materiais e equipamentos
131Mdulo 1: Materiais e Equipamentos
materiais e equipamentos Os materiais so substncias com
propriedades que as tornam teis na construo de mquinas, estruturas,
dispositivos e produtos. Em outras palavras, os materiais do
universo que o homem utiliza para fazer coisas.Wellington Gomes
Curso de capacitao em Higiene Industrial
SumrioConsideraes iniciais4Disponibilidade dos materiais6os
materiais de engenharia9Materiais metlicos9Materiais
cermicos13Materiais polimricos16Materiais compsitos20outros grupos
ou tipos de materiais21competio entre os materiais23propriedades
dos materiais24propriedades mecnicas25propriedades trmicas dos
materiais28propriedades eltricas dos materiais29propriedades
qumicas dos materiais30propriedades pticas dos
materiais33propriedades magnticas dos materiais33propriedades
Tecnolgicas dos materiais34materiais para equipamentos de
processos36critrios de seleo de materiais38a temperatura de
operao41a Resistncia corroso43Fludos de Contato/Circulante e
Ambiente de Trabalho48Custo do Material48segurana49Forma de
Apresentao do Material49Facilidades de Fabricao e de
Montagem49tempo de vida previsto50Experincia prvia50Facilidade de
Obsteno do Material50Materiais para Construo de Equipamentos e de
Processo50ligas metlicas ferrosas50Beneficiamento das Ligas de
Ferro51Histrico do Beneficiamento de Ligas Metlicas Ferrosas52o
processo siderrgico53As ligas metlicas ferrosas55aos56ao
carbono58aos liga61ao inoxidvel63nquel e suas ligas67Equipamentos
de processos na indstria de laticnios68Silos e tanques de
armazenamento68bombas centrfugas, deslocamento positivo, vcuo,
produtos qumicos69Vlvulas Industriais71tubulaes
Industriais72Motores eltricos e redutores de
velocidade74caldeira76sistema de refrigerao industrial77trocadores
de calor Pasteurizador de leite78centrfugas82decanter83tanques de
fabricao84Drenoprensa85filadeira86moldadeira -
carrosel86prensas87prateleira dessoradora tanque para salga mesa de
secagem89Esteiras industriais90tnel de encolhimento91mquina de
envase91tacho para fuso de requeijo92batedeira de manteiga92mquina
de fechamento de caixas de papelo93isopainel94Painel
Eltrico94mangueiras industriais95pneumtica industrial95hidrulica
industrial96Balanas de processo100composio qumica de
materiais101materiais de diafragmas, mangotes e outras
vedaes102propriedades mecnicas de materiais103tipos de materiais de
revestimento104resistncia qumica para vlvulas
industriais105resistncia qumica para mangueiras
industriais109resistncia corroso dos materiais126relao de materiais
plsticos137
Consideraes iniciaisA evoluo da sociedade humana sempre foi
influenciada pela descoberta de novos materiais. possvel
correlacionar cada importante salto ocorrido no desenvolvimento da
humanidade com descobertas envolvendo novos materiais. Os primeiros
utenslios utilizados pelo homem foram obtidos a partir de madeira
ou pedra, principalmente para a fabricao de ferramentas e armas.
Outros materiais tambm foram largamente utilizados para fins
especficos como ossos, fibras vegetais, conchas, pele de animais e
argila. Em geral, estes materiais eram usados para fins decorativos
ou para proporcionar maior conforto. Tal desenvolvimento, de certa
forma, tornou mais fcil a obteno e processamento dos recursos
mnimos para a sobrevivncia, fornecendo consequentemente, maior
tempo livre para o nosso desenvolvimento intelectual. Nesta poca, o
crebro humano no possua nada diferente do crebro do homem dos dias
atuais, ou seja, a capacidade de raciocnio era equivalente nossa.
No entanto, o homem possua muito menos tempo para pensar e,
consequentemente, menos oportunidade para se desenvolver. A partir
do momento que o homem produziu ferramentas e novas tcnicas para
facilitar sua vida, passou a ter mais tempo para concatenar ideias,
levando-o mais rapidamente a novas solues para os problemas do
dia-a-dia, como obter alimento, armazenar comida, desenvolver
tcnicas de caa e assim por diante. O desenrolar deste processo
funcionou como uma bola de neve. Quanto mais ele se desenvolvia
mais tempo disponvel para pensar e se desenvolver ele tinha.
Figura 1 Evoluo histrica dos materiais utilizados e produzidos
pelo homemA descoberta de novos materiais teve (e vem tendo ainda
hoje!) um papel fundamental neste desenvolvimento. Os primeiros
elementos que o homem modificou quimicamente foram o carbono, de
materiais queimados, e uma pequena quantidade de metais. A prata,
por exemplo, um dos elementos qumicos mais antigos isolados pelo
homem. Outro exemplo pr-histrico o cobre, empregado na manufatura
de armas e ferramentas, especialmente quando ligado com o estanho
formando a conhecida liga de bronze (da a Idade do Bronze). Os
primeiros utenslios fabricados com ferro foram obtidos a partir de
meteoritos, j que a anlise de objetos daquela poca mostra a presena
de teores relativamente elevados de nquel, tpico de ferro meterico.
O ferro advindo de minrio (que nada mais que xido de ferro
misturado com materiais de rochas como slica) foi provavelmente
obtido pela primeira vez quando algum fez uma grande fogueira sobre
algumas rochas contendo minrio de ferro. Com a ao do carbono em
altas temperaturas este minrio reduziu (ou seja, o oxignio se
separou do ferro), tendo-se ento o ferro metlico parcialmente
isolado. Bastava ento algum recolher estas estranhas pedras
maleveis depois de cessado o fogo e trabalhar com elas, dando forma
a vrios tipos de objetos, ainda que rudimentares. De maneira geral,
o estudo de materiais foi por muito tempo levado de forma emprica.
Este processo esteve principalmente na mo dos alquimistas que
isolavam e transformavam os materiais. No entanto, a metodologia de
estudo utilizada pelos alquimistas, possua um carter mstico e
enviesado pelos preconceitos caractersticos da poca, como ocorreu
em todos os ramos da cincia.Figura 2 Evoluo cronolgica cumulativa
dos elementos qumicos descobertos no ltimo milnioNos dias de hoje a
quantidade de materiais e tcnicas para produo so enormes. A escolha
do material mais adequado para uma determinada aplicao no uma
tarefa trivial, necessitando de um bom conhecimento em materiais. O
tcnico ou tecnlogo deve conhecer os tipos bsicos de materiais e
suas propriedades principais, saber articular estes conhecimentos e
determinar, da melhor forma possvel, a escolha do material mais
apropriado, levando em considerao o custo, suas caractersticas
especficas e outros fatores que possam afetar o usurio/operador
assim como o ambiente onde o mesmo se encontra.Disponibilidade dos
materiaisComo j dito, o homem, h milhares de anos, isola e
transforma materiais para a produo de utenslios que facilitem sua
vida. Mas de onde vm estes materiais? Onde estariam disponveis? A
resposta mais bvia seria: da Terra. A Terra possui um dimetro em
torno de 13.000 km e sua massa de aproximadamente 6 1024 kg (ou
seja, 24 zeros atrs do nmero 6 !!!). Mas, o homem pode de fato
utilizar todo este material? A resposta NO. O homem tem
possibilidade de utilizar somente o que h na crosta terrestre. A
crosta terrestre uma fina casquinha sobre esta grande esfera que o
planeta Terra. Ela possui uma espessura de 30 a 50 km. Fazendo-se
uma analogia, se tivssemos uma esfera de 100 mm (10 cm) de dimetro,
a espessura equivalente da crosta terrestre seria de 0,4 mm. Seria
como uma camada espessa de verniz ou tinta sobre esta esfera de 100
mm. A atmosfera da terra possui dimenses semelhantes da crosta
terrestre, logo, a mesma analogia vlida. O homem, ento, extrai seus
recursos do meio em que vive, ou seja, da crosta terrestre e da
atmosfera. Mas, quais elementos qumicos esto disponveis na crosta
terrestre e atmosfera? Sempre ouvimos falar que a terra composta
principalmente por ferro, mas esta informao leva em conta toda a
esfera. A Figura 3 abaixo mostra a distribuio da composio qumica
dos elementos qumicos que compe a crosta terrestre.
Figura 3 Composio qumica da crosta terrestre
A Figura 3, mostra algo interessante: o oxignio e silcio juntos
representam quase 75% da proporo de elementos qumicos presentes na
crosta terrestre. Nada mais justo! A crosta terrestre formada
principalmente por rochas. A quantidade de slica presente nestas
rochas muito grande. A areia do mar, nada mais do que slica moda.
Se observarmos a composio qumica da slica (SiO2) notamos que ela
composta de um tomo de silcio e dois tomos de oxignio. Observando a
Figura 3 percebemos que a quantidade de oxignio quase o dobro da de
silcio. Coincidncia? Os elementos que seguem, em ordem decrescente,
alumnio, ferro, clcio, sdio, magnsio e potssio juntos com oxignio e
silcio representam 99% dos elementos qumicos presentes na crosta
terrestre. Isto significa dizer que 99% dos recursos disponveis so
compostos por estes elementos. O elemento qumico mais abundante do
universo o hidrognio, a matria orgnica composta principalmente de
carbono, a gua possui 2/3 de hidrognio, o carbono (elemento
principal de organismos vivos) e metais importantes como nquel,
chumbo, estanho, cobre, titnio, molibdnio e mais os outros noventa
e tantos elementos qumicos da tabela peridica com 1% de representao
na proporo da crosta. Outro ponto a ser ressaltado. Por que o
alumnio to disputado entre os catadores de sucata j que se trata do
terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre? Por que
simplesmente no cavar e recolher o alumnio? O mesmo pode-se dizer
do ferro, tambm muito abundante. Clcio, sdio, magnsio e potssio
tambm so metais. Voc j os viu? Voc j viu algum objeto feito a
partir de uma barra de clcio? Qual a cor do clcio? Branco? O que
ocorre que, assim como o silcio, estes outros metais esto ligados
ao oxignio. O alumnio est presente principalmente como alumina
(Al2O3) e o ferro como hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4). No
possvel produzir latinhas de alumnio diretamente com a alumina
recolhida da terra. como morrer de sede na praia. A gua salgada no
serve para beber! necessrio separar o alumnio do oxignio e isso
muito dispendioso. O mesmo ocorre com o ferro, mas este mais fcil
de separar que o alumnio. Por isso h mais objetos produzidos de
ferro que de alumnio, apesar do Ferro ser menos abundante que o
Alumnio. Certamente voc no encontrou por a nenhum objeto feito de
uma barra de clcio metlico. O mpeto de pensar o clcio na cor branca
que voc o encontra na forma de xido. A cal , basicamente, xido de
clcio. O clcio (assim como o ltio, potssio, sdio, rubdio, csio,
frncio, magnsio, etc.) extremamente apaixonado por oxignio e por
isso a separao um tanto dolorosa. Voc precisa ceder muita energia
para separar o clcio do oxignio. O inverso ocorre quando estes
metais muito apaixonados por oxignio o encontram, uma quantidade
grande de energia liberada. Os metais alcalinos e alcalinos
terrosos possuem esta caracterstica. A maioria dos metais presentes
no planeta Terra tendem a formar xidos, carbonetos, nitretos,
boretos, sulfetos, entre outros. Raramente voc ir encontrar o metal
isolado. Existem excees. Por exemplo, o ouro, este fantstico metal
no to valioso toa. Ele no forma um xido estvel, ou seja, no oxida!
