentes ao problema e imagens

da situação atual, também foi feito um Pareto dos materiais cortados e o tempo média para se

realizar todos os cortes necessários em uma peça.

Observações levantadas:

- O bico dos maçaricos são trocados/reparados a cada duas semanas;

- Leva-se cerca de 40 minutos durante o processo de retirar a campânula, retirar sucata processada,

limpeza do local, inserir nova sucata a ser cortada e recolocar campânula;

- Há um armazenamento de sucata de cilindro de difícil processamento, no pátio externo da FEP;

42

- A variedade de materiais a serem processados é alta, não havendo uma seqüência dos cilindros

que são cortados;

- Deficiência no transporte de material, devido à falta de operadores de empilhadeira na área;

- Um único acumulador de ar é usado para suprir as necessidades tanto dos fornos como da

campânula, assim, quando utilizado durante a preparação de metal líquido nos fornos, o oxicorte

fica inoperante.

- Falta de sincronismo entre os turnos, não havendo uma preparação especifica do local de corte

para o turno seguinte;

Principais fotos anexadas no projeto:

Figura 17 - Cilindros armazenados no Pátio de Sucata. [GERDAU. PIN-PR-705-017 - Corte de sucatas e

confecção de ganchos para içamentos de blocos lingotados dos fornos. Pindamonhangaba, 2014.]

43

Figura 18 - Cortes realizados em diferentes tipos de cilindros. [GERDAU. PIN-PR-705-017 - Corte de

sucatas e confecção de ganchos para içamentos de blocos lingotados dos fornos. Pindamonhangaba, 2014.]

Figura 19 - Operação de Oxicorte. [GERDAU. PIN-PR-705-017 - Corte de sucatas e confecção de ganchos

para içamentos de blocos lingotados dos fornos. Pindamonhangaba, 2014.]

44

Gráfico de Pareto gerado a partir de informações levantadas pelos operadores do

maçarico:

Observação: Coquilha e Lingoteira não são cilindros embora sejam oxicortadas.

Figura 20 - Tempo de corte para cada material. [GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do


Seguindo para a próxima etapa do projeto, foi realizado um Brainstorming junto aos

operadores do pátio de sucata, onde cada um sugeriu 5 motivos que levam ao baixo volume de

sucata cortada, e em seguida, retirando as ideias repetidas, chegou-se as seguintes causas do

problema:

Falta de maçariqueiro fixo em três turnos;

Falta de rotina em deixar o corte abastecido quando não se esta cortando;

Corte desabastecido devido a indisponibilidade da ponte rolante;

Falta de planejamento e controle dos materiais a serem cortados;

Tempo ocioso da ponte rolante atrasa o corte;

Paradas no corte por ausência de maçariqueiro;

Paradas no corte devido a utilização do exaustor nos fornos;

Elevada demanda de corte para a aciaria;

Falta de materiais no estoque, por exemplo, pó de ferro e bico de injeção;

Serviço de transporte inadequado;

Indisponibilidade de abastecimento do corte com peças pesadas;

45

Potência da oxicorte abaixo da esperada;

A partir desse levantamento foi montado o diagrama de causa e efeito. Segue abaixo as

causas prováveis encontradas:

Figura 21 - Causas Prováveis Encontradas.[ GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do processamento

de sucata. Pindamonhangaba, 2014.]

46

Já com as causas prováveis fez-se uso do teste de hipótese para analisar quais causas

serão realmente atacadas:

Figura 22 - Teste de Hipótese – Seleção das Causas a serem Atacadas. [GERDAU. Projeto GSP 12915 -

Aumento do processamento de sucata. Pindamonhangaba, 2014.]

47

Uma matriz de priorização é feita para se saber quais causas são as de maior prioridade

para serem atacadas primeiro.

Tabela 8 - Matriz de Priorização

48

A etapa de elaboração do plano de ação foi feita de modo a gerar ações que ataquem as

causas levantadas anteriormente e que todos os participantes da equipe fique responsável por

pelo menos uma ação. A etapa 5 é a realização destas ações. Segue plano de ação com as ações

concluídas:

Figura 23 - Plano de Ação com as ações concluídas. [GERDAU. Projeto GSP 12915 - Aumento do


49

A etapa 6, verificação, mostra os resultados obtidos pelo GSP, sendo assim será

apresentado no tópico “Resultados e Discussões”.

3.2. Processo de Oxicorte

Com a ajuda de empilhadeiras e ponte rolante com eletroímã acoplado, a sucata de

cilindros é transportada para a área de corte, onde uma campânula é colocada posteriormente. O

sistema de coletor de pó é ligado nela a fim de evitar emissões de poluentes para a atmosfera.

As peças a serem cortadas são primeiramente demarcadas com giz, para que não

ultrapasse 800 mm (tamanho máximo dos pedaços utilizados nos fornos de indução). O corte é

feito com um maçarico, o qual utiliza oxigênio e gás acetileno para se obter a chama, que é

regulada de acordo com o material a ser cortado. Para mesas de cilindros é injetado pó de ferro

através de uma tubulação acoplada no próprio maçarico para obter maior velocidade de corte.

Em seguida, com o auxílio da ponte rolante, a campânula é retida, os pedaços cortados

são armazenados nos locais de coleta e a área do corte é limpa.

3.3. Etapas do processo de desenvolvimento do metal líquido

3.3.1. Preparação da carga sólida

Esta etapa compreende desde o cálculo da carga fria (cálculo de todo o material que

será necessário ser adicionado ao forno para posterior fusão) até a pesagem e separação da

matéria-prima nas caçambas (ou cestos). No cálculo da carga fria deverão ser consideradas a

composição química da matéria-prima, seu custo e os residuais líquidos do forno, retornos

líquidos de fundição ou residuais de outros fornos. Para o cálculo da carga também será

calculado o custo do emprego (custo de todos os materiais usados na produção do metal líquido

+ o custo operacional do pátio de sucata, que engloba todos os insumos utilizados, mão de obra,

gastos com gás, energia elétrica, manutenção etc) para verificar a possibilidade da otimização e

redução de despesas desnecessárias com matéria-prima e energia. No cálculo da carga são

definidos os pesos de todas as matérias primas empregadas, além das sobras líquidas, tais

como:

Sucata de aço;

Gusa;

Sucata de cilindro (classificada ou identificada por tipo de metal);

50

Retorno sólido da fundição (canais, maçalotes, rebarbas);

Adições metálicas ferrosas (Fe-Si, Fe-Mo, Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-V, etc.);

Adições metálicas não ferrosas (Al, Cu, Ni, Mg, etc.);

Adições não metálicas (Ca-Si, CaO, fluorita, grafite, etc.)

