Para investigação do processo de deformação dos vasos dos carros torpedo da Companhia ArcelorMittal Tubarão, foi necessário determinar as características de cada um dos fatores relevantes neste processo, como as tensões e temperaturas atuantes, além do material do vaso de umcarro torpedo.
4.1 - Material
O material utilizado no desenvolvimento deste trabalho foi um aço do tipo 16Mo3 da Norma UNE - EN 10028-2 (1992). Esse material corresponde a um aço estrutural para aplicações a altas temperaturas, como caldeiras, vasos de pressão e vasos transportadores [CÂNDIDO et al, 2009]. As propriedades mecânicas do aço do tipo 16Mo3 são mostradas na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Propriedades mecânicas do aço 16Mo3, Norma UNE - EN 10028-2/92.
Limite de escoamento
mínimo à 0,2% [MPa] Limite de resistência mecânica [MPa] Alongamento total [%] em 50 mm
260 440 - 590 ≥ 23
4.2 - Métodos
A seguir serão descritos os métodos que foram utilizados no desenvolvimento deste trabalho.
4.2.1 - Análise metalográfica
Amostras metalográficas foram retiradas nas direções transversal e longitudinal ao sentido de laminação do material, embutidas a frio com posterior lixamento em sequência normal (n˚ 80 até 1200) de lixas de SiC. Posteriormente, foi realizado
polimento com alumina e pasta de diamante. Após preparadas, as amostras foram atacadas quimicamente com solução de Nital 2% (2 ml de HNO3 em 98 ml
de C2H5OH).
As amostras, para análises metalográficas, foram observadas em um microscópio óptico, com analisador de imagens, marca LEICA®, do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET)/Escola de Minas/UFOP. Corpos de prova ensaiados mecanicamente foram analisados em um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), marca JEOL®, modelo 5510, da Escola de Minas/UFOP (Figura 4.1).
(a)
(b)
Figura 4.1 – Microscópios utilizados nas análises; (a) óptico; (b) MEV.
4.2.2 - Análise química
Para a realização dos ensaios de fluência era de fundamental importância que o material dos corpos de prova (CPs), de onde as propriedades de resistência mecânica seriam obtidas, fosse do mesmo material especificado para os carros torpedo.
A análise química da amostra foi realizada com a utilização de um Espectrômetro de Emissão Óptica, marca ThermoARL®, modelo ARL-4460, disponível no Laboratório Químico da área da Aciaria da Companhia ArcelorMittal Tubarão. A Tabela 4.2 mostra os valores de composição química nominal do aço do tipo 16Mo3.
Tabela 4.2 – Composição química nominal do aço do tipo 16Mo3,
Norma UNE - EN 10028-2 (1992) (% em peso).
Aço C Simáx Mn Pmáx Smáx
16Mo3 0,12- 0,20 0,35 0,40-0,90 0,030 0,025
Aço Crmáx Cumáx Mo Nimáx
16Mo3 0,30 0,30 0,25-0,35 0,30
4.2.3 – Ensaios de dureza
Foram realizados ensaios de dureza Brinell e Vickers, utilizando-se cargas de 187,5kgf e 30kgf, respectivamente. O equipamento utilizado foi o durômetro universal marca Wolpert®, modelo Dia Testor 2Rc, da Escola de Minas/UFOP.
4.2.4 – Ensaios de tração
Os ensaios de tração foram realizados conforme Norma ASTM E8 (2004). Foram retirados corpos de prova de uma chapa do aço do tipo 16Mo3, de 55mm de espessura, conforme ilustrado na Figura 4.2. Os corpos de prova foram retirados considerando o direcionamento de suas linhas de centro na mesma direção do sentido de laminação da chapa. Todo o processo de corte e usinagem foram executados à frio. Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina servo- hidráulica da marca Instron, de capacidade de 25ton, do Laboratório de Ensaios Mecânicos do DEMET/ EM/ UFOP. Os resultados obtidos foram analisados através da utilização do software Microcal Origin®, versão 6.0 (1999). A Figura 4.3 ilustra esquematicamente o desenho de fabricação dos corpos de prova empregados nos ensaios.
Senti do de lamina ção Senti do de lamina ção
Figura 4.2 – Desenho esquemático do plano de corte dos corpos de prova para
ensaios de tração. 203,2 38,1 38,1 15,9 50,8 50,8 50,8 57,2 12 ,7 ± 0, 2 50 ,8 = = 12,7 (min) 12,7 φ12,7 (Típico) A // 0,05 A φ0,05 203,2 38,1 38,1 15,9 50,8 50,8 50,8 57,2 12 ,7 ± 0, 2 50 ,8 = = 12,7 (min) 12,7 φ12,7 (Típico) A // 0,05 A φ0,05 φ0,05
Figura 4.3 – Desenho esquemático de um corpo de prova para ensaio de tração,
ASTM E8 (2004). Valores em mm.
4.2.5 - Ensaios de impacto Charpy
Foram confeccionados corpos de prova para ensaio de impacto Charpy, de acordo com a Norma ASTM E23 (2005). Os corpos de prova foram retirados considerando o direcionamento de suas linhas de centro na mesma direção do sentido de laminação da chapa, conforme mostrado na Figura 4.4. Todo o processo de corte e usinagem foi executado a frio. Os ensaios de impacto foram realizados em uma máquina da marca Amsler®, com capacidade de 300J, do Laboratório de Ensaios Mecânicos do DEMET/ EM/ UFOP. Todos os ensaios
foram realizados à temperatura ambiente. A Figura 4.5 ilustra esquematicamente o desenho de fabricação dos corpos de prova utilizados nos ensaios.