Assim, os objetos produzidos a partir dele duram quase que
eternamente. No por nada que arquelogos ainda encontram objetos de
civilizaes antigas produzidas a partir de ouro, em excelente estado
de conservao. O ouro pode ser encontrado na natureza na forma
metlica. Por isso, foi um dos primeiros metais conhecidos pelo
homem (Figura 2) e to valorizado. A prata possui um xido pouco
estvel e por ser mais abundante que o ouro acabou tendo maior
importncia na pr-histria que este.
os materiais de engenhariaOs materiais so substncias com
propriedades que as tornam teis na construo de mquinas, estruturas,
dispositivos e produtos. Em outras palavras, os materiais do
universo que o homem utiliza para fazer coisas.Os materiais slidos
so frequentemente classificados em trs grupos principais: materiais
metlicos, materiais cermicos e materiais polimricos ou plsticos.
Esta classificao baseada na estrutura atmica e nas ligaes qumicas
predominantes em cada grupo. Um quarto grupo, que foi incorporado
nesta classificao nas ltimas dcadas, o grupo dos materiais
compsitos. Em seguida, descreveremos brevemente os quatro grupos
acima mencionados.Materiais metlicosOs materiais metlicos so
normalmente combinaes de elementos metlicos. Eles apresentam um
grande nmero de eltrons livres, isto , eltrons que no esto presos a
um nico tomo. Muitas das propriedades dos metais so atribudas a
estes eltrons. Por exemplo, os metais so excelentes condutores de
eletricidade e calor e no so transparentes luz. A superfcie dos
metais, quando polida, reflete eficientemente a luz. Eles so
resistentes mas deformveis. Por isto so muito utilizados em
aplicaes estruturais.Abaixo segue a Figura 5 exemplificando alguns
tipos de metais.
Figura 5 Tipos de metaisEntre os quatros grupos de materiais
mencionados anteriormente, os materiais metlicos, e em particular
os aos, ocupam um lugar de destaque devido sua extensiva utilizao.
Cerca de 70 dos 92 elementos da tabela peridica (Figura 4 abaixo)
encontrados na natureza tm carter metlico preponderante. Os metais
mais tradicionais, tais como cobre, ouro e ferro so conhecidos e
utilizados h alguns milnios.No perodo entre 5.000 e 3.000 a.C., ou
seja, dois milnios aps a introduo da agricultura, surgiu uma srie
de invenes importantes. O homem desenvolveu o forno de alta
temperatura, onde ele aprendeu a fundir os metais e a empreg-los
para dominar os animais. Ele inventou o arado, a carroa, as
embarcaes, a vela e a escrita. No incio da era crist o homem
conhecia sete metais: cobre, ouro, prata, chumbo, estanho, ferro e
mercrio.Embora a civilizao clssica da Grcia tenha explorado quase
completamente as possibilidades oferecidas pelos metais e outros
materiais disponveis desde eras precedentes, na produo de cermicas,
joalheria, esculturas e arquitetura, eles pouco fizeram para inovar
o campo dos materiais. O mesmo pode-se dizer dos romanos, que
adquiriram uma grande reputao como engenheiros. Por outro lado,
foram os romanos que disseminaram no seu vasto imprio o ferro como
material propulsor da economia.
Figura 4 Tabela Peridica dos Elementos QumicosUm fato importante
ocorreu em Mainz (Alemanha), onde Johannes Gutenberg
(c.1.397-1.468) iniciou experincias com a fundio de tipos ou
caracteres metlicos (chumbo) durante a dcada de 1.440. Por volta de
1.445, ele e seus colaboradores foram capazes de imprimir a Bblia
de Gutenberg. Sabemos muito mais sobre os processos de produo de
materiais no sculo XVI do que em pocas anteriores, devido
imprensa.Em 1.540, o italiano Vannocio Biringuccio publicou sua
obra clssica De La Pirotechnia. No seu livro ele trata da fundio e
conformao de metais, alm da fabricao de vidro e de plvora.
Figura 5 Fundio e conformao de metaisEm 1.556, foi publicada a
obra tambm clssica de George Bauer (em latim, Georgius Agrcola),
denominada De Re Metallica. Ele viveu nas regies da Boemia e Silsia
e descreve detalhadamente no seu livro operaes de minerao e de
fundio.Outro avano significativo na produo e utilizao de materiais
metlicos ocorreu com a fabricao dos aos com teor de carbono mais
baixo e no estado lquido. Antes da dcada de 1860, o ferro malevel
tinha sido sempre consolidado em temperaturas abaixo de seu ponto
de fuso. Isto levava inevitavelmente heterogeneidade na distribuio
do carbono e ao aprisionamento de escria e outras incluses. Esta
descoberta, feita por Henry Bessemer em 1.856, permitiu a produo de
ao em grande escala e inaugurou uma nova fase na histria da
humanidade; a idade do ao. Quase todos os desenvolvimentos do sculo
XIX se dirigiram para a produo mais eficiente dos materiais
conhecidos h sculos. At o sculo XIX praticamente nenhum uso dos
materiais havia explorado algo alm de suas qualidades mecnicas e
pticas ou sua resistncia corroso. As nicas propriedades fsicas
amplamente medidas e relatadas quantitativamente na literatura
cientfica eram ponto de fuso, densidade, dilatao trmica e calor
especfico. Propriedades mecnicas (exceto as constantes elsticas)
pareciam ser muito variveis para terem algum significado
fundamental. A microestrutura das ligas era praticamente
desconhecida. A metodologia de estudo das ligas consistia
basicamente em atacar quimicamente com cidos as diversas composies
de um determinado sistema binrio. Desta maneira, Karl Karsten
noticiou em 1.839 a descontinuidade na reatividade qumica de ligas
com composio aproximadamente equiatmicas do sistema binrio
cobre-zinco. Mais tarde, descobriu-se que se tratava do composto
intermetlico CuZn, conhecido como lato beta.Figura 6 Chapa de lato
(CuZn)Mas a grande revoluo estava a caminho: a observao microscpica
da microestrutura dos materiais e correlao com suas propriedades.
Isto comeou no grande centro produtor de ao, em Sheffield, na
Inglaterra. Henry Clifton Sorby, em 1.863/64, observou a estrutura
de rochas e de aos ao microscpio ptico. A superfcie destes
materiais tinha sido polida e atacada levemente com reagentes
qumicos.
Figura 7 Chapa de ao (Inox 316L)Em 1.895, eram descobertos os
raios x. A difrao de raios x, que possibilitou a determinao da
estrutura cristalina dos materiais, foi descoberta em 1.911/12.De
posse da metalografia ptica, da difrao de raios x e de algumas
tcnicas indiretas como dilatometria e anlise trmica, os
metalurgistas puderam caracterizar as transformaes de fase e as
microestruturas delas decorrentes. A correlao das microestruturas
com as propriedades foi uma consequncia natural. O advento da
microscopia eletrnica possibilitou melhores resolues e a observao
de detalhes e espcies no observveis com o microscpio ptico.A
maioria dos elementos qumicos foi descoberta nos ltimos 250 anos
(vide Figura 2). Empregamos atualmente nos processos industriais a
grande maioria dos elementos qumicos, ao passo que, at um sculo
atrs, com exceo de uns 20 deles, os mesmos eram curiosidades nos
laboratrios de qumica.Materiais cermicosOs materiais cermicos so
normalmente combinaes de metais com elementos no metlicos. Os
principais tipos so: xidos, nitretos e carbonetos. A esse grupo de
materiais tambm pertencem os argilo-minerais, o cimento e os
vidros. Do ponto de vista de ligaes qumicas, eles podem ser desde
predominantemente inicos at predominantemente covalentes. Eles so
tipicamente isolantes trmicos e eltricos. So tambm mais resistentes
alta temperatura e a ambientes corrosivos que os metais e polmeros.
Eles so muito duros, porm frgeis. Abaixo segue a Figura 6
exemplificando alguns tipos de materiais cermicos.
Figura 8 Tipos de matrias cermicos
A argila foi o primeiro material estrutural inorgnico a adquirir
propriedades completamente novas como resultado de uma operao
intencional realizada por seres humanos. Esta operao foi a queima
(sinterizao) que tornou possvel a obteno de potes, panelas e outros
utenslios cermicos, com enorme impacto na vida e nos hbitos do
homem. Segundo Kranzberg e Smith, este foi talvez o comeo da
engenharia de materiais. Estima-se que isto tenha ocorrido no
oitavo milnio a.C.
Figura 9 Diferentes tipos de argilasA cermica vermelha (telhas,
tijolos e manilhas) e a cermica branca (azulejos, sanitrios e
porcelanas) so constitudas principalmente de silicatos hidratados
de alumnio, tais como caulinita, haloisita, pirofilita e
montmorilonita. O xido de ferro que confere a cor avermelhada de
muitos produtos cermicos.
