As vantagens da utilização das simulações baseadas no MEF se devem aos elevados custos e dificuldades técnicas envolvidas nos tratamentos térmicos.

Os tratamentos térmicos demandam mão de obra qualificada para operação, grandes quantidades de energia para aquecimento, utilização de matéria prima e uma grande quantidade de horas de trabalho o que em conjunto elevam o custo do processo.

Esses custos são ainda mais elevados todavia que seja necessária a implementação de um novo processo, peça ou para a solução de um problema.

As simulações computacionais diminuem os custos à medida que diminuem a quantidade de “tryouts” necessários para definição do novo processo ou solução do problema.

Vale ressaltar que a simulação computacional não é uma substituta definitiva do “tryout”, mas atua efetivamente nas tomadas de decisão.

A qualidade dos resultados obtidos a partir das simulações computacionais está diretamente relacionada a representatividade do comportamento do material inserido no software.

Para as simulações de tratamentos térmicos são necessárias as propriedades termo físicas e os comportamentos mecânicos de cada uma das fases presentes em função da temperatura. Além, das constantes das equações cinéticas utilizadas para descrição das transformações de fase.

Essas propriedades são muito escassas na literatura e de difícil obtenção experimental além de serem influenciadas pela composição química da matéria prima.

No caso da utilização do software DEFORM para simulações de conformação massiva ou de tratamento pode-se utilizar o software JMatPro para o cálculo dessas propriedades.

Como exemplo, demonstra-se a simulação de um processo de tratamento térmico utilizando o JMatPro e o DEFORM, apresentando-se os resultados de simulações de têmpera superficial por indução de um eixo. O objetivo das simulações foi prever o problema encontrado e propor uma solução.

Processo de têmpera:

A saber, o processo de têmpera superficial por indução consiste na utilização de bobinas indutoras para gerar um aquecimento da superfície do material até uma temperatura suficiente para a formação de austenita, seguido pelo resfriamento com jatos para obter a formação de martensita.

O processo de têmpera superficial por indução do eixo. O indutor utilizado no processo e a região onde ocorre o resfriamento, estão demonstrados graficamente. Além, da fração volumétrica de martensita.

É possível perceber a previsão da não formação da camada de martensita nas regiões indicadas através da seta preta cheia como também é comumente observado em processos industriais reais.

Para a solução do problema, foram modificadas a velocidade de movimentação da bobina, a frequência da corrente e a potência elétrica, sempre considerando a tempo de duração do processo.

Após algumas iterações, utilizando-se dos resultados obtidos em cada simulação, foi possível a obtenção de uma camada de martensita homogênea. Observe na Figura 2.

A partir das previsões observadas, fica evidente que a simulação computacional foi uma importante ferramenta na previsão e resolução do problema encontrado. No caso de tratamentos térmicos, as simulações computacionais via Método dos Elementos finitos desempenham papel fundamental na redução de custos e na garantia de qualidade dos produtos tratados. Nesse sentido, fica cada vez mais claro que para a indústria, a simulação computacional deve ser vista como um investimento e não como um gasto.

Nome do autor: Eng. Pedro Stemler

Assistente Técnico da SIXPRO Virtual&Practical Process, empresa especializada em simulação computacional. Mestrando em Metalurgia Física e graduado em Engenharia Metalúrgica pela UFMG.

Nome do autor: Dr. Alisson Duarte

Consultor Técnico da SIXPRO Virtual&Practical Process, empresa especializada em simulação computacional. Professor do Dep. de Eng. de Materiais da UFMG e do Dep. de Eng. Metalúrgica da PUC. Possui Pós-Doutorado em Metalurgia da Transformação.

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Este gás é produzido como subproduto no processo da transformação do carvão mineral em coque siderúrgico, processado em retortas, cujo objetivo é a retirada das frações voláteis do carvão de forma a obter o coque. Assim, com elevado teor de carbono, o coque será usado como elemento redutor do minério de ferro nos altos fornos. Este gás tem um poder calorífico inferior na faixa de 18.000 kJ/m³ ou 4.300 kcal/m³. Sua composição volumétrica média é [1] [4]:

•  Hidrogênio 52,0 – 63,0%
•  Metano 24,0 – 29,0%
•  Monóxido de carbono 6,0 – 7,8 %
• Hidrocarbonetos 2,2 – 3,8%
•  Dióxido de carbono 1,3 – 5,6%
• Oxigênio 0,1 – 0,5%
•  Nitrogênio 2,0 – 4,5%
•  Gás sulfídrico ~ 0,09%

“Suas principais aplicações são aquecimento de fornos de reaquecimento para laminação, panelas e “tundish” na própria siderúrgica, além da geração própria de energia elétrica.”

Apesar de ser um gás de poder calorífico médio, como o antigo gás de rua ou gás manufaturado reformado distribuído pela Comgás e pela CEG, o uso do gás de coqueria está geograficamente limitado à própria planta siderúrgica e sua vizinhança. Suas principais aplicações são aquecimento de fornos de reaquecimento para laminação, panelas e “tundish” na própria siderúrgica, além da geração própria de energia elétrica.

