Processo automatizado de ajuste da composição química e adição de elementos de liga durante o processo de elaboração do aço fundido

Processo automatizado de ajuste da composição química e adição de elementos de...

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SÉRGIO LONGEN Trabalho de Conclusão de Curso

2 SÉRGIO LONGEN

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica da Faculdade de Tecnologia SENAI Blumenau, como requisito parcial à obtenção do grau de Tecnólogo em Fabricação Mecânica.

Prof. Orientador: Marcelo de Brito Steil

3 SÉRGIO LONGEN

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica da Faculdade de Tecnologia SENAI Blumenau, como requisito parcial à obtenção do grau de Tecnólogo em Fabricação Mecânica.

4 AGRADECIMENTOS

Meus sinceros agradecimentos a todos aqueles que, de alguma forma colaboraram, para que este trabalho pudesse ser concluído.

5 RESUMO

Devido à ocorrência de falhas humanas no processo de ajuste da composição química das ligas de aço, no que se refere aos cálculos necessários para o ajuste e o modo de adição dos elementos ao banho. O trabalho desenvolveu duas propostas de melhoria nesta etapa da elaboração do aço. Uma é a criação de planilhas de cálculos para cada liga elaborada na fundição com a aplicação do software Excel, com objetivo de armazenar dados e uma resposta rápida e precisa quando se refere a cálculos e comparações entre a composição da liga elaborada com a composição da liga conforme norma. E a outra é o armazenamento em silos e transporte por esteiras a matéria prima até o forno, com o objetivo de um carregamento correto e preciso dos ferros-liga no momento do ajustamento da liga. Os processos de fundição oferecem maneiras de produzir peças em aço de diferentes formas, necessitando somente ajustes dimensionais e buscando a melhor tecnologia para o processo.

Palavra-chave: Software Excel. Silos. Esteira.

7 ABSTRACT

Due to the occurrence of human errors in the process of adjusting the chemical composition of alloy steel, with regard to the calculations required for the setting and mood of adding elements to the bath. O work developed two proposals to improve this stage of the production of steel. One is the creation of spreadsheets for each alloy produced in the foundry with the Excel software application, with the objective of storing data and a rapid and precise when it comes to calculations and comparisons between the alloy composition prepared with the alloy composition as standard. And the other is the storage silos and conveyors to transport raw materials to the furnace, with the goal of a correct and accurate loading of iron alloy at the time of the adjustment of the league. The casting processes offer ways to produce steel parts in different ways, requiring only adjustments dimensional and seeking the best technology for the process.

Keyword:Excelsoftware.Silos.Mat.

8 SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO09
1.1 OBJETIVOS10
1.1.1 Objetivo Geral10
1.1.2 Objetivos Específicos10
1.2 JUSTIFICATIVA1
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA12
2.1 O AÇO12
2.1.1 Classificação dos aços13
2.2 PROCESSO DE FUNDIÇÃO DO AÇO15
2.2.1 Fornos de indução17
2.2.2 Fornos de arco elétrico18
2.3 ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS LIGAS DE AÇO19
2.3.1 Espectrometria19
2.4 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AÇOS LIGA21
2.4.1 Elementos de liga2
2.4.2 Procedimento de ajuste de composição nas fundições da região24
2.4.3 Ferros-Liga28
3 DESENVOLVIMENTO30
3.1 AJUSTE AUTOMATIZADO DA COMPOSIÇÃO30
3.1.1Exemplo de aplicação do Excel3
3.2 PROPOSTA DE MELHORIA DO PROCESSO36
3.2.1Principais partes do equipamento37
3.2.2 Sistemas de armazenamento de matéria prima - Silos38
3.2.3 Controle do carregamento do forno - Balança Dosadora39
3.2.4 Transporte do material – Esteira40
3.2.5 Interface entre operador e equipamento41
4 CONCLUSÃO42

9 1 INTRODUÇÃO

As empresas estão cada vez mais competitivas, e esse movimento envolve qualidade, produtividade e pontualidade nos prazos de entrega. A necessidade de busca por maior eficiência nos sistemas industriais deve ser continua.

combinações para aplicação

Para o desenvolvimento e aumento da eficiência dos processos de fabricação é necessário o uso de tecnologias, porem deve ser feitas algumas alterações e

A produção do aço gera um importante insumo para o desenvolvimento da sociedade atual. É o material de construção mecânica mais utilizado, pois serve de base para vários processos de infra-estrutura na forma de produtos siderúrgicos como barras, perfis, chapas, vergalhões, lingotes, etc.