Figura 10 Pigmentos de xido de ferroA argila usualmente plstica
aps ser suficientemente pulverizada e umedecida e nesta condio
conformada. Aps a secagem, ela se torna rgida e adquire alta dureza
aps a queima em temperaturas elevadas. As cermicas tradicionais
base de slica, alumina ou magnsia so tambm muito utilizadas como
refratrios em fornos e dispositivos utilizados na fuso e
tratamentos trmicos dos metais e ligas.Enquanto as cermicas
tradicionais so obtidas a partir de matrias primas naturais tais
como argilo-minerais e areia; as cermicas avanadas so feitas a
partir de xidos, nitretos, carbonetos e boretos de alta pureza, tm
composio definida e o tamanho, a forma e a distribuio das partculas
so controlados. Por outro lado, o mercado mundial de cermicas
tradicionais pelo menos uma ordem de grandeza maior que o de
cermicas avanadas.Os vidros tradicionais so misturas de xidos e
devem ser classificados como materiais cermicos. Eles tambm so
materiais bastante antigos. Por volta do ano 4.000 antes de Cristo
j existiam vidros decorativos no Egito. Em 1.500 a.C., a produo de
vidros j estava relativamente estabelecida.Em 1.200 d.C., Veneza
era a capital do vidro. Para proteger sua tecnologia contra
ingleses e franceses, os venezianos transferiram em 1.292 a produo
de Veneza para a ilha de Murano. Os vidros desta poca eram
basicamente misturas de slica, cal e soda. Pequenas adies de ons de
cobalto, cromo, cobre, mangans e ferro causam grandes mudanas de
cor. Por exemplo, a adio de apenas 0,15% de CoO (xido de cobre)
confere ao vidro de carbonato de sdio a cor azul escura.
Figura 11 xido de cobre disposto na naturezaO prximo grande
desenvolvimento ocorreu com os chamados vidros pticos. Em 1.846, o
mecnico Carl Zeiss e o professor de fsica Ernst Abbe montaram uma
oficina de ptica em Jena, na Alemanha. Os estudos de Abbe mostraram
que havia uma limitao bsica para a resoluo em um sistema ptico,
relacionada ao dimetro da lente e ao comprimento de onda da luz.Em
1.882, o qumico recm-doutorado Friedrich Otto Schott juntou-se a
eles. Schott havia concludo seu trabalho de doutorado com vidros de
alta pureza e procurava para eles uma aplicao. Vidros de melhor
qualidade e a assessoria de um especialista em materiais era
exatamente o que estava faltando aos produtos da oficina de Zeiss e
Abbe. Os trs dominaram o desenvolvimento das lentes modernas e dos
instrumentos ticos.Nas ltimas dcadas do atual sculo ocorreram dois
outros desenvolvimentos importantes na indstria do vidro,
relacionados com a utilizao de materiais reforados com fibras de
vidro e com as fibras pticas usadas na transmisso de informaes.Os
vidros inorgnicos apresentam ausncia de ordem de longo alcance (so
amorfos), tm propriedades isotrpicas, so transparentes luz visvel,
podem ser formulados para absorver ou transmitir determinados
comprimentos de onda, so isolantes trmicos e eltricos e amolecem
antes de fundir, permitindo a conformao por sopro de formas
intrincadas.Em 1.960, foram produzidos pela primeira vez por Pol
Duwez ligas metlicas amorfas; os chamados vidros metlicos. Estes
materiais so estruturalmente similares aos vidros inorgnicos, mas
apresentam as propriedades impostas pela ligao metlica.Figura 12
Diferentes tipos de vidrosMateriais polimricosOs polmeros so
constitudos de macromolculas orgnicas, sintticas ou naturais. Os
plsticos e borrachas so exemplos de polmeros sintticos, enquanto o
couro, a seda, o chifre, o algodo, a l, a madeira e a borracha
natural so constitudos de macromolculas orgnicas naturais.Os
polmeros so baseados nos tomos de carbono, hidrognio, nitrognio,
oxignio, flor e em outros elementos no metlicos. A ligao qumica
entre tomos da cadeia covalente, enquanto a ligao intercadeias
fraca, secundria, geralmente dipolar.Os materiais polimricos so
geralmente leves, isolantes eltricos e trmicos, flexveis e
apresentam boa resistncia corroso e baixa resistncia ao calor.Os
polmeros naturais foram usados por milnios. Materiais naturais de
origem animal ou vegetal, como madeira, fibras txteis, crinas e
ossos, so todos polmeros. Por outro lado, o desenvolvimento dos
plsticos modernos ocorreu principalmente depois de 1.930. Para que
os plsticos modernos pudessem ser desenvolvidos, a qumica orgnica
teve que ser criada.At a dcada de 1.820, predominava a chamada
teoria da fora vital: os compostos orgnicos s existiriam nas coisas
vivas, enquanto os compostos inorgnicos seriam os constituintes de
todos os minerais.A sntese da uria feita por Woehler, em 1.828, a
partir de compostos inorgnicos, liquidou com a teoria da fora
vital. Hoje em dia, existem mais de um milho de substncias orgnicas
sintetizadas artificialmente, mas naquela poca, qumicos importantes
como Berzelius (1.779-1.848) receberam com ceticismo o anncio feito
pelo jovem qumico Woehler. Por uma ironia da histria, a expresso
polmero foi criada por Berzelius, em 1.832, em contraposio ismero,
para designar compostos de pesos moleculares mltiplos, ou de mesmo
peso molecular, respectivamente. O termo polmero vem do grego e
significa muitas partes.A baquelita, descoberta em 1.905, por Leo
Hendrik Baekeland, foi a primeira da srie dos plsticos sintticos.
Em 1.935, M.W.Perrin e J.C. Swallow descobrem o polietileno. Em
1.938, R.J. Plunkett descobre o politetrafloretileno (PTFE). A
maioria dos polmeros foi descoberta no perodo entre 1.930 e 1.950,
mas a indstria dos polmeros no chegou sua maturidade antes dos anos
60. O desenvolvimento foi, a partir da, exponencial.
Figura 13 Pigmentos de baquelitaExistem vrios tipos de
macromolculas: Macromolculas sintticas orgnicas. Exemplos:
polietileno, policloreto de vinila, nailon e muitos outros
plsticos; Macromolculas naturais orgnicas. Exemplos: algodo,
madeira, l, cabelo, couro, seda, chifre, unha e borracha natural;
Macromolculas naturais inorgnicas. Exemplos: diamante, grafite,
slica e asbesto; Macromolculas sintticas inorgnicas. Exemplos: cido
polifosfrico e policloreto de fosfonitrila.Figura 14 Diferentes
tipos de polmeros O petrleo e o gs natural so as duas principais
matrias primas para a produo de plsticos. Na destilao fracionada do
petrleo so obtidas diversas fraes de hidrocarbonetos. A frao de
maior importncia na produo de plsticos a nafta. Por exemplo, de
cada 100 toneladas de petrleo pode-se obter cerca de 20 toneladas
de nafta e pouco mais de 5 toneladas de polietileno.Os polmeros
podem ser classificados em trs grupos principais: Termoplsticos:
Podem ser repetidamente conformados mecanicamente desde que
reaquecidos. Portanto, no s a conformao a quente de componentes
possvel, mas tambm a reutilizao de restos de produo, que podem ser
reintroduzidos no processo de fabricao (reciclagem). Muitos
termoplsticos so parcialmente cristalinos e alguns so totalmente
amorfos. Exemplos tpicos de termoplsticos so: polietileno,
policloreto de vinila (PVC), polipropileno e poliestireno.
Termorrgidos: So conformveis plasticamente apenas em um estgio
intermedirio de sua fabricao. O produto final duro e no amolece
mais com o aumento da temperatura. Uma conformao plstica posterior
no portanto possvel. No so atualmente reciclveis. Os termorrgidos
so completamente amorfos, isto , no apresentam estrutura
cristalina. Exemplos tpicos de termorrgidos so: baquelite, resinas
epoxdicas, polisteres e poliuretanos. Elastmeros (borrachas): So
tambm materiais conformveis plasticamente, que se alongam
elasticamente de maneira acentuada at a temperatura de decomposio e
mantm estas caractersticas em baixas temperaturas. Os elastmeros so
estruturalmente similares aos termoplsticos, isto , eles so
parcialmente cristalinos. Exemplos tpicos de elastmeros so:
borracha natural, neopreno, borracha de estireno, borracha de
butila e borracha de nitrila.O consumo de polmeros em um pas
industrializado, como a Inglaterra, predominantemente de
termoplsticos (55%), depois vem as borrachas (27%) e em seguida os
termorrgidos (10% e outros produtos polimricos 8%).Os maiores
produtores mundiais de polmeros so: Estados Unidos (29%), Japo
(12%), Alemanha (10%), Ex-URSS (6%), Frana (5%) e outros (38%).O
nvel de desenvolvimento industrial de um pas ou continente pode ser
avaliado pelo consumo de plsticos, conforme ilustra a Tabela
1.Tabela 1 Consumo de plsticos em diversos pases e regiesMateriais
compsitosOs materiais compsitos so materiais projetados de modo a
conjugar caractersticas desejveis de dois ou mais materiais.Um
exemplo tpico o compsito de fibra de vidro em matriz polimrica. A
fibra de vidro confere resistncia mecnica, enquanto a matriz
polimrica, na maioria dos casos constituda de resina epoxdicas,
responsvel pela flexibilidade do compsito.A matriz pode ser
polimrica, metlica ou cermica. O mesmo vale para o reforo, que pode
estar na forma de disperso de partculas, fibras, bastonetes, lminas
ou plaquetas.Os materiais compsitos so tambm conhecidos como
materiais conjugados ou materiais compostos.
Figura 15 Materiais compsitos utilizados em aviesA madeira um
material compsito natural, em que a matriz e o reforo so
polimricos. O concreto outro compsito comum. Neste caso, tanto a
matriz como o reforo so materiais cermicos. No concreto, a matriz
cimento Portland e o reforo constitudo de 60 a 80% em volume de um
agregado fino (areia) e de um agregado grosso (pedregulho). O
concreto pode ainda ser reforado com barras de ao.A grande expanso
no desenvolvimento e no uso dos materiais compsitos iniciou-se na
dcada de 1970, conforme mostra a Figura 16.