O gás de coqueria também costuma ser misturado aos outros gases siderúrgicos de poderes caloríficos inferiores de forma a enriquecê-los, possibilitando sua aplicação em processos que não aceitem um gás muito pobre.
Já o gás de alto forno (“blast furnace gas” ou “BFG” em inglês) é o gás siderúrgico que apresenta o poder calorífico inferior mais baixo, da ordem de 3.300 kJ/m³ ou 800 kcal/m³. Sua composição típica varia significativamente nas seguintes faixas [1] [3] [4]:

•  Monóxido de carbono 21 – 33%
• Hidrogênio 1,5 – 3,5%
• Nitrogênio 50 – 60%
•  Dióxido de carbono 8 – 23%
•  Gás sulfídrico ~ 2,7%

Como visto na sua composição, é um gás que possui um elevado teor de gases inertes, de 58 a 75%, o que justifica seu baixo poder calorífico. Além disso, o teor de monóxido de carbono é elevado o que o torna muito perigoso em caso de vazamento. Seu excedente deve, portanto, ser sempre queimado no “flare”.

A aplicação principal deste gás é a queima em “cowpers” e “glendons”, preaquecendo o ar de sopro do próprio alto forno. Os artifícios aplicados para se usar um gás de poder calorífico tão baixo são:

•  Misturar o gás de alto forno com gases de poderes caloríficos mais elevados como gás de coqueria, gás natural, GLP ou até mesmo biometano se disponível.
•  Enriquecer o ar de combustão com oxigênio (23 a 30%) ou até mesmo queimar o gás com elevado teor de oxigênio (acima de 92%), em um processo conhecido como oxi-queima.

E o último gás combustível siderúrgico a ser descrito é o gás de aciaria, também chamado de gás de conversor, BOFG (“bottom oxygen furnace gas”) ou “LD gas” (“Linz-Donawitz gas”). Seu poder calorífico inferior está por volta de 8.000 kJ/Nm³ ou 1.900 kcal/Nm³ [2]. Sua composição volumétrica média é [3] [4]:

•  Monóxido de carbono 55 – 60%
•  Gás carbônico: 12 – 18%
•  Nitrogênio: 15 – 21%
•  Hidrogênio: 0 – 3%
•  Oxigênio: 0,1 – 0,3%

Concluindo, fica clara a importância desses gases combustíveis no âmbito siderúrgico por suas múltiplas aplicações, muito embora sua distribuição por gasoduto fora das vizinhas da planta seja pouco viável economicamente, embora seu excedente seja queimado em “flares”.

Suas variações de composição e de poderes caloríficos, típicas desses gases, dependendo do processo, podem exigir misturas entre eles ou com gases externos como GN ou GLP, e equipamentos de análise contínua como calorímetros e Wobbímetros.

Referências

[1] Costa, F.C., Handbook of Combustion, volume 3, chapter 9, Fuel Gas Application in Industry, edited by Lackner, Winter and Agarwal, WILEY-VCH, Germany, 2010.
[2] Fonseca, M., Steelmaking Process Gases Utilization, ILVA – Roma 25.10.2017.
[3] Hou, Chen et alli, Firing blast furnace gas without support fuel in steel mill boilers, Energy Conversion and Management, Elsevier, 2011
[4] Turetta, L; Costa, E,; Costa, A., Estudo da influência do excesso de ar na composição de saída de fornalha siderúrgica real empregando conceitos termodinâmicos e modelagem matemática, Engevista, v.19, n.1, p. 109-121, UFF, 2017.

Nome do autor: Fernando Cörner da Costa

Doutor em Energia pela USP, Mestreem Engenharia de ProcessosQuímicos e Bioquímicos pela Mauá,Eng. de Segurança pela UERJe Eng. Mecânico pela PUC-RJ,consultor sênior da ULTRAGAZ.

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Caros leitores, devo dedicar esta coluna ao assunto grafeno, que parecia algo para um futuro muito distante e muito além de nossas prioridades, mas já de início relato que estamos muito desatualizados e desinformados; a grande maioria das empresas e especialistas não tem uma noção razoável de quanto este tema é importante e está próximo da nossa realidade.

O setor automotivo é carente em aplicação de materiais de alto desempenho, como a fibra de carbono, Kevlar®, titânio e alguns outros que passam longe de qualquer discussão, mas no caso do grafeno a história está mudando. O grafeno parece ser um remédio para tudo; como ironiza um grande amigo, “está com dor de cabeça, toma Grafeno”.

Os materiais compósitos podem se beneficiar fortemente do grafeno como carga em suas aplicações, com propriedades dezenas de vezes superiores nas peças tradicionais e boa viabilidade técnica no processamento, diferentemente dos primeiros materiais da nanotecnologia, como por exemplo, as nano argilas.

O Grafeno:

Desde que o grafeno foi descoberto, multiplicaram-se aplicações e muitas delas convergem para os nossos interesses automobilísticos e é neste ponto que devo dedicar esta discussão [1]. Os veículos eletrificados carecem de materiais mais leves e o grafeno tem inúmeras aplicações nos compósitos e materiais injetados, por outro lado, a alta condutividade elétrica do reticulado de carbono abre um enorme espaço para baterias, capacitores e materiais para motores elétricos.