Outro produto de grande relevância é o aço na forma de peças fundidas, que obtém se através do processo de fundição, e tem como objetivo a confecção de peças de perfis complexos, peças de grande porte e peças de ligas especiais conforme a necessidade do cliente.

Durante o processo de fundição de uma liga de aço, uma das etapas determinantes é o ajuste na sua composição química, pois vai determinar as características mecânicas da peça fundida.

Porém, apesar de ser uma etapa decisiva na qualidade do aço, hoje é, na maioria das fundições, realizada de forma manual, onde o operador necessita fazer cálculos de transformação de porcentagem em quilogramas, com a utilização de uma calculadora manual.

Uma proposta de melhoria para essa etapa seria a automatização dos cálculos envolvidos, utilizando como apoio computacional um software do tipo planilha eletrônica, neste caso o aplicativo Microsoft Excel.

A automatização do ajuste da composição química do aço implica em uma melhoria na confiabilidade do processo, pois afasta a possibilidade de erros humanos.

Um processo baseado em software além de mais rápido, torna-se preciso com o controle da quantificação do peso dos elementos que compõem a liga.

Outra fonte de erro nesta etapa, depois de feitos os cálculos de correção, é o momento de adição desses elementos que estão com a composição química abaixo da especificação. De modo geral, nas fundições, essa adição é realizada manualmente com auxílio de uma pá, o que leva a uma perda da precisão do processo de ajuste.

Neste caso outra melhoria proposta é o armazenamento da matéria prima em silos, a liberação desse material será controlado por balanças dosadoras e o transporte por meio de esteiras, evitando assim o desperdício e o contato direto do operador com a matéria prima. Este sistema tem como beneficio o controle preciso do carregamento do forno.

1.1 OBJETIVOS

Propor um sistema automatizado de cálculo para ajuste de ligas e alimentação de ferros-liga no forno durante o processo de fundição do aço.

1.1.2 Objetivos Específicos:

Desenvolver um sistema de armazenamento da matéria prima em silos; Desenvolver um sistema de transporte da matéria prima por esteiras até o forno de fundição;

Desenvolver um aplicativo em Excel, que execute os cálculos matemáticos durante o processo de ajuste de composição na fusão do aço.

1 1.2 JUSTIFICATIVA

O projeto se justifica pela necessidade de busca contínua da qualidade nas indústrias. O sistema proposto tornará o processo de ajuste de liga mais confiável, evitando-se assim erros que redundariam em uma perda da eficiência do processo como um todo.

Foi estudado que a possibilidades de empregar equipamentos já existentes comercialmente, com intuito facilitar o ajustamento das ligas de aço.

12 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capítulo serão abordados os conceitos sobre aço, como definição, composição química, classificações e processo de fabricação do aço envolvendo os tipos de fornos de fundição, análise espectrográfica e o processo de ajuste de composição.

2.1 O AÇO

O aço é uma liga de natureza relativamente complexa e sua definição não é simples, visto que, a rigor, os aços comerciais não são ligas binárias. De fato, apesar dos seus principais elementos de liga serem o ferro e o carbono, eles contem sempre outros elementos secundários, presentes devido aos processos de fabricação. Nessas condições, a definição adotada neste trabalho é a seguinte:

Aço é a liga ferro carbono contendo geralmente de 0,008% até aproximadamente 2,0% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação.