Figura 16 Evoluo da produo de alguns materiais nos EUAoutros
grupos ou tipos de materiaisAlm dos quatros grupos principais
mencionados anteriormente, existem alguns grupos emergentes de
materiais, tais como: materiais semicondutores, materiais
supercondutores, polmeros condutores e silicones.Os materiais
semicondutores tm propriedades eltricas intermedirias entre
condutores e isolantes. Alm disto, as caractersticas eltricas
destes materiais so extremamente sensveis presena de pequenas
concentraes de impurezas. Os semicondutores tornaram possvel o
advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as indstrias
eletrnica e de computadores nas ltimas duas dcadas. Os
semicondutores podem ser elementos semi-metlicos puros como o
silcio e o germnio.
Figura 17 Materiais semicondutoresOs materiais supercondutores
apresentam resistncia eltrica desprezvel abaixo de uma certa
temperatura, denominada temperatura crtica. Eles podem ser tanto
materiais metlicos como materiais cermicos. Os melhores
supercondutores metlicos so geralmente compostos intermetlicos. Os
condutores cermicos, descobertos recentemente, so xidos mistos, mas
a quantidade de corrente conduzida (corrente crtica) muito
baixa.Figura 18 Materiais supercondutores
Enquanto os polmeros condutores encontram-se em fase de
desenvolvimento, os silicones j so amplamente utilizados na forma
de leos, borrachas e resinas.
Figura 19 Polmeros condutores
competio entre os materiaisBuscando maior competitividade nos
bens de consumo, as indstrias desenvolvem produtos cada vez
melhores. O objetivo final sempre a satisfao do cliente, mas, no
entanto, esta satisfao algo relativo. Em geral, o cliente quer o
bom e barato. O desafio ento utilizar o material que fornece a
melhor relao custo/benefcio do mercado. Atualmente, pode-se notar
que os aspectos sociais e ambientais vm sendo levado em considerao
pelos clientes, cada vez mais exigentes. Para se conhecer estas
caractersticas deve-se ter um bom entendimento sobre os materiais,
seus possveis tratamentos e os custos envolvidos e impactos
associados. Na histria, o uso de materiais para produzir bens de
consumo estava limitado ao conhecimento da existncia destes
materiais, na facilidade de se obter, e nas suas caractersticas
quanto facilidade de se processar e quo durveis eram tais
materiais. A Figura 20 mostra a importncia relativa das principais
classes de materiais ao longo da histria.Figura 20 A evoluo dos
materiais com o tempoOs materiais pr-histricos eram,
principalmente, as cermicas e os polmeros naturais. As armas (como
sempre na crista da onda da tecnologia) eram produzidas com madeira
e pedras (ponta de flechas, lanas, entre outros). As casas e pontes
eram construdas a partir de pedras. O ouro e a prata disponveis na
poca tinham menor importncia nesta tecnologia. Com a descoberta do
cobre, bronze e em seguida o ferro, os artefatos armamentcios e as
ferramentas produzidas de madeira e pedra. Com o desenvolvimento da
metalurgia, os horizontes se abriram e um grande salto na
tecnologia foi dado. Nos meados da Segunda Guerra Mundial, os
materiais metlicos se sobressaiam (e com folga!) s demais classes
de materiais. A partir da as cermicas avanadas comearam a se
desenvolver e sua utilizao passou a ser inevitvel. Alm disso, a
partir deste perodo, o homem consolidou seu domnio na sntese de
materiais polimricos e, por conseguinte, os materiais compsitos se
desenvolveram tambm. Com o domnio da tecnologia dos materiais, a
importncia relativa dos mesmos agora mais equilibrada. Isto faz com
que a gama de materiais passveis de serem utilizados seja maior o
que por um lado bom. A notcia ruim que precisamos estudar mais para
conhecer suas caractersticas e melhor aproveitar os recursos
naturais disponveis. propriedades dos materiais Os materiais muitas
vezes so identificados pelos seus atributos ou qualidades. Por
exemplo, materiais refratrios, aos mola, materiais com boa
condutibilidade eltrica. Estes atributos so chamados de
propriedades dos materiais e so essenciais para a escolha de um
material para uma determinada aplicao. As propriedades dos
materiais dependem da natureza do material, composio qumica,
estrutura cristalina, dos defeitos na estrutura cristalina. Podemos
citar como propriedades dos materiais, as propriedades fsicas,
qumicas, mecnicas e tecnolgicas.
Figura 21 Classificao das Propriedades dos materiaisFigura 22
Classificao das Propriedades dos materiaispropriedades mecnicasAs
propriedades mecnicas constituem uma das caractersticas mais
importantes das ligas metlicas ferrosas em suas vrias aplicaes,
visto que o projeto e a construo de componentes mecnicos
estruturais so baseados nestas propriedades. Elas definem o
comportamento do material quando sujeito a esforos de natureza
mecnica e correspondem as propriedades que, num determinado
material, indicam a sua capacidade de transmitir e resistir aos
esforos que lhe so aplicados, sem romper ou sem que produzam
deformaes permanentes. As propriedades mecnicas podem ser obtidas a
partir de ensaios mecnicos, seguindo as suas respectivas normas. i.
Resistncia mecnica: pode-se conceituar resistncia mecnica como
sendo a capacidade do material de resistir a esforos de natureza
mecnica, como trao, compresso, cisalhamento, toro, flexo entre
outros, sem romper e/ou se deformar. O termo resistncia mecnica,
porm abrange na prtica um conjunto de propriedades que o material
deve apresentar, dependendo da aplicao ao qual se destina. muito
comum para efeito de projeto relacionar diretamente a resistncia
mecnica com resistncia trao do material.
Figura 23 Resistncia trao e compresso
ii. Elasticidade: a capacidade que o material apresenta de
deformar-se elasticamente. A deformao elstica de um material ocorre
quando o material submetido a um esforo mecnico e o mesmo tem suas
dimenses alteradas, e quando o esforo cessado o material volta s
suas dimenses iniciais.
Figura 24 Elasticidade
iii. Ductilidade e/ou plasticidade: a capacidade que o material
apresenta de deformar-se plasticamente (ou permanentemente) antes
de sua ruptura. Nota-se que houve deformao plstica de um material
quando este submetido a um esforo mecnico e o mesmo tem suas
dimenses alteradas, e quando o esforo cessado o material no retorna
sua dimenso inicial.
Figura 25 Plasticidade
iv. Dureza: A dureza possui vrias definies. Talvez a que mais se
adapte ao nosso curso seja: dureza a medida da resistncia que o
material possui a deformao plstica localizada.
Figura 26 Equipamento utilizado em ensaio de dureza
v. Tenacidade: a capacidade que o material possui em absorver
energia antes de sua ruptura. Dentro deste mesmo conceito pode-se
associar a tenacidade com a resistncia ao impacto.
Figura 27 Tenacidade propriedades trmicas dos materiaisQuando um
slido absorve calor, sua temperatura aumenta e sua energia interna
tambm. Os dois tipos principais de energia trmica em um slido so a
energia vibracional dos tomos ao redor de suas posies de equilbrio
e a energia cintica dos eltrons livres. Concluindo, as propriedades
trmicas determinam o comportamento dos materiais quando so
submetidos a variaes de temperatura. Isso acontece tanto no
processamento do material quanto na sua utilizao. um dado muito
importante, por exemplo, na fabricao de ferramentas de corte.
Figura 28 Propriedade Trmica
Figura 29 Dilatao trmicapropriedades eltricas dos materiais a
capacidade que determinados materiais possuem de conduzir a
corrente eltrica.
Figura 30 Cabeamento eltrico de cobrepropriedades qumicas dos
materiaisA maioria dos metais ocorre na natureza de forma
combinada, principalmente com o oxignio. Isto uma evidncia de que
os metais puros e as ligas metlicas so menos estveis
termodinamicamente que, por exemplo, seus xidos. Portanto, os
metais e ligas tendem a reagir com o meio durante a sua utilizao.
Alguns metais preciosos representam uma exceo no comportamento
mencionado acima.A corroso metlica um processo eletroqumico. Os
metais apresentam diferentes propenses corroso. Como o processo de
ionizao de um metal cria um potencial eltrico, denominado potencial
de eletrodo, a propenso corroso pode ser avaliada por este
potencial. Os potenciais de eletrodo so medidos em relao ao
hidrognio. O potencial de eletrodo depende tambm (alm do metal) da
natureza e da concentrao da soluo em que o metal est imerso.Um
fenmeno muito importante no estudo de corroso a passivao. A
passivao causada pela formao de uma pelcula muito fina (pelcula
passivadora) e aderente de xido na superfcie do metal ou liga, a
qual dificulta a continuidade do processo de corroso ou oxidao.
Este fenmeno ocorre no cromo, no ferro, no nquel, no titnio e na
maioria de suas ligas. Os casos mais conhecidos de passivao so
provavelmente os do ao inoxidvel e do alumnio.Figura 31 PassivaoA
corroso pode ser classificada em vrios tipos, de acordo com a
maneira com que ela ocorre. O ataque pode ser generalizado
(uniforme) ou localizado. O ataque localizado, por sua vez, tambm
pode ser de vrios tipos. A figura 20.1 sumariza os oito tipos mais
comuns de corroso: corroso uniforme, corroso por pites, corroso
galvnica envolvendo metais dissimilares, corroso em frestas,
corroso seletiva, corroso intergranular na ausncia de tenso,
corroso intergranular com a presena de tenso e corroso
transgranular sob tenso. Os ltimos sete tipos de corroso podem ser
considerados como sendo de corroso localizada.Os materiais cermicos
so muito estveis quimicamente. Eles so praticamente inertes na
maioria dos meios orgnicos e inorgnicos, em gua, assim como em
cidos e bases fracos. Os vidros inorgnicos, em particular, so muito
resistentes aos ataques qumicos. Apesar disto, eles so atacados
pelo cido fluordrico e por algumas bases. Os materiais refratrios
utilizados em altas temperaturas no revestimento de fornos tambm
podem sofrer ataques de gases e de metais lquidos.