Figura 4.4 – Desenho esquemático do plano de corte dos corpos de prova para ensaios de impacto.
Figura 4.5 - Desenho esquemático de um corpo de prova para ensaio de impacto
Charpy, ASTM E23 (2005). Valores em mm.
4.2.6 - Análises por termografia
Análises por termografia foram realizadas em carros torpedo a fim de definir o perfil térmico superficial dos vasos dos mesmos, em diferentes situações a que são submetidos durante seu regime normal de operação, bem como determinar a
temperatura que seria utilizada como condição de contorno no ensaio de fluência. As detecções foram realizadas em campo na Companhia ArcelorMittal Tubarão, com a utilização de um termovisor da marca Flir Systems®, modelo PM 695 e software ThermaCam Reporter 2000®, disponível na Divisão de Engenharia Elétrica e Eletrônica da referida empresa.
4.2.7 - Simulação computacional
Foi elaborado um modelo de um carro torpedo em 3 dimensões com uso do software Solid Edge® . O modelo gerado foi exportado para execução de avaliação das tensões atuantes nos vasos dos mesmos, com o uso do software ANSYS®, de forma a mapear o seu estado de tensões, considerando como premissa a capacidade nominal de um carro torpedo da Companhia ArcelorMittal Tubarão de 450ton.
4.2.8 - Ensaio de ruptura por fluência
Para realização dos ensaios de ruptura por fluência conforme a Norma ASTM E 139 (2000) foi necessário um amplo trabalho para reutilização da máquina construída e localizada no CDTN – Belo Horizonte que se encontrava em desuso há pelo menos 7 anos. Foram recuperadas as instalações elétricas, o painel de controle de temperatura / tempo de ensaio, sistema de refrigeração do forno e instalado um amortecedor de borracha responsável por absorver o impacto causado pelo sistema de alavanca da máquina após a ruptura de cada corpo de prova.
Foram realizados ensaios de ruptura por fluência em corpos de prova na direção de laminação do material. As Figuras 4.6 e 4.7 apresentam uma representação esquemática e um corpo de prova, respectivamente, para ensaios de fluência, de acordo com a Norma ASTM E 139 (2000).
φ 12 .5 ±0 .2 5 30 90 150 R= 10 M 24 X 3 φ 12 .5 ±0 .2 5 30 90 150 R= 10 M 24 X 3
Figura 4.6 – Desenho esquemático de um corpo de prova para ensaio de
fluência, ASTM E 21 (2005). Valores em mm.
Figura 4.7 – Corpo de prova utilizado em ensaio de ruptura por fluência. Os ensaios de fluência foram realizados no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN) – Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), de Belo Horizonte/MG. A máquina é composta basicamente por um sistema de alavanca (sistema de “peso morto”) onde de um lado são carregados contra pesos que tracionam o CP que é submetido a esforço de tração dentro de um forno radiante.
O forno é composto por uma câmara de 50mm de diâmetro e 380mm de comprimento (zona quente de 246mm). O aquecimento foi realizado por radiação infravermelha empregando-se 4 lâmpadas halogênicas de 220V/10A ligadas em paralelo. A câmara foi refrigerada externamente com água a uma pressão em torno de 5kgf/cm2, e vazão de aproximadamente 2,2l/min. As Figuras 4.8 e 4.9
mostram a representação esquemática e o equipamento utilizado. As Figuras 4.10 - 4.12 ilustram detalhes do equipamento com acessórios.
Figura 4.8– Representação esquemática do sistema de alavanca da máquina de ensaio de fluência do CDTN/ CNEN.
Figura 4.9 – Máquina utilizada para realização dos ensaios de fluência
(CDTN/CNEN). Controlador de temperatura e tempo Pesos Forno e CP
Figura 4.10 – Sistema de contra pesos da máquina de ensaio de fluência
(CDTN/CNEN).
Figura 4.11 – Forno da máquina de ensaio de fluência (CDTN/CNEN); montagem
Figura 4.12 – Corpo de prova sob ensaio de fluência; detalhe para o
aquecimento realizado pelas lâmpadas halogênicas.
A cada ensaio, o aquecimento inicial do forno foi realizado sem carga no CP, aguardando-se o tempo de aproximadamente 7 minutos, quando a temperatura de 450ºC era estabilizada no interior da câmara de aquecimento e registrada no quadro de monitoramento digital do ensaio (Figura 4.13). Em seguida, o CP era fixado (sistema de roscas) por suas extremidades e posicionado de forma que a mangueira de injeção de argônio ficasse direcionada para o mesmo. O argônio foi utilizado como recurso para redução da formação de óxidos sobre o corpo de prova. Após o posicionamento do CP, os contra pesos foram montados, tracionando-o. A máquina possui sistema de amortecimento (amortecedor de borracha, Figura 4.14) posicionado abaixo do braço da máquina para absorção do impacto gerado no momento da ruptura do CP.
Figura 4.13 – Quadro de monitoramento de parâmetros (temperatura e tempo) da
Figura 4.14 – Sistema de amortecimento da máquina de ensaio de fluência (CDTN/CNEN).
Todos os ensaios foram realizados à temperatura de 450ºC e as tensões atuantes foram definidas em função do valor médio da tensão limite de escoamento do aço do tipo 16Mo3, obtido a partir dos ensaios de tração.
Foram realizados ensaios de ruptura por fluência em diferentes níveis de carregamento; 95, 70 e 50% do limite de escoamento do referido material.