O limite inferior 0,008% corresponde à máxima solubilidade do carbono no ferro à temperatura ambiente e o limite superior 2,0% corresponde à máxima quantidade de carbono que se dissolve no ferro e que ocorre a 1147°C. (Chiaverini, 1965, p.19).

13 2.1.1 Classificação dos aços

Os aços podem ser classificados de várias maneiras, conforme o processo de fabricação. Uma classificação muito utilizada leva a quantificação em porcentagem de elementos de liga (Aços de baixa liga, até 5% de elementos de liga, Aços de média liga, de 5,0% a 10,0% de elementos de liga, e Aços de alta liga, acima de 10% de elementos de liga) entre outras possibilidades, outra forma de classificação para aços fundidos é baseada em sua composição química.

Conforme os principais órgãos regulamentadores utilizados pela indústria brasileira de metais e ligas. AISI - American Iron and Steel Institute, SAE - Society of Automotive Engineers, os aços são classificados através de um sistema de identificação que contém a sigla do órgão regulamentador seguido de 4 dígitos. Os dois primeiros dígitos identificam o tipo de aço, enquanto os dois últimos indicam a quantidade de carbono dividido por 100, e a UNS- Unified Numbering System é um regime sistemático, em que cada metal é designado por uma letra seguida de cinco números. É um sistema de composição à base de materiais comerciais e não garante as especificações de desempenho ou a composição exata dos limites de impureza. Como pode ser visto na tabela 01:

14 Tabela 01 - Classificação dos aços

Fonte: Chiaverini (1965).

Por exemplo, o aço SAE 1045 pertence ao grupo denominado aços carbono e contém 0,45% de carbono em sua composição.

Quando não especificados, os outros elementos químicos que estão contidos no aço devem ficar dentro de certas faixas de composição. De modo geral, os aços comuns ao carbono têm os seguintes elementos e seus limites na composição:

- Chumbo (máximo 0,05%)

- Enxofre (máximo 0,04%)

- Fósforo (máximo 0, 035%)

15 2.2 PROCESSO DE FUNDIÇÃO DO AÇO

O processo de fundição consiste no conjunto de atividades requeridas para dar formas aos materiais metálicos por meio da fusão, conseqüentemente liquefação e o seu escoamento ou vazamentos para moldes e posterior a solidificação.

A produção do aço pode ser observada no fluxograma da figura 01, onde vê que o processo inicia com a separação e pesagem dos materiais que será carregado no forno. A carga pode ser constituída por um ou mais dos seguintes ingredientes: ferro gusa (liga de ferro-carbono, alto teor de carbono), ligas pré-fabricadas de composição especificada (forma de lingotes) e metal previamente usado (sucata). Com a carga depositada, o forno é ligado para a fusão do aço. A fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa ocorre devido ao calor gerado por uma fonte elétrica. As próximas etapas é a análise da composição química dos aços liga e o ajuste da composição química durante a elaboração.

Figura 01: Fluxograma do Processo na Fundição Fonte: O Autor

O ferro-gusa e um produto do alto-forno, equipamento utilizado nas siderúrgicas. A matéria prima necessária para a obtenção do ferro-gusa é o minério de ferro, coque (carvão) e fundente (calcário). Em pleno funcionamento o alto-forno atinge temperaturas de 1700°C a 2000°C. Fornecendo produtos para aciarias que servirão como base na obtenção de aços comuns ao carbono e aços ligados com um ou mais elementos de liga.

Para fundir o aço na aciaria são utilizados equipamentos denominados fornos de fundição para aço. O forno de fundição pode ser definido como uma unidade de fusão que deve aquecer um dado peso de metal, de composição especificada, até a temperatura de vazamento, com velocidade de fusão e eficiência econômica especificadas.

Os principais fornos utilizados para a fundição do aço em aciarias são forno elétrico a indução magnética e o forno elétrico a arco voltaico. São fornos que possibilitam melhor controle de temperatura e propriedades do aço durante a fusão.