Figura 32 Formas de corroso
Figura 33 Formas de corrosoOs polmeros, em comparao com os
materiais metlicos, so bastante estveis em meios lquidos tais como
gua, solues inorgnicas cidas ou bsicas, assim como em atmosferas
agressivas. No entanto, importante destacar que a maioria dos
polmeros (termoplsticos e termorrgidos) absorve pequenas
quantidades de gua. Por exemplo, o polietileno absorve cerca de 0,1
a 0,2% de gua em 24 horas de exposio.Por outro lado, muitos
polmeros so atacados e at dissolvidos por alguns solventes
orgnicos. Por exemplo, o poliestireno solvel em benzeno, tolueno e
xileno. Em geral, os termorrgidos so mais resistentes ao ataque de
solventes orgnicos que os termoplsticos.Algumas vezes, o polmero no
chega a ser dissolvido totalmente, mas a penetrao por difuso de
lquido ou soluto para regies entre as cadeias aumenta a separao
entre elas e causa inchamento. Alm disto, o material torna-se mais
mole e dctil. Em geral, tanto a dissoluo como o inchamento diminuem
com a diminuio da temperatura e com o aumento do peso molecular, do
grau de ligaes cruzadas e do grau de cristalizao.Outra forma de
degradao causada pela difuso do oxignio para regies entre as
cadeias dos termoplsticos, promovendo ligaes cruzadas. Esta reao,
denominada envelhecimento, acelerada pela luz ultravioleta ou pela
luz solar forte e torna o polmero mais duro e frgil. Ela muito
comum no polietileno e nas borrachas. A oxidao dos pneus pode ser
suprimida pela adio de pequenas quantidades de carvo ou de
substncias antioxidantes, como as aminas aromticas ou derivadas de
fenis.propriedades pticas dos materiaisPor propriedades pticas
entende-se a resposta ou reao do material incidncia de radiao
eletromagntica e em particular de luz visvel.
Figura 34 Propriedade pticapropriedades magnticas dos
materiaisDe uma maneira simplificada, pode-se dizer que magnetismo
um fenmeno pelo qual os materiais exercem foras (de atrao e de
repulso) uns sobre os outros. Esta definio, embora til e prtica,
apresenta algumas limitaes. Por exemplo, o estado magntico de um
material no constante e pode ser alterado de diversas maneiras. Alm
disto, o fato de materiais repelirem-se ou atrarem-se no significa
que eles sejam magnticos. A fora entre eles pode ser, por exemplo,
de carter eletrosttico. Muitos dos equipamentos e dispositivos
modernos dependem do magnetismo e dos materiais magnticos:
geradores e transformadores de eletricidade, motores eltricos,
rdio, televiso, telefone e computadores. O ferro, alguns aos e a
magnetita (Fe3O4) so exemplos de materiais comuns que apresentam
magnetismo. Alm destes, existem muitos outros, menos comuns, tais
como compostos intermetlicos de samrio e cobalto, assim como ligas
de neodmio, ferro e boro.Do mesmo modo que os materiais diferem
bastante na sua resposta a um campo eltrico (condutores, isolantes
e etc.), eles tambm diferem substancialmente quando expostos a um
campo magntico. Os efeitos magnticos nos materiais originam-se nas
minsculas correntes eltricas associadas ou a eltrons em rbitas
atmicas ou a spins de eltrons. Podemos classificar os materiais
quanto ao seu comportamento magntico em diamagnticos,
paramagnticos, ferromagnticos, antiferromagnticos e
ferrimagnticos.
Figura 35 Propriedade magnticapropriedades Tecnolgicas dos
materiaisNa produo de certos componentes mecnicos, algumas
propriedades tecnolgicas podem ser consideradas, para que o
material a ser processado tenha um comportamento que no comprometa
seu desempenho tanto durante o processamento, como em sua utilizao.
Vamos citar as mais importantes:i. Usinabilidade: expressa a
facilidade de um material ser usinado, ou seja, fabricao de uma
pea, a partir da remoo de maior dimenso, atravs da remoo de
material. Esta propriedade tecnolgica pode expressa por meio de um
valor numrico comparativo com um outro material padro.
Figura 36 Usinagem de ao inox
ii. Conformabilidade: a capacidade do material de ser deformado
plasticamente atravs de processos de conformao mecnica. Esta
propriedade est associada ductilidade do material.
Figura 37 Conformabilidade do ao
iii. Temperabilidade: est diretamente relacionada com a
profundidade (da superfcie em direo ao ncleo) com a qual o material
pode ser endurecido num tratamento trmico de tmpera.
Figura 38 Temperabilidade do ao carbono
iv. Soldabilidade: a capacidade de um material ser unido pelo
processo de soldagem, tendo por objetivo a continuidade das
propriedades fsicas, qumicas e mecnicas dos mesmos.Figura 39
Soldabilidade do ao inoxmateriais para equipamentos de processos A
demanda pela otimizao de processos e a necessidade do aumento da
confiabilidade dos equipamentos de processo vm merecendo ateno
especial ao longo dos ltimos anos, por conta da necessidade de
aumento da competitividade das empresas e da diminuio dos custos
com paradas das plantas para manuteno e troca de equipamentos. Na
medida em que se deseja que os equipamentos operem com maior
eficincia e por tempos mais prolongados, torna-se necessrio que os
materiais que os compem possam suportar condies cada vez mais
severas de trabalho; condies essas, consideradas crticas para
materiais comuns (ditos convencionais). Tais condies de trabalho
podem incluir, por exemplo, temperaturas e presses elevadas e
ambientes agressivos (corrosivos e/ou abrasivos) entre outros.
Denominam-se equipamentos de processo os equipamentos estticos em
indstrias de processamento, que so as indstrias nas quais materiais
slidos ou fluidos sofrem transformaes fsicas e/ou qumicas ou as que
se dedicam armazenagem, manuseio ou distribuio de fluidos. Dentre
essas indstrias citam-se as refinarias de petrleo e suas
precursoras (prospeco e extrao de petrleo), as indstrias qumicas e
petroqumicas, grande parte das indstrias alimentcias e
farmacuticas, a parte trmica das centrais termoeltricas e os
terminais de armazenagem e distribuio de produtos de petrleo, entre
outras.Equipamentos estticos tais como colunas de destilao, vasos
de presso, caldeiras, trocadores de calor, fornos, tanques e
tubulaes industriais, constituem no s a parte mais importante da
maioria das indstrias de processamento, como tambm, so geralmente
os itens de maior tamanho, peso e custo nessas indstrias conforme a
Figura 40.
Figura 40 Equipamentos de processo. (a) forno cilndrico; (b)
coluna de destilao; (c) trocadores de calor; (d) vaso de pressoNas
indstrias de processamento, algumas condies especficas fazem com
que seja necessrio um grau de confiabilidade mais apurado para os
equipamentos, em comparao com o que normalmente exigido para os
equipamentos dos demais ramos industriais. Dentre estas condies
citam-se: Regime contnuo de operao, o que submete os equipamentos a
condies severas de trabalho; Equipamentos interligados entre si,
com potencial risco de paralisao de toda a planta por conta da
ocorrncia de uma falha individual (de um nico equipamento); Operao
em condies de grande risco, que envolvam fluidos inflamveis,
txicos, explosivos, corrosivos, etc.A adequada seleo dos materiais
a serem utilizados na construo destes equipamentos tem papel
fundamental na garantia da confiabilidade dos mesmos quando em
operao, da, a importncia de se conhecer no apenas as condies a que
o equipamento estar sujeito quando em servio, mas tambm o
comportamento de cada material em tais condies; de modo que ao
final do processo de seleo, a opo seja pelo material que possa
propiciar a confiabilidade desejada, com os nveis de eficincia e
segurana esperados e evidentemente com uma relao custo/benefcio
satisfatria.critrios de seleo de materiaisOs fatores que devem ser
considerados na seleo de materiais para a construo de um
equipamento, envolvem os cuidados com a segurana; o conhecimento
das condies e ambiente de trabalho do equipamento; localizao da
planta industrial; as condies e variveis envolvidas no processo de
industrializao do produto; disponibilidade e prazo de entrega; as
caractersticas e propriedades qumicas, fsicas e mecnicas dos
materiais disponveis; facilidade operacional em atividades de
inspeo e manuteno e tambm a viabilidade econmica da sua
utilizao.Guias tcnicos que descrevem as propriedades e
comportamento de diversos tipos de liga so frequentemente
utilizados e necessrios seleo, entretanto, o comportamento dos
materiais submetidos a condies e ambientes diversos bastante
complexo. Tal comportamento, nem sempre pode ser completamente
previsto somente atravs de testes em laboratrio, tendo em vista a
grande quantidade de variveis envolvidas. Neste caso, a experincia
em servio (operao real) ter papel fundamental no julgamento
definitivo do desempenho da liga na aplicao para a qual a mesma
tenha sido selecionada ou desenvolvida e neste sentido as empresas
utilizam recursos de monitoramento peridico dos mesmos para deteco
e preveno de eventuais danos que possam produzir resultados
indesejados, sobretudo no que se refere segurana.Teoricamente,
podemos estabelecer vrios critrios como: propriedades,
processabilidade, acabamento etc. Estabelecer pr-requisitos nos
facilitam na hora da seleo do melhor material a ser aplicado,
contudo, na prtica, muitas vezes, no se obtm o resultado
desejado.Desta forma, necessitamos de procedimentos de interao e
otimizao. Podemos estabelecer alguns tpicos que sejam mais
representativos, entretanto, essa lista no se esgota. Consideraes
dimensionais; Consideraes de forma; Consideraes de peso;
Consideraes de resistncia mecnica; Resistncia ao desgaste;
Conhecimento das variveis de operaes; Facilidade de fabricao;
Facilidade de montagem; Requisitos de durabilidade; Nmero de
unidades; Disponibilidade de material; Custo da matria-prima; Custo
do processamento; Existncia de especificaes e cdigos; Viabilidade
de reciclagem; Valor da sucata; Grau de normalizao; Tipo de
transporte; Acabamento de superfcie.Os critrios anteriormente
relatados no so os nicos que deve se basear para a seleo dos
materiais ou processos de fabricao.Com um plano estratgico bem
equacionado, so definidos alguns caminhos para a conceituao e
concepo. Criao de um novo produto ou nova funo; Modificaes que
visam adaptaes a novas condies de servio; Materiais inadequados ao
servio; Novos materiais e novos processos para melhoria do
desempenho; Reduo de custo; Seguir Tendncias do mercado.Fatores
envolvidos na seleo de matrias: i. Estticos Mercadolgicos
Acabamento; Forma do Produto; Cores; Transparncia; Tendncia de
Comportamento; Hbitos de Consumo.ii. Ecolgicos Reciclabilidade
Reutilizao; Consumo de Energia; Consumo de gua; Limpeza do Processo
Produtivo.iii. Processos e Utilizao Tempo de Uso; Nvel de Toxidade;
Resistncia Mecnica, Qumica e Fsica; Processabilidade; Estabilidade
Dimensional; Segurana; Fixao do acabamento de superfcie.