Propriedades de vidrificação dão oportunidades para peças transparentes no lugar de vidros e policarbonatos, as quais já têm sido estudadas para telas de equipamentos eletrônicos, imunes ao risco e por fim, a sua classificação como um nano material acrescenta outras propriedades exclusivas para este material, com as de repelente em superfícies pintadas e vidros e a possibilidade de aplicação na micro manufatura aditiva.

A literatura moderna tem mostrado um grande universo de informações que podemos consultar e explorar dentro do campo de aplicação em grafeno [2], mas o importante neste tema e que todos procuram a viabilidade econômica e demanda de fornecimento, por isto estou abordando um tema sensível estrategicamente em nosso meio.

O grafeno se origina a partir da grafita, que é um minério encontrado na natureza em minas ou em céu aberto, levando alguns países a uma tremenda vantagem e neste ponto o Brasil está entre os mais favorecidos, sem contar da importância da pureza da grafita na geração do grafeno, que neste caso, somos os primeiros em qualidade.

Importância:

Estes fatos têm levado as reservas brasileiras a despertarem grande interesse global e ao mesmo tempo a muitas especulações comerciais e ainda, o aparecimento do fator segurança para proteção de furto e grilagem destas terras e minérios.

As técnicas de conversão da grafita para grafeno são diversas e a maioria protegida por patentes e outras ainda mantidas em segredos, mas o que mais impressiona é que algumas técnicas estão levando a produção industrial a valores na ordem de centenas de quilos por mês, fato ainda desconhecido em muitas comunidades.

Para a discussão final deste tema e ainda diria a mais importante para o setor automotivo é o custo, que impressionantemente tem sido reduzido na casa de mil vezes nestes últimos 10 anos e provavelmente tem espaço para melhorias, tornando este material a “menina dos olhos” nas comunidades científicas daqui para frente.

A ignorância existente neste campo é muito presente em nosso meio e causam muitas controvérsias nas informações discutidas acima, algumas sendo frutos do desconhecimento do assunto, outras vezes como proteção dos investimentos e por fim à distância e o desacoplamentos de interesses nacionais públicos com os investidores internacionais privados, sendo este último, outra parte deste assunto que atualmente permeia as discussões comerciais fechadas e as distanciam dos interesses públicos.

Conlusão

De tudo que foi apresentado anteriormente, não há dúvida que este assunto merece muita dedicação e imersão e prevejo que abrirão muitas linhas de pesquisas e desenvolvimento nos mais diversos setores; mas o setor automotivo promete investir muito nisto nos próximos anos, porque o custo benefício está entrando na realidade de nosso mundo.

Também, como uma vantagem brasileira, a rede de laboratórios nacionais é muito grande e bem equipada para os avanços necessários em P&D [3], somados a ocorrência e multiplicação de pequenas e médias empresas investindo pesadamente neste meio dentro do Brasil.

Finalizando este tema, basta um mínimo de conhecimento em grafeno para se encantar com as oportunidades, por isto convido-os para olhar com atenção esta novidade e realidade deste meio. Um abraço e até a próxima coluna da IH.

Assista um vídeo sobre curiosidades:

Referências

[1] https://www.graphene-info.com/

[2] http://www.nanomercosur.org.ar/wp-content/PPT/ANTUNES.pdf

[3] http://www.mctic.gov.br/mctic/opencms/tecnologia/incentivo_desenvolvimento/

sisnano/laboratorios.html

Nome do autor: Marco Colósio

Diretor da Regional São Paulo da SAE BRASIL. Engenheiro Metalurgista e Doutor em Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-USP, pós doutorado pela EESC-USP. Professor titular do curso de Engenharia de Materiais da Fundação Santo André e professor da pós graduação em Engenharia Automotiva do Instituto de Tecnologia Mauá. Colaborador e associado da SAE BRASIL com mais de 30 anos de experiência no setor automotivo nos campos de especificações de materiais,análise de falhas, P&D e inovações tecnológicas.

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Apesar dos ganhos de eficiência operacional aparecerem como a maior oportunidade, tenho visto que não é tão fácil e rápida a adoção das tecnologias habilitadoras para a obtenção destes ganhos. Talvez porque outras metodologias e tecnologias já tenham explorado os ganhos mais óbvios, as frutas mais baixas da árvore. Com quase o mesmo valor de oportunidade, (R$ 31 versus R$ 34 bilhões/ano) está a redução dos custos de manutenção das máquinas. Neste campo vejo belas e frondosas frutas caindo das inúmeras árvores de oportunidades e ilustrarei com alguns exemplos:

Manutenção Preditiva Através de IIoT

Atualmente, quando uma máquina quebra, os operadores têm que reativamente solicitar um manutentor para descobrir a causa e consertar o defeito. Com sensores e conectividade, uma máquina se torna inteligente, enviando dados para uma análise computacional com capacidade de avaliar tendências. Este software processa os dados em tempo real e informa problemas que podem aparecer em um dia, uma semana, um mês – fazendo com que o trabalho da manutenção possa ser muito mais eficiente.