17 2.2.1 Fornos de indução

Os fornos a indução são fornos usados para fusão de ligas ferrosa e não ferrosas. Garantem um grande controle das ligas que são elaboradas, embora tenham que arrancar, geralmente, com uma carga metálica parcialmente líquida, obtida em fornos auxiliares.

Um sistema de fusão por indução utiliza um cadinho formado de um material que possui uma alta resistividade elétrica ou alta permeabilidade magnética e uma ou mais bobinas indutoras formadas a partir de um cabo enrolado que consiste de vários condutores de cobre isolados individualmente para formar um forno de indução. A corrente elétrica de alta freqüência passando pelo enrolamento primário, que é constituído por uma bobina de tubos de cobre resfriados a água, colocada no interior da carcaça do forno. A carga metálica constitui o enrolamento secundário do circuito, onde é gerada a corrente secundária, induzida pelo enrolamento primário. Esta corrente induzida também conhecida por correntes de Focault aquece a carga por efeito Joule até temperaturas de 1750°C.

Figura 02: Forno de Indução

18 2.2.2 Fornos de arco elétrico

São fornos utilizados para fusão materiais ferrosos como não ferrosos.

Existem dois processos de obtenção do calor neste tipo de fornos: num dos processos o calor é obtido em parte por irradiação e também por efeito Joule, isto é, o arco salta entre um elétrodo e o metal, noutros processos o calor é obtido somente por irradiação, isto é, o arco salta entre dois elétrodos colocados por cima do metal. Do mesmo modo um forno de arco elétrico indireto, que é bastante usado, utiliza em vez de dois elétrodos apresenta três, colocados num mesmo plano vertical, o qual tem a vantagem de aproveitar o efeito de sopro do arco e assim o arco “banhar” o metal fundido (Ferreira, 1999, p.438).

A regulagem do arco é feita automaticamente, as tensões de funcionamento variam entre 80 e 350 V. O calor necessário para a fusão da carga é gerado através de uma descarga elétrica denominada arco voltaico, que pode atingir temperaturas de até 1800°C.

Os elétrodos deveriam ser “permanentes”, isto é, não consumíveis. Um material muito adequado seria o Tungstênio, mas como este material é caro, usamse mais elétrodos de Grafite, que também são bons condutores e muito refratários, mas, além do fato de se desgastarem mais rapidamente, apresentam o inconveniente de conduzir à incorporação de partículas de Carbono no metal (Ferreira, 1999, p.439).

Figura 03: Forno a Arco Elétrico

2.3 ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS LIGAS DE AÇO

Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho, uniformidade dos grãos que o compõem, e por sua composição química. A composição pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação final, obtendo-se através da adição de determinados elementos químicos durante o processo de elaboração da liga, diferentes graus de resistência mecânica, soldabilidade, ductilidade, resistência à corrosão, entre outros. A composição química do banho líquido pode ser monitorada de diversas maneiras. O método tradicional (antigo) consiste em uma série de processos físico-químicos, elaborados em laboratórios especializados, conhecidos como via úmida. Este método é, entretanto, moroso e pouco preciso se comparado com as novas técnicas de espectrometria atômica.

A espectrometria de massas utiliza o movimento de íons em campos elétricos e magnéticos para classificá-los de acordo com sua relação massa-carga. Desta maneira, a espectrometria de massas é uma técnica analítica por meio da qual as substâncias químicas se identificam, separando os íons gasosos em campos elétricos e magnéticos. O dispositivo que realiza esta operação e utiliza meios elétricos para detectar os íons produzidos a partir de átomos ou moléculas separando os positivos dos negativos, classificados é conhecido como espectrômetro de massas. Oferece informação qualitativa e quantitativa sobre a composição atômica e molecular de materiais inorgânicos e orgânicos.

Os espectrômetros de massas constam de quatro partes básicas: um sistema de manipulação para introduzir a amostra desconhecida no equipamento; uma fonte de íon, na qual é produzido um feixe de partículas proveniente da amostra; um analisador que separa partículas de acordo com a massa, um detector, no qual os íons separados são recolhidos e caracterizados.

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