iv. Econmicos Tempo de Vida do Produto; Manufaturabilidade;
Investimento; Custo da Matria Prima; Custo do Processo.a
temperatura de operaoA temperatura de operao frequentemente o
primeiro e em muitos casos o nico fator levado em conta na seleo da
liga. Relativo a este fator, diversos outros subfatores devem ser
observados, os quais esto intimamente relacionados com a resposta
comportamental do material submetido ao fsica do calor.i.
Resistncia mecnica: Via de regra, a resistncia mecnica da liga
inversamente proporcional temperatura de operao do equipamento, ou
seja, na medida em que a temperatura aumenta, diminui a capacidade
da liga resistir a esforos mecnicos. Deve-se verificar tambm se o
equipamento ir operar em condies de fluncia, onde ocorre a deformao
do material ao longo do tempo, mesmo que submetido a esforos com
valores abaixo do seu limite de escoamento. Este fenmeno se torna
mais proeminente com o aumento de tenses e temperaturas. Outro
fenmeno que deve ser verificado a falha por fadiga, pois se admite
que 90% das rupturas das peas em servio atribudo a este fenmeno.
Novamente, este fenmeno ocorre sob tenses inferiores resistncia do
material, em equipamentos expostos a esforos cclicos.ii.
Temperatura de oxidao: A temperatura de oxidao da liga tambm deve
ser considerada, uma vez que a oxidao produz perda de material com
consequente diminuio da espessura de parede do equipamento e da sua
capacidade projetada de resistir a esforos. Esta avaliao deve ser
realizada sempre em relao s condies atmosfricas a que o equipamento
exposto.iii. Estabilidade trmica: Normalmente a baixas temperaturas
e mesmo em temperatura ambiente os materiais tm sua resistncia ao
impacto e ductilidade reduzida, enquanto que em temperaturas mais
elevadas tendem a ser mais maleveis. Entretanto, muitas ligas
compostas por cromo e molibdnio aps longo tempo de exposio a
temperaturas mais elevadas apresentam sua ductilidade diminuda em
um processo conhecido como fragilizao (do ingls: embrittlement).
Nestas condies, necessrio, portanto, que se esteja atento ao fator
da estabilidade trmica da liga para a faixa de temperatura na qual
a mesma ser aplicada, sob o risco de que a liga possa ter sua
resistncia a esforos dinmicos diminuda.iv. Expanso trmica: Mesmo
com os avanos na rea de projeto que consideram a utilizao de juntas
de expanso e detalhes construtivos com peas mveis, como meios de
controle e atenuao dos efeitos de dilatao e contrao trmica dos
materiais; o relatrio do Departamento de Energia Americano, aponta
que a maior causa de distores e aparecimento de trincas em
equipamentos que trabalham a altas temperaturas devida a falhas na
escolha da liga com adequada expanso trmica ou conjunto de ligas
com expanso trmica diferenciais. O relatrio alerta quanto aos
cuidados que devem ser tomados em relao a esta questo, explicando
que variaes de temperatura da ordem de apenas 110C, so suficientes
para causar deformaes nos materiais alm do seu limite de
escoamento.
Figura 41 Curva terica de pasteurizao de leite para
queijosFigura 42 Fluxo do processo de pasteurizao
a Resistncia corrosoA corroso particularmente um assunto a ser
criteriosamente considerado, j que apresenta custos bastante
elevados (cerca de 3% a 4% do PIB em cada pas), custos estes
associados com os reparos necessrios e horas ociosas dos
equipamentos. A corroso pode causar uma extensa gama de problemas
dependendo do tipo de aplicao e das condies para as quais o
equipamento foi projetado. Como exemplos citam-se: perfuraes em
tanques e tubulaes tendo como conseqncia o vazamento do fluido
armazenado ou transportado; como no caso da oxidao, a corroso pode
tambm levar perda de resistncia mecnica do equipamento atravs da
perda de espessura dos componentes sujeitos a esforos; alterao da
aparncia do equipamento, devido degradao do acabamento superficial;
formao de resduos e fuligem que podem provocar o aumento da presso
no interior de tubulaes, bloquear sistemas de passagem ou
contaminar o fluido circulante ou armazenado.Em equipamentos de
processo, a corroso pode se apresentar de formas variadas. Os
processos corrosivos se dividem em bsicos e sinrgicos. Os processos
bsicos seriam aqueles em que ocorre uma interao direta entre o
elemento corrosivo e o material, enquanto que nos processos
sinrgicos tal interao geralmente envolve outros elementos, os quais
em conjunto contribuem para a ocorrncia do fenmeno. Considera-se
como sendo processos corrosivos bsicos, aqueles provocados por
cloretos e oxignio; pelo H2S (Gs sulfdrico); pelo CO2 (Gs carbnico)
e por bactrias, enquanto que no grupo dos processos corrosivos
sinrgicos enumera o processo de interao corroso-fadiga;
corroso-eroso; corroso sob tenso e fragilizao pelo hidrognio. i.
Corroso por cloretos e oxignio: o processo deflagrado pela simples
exposio ao ambiente, sendo potencializado pela presena de
externamente ao equipamento, basicamente atravs da ruptura pelo
Cl-, do filme de xido de cromo passivo existente na superfcie do
material; sendo auxiliado tambm em alguns casos pela presena de
depsitos (orgnicos e inorgnicos), gerando pites ou alvolos que
comprometem a espessura do metal e conseqentemente a capacidade do
mesmo resistir a esforos. Um caso particular deste tipo de corroso
a chamada corroso por frestas que ocorre justamente em regies com
frestas (aberturas), nas quais o meio corrosivo pode entrar e
permanecer em condies estagnadas. A fresta pode ser oriunda de um
detalhe de projeto, uma falha na execuo da soldagem ou formao de
depsito na superfcie do material (ancoramento de sujeira, produtos
contaminantes e incrustaes diversas). De um modo geral os meios que
contm cloretos so particularmente perigosos na corroso por frestas.
Possveis formas de controle deste tipo de corroso incluem o uso de
metalurgia especial, pintura externa, cuidados em detalhes de
projeto e revestimento interno.Figura 43 (a) Corroso tpica
provocada por cloreto; oxignio; (b) Corroso por frestasii. Corroso
pelo H2S: ocorre basicamente pela presena ou gerao do gs sulfdrico
H2S por causa do fluido circulante ou do meio ambiente em que o
equipamento se encontra em operao. Este gs cada vez mais presente
na indstria do petrleo, obrigando a utilizao de materiais chamados
"comuns ou convencionais" (ao carbono) com alguns requisitos
especiais, como: controle de Carbono Equivalente (CE), controle de
S e controle de P. Este tipo de corroso pode se apresentar de
maneira uniforme ou localizada. Possveis formas de abrandamento da
ao do H2S podem incluir o uso de sequestrante de H2S e uso de
metalurgia especial.Figura 44 (a) Corroso por H2S em gua de formao
(b) corroso/abertura na solda de ligao entre partes de circulao de
fluidos de trocador de caloriii. Corroso sob tenso: tpico de
ocorrncia em materiais que estejam operando em meio corrosivo H2S,
e que cumulativamente apresentem altas tenses residuais (geralmente
devidas ao processo de fabricao do equipamento) e susceptibilidade
ao ataque corrosivo. Nestas condies, o resultado geralmente o
aparecimento de trincas induzidas pelo hidrognio. Possveis formas
de mitigao deste tipo de ataque podem incluir o controle de dureza
do material, tratamentos adequados de alvio de tenses (quando
aplicvel) e uso de metalurgia especial.
Figura 45 Falha tpica provocada pelo fenmeno de corroso sob
tensoiv. Corroso por CO2: um processo complexo que ocorre
basicamente com a presena de gs carbnico (CO2) no fluido
circulante. A complexidade do processo est relacionada com o grande
nmero de variveis envolvidas tais como temperatura, presso de CO2,
velocidade, tipo de fluxo, teor de acetato e teor de bicarbonato
entre outras. A presena de componentes e variveis diversas leva a
ocorrncia de reaes eletroqumicas complexas, que resultam em corroso
localizada. Possveis formas de controle deste tipo de corroso podem
incluir o uso de inibidor de corroso e o uso de metalurgia
especial.
Figura 46 Corroso tpica provocada pela presena de CO2v. Interao
corroso-fadiga: neste caso, considerando ligas a base de Cr por
exemplo, tenses cclicas atuantes no material movimentam as
discordncias existentes na estrutura cristalina do mesmo, as quais
atingem a superfcie e cisalham a camada passiva de xido (neste caso
xido de Cr), que serve de barreira de proteo contra o ataque do
elemento corrosivo. Uma possvel forma de amenizao neste caso a
utilizao de ligas altamente resistentes a corroso.vi. Interao
corroso-eroso: um processo basicamente mecnico geralmente associado
com altas velocidades do fluido no interior do equipamento e/ou a
presena de elementos abrasivos no mesmo. O uso de materiais e
revestimentos resistentes abraso apresenta-se como a melhor opo
para controle do problema.