O DynaPredict, é um exemplo de sensor, desenvolvido no Brasil, que cumpre esta função onde há movimentação. Outra oportunidade, a mais longo prazo, vem do encaminhamento destes dados para os fabricantes dos equipamentos os quais poderão melhorar os seus projetos ou montagens para aumentar a vida útil e facilitar a manutenção dos itens com maior desgaste.

Nas plantas industriais de papel e celulose, petroquímica e de alimentos, um dos pesadelos da manutenção é a corrosão sob isolamento (CUI – Corrosion Under Insulation). É fácil entender: muitos tubos que transportam fluidos de um ponto a outro precisam ser isolados termicamente, para manter a temperatura ou para garantir a proteção pessoal dos operadores. Como estes isolamentos são porosos e é praticamente impossível vedá-los, a umidade acaba se acumulando no isolamento e aí acontece a corrosão. Se não é nada legal ter um vazamento de água em casa então imagine os inúmeros problemas causados por um vazamento em uma tubulação transportando produto químico quente. A iSENSpro, empresa belga, acabou de desenvolver sensores que são instalados sobre o isolamento ao longo da tubulação, monitorando 24/7 a fim de antecipar vazamentos e corrosão.

Autoatendimento com Suporte Usando Realidade Aumentada e Virtual

Um exemplo do nosso dia-a-dia é a máquina Nespresso. Com a ajuda de um smartphone, o cliente lê o QR Code e é guiado de forma interativa, passo a passo, de forma que possa operar e consertar sua máquina. Este modelo de realidade aumentada (AR – augmented reality), onde objetos físicos são incrementados por informações geradas por computação, melhora significativamente a experiência do usuário.
A viralização do Pokemon GO é prova disso. No mundo industrial, a GoEpik tem ajudado a Renault a aplicar estas tecnologias tanto em manutenção quanto em treinamento. Assista aqui a este belo case contado pela BBC: Imagining innovation in Industry 4.0. Brazil Where Elese?

Outra solução da GoEpik que faz muito sentido para o mercado da manutenção é o Especialista Remoto. Recentemente usamos esta tecnologia durante o Desafio IIoT promovido pela Associação Brasileira de Internet Industrial. Trata-se de um aplicativo que conecta um técnico local a um especialista remoto. Com o uso do smartphone (ou smartglasses ou tablet) o técnico local demonstra qual sua dúvida. Com ajuda da realidade aumentada o especialista remoto disponibiliza desenhos e indicações visuais na tela do smartphone, guiando o técnico para a solução do problema. Isso evita um enorme desperdício de tempo e dinheiro com deslocamentos, hospedagens, alimentação, além de colocar o equipamento em operação em muito menos tempo.

Falando em diferentes realidades, recentemente tive a oportunidade de instalar o escapamento de um trator na linha de produção da CASE. O vídeo está no meu canal no Youtube: Claudio Henrique Goldbach, Testando a Realidade Virtual em Ambiente de Hiper Realismo. Não mostra isso, mas foi o que senti. Na prática, a fábrica, o escapamento e o trator eram virtuais. A realidade virtual em ambiente de hiper-realismo foi criada pela BEENOCULUS e serve para treinar os colaboradores fora da linha para que desempenhem seu máximo quando estiverem no mundo real.

Como estas soluções para manutenção são de fácil adoção e baixo custo, entendo que haverá ganhos significativos e rápidos fazendo com que as empresas se motivem a continuar explorando as tecnologias habilitadoras para a resolução dos seus problemas. É o que eu sempre sugiro: comece pequeno, erre logo, aprenda rápido e explore as infinitas possibilidades da transformação digital. Viva a Revolução!

Nome do autor: Claudio H. Goldbach

Engenheiro Químico com pós em Gerenciamento Ambiental na Indústria, ambos pela UFPR, com 25 anos de experiência na área térmica. Atualmente, é CEO da PERFIL Group, controladora da Perfil Térmico, TERMIA TECHNOLOGY e TERMICA Solutions. Também é diretor da ABII – Associação Brasileira de Internet Industrial (www.abii.com.br)

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Há cerca de um ano os Estados Unidos impuseram tarifas à importação de aço sob o pretexto de se tratar de um material estratégico para o país. Não deixa de ser verdade, uma vez que a siderurgia americana não tem mais condições de fabricar alguns produtos siderúrgicos mais sofisticados como, por exemplo, os modernos aços API para tubos de grande diâmetro usados na condução de hidrocarbonetos com alto teor de ácido sulfídrico. Apesar de ser aplicável a qualquer país, essas salvaguardas se enquadram dentro da guerra comercial dos Estados Unidos com a China, país cujo protagonismo internacional vem aumentando par a par com seu desenvolvimento econômico e, portanto, está ameaçando se tornar um rival geopolítico formidável num futuro próximo.

É bem verdade que não há inocentes nessa história. Recentemente a China investiu muito em modernas usinas siderúrgicas e há quem tema que ela terá competitividade insuperável nesse setor assim que absorver e aplicar adequadamente a tecnologia embarcada nessas plantas. Mas o fato é que o preço muito baixo de seu aço também se deve a subsídios e apoios governamentais.