Depois de calculado os pesos necessários para cada constituinte da carga, prepara-se a

carga fria. Esta preparação é feita por meio de pesagem dos materiais, que são acondicionados

em caçambas (figura 11) e em seguida, transportados para o forno.

Figura 24 - Exemplo de caçamba utilizada para a disposição de matéria-prima. [GERDAU. PIN-PR-705-

017 - Corte de sucatas e confecção de ganchos para içamentos de blocos lingotados dos fornos. Pindamonhangaba,

2014.]

As variáveis de controle nesta etapa são:

• Massa de metal (ou densidade da carga);

• Especificação de composição química da carga objetivada;

• Composição química da matéria-prima (gusa, sucata, retorno, etc.);

• Aspecto superficial da matéria prima, que deve estar seca e sem a presença de óleo, graxa e

outras impurezas;

• Dimensões da sucata e retornos de fundição de modo a caber no forno;

• Massa de metal líquido residual dentro do forno (pé-de-banho);

• Dimensões e estado das adições (ferro-liga, metais, etc.).

• Padrão de carga (quantidade de material permitido por tipo de material fabricado)

3.3.2. Carregamento do Forno

Após a carga fria ter sido preparada, o forno é carregado. Como normalmente ocorre

sobra líquida de metal no forno, esta operação deve ser feita com muito cuidado para se evitar

projeção de metal líquido para fora do forno, oferecendo riscos de segurança tanto ao operador

como para o equipamento. Antes de cada carregamento, deve-se realizar uma inspeção do

estado de conservação do refratário, incluindo pontos de erosão (buracos), destacamento de

51

borda, trincas, etc. Deve-se também, realizar um exame dimensional, com o objetivo de

verificar o limite da vida útil do refratário do forno, realizando-se um acompanhamento para

medir o consumo do mesmo a cada corrida. Com este procedimento é possível prever a parada

do forno para reconstruir o refratário do forno.

Esse controle dimensional do refratário é muito importante para se evitar o

vazamento de metal com o rompimento do refratário. Esse vazamento poderá provocar uma

fatalidade com operadores e, inevitavelmente, causará a destruição da bobina refrigerada e dos

cabos de ligação.

3.3.3. Fusão ou derretimento da carga

Nesta etapa é realizada a fusão da carga, que é feita em fornos de indução. No caso

da fundição de cilindros em Pindamonhangaba, essa operação pode ser realizada em 5 fornos

distintos, como listado a seguir:

1 forno de 5 toneladas, frequência de rede;

2 fornos de 8 toneladas, frequência de rede;

1 forno de 25 toneladas, frequência de rede e

1 forno de 25 toneladas, média frequência.

As variáveis de entrada são:

• A regulagem do forno através de comutador (tap), com o qual se define a potência a ser

empregada no processo;

• Ciclo de preparação do produto;

• Temperatura do banho líquido.

As variáveis de controle são:

• Temperatura do banho

• Horário (monitoramento temporal)

Durante o processo de fusão, é muito importante o monitoramento da movimentação da

carga sólida para se evitar impactos e/ou projeção de metal líquido para fora do forno. Muitas

vezes o processo de carregamento é realizado em conjunto com o processo de fusão para se

evitar deslocamentos bruscos e/ou impactos da carga sólida com a parede do forno (refratário).

52

3.3.4. Preparação da composição química

Após a completa fusão do banho inicia-se a preparação da composição química, fazendo-

se a marcha de análises e adições para atender a especificação da composição química. Com o

banho totalmente líquido e homogeneizado, realiza-se a 1ª pré-análise química, cujo objetivo é

verificar a composição química do metal para se determinar as primeiras adições. A medição da

temperatura do metal, com ponta de imersão, deverá ser acompanhada durante todo o processo

de produção do metal líquido conforme o ciclo de preparação de cada produto. Essa medição e

a ponta de imersão estão exemplificadas na figura 25.

Figura 25 - Medição de temperatura do banho metálico no forno de indução e exemplo das pontas de

imersão.[ GERDAU. PIN-PR-715-007 - Fundição de cilindros DM. Pindamonhangaba, 2014.]

De posse do resultado da análise química, é feito o primeiro ajuste de composição por

meio da adição de ferro-liga e metais puros, na quantidade necessária. Depois de realizado o

cálculo da adição, o material é pesado e adicionado ao banho metálico após ter sido realizada a

devida limpeza (remoção de escória sobrenadante). O cálculo da quantidade de liga a ser

adicionada é dado pela equação 2:

53

Equação 3 - Peso da liga a ser adicionado ao forno

O processo de correção da composição química normalmente ocorre por aproximação

sucessiva. Logo, depois de realizadas a primeira correção faz-se uma 2ª pré-análise química e

outra medição de temperatura. Caso a composição química e a temperatura do metal estejam na

faixa requerida para vazamento e tenha atendido à especificação requerida ou valores visados, é

solicitada a panela para vazamento, que deve estar devidamente aquecida. Depois de

posicionada a panela próxima à bica de vazamento do forno, as ligas adicionadas na panela são

então colocadas no fundo dela. Em paralelo o metal é aquecido até a temperatura de vazamento

e em seguida vazado para a panela. A elevada temperatura do metal e agitação mecânica que

ocorre durante o vazamento no interior da panela, promove a dissolução das ligas adicionadas e

a homogeneização do metal em termos de composição química e temperatura.

Caso a composição química obtida na 2ª pré-análise química não esteja adequada, é

realizado uma 3ª pré-análise. De posse desta 3ª pré-análise, é realizado as correções químicas

da carga e em seguida é feito a solicitação da panela de vazamento seguindo as mesmas

orientações descritas acima.

54

3.3.5. Equipamento empregado para preparação do metal líquido

O metal líquido é produzido em fornos de indução eletromagnética a partir de uma

mistura de sucatas, gusa ferro-liga e ligas metálicas não ferrosas (Cobre, Alumínio, Zinco e

Magnésio) de composição conhecida.