Figura 47 Deteriorao tpica provocada por corroso-erosovii.
Cavitao: o processo de cavitao definido como a formao e colapso de
bolhas de vapor ou gs em uma fase lquida. Em geral, esta se origina
em razo de um fenmeno que provoca a diminuio da presso em uma regio
do lquido. A cavitao um processo muito danoso que ocorre em
processos contendo uma fase lquida, na qual bolhas de tamanho
microscpico so geradas e crescem devido s ondas alternadas de
presso positiva e negativa. As bolhas sujeitas s condies descritas
acima crescem at atingir um tamanho crtico, e no momento logo aps a
imploso as bolhas concentram uma grande quantidade de energia. As
imploses destas bolhas ocorrem em regies nas quais a presso volta a
aumentar. Quando estas imploses ocorrem prximas de superfcies, as
bolhas se transformam em jatos com um dcimo do tamanho inicial da
bolha e as velocidades podem atingir 400 km/h. Com a combinao da
presso, velocidade e temperatura no interior destas bolhas, as
mesmas removem material da superfcie.
Figura 48 Arredondamento em face de flange provocada por
cavitaoviii. Fragilizao por hidrognio: hidrognio livre oriundo do
processo de fabricao e soldagem, de sistemas de proteo catdica e/ou
ambientes com H2S e suas espcies dissociadas, se acomoda e interage
com discordncias, contornos de gro e defeitos na estrutura
cristalina do material. Uma vez instalado nestas regies, o
hidrognio passa a exercer presso, sobretudo, em condies de trabalho
a temperaturas elevadas, culminando no aparecimento de trincas o
que caracteriza a chamada fragilizao por hidrognio. A minimizao
deste efeito pode ser obtida por exemplo atravs do bloqueio do
ingresso do hidrognio pela aplicao de pintura, controle do
potencial da proteo catdica (quando aplicvel) e cuidados na
soldagem, o que inclui alm dos cuidados durante o processo em si,
tambm os cuidados com a aquisio e a disposio adequada dos
consumveis de soldagem.
Figura 49 Falha tpica de fragilizao por hidrognio
Fludos de Contato/Circulante e Ambiente de TrabalhoCom relao aos
fludos de contato/circulantes, diversos fatores importantes devem
ser conhecidos, dentre os quais se mencionam: Natureza e concentrao
do fludo, impurezas/contaminantes existentes ou possveis de
existir; existncia ou no de gases dissolvidos ou slidos em
suspenso, temperatura, acidez (pH), velocidade relativa em relao ao
material do equipamento, faixas possveis de variao de cada item
mencionado anteriormente, valores de trabalho e seus mximos e
mnimos; entre outros.Custo do MaterialEvidentemente, no meio
industrial o custo do material o fator para o qual na grande
maioria das vezes maior ateno dispensada, uma vez que qualquer tipo
de investimento s viabilizado quando pelo menos um mnimo de retorno
financeiro pode ser visualizado, quer seja a curto, mdio ou a longo
prazo. Para cada aplicao prtica podem existir vrios materiais
possveis de serem utilizados e o melhor neste caso ser o que se
apresentar mais economicamente vivel, desde que obviamente alguns
outros critrios tambm sejam rigorosamente observados, como o caso
da segurana. Para a verificao da viabilidade econmica, deve-se
avaliar no somente o custo direto do material, mas tambm uma srie
de outros fatores, como por exemplo, os custos de fabricao do
equipamento com este material, tempo de vida, custo de paralisao e
de reposio do equipamento, entre outros. O custo direto do material
fortemente influenciado pelo custo unitrio de cada um de seus
componentes. Como exemplo o preo do nquel entre 2.006 e 2.007 que
chegou a alcanar o valor de 50 US$/t, o que poca elevou
drasticamente o custo dos materiais que utilizavam grande
quantidade deste elemento em sua composio. Uma relao entre o custo
do ao cromo molibdnio e o ao carbono comum, sendo que o primeiro
chega a ter um custo at 40% maior em relao a este ltimo. O custo
por quilo de um ao inoxidvel 304, por exemplo, cerca de 3,7 vezes
superior ao de um ao liga 1 Cr Mo, entretanto, a construo de um
equipamento em ao inox 304 pode resultar em um menor custo por
conta da facilitao do processo de soldagem e dispensa de tratamento
trmico de alvio de tenses por exemplo. Ainda, para certos ambientes
agressivos o inox pode apresentar maior vida til se comparado com
um ao liga.seguranaQuando o risco potencial do equipamento ou do
local onde o mesmo se encontra for grande, ou quando o equipamento
for essencial ao funcionamento de uma instalao importante, h
necessidade do emprego de materiais que ofeream o mximo de
segurana, de modo a evitar a ocorrncia de acidentes que possam
resultar em perdas de vida e/ou danos ao meio ambiente. So exemplos
de elevado potencial de risco os equipamentos que trabalham com
fluidos inflamveis, txicos, explosivos, ou em temperaturas e
presses muito altas.Forma de Apresentao do MaterialAs matrias
primas necessrias para a fabricao dos vasos de presso (ou de suas
partes) podem se apresentar de vrias formas, dependendo do tipo do
equipamento ou da parte a ser fabricada: chapas grossas, chapas
finas, tubos para conduo, tubos para troca de calor, forjados,
fundidos, acessrios de tubulao etc. Na prtica, muitos dos materiais
no so encontrados no comrcio sob todas as formas de apresentao. Por
esse motivo, dependendo da forma desejada da matria prima, alguns
materiais devem ser preliminarmente eliminados, para os quais a
forma necessria no exista ou seja de muito difcil
obteno.Facilidades de Fabricao e de MontagemTodos os materiais tm
determinadas limitaes quanto s possibilidades de fabricao e de
montagem. Por essa razo, independentemente de outras consideraes, o
tipo e o tamanho da pea ou do vaso j excluem o emprego de
determinados materiais, com os quais no seja possvel ou no seja
econmico fabricar ou montar o vaso em questo. Sobre esse assunto
devem ainda ser consideradas a soldabilidade, a usinabilidade e a
facilidade de conformao do material. Soldabilidade no apenas a
possibilidade do emprego de solda, mas tambm a maior ou menor
dificuldade de soldagem e a necessidade ou no de tratamentos
trmicos e de outros cuidados especiais.
tempo de vida previstoO tempo de durao mnima do material tem de
ser compatvel com o tempo de vida til previsto para o vaso ou para
a pea. O tempo de vida til depende da natureza da aplicao
(equipamento principal ou secundrio, pea de reposio etc.), da
importncia do equipamento, do tempo de amortizao do investimento e
do tempo previsvel de obsolescncia do equipamento ou da
instalao.Experincia prviaA deciso por um determinado material
obriga sempre a que se considere a experincia prvia que possa
existir com esse material no mesmo servio. Em casos importantes ,
em geral, muito arriscado decidir-se por um material para o qual no
exista nenhuma experincia anterior em servio semelhante.Facilidade
de Obsteno do MaterialDevem ser consideradas a maior ou menor
facilidade de obteno dos diversos materiais possveis, a necessidade
ou no de importao, os prazos de entrega, a existncia de estoques,
quantidade mnima de compra, etc.Materiais para Construo de
Equipamentos e de ProcessoExiste uma vasta gama de materiais que
podem ser usados para a construo de equipamentos de processo, os
quais podem ser divididos basicamente em 3 grandes grupos: metais
ferrosos, metais no ferrosos e materiais no metlicos.
Resumidamente, os materiais com maior frequncia de uso podem ser
elencados conforme segue, os quais sero melhor detalhados na
sequncia: Ao carbono; Ao liga; Aos inoxidveis e suas ligas; Nquel e
suas ligas.ligas metlicas ferrosas Muitos dos utenslios e
equipamentos que so utilizados pelo homem foram produzidos a partir
do ferro. No entanto, raramente estes objetos so fabricados a
partir do ferro puro. Ento, afirmar que um prdio utiliza barras de
ferro para a confeco de concreto armado estaria tecnicamente
errado. Na realidade o homem utiliza ligas ferrosas e as principais
delas so o ao e o ferro fundido que so ligas formadas basicamente
por ferro e carbono. Comearemos, no entanto, do incio, ou seja,
como so produzidas estas ligas, como feito o beneficiamento do
minrio de ferro at se produzir o ao.Beneficiamento das Ligas de
FerroNa natureza o ferro normalmente no se apresenta na forma
metlica e sim presente na formulao de compostos qumicos, em geral
cermicos. Uma exceo a esta regra o ferro meteortico, que est
presente somente em pequena quantidade na natureza. Os compostos
qumicos que apresentam uma grande concentrao de ferro so conhecidos
como minrio de ferro. Alguns dos principais minrios de ferro
encontrados na natureza podem ser observados na Tabela 2.Tabela 2
Principais minrios de FerroAssim sendo, os principais minrios de
ferro so xidos (Hematita e Magnetita). Como vimos, os metais tendem
a formar xidos, pois eles preferem se ligar ao oxignio a permanecer
ligado a outros tomos de ferro (possuem menor energia livre como
xido de ferro que como ferro puro). Como mostrado na Tabela 2, por
exemplo, a Hematita, possui dois tomos de ferro ligados a trs tomos
de oxignio. Este composto no metlico e sim cermico, isto porque
possui ligaes preponderantemente inicas entre ferro e oxignio
(tomos metlicos ligados a tomos no-metlicos).Sabemos da experincia
do dia-a-dia que os materiais cermicos (cermica tradicional) so
frgeis, ou seja, quebradios. Se tentarmos moldar o minrio de ferro
para fazermos uma espada, este se fragmentar em vrias partes at
formar um p (p de Hematita). Necessitamos transformar este xido de
ferro em ferro metlico. Partimos do minrio de ferro, pois ele
possui uma elevada concentrao de tomos de Ferro (Tabela 2). Quanto
mais ferro no minrio, teoricamente, maior o aproveitamento.