É difícil algum país questionar essa situação nos fóruns internacionais, dado que isso levaria a retaliações nas importações que a China faz dele – e ela se tornou um formidável parceiro comercial. Mas Trump precisa agradar seu eleitorado, a classe média atemorizada pela perda de poder aquisitivo decorrente da globalização e, em especial, a população do Rust Belt, ou seja, das regiões onde se concentram os trabalhadores em setores industriais decadentes da América. E está dando certo: várias usinas paradas há vários anos retomaram suas operações e o próprio presidente da Nucor, uma das principais siderúrgicas americanas, declarou recentemente que “Nunca houve melhor época para fabricar aço nos Estados Unidos”.

Essa atitude protecionista por parte dos antigos campeões do liberalismo econômico é muito curiosa, pois há décadas a siderurgia americana não se moderniza como deve. Foi exatamente por esse motivo que, no passado, os processadores locais de aço passaram a preferir o aço importado, mais barato e com melhor qualidade. A repentina inviabilização das importações provocou protestos desse setor, que agora vê sua competitividade ameaçada: um estudo feito no final do ano passado indicou que os clientes americanos estavam pagando 17,2% a mais pelo aço do que seus competidores estrangeiros.

Mas isso começa a ser resolvido através de soluções criativas: ao invés de se importar aço, o setor passou a importar conjuntos e peças de aço já prontos, logicamente a preços mais favoráveis do que a alternativa doméstica. Preservou-se assim a competitividade das empresas, mas não os empregos especializados do setor. O setor manufatureiro alega que emprega 46 vezes mais do que o siderúrgico e acena com a possibilidade de extinção de 460.000 empregos por conta do aço mais caro. Resta saber os efeitos disso na próxima eleição.

A questão agora é ver se as siderúrgicas americanas ficarão deitadas eternamente em berço esplêndido, acomodadas na proteção concedida por Trump, ou se aproveitarão a vantagem para se tornarem competitivas mesmo sem salvaguardas, garantindo sua sustentabilidade a longo prazo. Várias siderúrgicas já estão anunciando novos projetos e modernizações, o que parece indicar uma reação do setor. Uma delas é a Nucor, empresa que, por sinal, revolucionou a siderurgia em 1989, quando implantou industrialmente, numa de suas plantas americanas, o então inédito conceito de lingotamento de placas finas acoplado diretamente a um laminador de tiras a quente – e que a partir de então se espalharia pelo mundo.

Ela acabou de anunciar a construção de um moderno laminador de chapas grossas no meio-oeste americano, com capacidade para produzir 1,2 milhões de toneladas por ano, e que deverá estar pronto em 2022. De acordo com a empresa, ela deverá suprir até 97% dos tipos de chapas grossas demandados nos E.U.A. A Steel Dynamics, por sua vez, anunciou a construção de uma nova planta para produção de laminados planos a quente e a frio no sudoeste americano, especialmente voltada para a fabricação dos modernos aços AHSS para a indústria automotiva, que deverá entrar em funcionamento em 2021. Aqui a novidade será o uso de forno elétrico para refino do aço líquido – uma alternativa mais ecológica, pois a geração de gás carbônico é bem menor do que a que ocorre na siderurgia integrada.

Contudo, a empresa reconhece que deverá aperfeiçoar o processo de refino no forno elétrico para que os aços elaborados tenham o mesmo grau de pureza conseguido pelas aciarias a oxigênio. Por sua vez, a ArcelorMittal e U.S. Steel anunciaram um pacote de investimentos da ordem de seis bilhões de dólares para a modernização de plantas já existentes, de forma a garantir a fabricação de produtos com alta qualidade e baixo custo.

Nome do autor: Antonio Augusto Gorni

Engenheiro de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (1981); Mestre em Engenharia Metalúrgica pela Escola Politécnica da USP (1990); Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual de Campinas (2001); Especialista em Laminação a Quente. Autor de mais de 200 trabalhos técnicos nas áreas de laminação a quente, desenvolvimento de produtos planos de aço, simulação matemática, tratamento térmico e aciaria.

Conheça nosso site de eventos: http://www.grupoaprenda.com.br/

Leia mais aqui:

http://sfeditora.webcontent-dev.com.br/gases-combustiveis-siderurgicos/

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Wallace (Jack) Titus – AFC-Holcroft; Toledo, Ohio, EUA
A cementação endotérmica a gás e a têmpera líquida estarão conosco por provavelmente mais 50 anos, pelo menos. Por quê? Porque, pelo dinheiro, simplesmente não há outro processo de endurecimento de camada que possa elevar as propriedades de uma ampla gama de ligas ferrosas.

A oxidação intergranular (IGO – Intergranular Oxidation) pode ser um subproduto da cementação a gás / atmosfera. A IGO é realmente o flagelo da endo cementação, como alguns acreditam, ou a IGO realmente importa no final?