Nos fornos à indução, a corrente elétrica passa pelo enrolamento primário, que é

constituída por uma bobina de tubo de cobre refrigerada a água, colocada no interior da carcaça

do forno. A passagem desta corrente pela bobina de indução produz um campo magnético, que

por sua vez gera um fluxo de corrente induzida, que são chamadas de “Correntes de Foucault”

através do material de metálico da carga, que se aquece. Quanto maior a frequência, maior será

o efeito do aquecimento produzido pela corrente induzida, porém, menor será a agitação do

banho metálico. Por isso deve-se ficar muito atento com fornos de média e alta frequência, pois

o banho fica estático durante o processo, como consequência o metal poderá ficar menos

homogeneizado e, quando menos se espera, o metal estará em elevadas temperaturas.

A quantidade de energia absorvida pela carga depende da intensidade do campo

magnético, resistividade da carga, e da frequência de operação. Depois de fundida, a carga

líquida é agitada pela ação do campo magnético formado em seu interior e pela passagem de

corrente induzida na carga. Ação desta agitação se dá em quatro quadrantes dentro do forno e é

extremamente benéfica para homogeneização do banho e para limpeza do metal, contribuindo

para eliminação de gases, gerando assim um metal mais limpo e homogêneo se comparada com

o produzido em fornos elétricos a arco direto.

Entre a bobina de cobre (primário) e a carga metálica (secundário) vem o

revestimento refratário do forno, que é constituído de uma massa refratária monolítica

sinterizada de material cerâmico refratário. Este revestimento tem a função de resistir ao calor,

ao ataque químico das escórias além de ser um isolante térmico.

A Figura 26 mostra esquematicamente um forno á indução do tipo cadinho, similar

aos empregados para produção de cilindros.

55

Figura 26 - Vista em corte transversal de um forno de indução do tipo cadinho. (ASM. Metals Handbook.

Casting. 10th Edition, 1996. Vol 15).[ GERDAU. PIN-PR-715-007 - Fundição de cilindros DM.


3.3.6. Vazamento do metal líquido e adições na panela

Depois de elaborado o metal e ajustado sua temperatura, procede-se ao vazamento ou

transferência do metal líquido do forno para a panela. Esta operação deve ser realizada de

maneira rápida para evitar perda excessiva de temperatura, oxidação do metal, absorção de

gases e controlada para evitar projeção de metal para fora da panela com possíveis acidentes.

Antes do basculamento, devem ser observadas as condições da panela. As mesmas

devem estar pré-aquecidas e seu revestimento refratário deve apresentar-se em bom estado, sem

descascamento bem como desgaste excessivo, ou escória aderida à parede. A plataforma do

forno e o captor devem ser mantidos limpos, para que não haja contaminação da panela durante

o vazamento. Depois de observadas as condições da panela, a mesma deve ser posicionada o

mais próximo possível da bica de vazamento do forno, para evitar perda excessiva de

56

temperatura durante o basculamento além de diminuir o risco de projeção de metal e,

consequentemente, acidentes. Durante o basculamento, é realizada a inoculação e a adição na

panela de Ferro Silício e grafite para favorecer e aumentar o número de nódulos de grafita ou o

número de veios de grafita. Esta operação é normalmente realizada por meio da adição do

inoculante direto no jato de metal ou no fundo da panela. A adição do inoculante nunca deverá

ser feita antes do primeiro jato de metal líquido. Deve-se tomar o cuidado de trabalhar com

inoculantes com granulometria adequada. Em geral, deve se evitar grandes granulometrias, que

são de difícil dissolução, e pó muito fino, de fácil oxidação. Além da inoculação, também

podem ser realizadas algumas correções finais de composição química por meio da adição de

algumas ligas. Deve-se tomar o mesmo cuidado com a granulometria, como visto para os

inoculantes. A Figura 27 ilustra uma operação de vazamento.

Figura 27 - Operação de basculamento ou transferência do metal do forno para a panela.[ GERDAU. PIN-

PR-715-007 - Fundição de cilindros DM. Pindamonhangaba, 2014.]

3.4. Processo de Moldação e Pintura

O termo Moldação é utilizado para descrever as operações de preparação do molde dentro

de um processo de fundição. Ela é uma atividade de fundamental importância para toda

produção. O desenvolvimento de todo processo de fundição está muito ligado ao

desenvolvimento dos processos de moldagem. O aperfeiçoamento dos métodos e dos materiais

de moldagem tem contribuído decisivamente para a fabricação econômica de peças fundidas

57

cada vez mais complexas, com precisão dimensional e com menor probabilidade de ocorrência

de defeitos, além de melhor acabamento superficial. Esses aprimoramentos, aliados as melhores

práticas de elaboração de metal, desenvolvimento de ligas especiais, cada vez mais limpas além

de vazamento controlado, tem permitido aos produtos fundidos conquistarem cada vez mais

espaço, em detrimento de produtos forjados ou mesmo estampados.

3.4.1. Materiais empregados na Moldação

Os materiais empregados em uma moldação são na maioria das vezes uma mistura

homogênea de areia base, aglomerantes, água (no caso de moldes com areias sintéticas

argilosas) e aditivos, para adequar suas propriedades à moldação e as solicitações impostas pelo

metal durante o enchimento do molde e solidificação. Esta mistura é normalmente conhecida

como “areias de moldagem” ou “areias de fundição”.

Os Constituintes normais de uma areia de moldagem:

3.4.1.1. Areia Base

Material mineral granular, refratário, com tamanho que varia desde 0,06mm até 2,0mm

aproximadamente. É normalmente resultado da fratura e decomposição de rochas através de

ações das intempéries ou através de transformação mecânica por processos de britagem,

moagem e classificação. As principais areias base utilizadas em fundições são areias de sílica,

cromita e zirconita, sendo as silicosas as mais empregadas em função de sua maior

disponibilidade e menor custo. As areias de Cromita ou Zirconita são areias especiais, usadas

em regiões críticas como pontos quentes, por apresentarem maior refratariedade e capacidade

de troca de calor quando comparadas com a sílica. Estas areias melhoram o acabamento

superficial, diminuindo a sinterização e problemas relacionados à expansão.

Sendo o constituinte básico na areia de moldagem, algumas características como

estabilidade dimensional e térmica à temperaturas elevadas, granulometria e forma do grão,

integridade dos grãos, pureza, limpeza e composição química devem ser atendidas de modo a

se permitir obter moldes com dureza, baixa geração de gases, refratariedade, permeabilidade e

expansibilidade adequadas ao processo de fundição.