Histrico do Beneficiamento de Ligas Metlicas FerrosasOs primeiros
contatos do homem com o metalferro foram a partir de ferro
meteortico. No toa que em diversas lnguas a palavra que designa o
metal ferro tem significado equivalente a metal que veio do cu. Nos
seus 3.000 anos oficiais de existncia, o processo de transformao de
minrio de ferro em produtos de ao (siderurgia) evoluiu junto com a
civilizao, mas sua essncia a mesma at hoje: Usa-se uma fonte de
carbono (carvo vegetal ou mineral); Faz-se uma reao deste carbono
com o oxignio do ar para extrair o ferro do minrio; O material
obtido tratado termicamente e mecanicamente at o produto final.
Para se reduzir (separar o oxignio do metal) um xido de ferro a
partir do carbono, so necessrias altas temperaturas. O sopro de ar
em uma mistura de minrio de ferro e carvo situados em local isolado
da atmosfera, (que pode ser um buraco no cho) em presena de calor
pode resultar na reduo do minrio. Bastaria algum fazer uma fogueira
num buraco cavado na terra, onde houvesse minrio de ferro (ou outro
mineral rico deste elemento) para que pedras maleveis fossem
recolhidas do fundo do mesmo. Frequentemente, grandes descobertas
so realizadas acidentalmente. Este processo j era dominado pelos
Hititas (aprox. 3.000 a.C.), que o mantiveram em segredo por muito
tempo. Com a queda do imprio Hitita (aprox. 1.200 a.C.), os
ferreiros dispersaram-se e j entre os gregos a produo de ferro
favoreceu o desenvolvimento de novas tcnicas e ferramentas. O ferro
bom como era conhecido a liga ferrosa da poca ainda possua um
elevado teor de impurezas. Apesar disso, este possua relativa
facilidade de se moldar e podia ser trabalhado por martelamento a
temperaturas relativamente elevadas. Na realidade, os processos
utilizados no passado eram de reduo direta, ou seja, sem que se
formasse ferro inteiramente lquido. Isto porque as temperaturas
alcanadas no eram suficientes para liquefazer (fundir) o metal, o
qual se apresentava no estado pastoso, misturado com as impurezas
do minrio. O arteso (operador) recolhia o material no fundo do
forno com auxlio de uma vara e formando-se uma bola que, depois de
atingido certo peso, era retirado e, em seguida, martelado para
eliminar as impurezas, que se apresentavam na forma de escria.
Pequenas variaes na forma de se obter e trabalhar as ligas ferrosas
foram realizadas at o sc. XVI, onde se desenvolveu o alto-forno,
exatamente em 1.450. No fim da Idade Mdia, o comrcio de ao e outras
ligas ferrosas estava plenamente difundido, e diferentes
tecnologias coexistiam, tanto para a extrao como para a obteno de
ferro gusaque usado como matria base para a produo de ao. A partir
do advento do alto-forno e da utilizao de carvo mineral para a
reduo do minrio, a metalurgia ferrosa se desenvolveu rapidamente.
Nos dias atuais, um alto-forno pode produzir 13.000 toneladas de
ferro gusa por dia, tem vida til, em mdia de 15 anos, alta
produtividade e baixo consumo de combustvel. No Brasil, o grande
passo para a consolidao da indstria siderrgica nacional, baseada em
carvo coque, foi dado durante o governo Getlio Vargas, com a
instituio em 4 de maro de 1.940 da Comisso Executiva do Plano
Siderrgico Nacional, resultando na fundao da CSN (Companhia
Siderrgica Nacional) em janeiro de 1.941. A usina foi construda em
Volta Redonda (RJ) e inaugurada em outubro de 1.946.o processo
siderrgico As usinas siderrgicas atuais podem ser divididas em dois
grandes grupos: integradas e semi integradas. A usina integrada
aquela cujo ao obtido a partir do minrio de ferro, que transformado
em ferro gusae em seguida em ao. A usina semi integrada aquela cujo
ao obtido a partir de ferro gusa (adquirido de uma usina integrada)
e/ou sucata de ao, no havendo a necessidade da etapa de reduo do
minrio de ferro. A sucata transformada novamente em ao comercial,
por meio do emprego de fornos eltricos de fuso (so as recicladoras
de ao). Neste captulo veremos somente a parte referente usina
integrada. Em uma usina integrada, o processo (que vai das
matrias-primas ao produto final) constitudo pelas seguintes etapas
principais: Extrao de ferro do seu minrio (reduo qumica) nos
altos-fornos; Converso do ferro gusa em ao; Lingotamento do ao
lquido de modo a solidificar em forma conveniente s operaes
seguintes. Conformao do metal na forma de produto.A Figura 50
mostra um fluxograma simplificado do processo siderrgico.
Figura 50 Fluxograma simplificado do processo siderrgicoDe
maneira simplificada, podemos descrever as sequncias (referentes s
usinas integradas) conforme o fluxograma da Figura 50. As
matrias-primas bsicas do processo so o minrio de ferro, coque
(carvo destilado) e fundente(calcrio), mas muitos outros insumos e
utilidades podem ser empregados. Estas matrias-primas so
processadas e levadas ao alto-forno onde so dispostas
alternadamente e, em seguida, aquecidas pelo sopro de ar quente
realizado pelas ventaneiras. O oxignio do ar reage com o coque
formando calor e gases que reduzem o minrio de ferro. O minrio de
ferro, por ser um material cermico, tem temperatura de fuso muito
maior que o ferro metlico. Na temperatura na qual o alto forno
trabalha, o minrio de ferro no se funde. Porm quando o minrio
transformado em ferro metlico, tem-se a fuso deste, pois nas regies
mais quentes do alto forno tem-se temperatura suficientemente alta
para derreter o metal (chamado de ferro gusa). Conforme o minrio
vai se transformando em ferro gusa este se liquefaz e se deposita
no fundo do alto forno. O fundente adicionado, juntamente com as
matrias-primas, se liga s impurezas (tambm cermicas) formando um
novo composto qumico. Este composto qumico formado pela ligao das
impurezas com o fundente possui ponto de fuso inferior ao das
impurezas. Desta forma, este novo composto qumico tambm se funde e
escorre para o fundo do alto forno. Este composto lquido chamado de
escria. O sopro de ar quente necessrio para a reduo do minrio de
ferro e gerao de calor realizado por um tempo suficiente para que
se tenha uma certa quantidade de ferro gusa e escria. Depois de
completado o processo, faz-se o vazamento do ferro gusae da escria.
O ferro gusa levado aciaria atravs de carros torpedos onde so
depositados no conversor para que o ferro gusa seja refinado num
conversor a oxignio (processo LD). Do conversor temos o ao
praticamente pronto, bastando apenas fazer correes de composio ou
adicionar outros elementos de liga em um equipamento chamado forno
panela (no aparece na Figura 50). Aps a correo da composio qumica,
o ao derretido vazado no equipamento que efetua o lingotamento
contnuo. Neste local, o ao adquire forma (tarugo, bloco ou placa).
Os lingotes obtidos nestes processos so considerados produtos
intermedirios, podendo ser vendidos nesta forma ou ainda
processados pela prpria usina (laminao) tendo-se ento diversos
tipos de produtos acabados, conforme a Figura 50.As ligas metlicas
ferrosasA classificao das ligas metlicas, como toda classificao, no
capaz de abranger todas as situaes possveis. Haver sempre situaes
que no se enquadrem, pois toda classificao de certa maneira,
arbitrria. Apesar das ligas ferrosas mais importantes (Ao e Ferro
Fundido) serem geralmente definidas em funo do teor de dois
elementos qumicos (ferro e carbono), na prtica as mesmas no so
ligas binrias. Temos sempre a presena de outros elementos qumicos
secundrios. Estes elementos podem ser oriundos do processo de
obteno da liga ou serem deliberadamente introduzidos liga para se
obter as propriedades requeridas.
Tabela 3 Classificao geral e principais definies das ligas
metlicas ferrosasaosConforme a Tabela 3, os aos so ligas ferro,
carbono e outros elementos de liga, ou seja, Fe+C+X6. Devem ser
considerados tambm que existe em toda liga certa quantidade de
impurezas. Existe a possibilidade de que o teor de impurezas possa
superar a quantidade de elementos de liga. A liga metlica ferrosa,
para ser considerada um ao deve ter percentual de carbono (%C)
entre 0,008 e 2,11%. Abaixo de 0,008% o material considerado Ferro
Puro. Se o percentual de carbono estiver acima de 2,11% a liga
chamada de Ferro Fundido. Os aos possuem temperatura de fuso entre
1.250 e 1.450 C, so maleveis, possuem boa resistncia mecnica e
tenacidade. A soldabilidade, temperabilidade, usinabilidade e
conformabilidade dos aos so consideradas como propriedades
tecnolgicas marcantes nesta liga. Apresenta densidade relativamente
alta, em torno de 7,9 g/cm (ou aproximadamente 8 kg por litro).
Logo, os materiais construdos com esta liga so razoavelmente
pesados.Os aos podem ser classificados como: Ao-carbono (Fe+C+ X,
onde X = zero ou um valor pouco significativo); Ao baixa liga
(Fe+C+X, onde X=soma dos outros elementos de liga, X5%). Os aos
carbono e os baixa liga, so conhecidos comercialmente por uma
classificao normalizada pela ABNT (Associao Brasileira de Normas
Tcnicas). Esta classificao tambm leva em considerao o percentual de
carbono assim como a presena de outros elementos de liga. A
classificao ABNT para aos carbono e aos baixa liga dada da seguinte
maneira:Figura 51 Classificao ABNT para ao carbono e ao liga
Tabela 4 Classificao dos aos (aos carbono e baixa liga) segundo
a ABNT
Assim, um ao ABNT 1020 um ao carbono comum com aproximadamente
0,2% de carbono em sua composio, sendo o restante ferro e
impurezas. J o ao ABNT 4340, um ao ao molibdnio (baixa liga), com
nquel entre 1,65 e 2%, cromo com 0,4 a 0,9%, molibdnio com 0,2 a
0,3% e carbono em torno de 0,4%. Um ao ABNT 52100 um ao ao cromo
com %C aproximadamente igual a 1,5% e percentual de carbono de
aproximadamente 1,0%.ao carbonoO Ao carbono a liga composta somente
de ferro e carbono. Esta classe dos aos tambm pode ser subdividida
em aos baixo (0,008