Cementação Gasosa

Historicamente, quando a reação de gás de água entrou em nosso entendimento depois que o gás endotérmico se tornou o principal agente de cementação, o vapor de água pelo ponto de orvalho foi o principal mensurável porque os analisadores de infravermelho ainda tinham que ser inventados. Principalmente como complementos para a sonda de oxigênio, analisadores infravermelhos de CO2 – com seus gases de calibração zero e span – deslocaram o ponto de orvalho e ainda podem ser encontrados em operação hoje. As sondas de oxigênio (in situ ou externas) se tornaram a principal estratégia de controle, principalmente porque elas fornecem um método de calibração fácil e quase à prova de falhas – análise de estoque de calços – o antigo modo de espera.

Podemos controlar o carbono da superfície em + 0,05%, os perfis de carbono da camada até 0,125 mm e a dureza do núcleo dentro dos padrões do bloco de calibração “C” da Rockwell. Permanecendo em segundo plano, no entanto, o fenômeno chamado IGO é visto como incontrolável e prejudicará as engrenagens e outros produtos para o fracasso prematuro. Mas será mesmo?

IGO: No Começo

Desde que foi descoberta, provavelmente com a introdução da metalografia óptica há mais de 70 anos, a IGO (Fig. 1) rapidamente se tornou uma possível explicação para todos os tipos de falhas de produto. As organizações envolvidas principalmente em aplicações de engrenagens estão especialmente focadas em estabelecer limites para a profundidade da IGO, como os padrões ou diretrizes delineados no item 16.1 da norma AGMA (American Gear Manufacturers Association – Associação Americana dos Fabricantes de Engrenagens) 923 – B05. A profundidade da IGO é caracterizada de acordo com as classes de engrenagem 1, 2 e 3 relativas ao ECD (Effective Case Depth – Profundidade Efetiva da Camada) e também com a existência e distribuição de carboneto de ferro (Fe3C). A raiz do dente da engrenagem, especificamente 60 graus a partir do ponto médio da raiz, geralmente sustenta o maior esforço de flexão. Como resultado, tornou-se o alvo das especificações da IGO, principalmente porque é muito caro para a retífica de precisão (entre outras complicações). A face do dente, que deve sobreviver às forças de deslizamento e compressão, é rotineiramente moída na maioria das aplicações de acionamento. Esta operação de retificação remove qualquer IGO.

A eliminação da IGO não é necessariamente a principal razão para a retificação facial, que restabelece o perfil do dente após a têmpera, porque as engrenagens só podem funcionar adequadamente quando a carga é distribuída uniformemente sobre a área de contato com o dente. Com ou sem a presença de IGO e independentemente do processamento (LPC – Low Pressure Carburizing, Cementação a Baixa Pressão, ou Endotérmico), engrenagens de todos os tamanhos são submetidas a shot peening para introduzir tensões de compressão na camada endurecida do perfil do dente. Mesmo a têmpera a gás de alta pressão (HPGQ – High Pressure Gas Quenching) pode deixar tensões de tração na camada cementada que têm um impacto negativo no desempenho da engrenagem. O shot peening por apenas alguns minutos pode aumentar os níveis de tensão residual de compressão para pelo menos 700-800 MPa (101.500-116.000 psi).

Poço e Retortas vs. Fornos Câmara

A proliferação de turbinas eólicas concentrou nova atenção na IGO, devido aos enormes esforços encontrados por essas imensas caixas de transmissão posicionadas no topo de torres de até 100 metros de altura. Por que fornos de poço? Porque não havia outra alternativa para a cementação de engrenagens grandes e, também, para qualquer peça grande.

A qualidade do forno poço somente era argumento de propaganda de marketing? A AFC-Holcroft planejou um experimento para comparar três classes de aços comuns e sua reação a três ambientes diferentes de fornos de endo-gás. Após essa primeira investigação, um grito de socorro foi recebido de um fabricante de transmissões in house que lutava para reduzir a IGO em seu forno empurrador de quatro zonas e uma única carreira.
IGO, Material e a Atmosfera Endo

Tem sido relatado que a química do aço tem um efeito direto no desenvolvimento de IGOs. Para provar essa alegação, expusemos 8620, 9310 e 20MnCr5 à idênticas atmosferas de cementação. Além disso, para investigar o efeito da concentração de CO (moxóxido de carbono) na IGO, também alteramos a atmosfera. Em todas as situações, nos preocupamos apenas com a profundidade da camada de IGO. O manganês, o cromo e o silício têm sido associados à contribuição para a formação da IGO. O manganês é considerado o mais influente, uma vez que está presente em todos os aços em quantidades bastante significativas, mas variáveis. O silício e o cromo também variam, mas podem não estar presentes. O silício pode existir como um elemento traço quando não indicado explicitamente.

É bastante aceito que uma porção do manganês existente no limite do grão esteja presente devido à difusão no estado sólido da matriz circundante, esgotando desse modo a temperabilidade dessa área imediata em torno da IGO e exacerbando o seu efeito. Este fenômeno pode ser minimizado por um resfriamento de alta velocidade. Para garantir uma composição exata da atmosfera para os testes, os gases engarrafados pré-misturados foram utilizados com as seguintes composições:

• 18,3% de CO, 39% de H2, 40% de N2, 0,2% de CO2
• 14,3% CO, 54% H2, 32% N2, 0,2% CO2; Adicionado metano para controlar o potencial de carbono (CP – Carbon Potential ); CP computado com analisador de três gases.