As formas normais dos grãos de areia são arredondadas, sub-angulares e angulares. No

processo de fabricação de cilindros emprega-se areias com grãos sub-angulares, que permitem

a produção de moldes com melhor combinação de propriedades como resistência,

58

permeabilidade associadas à menor expansibilidade, riscos de penetração e sinterização de

areia.

Outra característica física importante em uma areia é seu módulo de finura, que é

calculado a partir da distribuição granulométrica de uma areia base. Ele é determinado através

de um ensaio realizado em laboratório empregando uma série de peneiras padronizadas. Neste

ensaio se determina qual é a distribuição granulométrica da areia e a partir desta distribuição,

qual o seu módulo de finura AFS (Somatório dos três maiores percentuais retidos em três

peneiras consecutivas) e seu teor de finos (percentual retido nas duas últimas peneiras e prato

final). O Módulo de finura deve atender ao especificado para a areia base e o percentual de

finos deve ser sempre o menor possível de modo a se consumir menos aglomerante e obter

propriedades físicas adequadas ao molde como resistência à compressão, dureza,

permeabilidade, baixa geração de gases, baixa expansibilidade, etc.

A Figura 28 mostra amostras de areias base normalmente empregadas em fundição. A

Tabela 9 apresenta as características Químicas e Físicas das principais areias base empregadas

em fundição.

Figura 28 - Areias base empregadas em fundição. (A) Sílicosas sub-angulares; (B) Cromita.[ GERDAU.

PIN-PR-263-023 - Análise metalúrgica. Pindamonhangaba, 2014.]

59

Tabela 9 – Características químicas e físicas de areias base empregadas em fundição (adaptado de Fernandes,

2001, p.31).

3.4.1.2. Aglomerantes e Aditivos

Os aglomerantes e aditivos empregados em uma areia de moldagem têm a função de

manter os grãos de areia ligados entre si, formando em torno dos grãos de areia um filme

contínuo e homogêneo de ligantes.

A Figura 16 mostra esquematicamente alguns grãos de areia envolvidos por uma mistura

de aglomerantes e aditivos.

60

Figura 29 - Representação esquemática de grãos de areia envolvidos por um filme de aglomerantes e

aditivos.[ GERDAU. PIN-PR-263-023 - Análise metalúrgica. Pindamonhangaba, 2014.]

O tipo de aglomerante empregado determinará que tipo de processo está sendo utilizado.

Existem basicamente dois tipos de processos para moldagem em areia. Os que utilizam argila e

água na constituição da areia de moldagem e requerem processos mecânicos para compactação

do molde, também conhecidos como processos com areia sintética argilosa à verde ou

estufados e os que não requerem compactação mecânica da areia e sua resistência é adquirida

através de uma reação química, conhecidos como processo de moldagem química.

No caso da fabricação de cilindros de laminação, empregam-se os dois processos, ou seja,

processos que requerem compactação mecânica e utilizam argilas como principal aglomerante

(conhecidos como areia sintética argilosa estufada) e processos químicos com resinas do tipo

furânica.

3.4.2. Preparação da areia de moldagem

Após definidas as composições, os tipos de aglomerantes e aditivos a serem utilizados

em uma areia de moldagem, a mesma é preparada ou misturada em misturadores específicos

para preparação de areia de moldagem. O objetivo da mistura é distribuir o aglomerante, água e

aditivos, de modo uniforme, sobre todos os grãos de areia. No caso de areias sintéticas

aglomeradas com argila, os equipamentos empregados são normalmente misturadores de galga

ou “mós” com raspadores que movimentam (revolvem) a areia dentro da cuba, agitadores que

promovem movimentação intensa de todos os constituintes da mistura e arejadores para manter

a mistura solta, sem grumos ou bolos de areia, com fluidez adequada ao processo. Para areias

61

com ligante químico empregam-se misturadores contínuos que apresentam uma calha de

mistura que recebe adições automáticas de areia, aditivos, resina e catalizador. No interior desta

calha tem-se um eixo com palhetas que gira a elevadas rotações, propiciando uma mistura

homogênea de areia, aglomerantes e aditivos.

Figura 30 - Misturadores empregados na preparação de areia. (A) Misturador de galga ou com “mós

verticais”; (B) Misturador contínuo para areias quimicamente ligadas (cura a frio).[ GERDAU. PIN-PR-263-023 -

Análise metalúrgica. Pindamonhangaba, 2014.]

3.4.3. Preparação do Molde

O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça

desejada. Como já visto, ele é feito de material refratário composto de areia, aglomerante,

aditivos e água. Esse material é moldado sobre o modelo que, depois de retirado, deixa uma

cavidade com o formato da peça fundida.

Para preparação dos moldes são utilizadas as caixas de moldagem que são posicionadas

sobre o modelo. Estas caixas são metálicas e têm a função de segurar a areia durante o

socamento. No caso da produção de cilindros de laminação, as caixas são conhecidas como

camisas.

No caso de cilindros de laminação, o molde é composto de três partes: Caixa inferior,

coquilha ou caixa intermediária (região da mesa do cilindro) e caixa superior ou montante.

A areia preparada para moldagem é acondicionada em caçambas especiais e transportada

para a área de moldação. Como apresenta água em sua constituição, ela deve ser protegida com

pano umedecido para evitar a evaporação da água e secar a areia.

62

Depois de posicionadas as caixas sobre o modelo, a areia é colocada e inicia-se o

socamento, empregando martelete pneumático no caso de moldes estufados (Cilindros

FHW/WR) ou soquetes de madeira no caso de moldes de cura a frio ou moldagem química

(Cilindros leves). A Figura 31 mostra o processo de socamento do molde.

Figura 31 - Processo de socamento de areia do molde.[ GERDAU. PIN-PR-715-001 - Montagem de

Ferramental para Vazamento. Pindamonhangaba, 2014.]

Após socamento de toda a caixa, o modelo é extraído e o molde encaminhado para

pintura. A Figura 32 mostra as duas caixas (inferior e superior) após o socamento, aguardando

pintura.

63

Figura 32 - Caixas inferior e superior moldadas, aguardando pintura e estufagem.[ GERDAU. PIN-PR-715-

001 - Montagem de Ferramental para Vazamento. Pindamonhangaba, 2014.]