A Fig. 2 mostra a montagem de teste, que consistia de um forno tubular de Inox 330 de 2 polegadas de diâmetro, aquecido eletricamente, com um aparelho de mistura de gás.

Procedimento de Teste do IGO

O seguinte procedimento foi usado para testar o IGO:

• Aquecer o tubo a 926°C; purgar o tubo com a mistura de endo-gás selecionada; Inserir três amostras de aço; ajustar o CP e cementar por tempo selecionado; despejar as amostras para têmpera em óleo; remover amostras, cortar, montar, polir e lêr a profundidade da IGO não detectada.

A Tabela 1 divide a relação entre ambiente, mistura de gases, temperatura, tempo e profundidade da IGO. Também indicado para comparação é o IGO obtido em um forno de carga por batelada UBQ Universal Batch Quench Furnace (Forno Câmara Universal de Têmpera) de processamento de engrenagens 18 CrNiMo 7-6 cementadas por 38 horas a 940°C.

Para investigar o efeito do ambiente do forno na IGO, a extremidade de entrada de gás do tubo de inox 330 (Fig. 3, interna) foi deixada vazia para simular um forno poço de retorta preenchido com tijolo refratário isolante (IFB – Insulated FireBrick) para um forno revestido de tijolos e fibra cerâmica para uma zona quente revestida de fibra. Em cada caso, o nível de CO foi alterado, assim como a temperatura, tempo de cementação e CP. O efeito na IGO pode ser claramente visto, especialmente com a maior liga, 9310. Pode-se concluir, pelo menos a partir desta investigação limitada, que o IFB e a fibra cerâmica não têm efeito prejudicial da atmosfera endo e do desenvolvimento da IGO. A maior CP, no entanto, tende a diminuir a IGO mais significativamente no 9310, e tem pouco ou nenhum impacto em 8620 ou 20MnCr5.

Reduzir o tempo de cementação está de acordo com outras investigações, afirmando que menos tempo significa menos IGO. Aumentar drasticamente a temperatura em 66°C aprofunda um pouco a IGO, mas não em uma quantidade exagerada ou proporcional. Parece que a IGO se forma rapidamente no início e depois a taxa de aumento diminui.

Um Problema do Mundo Real

Uma empresa experimentava um excesso de IGO (24µ) em engrenagens de 20MnCr5 ao cementá-lo a 926°C em um forno empurrador de uma pista aquecido a gás e revestido de tijolo. As especificações foram:

• Dureza superficial: 58-63 HRC; IGO (GBO) máxima: 20µ max; ECD: 0,95-1,4 mm (diâmetro do passo); austenita retida: <30%; sem carboneto de rede; tamanho do grão: índice ISO 7.
• O forno de quatro zonas e três bandejas por zona operava em conjunto de nitrogênio / metanol para uma mistura endo-equivalente modificada e ciclo de empurrador no forno de 55 minutos com um pré-aquecimento de ar de 371°C. As zonas foram configuradas da seguinte forma:
• Zona 1, aquecer a 926°C, 2,75 horas; Zona 2, cementação a 926°C, 1,16% de CP, 2,75 horas; Zona 3, cementação a 900°C, 0,95% de CP, 2,75 horas; Zona 4, difusão a 860°C, CP a 0,85%, 2,75 horas; Temperar em óleo a 71°C; CP foi verificado por análise de combustão de calços.

Reações Atmosféricas

A única fonte de oxigênio livre na atmosfera endo deve ser a dissociação do CO em contato com a superfície do aço. O carbono se difunde no aço e o oxigênio é liberado. O CO2 pode se formar através da reação inversa com o carbono na superfície do aço (reações de descarbonetação / equilíbrio). Além disso, o CO2 pode se formar ao reagir com oxigênio livre e carbono residual (fuligem). Além disso, o oxigênio livre pode formar vapor de água com hidrogênio.

Um esforço foi então feito para reduzir o tempo livre de oxigênio existente na atmosfera, maximizando o uso de gás enriquecedor (gás natural) e eliminando a necessidade de adicionar ar para controlar a CP no início do processo. Embora um pouco de ar tenha sido adicionado na zona quatro, já estava atrasado no processo e saiu rapidamente através da descarga do efluente do vestíbulo. As reações de gás na atmosfera endo mudavam continuamente à medida que os queimadores dos tubos radiantes eram ligados / desligados.

O carbono da superfície da carga ficava cada vez mais rico, o que altera a demanda de carbono, e o loop CP via controle liga / desliga adicionava gás natural. Porque as reações mudavam constantemente, o CP pode ser controlado para valores médios muito precisos em cargas muito complexas e densas. Essas reações não podem ser alteradas, mas o tempo que os gases estão em contato com as partes pode. O aumento da temperatura tem dois efeitos benéficos. Ele pode reduzir a IGO limitando a exposição do aço ao endo gás e pode aumentar a produção. Aumentar a temperatura de cementação para 954°C reduziu o tempo de empurrador de 55 minutos (11 horas no forno) para 37 minutos (7,4 horas no forno) – um aumento de produção de 148%. O IGO é reduzido de 24µ para 16µ enquanto ainda mantém todas as especificações acima mencionadas incluindo o tamanho do grão (Tabelas 2a e b).