Após moldagem, realiza-se o processo de pintura. Os moldes são pintados com tinta

refratária à base de zirconita ou zirconita-grafite solúvel em água. A pintura tem a função de

garantir o isolamento do metal em relação ao molde, melhorar o acabamento superficial,

reduzir risco de penetração de metal, aumentar a refratariedade do molde, visto que a tinta de

zirconita é mais refratária que a areia de moldagem, e facilitar o movimento do metal sobre o

molde.

Depois de pintados, os moldes são estufados. O objetivo da estufagem é secar a tinta

e o molde, reduzindo os percentuais de água na mistura de areia para valores inferiores à 0,5%

de água. O processo é realizado em estufas especiais com grande circulação de ar quente. Os

principais parâmetros de controle no processo de estufagem são temperatura, normalmente de

150 a 315°C e tempo que é função da massa de areia a ser secada. Após estufados e secos, os

moldes são resfriados ao ar. Os moldes estufados são os mais indicados para peças de maior

porte. Se comparados com outros processos de moldagem em areia, apresenta maior dureza,

resistência à compressão significativamente maior, menor evolução de gases e maior

estabilidade dimensional.

A Figura 33 mostra uma parte de um molde após pintura e estufagem.

64

Figura 33 - Molde inferior pintado e estufado.[ GERDAU. PIN-PR-715-001 - Montagem de Ferramental

para Vazamento. Pindamonhangaba, 2014.]

3.4.4. Montagem – Preparação da Coquilha

A região de trabalho de um cilindro de laminação necessita ter uma resistência ao

desgaste maior que as outras regiões. Esta resistência é obtida por meio do aumento da dureza

do material, que é consequência da adequação de sua microestrutura, feita principalmente

ajustando sua composição química e aumentando sua velocidade de resfriamento durante a

solidificação. Este aumento de velocidade de resfriamento é realizado empregando uma

coquilha ou molde metálico, com a forma da peça, onde o metal resfria a partir da fase líquida,

com uma velocidade tal que praticamente toda a grafitização é eliminada e o carbono fica

retido na forma combinada.

Desta forma, a preparação da coquilha ou molde metálico é fundamental para se obter um

cilindro com qualidade.

Material da coquilha

As coquilhas são produzidas em ferro fundido cinzento. Estes materiais por

apresentarem grande quantidade de grafite lamelar em sua estrutura, possuem elevada

65

condutividade térmica associada a uma boa estabilidade dimensional. Tem baixo custo de

produção quando comparado com outros materiais metálicos e uma excelente usinabilidade.

Porém, são frágeis e trincam com facilidade.

As coquilhas são usinadas de modo a garantir suas medidas internas de acordo com o

diâmetro de mesa do cilindro que se quer produzir e sua montagem posterior no sleeve. Ao

longo de toda a superfície da coquilha são feitos furos em posições prévia e rigidamente

definidas, onde posteriormente serão colocados os batoques, insertos metálicos com pequeno

furo longitudinal passante, que funcionarão como ventilações para saída de gás durante o

vazamento. A vida de uma coquilha está diretamente relacionada com a posição destes

batoques, com a qualidade do seu material e com o cuidado em seu manuseio e uso.

Considerando que cada coquilha atende a um tipo ou família de cilindros, sua vida é muito

importante no custo de produção. Quanto maior a vida de uma coquilha, menor o custo de

produção do cilindro. A figura 34 mostra uma coquilha.

Figura 34 - Coquilha empregada na produção de cilindros.[ GERDAU. PIN-PR-715-001 - Montagem de

Ferramental para Vazamento. Pindamonhangaba, 2014.]

3.4.5. Pintura da coquilha

Para evitar o contato direto do metal líquido com o metal da coquilha, elas

são pintadas com tinta a base de zirconita solúvel em água. Esta pintura tem basicamente duas

funções: evitar o contato metal-metal, o que levaria ao caldeamento (ou fusão superficial como

numa soldagem) do metal do cilindro com a coquílha bem como controlar a velocidade de

resfriamento imposta pelo metal da coquilha ao metal do cilindro. O caldeamento do metal na

coquilha tem como consequência o sucateamento do cilindro e muitas vezes da própria

coquilha. A espessura da tinta tem que ser muito bem controlada. Uma camada fina de tinta

pode permitir o caldeamento ou uma alta velocidade de resfriamento do metal do cilindro,

66

acima do aceitável, ocasionando trinca na região da mesa e consequente sucateamento do

cilindro. Uma espessura de tinta muito grossa, acima do especificado, reduz muito a velocidade

de resfriamento do metal podendo-se obter um cilindro com uma dureza baixa, o que levaria ao

seu sucateamento também. Logo, seu controle é fundamental.

A pintura da coquilha é realizada em equipamento específico. O controle da

composição química e densidade da tinta são fundamentais para que se obtenha uma pintura

uniforme e com a espessura desejada.

Após pintura, a coquilha passa por um processo de estufagem para secagem

da tinta. Neste processo o controle do tempo e da temperatura é muito importante.

Como se trata de materiais diferentes, sendo um metálico (coquilha) e um

cerâmico (zirconita), durante o processo de estufagem com a elevação da temperatura, tanto a

coquilha quanto a camada de zirconita já seca, dilatam. Porém, como seus coeficientes de

dilatação linear são diferentes, e, tendo o metal um coeficiente de dilatação maior, ele dilata

mais que a cerâmica. Isto leva a formação de uma malha de trincas no material cerâmico sobre

o metálico. Esta malha de trinca funciona como vias de escape para a saída dos gases. Como

toda a coquilha é pintada, esta malha também passa pelos batoques que são as ventilações, fica

assim definida a saída de gás. Logo, a existência desta malha de trincas na pintura também é

fundamental para produção de um cilindro com qualidade.

A coquilha deve ser preparada para cada vazamento. Esta preparação passa por limpeza

da tinta remanescente do vazamento anterior por meio de lixamento, limpeza e desobstrução

dos batoques, pintura e estufagem. Uma limpeza deficiente deixará tinta do vazamento anterior,

e esta tinta irá causar problemas no vazamento posterior. Logo, esta limpeza deve ser muito

bem realizada. A Figura 35 mostra uma coquilha em processo de limpeza e a Figura 23 mostra

a superfície interna de uma coquilha após inadequada limpeza.

67

Figura 35 – Processo de limpeza da coquilha.[ GERDAU. PIN-PR-715-001 - Montagem de Ferramental para

Vazamento. Pindamonhangaba, 2014.]

Residual

de tinta

Figura 36 - Superfície interna de uma coquilha após limpeza inadequada, ainda apresentando residual de tinta.[

GERDAU. PIN-PR-715-001 - Montagem de Ferramental para Vazamento. Pindamonhangaba, 2014.]

68

3.5. Fundição FHW

Uma programação prévia é feita a fim de definir qual tipo de cilindro e o ferramental que

será utilizado por ele. Desta forma, a célula Moldação e Pintura têm por objetivo entregar

prontas as caixas e coquilha que serão utilizadas na fundição.

Na área de montagem, as caixas e a coquilha são posicionadas e presas dentro de um

slevee (capa metálica cujo dimensional é próprio para encaixe na máquina centrífuga,

possuindo regiões específicas que entram em contato com os rolos giratórios da máquina,

promovendo a centrifugação do metal líquido) de forma a garantir que durante o processo de

fundição não ocorra vibrações ou vazamento de metal líquido. No topo do slevee é presa uma

tampa, com o auxílio de um macaco hidráulico, para fixar a caixa superior na coquilha e

também garantir maior segurança de que o conjunto esteja preso no slevee.

Com o auxílio de ponte rolante, o slevee com o conjunto é transportado até o interior da

máquina.

O processo de fundição de um cilindro irá depender das especificações do cliente, pois

existem diferentes tipos de processos de fundição FHW devido os diferentes tipos de materiais

da casca e do núcleo. O processo de fundição que será descrito é o DM (Double Method), onde

o metal da casca é vazado na máquina e o núcleo é vazado totalmente na fossa.

Já com o slevee posicionado na máquina, o metal líquido da casca é vazado em um funil,

qual quando aberto, o metal é transferido por uma tubulação até o interior do conjunto, que esta

em uma rotação pré-estabelecida de forma que o metal fique na região da coquilha, formando a

superfície externa da mesa do cilindro (casca). A figura 37 mostra um vazamento de metal no

interior da centrífuga FHW.

69

Figura 37 - Vazamento de metal líquido na centrífuga FHW. [GERDAU. PIN-PR-715-007 - Fundição de

cilindros DM. Pindamonhangaba, 2014.]

O tempo de permanecia do slevee dentro da máquina também é um parâmetro que precisa

ser respeita, para que em seguida, o slevee seja levado e posicionado dentro da fossa, onde

receberá o metal do núcleo.

Com o slevee posicionado na fossa, um funil é posicionado em seu topo, onde através do

basculamento da panela contendo o metal do núcleo, ocorre um processo de fundição estática,

completando o restante do conjunto. Na figura 38 pode-se observar esta operação.

70

Figura 38 - Vazamento de metal líquido para dentro do sleeve posicionado na fossa. [GERDAU. PIN-PR-

715-007 - Fundição de cilindros DM. Pindamonhangaba, 2014.]

O processo de solidificação restante ocorrerá na fossa, com tempo para desmolde também

pré-estabelecidos.

3.6. Desmolde e Ultrassom

Identificado o cilindro a ser desmoldado, com o auxilio de correntes e ponte rolante, a

tampa do slevee é retirada. Em seguida, uma manilha é encaixada na caixa superior presente no

interior do slevee, que é sacada e levada para local adequado, deixando livre o pescoço superior

do cilindro. Colocando um cabo de aço tipo enforcador no gancho da ponte rolante, o pescoço

do cilindro é laçado e ele como um todo é retirado da fossa e levado para uma área de

armazenamento.

A coquilha e caixa inferior são então retiradas da fossa junto com o slevee para serem

desmoldadas e levadas para a célula Moldação e Pintura onde sofrerão o processo de limpeza.

A figura 37 mostra um cilindro em processo de desmolde.

71

Figura 39 - Desmolde de um cilindro. [GERDAU. PIN-IO-715-001 - Desmolde de cilindros FHW.


O cilindro já solidificado e desmoldado é posicionado em uma máquina de desbaste, para

remover excesso de material na superfície do cilindro e garantir um nivelamento do mesmo.

Nessa mesma máquina o maçalote (região que contém o rechupe produzido durante a

solidificação do metal líquido) é removido.

Em seguida o cilindro é posicionado na área de ultra-som. Um lubrificante é passado em

volta da mesa do cilindro para ajudar na realização do ensaio, que tem por objetivo identificar

desvios internos no material, como por exemplo, vazios gerados durante o processo de

solidificação ou a presença de trincas internas. O ensaio é realizado com a utilização de uma

sonda, e os resultados são enviados e armazenados em planilha eletrônica.

3.7. Tratamento Térmico

Nesta etapa do processo, o cilindro é levado até a célula Tratamento Térmico, onde serão

posicionados em fornos à gás ou elétricos, dependendo do ciclo de tratamento que cada cilindro

necessita.

Primeiramente é realizada uma etapa de aquecimento controlado. Nessa fase o que se

controla é a taxa de aquecimento, chamada na prática de velocidade de aquecimento que é

medida em graus Celsius por hora, ou graus Celsius por minuto. O aquecimento é feito por

chamas (queima de gás, óleo ou carvão) ou por resistência elétrica. O aquecimento ocorre de

fora para dentro e causa dilatação das peças e ao cruzar temperaturas ocorrerá o inicio de

transformações na microestrutura.

Em seguida ocorre à fase de manutenção do cilindro em um dado patamar, o que se

controla são a temperatura e o tempo na temperatura. A manutenção numa temperatura permite

72

que a temperatura da peça se homogeneíze e que as transformações da microestrutura se

completem e as peças tenham a máxima homogeneidade química e microestrutural naquela

temperatura. Cada temperatura de manutenção tem, portanto, um objetivo específico.

Para finalizar o tratamento vem à fase de resfriamento controlado, onde se controla a

taxa de resfriamento. O resfriamento ocorre de fora para dentro e causa contração na peça. Ao

cruzar temperaturas especiais ocorrerão transformações na microestrutura da peça.

Figura 40 - Cilindros sendo tratados em forno elétrico. [GERDAU. PIN-PO-263-016 - Verificação de

Tensões Residuais e Medição de Austenita Retida. Pindamonhangaba, 2014.]