Conclusão

Finalmente, maior atenção foi dada ao controle do CP; uma têmpera mais eficaz, eliminando o NMTP; controle químico de aço; manganês de baixo nível; carbono da superfície próximo ao eutetóide; redução do tempo de cementação através de maior temperatura de cementação; e shot peening pode essencialmente eliminar os efeitos negativos da IGO.

Para mais informações: Contate Jack Titus at AFC-Holcroft, 49610 Pontiac Trail, Wixom, MI 48393; tel: 248-668-4040; fax: 249-668-5571; e-mail: jtitus@afc-holcroft.com; web: www.afc-holcroft.com.

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A necessidade de maior competitividade, especialmente na indústria, e a rápida disseminação de novas tecnologias fizeram com que as Diretrizes Curriculares Nacionais (DCNs) dos cursos de Engenharia fossem revisadas com participação de representações do governo, dos órgãos de classe, da academia e da Confederação Nacional das Indústrias (CNI) por meio da Mobilização Empresarial pela Inovação (MEI) – as novas DCNs das engenharias acabam de ser aprovadas pelo Conselho Nacional de Educação – CNE em janeiro de 2019 e aguardam homologação do Ministro.

Citando como exemplo o setor automotivo, as inovações recentes envolvem conectividade embarcada, veículos híbridos, elétricos, autônomos, novos materiais e técnicas de fabricação, além do rápido fortalecimento da economia compartilhada (sharing) que se expande rapidamente a outros modais elétricos de mobilidade urbana (patinetes, bicicletas). Ficam evidentes as transformações tecnológicas e seus impactos nos mercados e, naturalmente, na demanda à educação de Engenharia. São novos paradigmas, com novas perguntas e, certamente, novas respostas.

Centro Universitário FEI:

É diante de tais desafios que o Centro Universitário FEI, com seus mais de 70 anos de tradição na formação de Engenheiros, dedicou-se por 2 anos ao redesenho e atualização dos cursos de engenharia. Os novos projetos pedagógicos passaram a vigorar em 2019 e valorizam de forma central o desenvolvimento das competências, tanto técnico-científicas como comportamentais, em um contexto de domínio do processo inovador e com alinhamento a uma agenda de futuro pautada pelas grandes tendências das próximas décadas.

A Fig. 1 ilustra a nova estrutura curricular do curso de Engenharia Mecânica da FEI. Além das disciplinas do núcleo comum das engenharias, contemplando as tradicionais disciplinas de Física, Cálculo e Mecânica Geral, e do núcleo transversal, contando com disciplinas como Ecologia e Sustentabilidade, Economia e Ética, ocupa posição central o Núcleo profissional, cujo objetivo principal é a imprescindível formação sólida nos fundamentos da Engenharia Mecânica nos quatro grandes pilares formativos, a saber: Energia e Fluidos, Projeto Mecânico e Materiais, Cinemática e Dinâmica e Processos de Fabricação. A flexibilidade curricular se revela nas disciplinas eletivas e optativas, que em variados momentos do curso, possibilitam aprofundamento em áreas de interesse do aluno tais como Simulação e Otimização Estrutural, Geração e Conversão de Energia e Veículos Autônomos.

O desenvolvimento de uma cultura de inovação e o aprendizado baseado em projetos inspirados em problemas reais da indústria e da sociedade é central no Plano Pedagógico do Curso, sendo contemplados em uma espinha dorsal de componentes curriculares e atividades integradoras que permeia todos os ciclos do curso. Este itinerário fortemente integrado inicia-se com duas disciplinas dedicadas ao processo inovador e a técnicas de criatividade e culmina em Trabalhos de Conclusão de Curso com forte alinhamento às demandas do setor produtivo.

Inclui ainda uma disciplina no início da formação profissional com o objetivo de apresentar e discutir os grandes desafios e contribuições no âmbito da Engenharia Mecânica, três disciplinas de projeto com a função de desenvolver e integrar competências técnicas e comportamentais, duas disciplinas voltadas à modelagem e simulação para solução de problemas e confrontação com resultados experimentais e, finalmente, uma disciplina dedicada ao empreendedorismo e à preparação para a entrada no mercado de trabalho.

Nesta concepção pedagógica, a articulação docente-estudante em um contexto de metodologias ativas e de construção de competências se torna chave no processo de ensino-aprendizagem e o objetivo principal é que os estudantes estejam expostos a problemas multidisciplinares, não estruturados e de alta complexidade que por isso demandam visão crítica, ampliação de repertório e soluções criativas para que tenham alto impacto na sociedade de hoje e do amanhã.

Conheça a FEI:

Nome do autor: Gustavo Henrique B.Donato

Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da USP e formado em Engenharia Mecânica pela FEI. Coordenador de Inovação do Centro Universitário FEI.

Nome do autor: Marko Ackermann

Doutor pela Universität Stuttgart e formado em Engenharia Mecânica pela Poli-USP, Chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do Centro Universitário FEI.

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