3.8. Raios – X

Após o cilindro ter passado pelo tratamento térmico, ele é então posicionado em

cavaletes, onde serão demarcadas a giz, de acordo com o tamanho do cilindro, regiões que

sofrerão o processo de pista (com o auxílio de uma esmerilhadeira e uma lixadeira, as regiões

onde serão analisadas pelo espectrômetro de raios-x são trabalhadas de forma a ficarem com a

superfície lisa e brilhante).

O equipamento deve ser posicionado junto ao cilindro, conforme instruções específicas

do manual de operação. O método usual de determinação de tensão residual deverá ser o

73

ordinário (método do sin2). Geralmente os ângulos de incidência utilizados são 0º, 10º, 20º e

30º, mas se o valor de reliability exceder a 15% em relação à medida do equipamento, deve-se

aumentar o número de ângulos de incidência para 5 (cinco) ângulos, como por exemplo, 0º,

10º, 20º, 25º, 30º e assim por diante. Outras condições, como o uso do método parabólico

(MSF-2M, botão AUX), da isoinclinação etc., podem ser utilizadas em casos específicos,

devendo, nesse caso, ser anotado o método utilizado.

A tensão residual deverá ser avaliada em duas direções: longitudinal e circunferencial

(tangencial), fazendo-se, portanto, a varredura da pista para ambas as direções em função da

mudança de incidência nos planos cristalinos. Os resultados devem ser apresentados através de

um relatório padronizado e de propriedade da célula de Tratamento Térmico.

O equipamento da série Strainflex, da Rigaku, avalia a austenita retida pela comparação

das intensidades difratadas da radiação característica pelos planos {2 1 1} da fase alfa com

aquela observada pelos planos {2 2 0} da fase gama.

Devido a presença de outras fases, como carbonetos, pode ocorrer a superposição de

picos de difração ou mesmo o aparecimento de picos de difração próximos aos picos das fases

ferrita e martensita (2 ≈ 156º) ou austenita (2 ≈ 129º). Neste caso, o valor não pode ser

estimado com precisão, e apenas o modo gráfico, com integração manual dos picos, pode ser

utilizado para diminuir dúvidas quanto ao resultado real.

Para materiais que apresentam baixa fração volumétrica de carbonetos, deve-se empregar

o método automático. Nesse caso, os cálculos são feitos automaticamente por um software do

próprio equipamento. É sabido que para estes materiais o modo automático e gráfico

proporcionam resultados semelhantes.

A seguir exemplos de medições de DRX e austenita retina em um cilindro qualquer

(figuras 41 e 42).

74

Figura 41 - DRX sendo realizado em um cilindro

Figura 42 - Medição da quantidade de austenita retida em um cilindro.

[GERDAU. PIN-PO-263-016 - Verificação de Tensões Residuais e Medição de Austenita Retida.


3.9. Análise Microestrutural

Com o auxílio de lixadeira e esmerilhadeira é retirada uma amostra do maçalote do

cilindro. Após serem cortadas de acordo com as exigências do solicitante, as amostras são

identificadas da seguinte forma: Primeiramente é marcada a letra A, seguida do número da

amostra e pôr último é marcado o mês e o ano de recebimento da amostra.

Etapas da preparação da amostra:

1. Lixar utilizando lixas d’água até 600 mesh, girando a 90º a amostra quando mudar a grana da

lixa.

2. Polir utilizando primeiramente pasta e/ou suspensão de diamante de granulometria de 6µm,

fazendo-se em seguida a limpeza da superfície da amostra com água corrente e algodão e

logo após e despejado álcool sobre a amostra, secando-a imediatamente com ar comprimido.

Em seguida, polir em pasta e/ou suspensão de 1µm, após o término se repete o processo de

limpeza citado anteriormente.

Nas amostras preparadas, verifica-se a distribuição dos micro-constituintes, tais como,

grafita, matriz e carbonetos. A magnitude utilizada para o exame microscópio será determinada

de acordo com as necessidades de visualização dos micros constituintes, normalmente

iniciando com o menor aumento. No laboratório estão disponíveis os aumentos de 16x até

1000x. Quando solicitado, é emitido um relatório de análise e/ou realizado fotos como forma de

75

se confirmar a análise. Quando não há nenhuma solicitação, a evidência da realização da

análise na amostra é somente o apontamento no livro de recebimento de amostras.

4. Resultados e Discussão;

Primeiramente serão apresentados os resultados das ações realizadas pelo GSP. Paralelo a

isso, foi utilizado uma amostra de 9 cilindros de composições químicas variadas, com diferente

percentual volumétrico de sucata de cilindros, para que, por meio das técnicas sugeridas na

metodologia, seja comprovado que essas variações não geram desvios de qualidade.

4.1. Evolução do Item de Controle

Todos os resultados mensais a partir do início do GSP estão representados pela figura 43.

Figura 43 - Evolução das metas mostradas no Item de Controle do projeto.[ GERDAU. Projeto GSP 12915

- Aumento do processamento de sucata. Pindamonhangaba, 2014.]

Pode-se notar o alcance da meta (600 toneladas por mês) a partir do mês de Setembro de

2013, com exceção de Janeiro e Fevereiro onde as metas foram alteradas, mas alcançadas, em

virtude da paralisação entre os dias 13/01 até 15/02 na área da Fundição por motivo de

manutenção, meses esses onde nem todas as ações do GSP estavam concluídas. A partir de

Março, já com todas as ações concluídas, o resultado se manteve de forma constante. Dessa

76

forma o cronograma do projeto foi estendido para que a etapa 6 (verificação) fosse concluída

alcançando as metas nos meses de Março, Abril e Maio.

Atingindo-se a meta, a empresa deixa de comprar cerca 173 toneladas de insumos

metálicos, qual contem elementos de alto valor financeiro no mercado, como Níquel,

Molibdênio e Vanádio, para ser transformado em metal líquido, gerando uma economia de

aproximadamente R$1.000.000,00. Outro ganho é o ambiental, que utilizando maiores

quantidades de sucata metálica, há uma maior preservação das jazidas naturais do planeta.

4.2. Percentual de Sucata em uma amostra de Cilindros

Foi utilizada uma amostra de nove cilindros fundidos pelo mesmo processo

(centrifugação), com deferentes percentuais de sucata de cilindros utilizados na composição

química do material da casca deles (a composição química núcleo desses cilindros não

contempla a utilização de sucata). A tabela 10 mostra o percentual de sucata utilizada no

material da casca de cada cilindro.

Tabela 10 - Percentual de sucata de cilindros presente no material da casca de cada cilindro da amostra.

Os dados apresentados na tabela 10 mostram uma variação entre 0,02 e 47,62% do

emprego de sucata de cilindros na preparação do material da casca de um novo cilindro. A

partir dos resultados que serão mostrados, será analisada a influência desse percentual.

77

4.2.1 Características dos Cilindros utilizados

Tabela 11 - Características do Cilindro nº 110978-A

Tabela 12 - Características do Cilindro nº 114075

78



79


Tabela 16 - Características do Cilindro nº 113851-B

80



81


Fazendo-se uma comparação entre os desvios de composição química entre a

determinada de cada tipo de material com o real obtido, pode-se observar que a utilização de

sucata de cilindros não gera fuga de estequiometria de nenhum elemento químico. As

divergências de composições químicas presentes são geradas em acertos de carga de um modo

geral. Todos os cilindros em questão atenderam as faixas limites de composição e foram

liberados para os clientes.

4.2.2. Tensão Residual, Dureza e Austenita Retida.

A fim de se obter as propriedades microestruturais adequadas e as propriedades

mecânicas exigidas pelo cliente, todos os cilindros em questão sofreram o mesmo tratamento

térmico: 540ºC por 35 horas + 525ºC por 25 horas. Os resultados se encontram na Tabela 20:

Tabela 20 - Valores de Tensão Residual nos Cilindros

82

As faixas de tensão residual mínima e máxima estabelecidas para cada material são

estipuladas pelo setor da Engenharia de Cilindros da Gerdau, e os resultados passam por uma

análise criteriosa para liberação ou não do cilindro. Em caso da tensão residual sair do

especificado, ou os valores de confiabilidade junto as faixas de segurança estarem estreitas, é

realizado um retratamento térmico do cilindro, e em seguida uma nova análise dos valores

obtidos é feita.

Observando os resultados de tensões residuais apresentados e fazendo uma comparação

com a tabela 20, qual mostra a porcentagem de sucata de cilindros contido em cada cilindro, é

impossível de detectar qualquer influência nos desvios de tensão residual que sejam causados

por essa porcentagem.

A Tabela 21 mostra os resultados de austenita retida na microestrutura dos cilindros e as

durezas mímimas e máximas presentes na mesa dos cilindros.

Tabela 21 - Valores de Austenita Retida e Dureza LD nos Cilindros

Assim como foi feito com as medidas de tensão redidual, se compararmos todos os

valores obtidos de austenita retida e dureza, pode-se concluir que não há desvios das

83

propriedades dos ciindros em análise influenciadas pela quantidade de sucata de cilindros

presenta na composição química de cada material.

4.2.3. Ultrassom

Foram realizados ensaios de ultrassom nos noves cilindros, obtendo um relatório de

liberação para cada um deles, onde todos cilindros foram aprovados e liberados. Por questões

de confidencialidade não serão mostrados todos os dados obtidos. O aparelho utilizado no

ensaio foi o USN 50 – KRAUTKRAMER com TRANSDUTORES B1SN – SEB4H –

WB45ºN1.

Pela análise dos resultados obtidos nos ensaios de ultrassom, percebe-se que em todos os

cilindros havia algum tipo de defeito interno, porém são defeitos oriundos de processo. Esses

defeitos não prejudicam a qualidade e não geram risco de fratura do cilindro durante sua

aplicação nos laminadores.

Nota-se também que não há qualquer desvio significativo entre os resultados

apresentados nos cilindros que levam em suas composições químicas diferentes porcentagens

de sucatas de cilindros.

4.2.4. Análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV)

As imagens obtidas por MEV são de difícil acesso por questões de confidencialidade da

Gerdau, sendo liberado apenas imagens de dois cilindros, o 113853 (0.02% de sucata de

cilindro na composição química da casca) e o 108699-A (47.62% de sucata de cilindro na

composição da casca), que são os cilindros que utilizam a mínima e máxima quantidade de

sucata de cilindro, respectivamente, dentro da amostra utilizada no trabalho.

As micrografias a seguir foram obtidas por MEV, com ampliações de 200, 100 e 50x do

material do núcleo dos cilindros. Não é feito micrografias da casca dos cilindros liberados para

os clientes.

84

Figura 44 - Micrografia por MEV (ampliação 200x) da mesa do Cilindro nº 113853 com 0.02% de sucata na

composição química da casca. [Fonte não divulgada]

85



86



87

Figura 47 - Micrografia por MEV (ampliação 200x) da mesa do Cilindro nº 108699-A com 47.62% de sucata

na composição química da casca. [Fonte não divulgada]

88

Figura 48 - Micrografia por MEV (ampliação 100x) da mesa do Cilindro 108699-A com 47.62% de sucata na


89

Figura 49 - Micrografia por MEV (ampliação 50x) da mesa do Cilindro nº 108699-A com 47.62% de sucata na


Pelas micrografias constata-se uma matriz martensítica com uma segunda fase de

carboneto M3C. Pode-se observar uma homogeneidade na microestrura de todas as imagens,

não havendo divergências por conta da utilização maior ou menor de sucata de cilindros.

90

5. Conclusão

O presente trabalho utilizou de diversas técnicas para comprovar que a utilização de

cilindros sucatados na produção de cilindros por meio de fundição não gera desvios nas

propriedades mecânicas do produto, porém há uma faixa máxima de 6% dessa sucata na

composição química total.

Os dados apresentados mostraram que cada cilindro, independente da porcentagem de

sucata presente em sua composição química, não possui desvio de qualidade, possuindo

propriedades mecânicas distribuídas homogeneamente em toda a peça. Pelas microscopias

eletrônicas de varredura das regiões do núcleo observadas, pode-se notar que não há efeito

negativo na microestrutura do material.

A fim de aumentar a produção do oxicorte de cilindros sucatados, garantindo uma

economia financeira para a empresa, as ações realizadas por meio do GSP, qual utilizou o

conceito do MASP, se mostraram suficientes para atingir as metas propostas no início do

projeto.

91

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