UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
JOSÉ EDMAURO DA SILVA JUNIOR
Tratamento térmico de anéis laminados para rolamentos de máquinas eólicas
LORENA 2018
JOSÉ EDMAURO DA SILVA JUNIOR
Tratamento térmico de anéis laminados para rolamentos de máquinas eólicas
Trabalho final de graduação apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Engenheiro de Materiais
Orientador:
Profa. Dra. Maria Ismênia Sodero Toledo Faria
LORENA 2018
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer a Deus e meus pais, por todo amor, apoio e confiança, não apenas neste trabalho, mas durante toda a minha vida.
À orientadora Professora Dra. Maria Ismênia Sodero pela dedicação, assistência e confiança. À empresa Gerdau Summit pela oportunidade e por fornecer a estrutura para desenvolver este trabalho.
Ao Engenheiro Me. Leonardo Villabón Ramos pelo auxílio, atenção e companheirismo. A todos os colaboradores da empresa Gerdau Summit, que de alguma forma contribuíram e tornaram este trabalho possível.
À Larissa Oliveira pela compreensão, paciência e apoio incondicional.
Aos amigos que conheci durante a graduação (Sarah, Leandro, Rita e Ana Beatriz) e aos que me acompanham desde o ensino médio (Isabela e Luiz Gustavo), pela torcida, força, amizade e parceria.
RESUMO
SILVA JUNIOR, J. E. Tratamento térmico de anéis laminados para rolamentos de máquinas eólicas. 2018. 67p. Trabalho de Graduação (Título de Engenharia de Materiais) – Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2018.
Na busca por novos recursos que levem à geração de energia a partir de fontes renováveis, a energia eólica é uma excelente alternativa e vem crescendo para compor uma parte significativa da matriz energética mundial. Sua produção é feita a partir de aerogeradores que contam com um sistema de rolamentos para aumentar a eficiência na conversão da energia do vento em energia elétrica. Esses rolamentos são produzidos à partir de anéis laminados que passam por tratamentos térmicos como os de têmpera e revenimento, responsáveis por alterar significantemente as propriedades do material. Com isso, o presente trabalho tem como principal objetivo a definição de tratamentos térmicos para anéis laminados produzidos em aço DIN 42CrMo4 utilizados nos rolamentos para aerogeradores. A metodologia para a definição da sequência de tratamentos foi realizada com o auxílio de simulações computacionais combinadas a ensaios laboratoriais, através dos quais foram realizadas caracterizações mecânicas e microestruturais em amostras produzidas em aço DIN 42CrMo4 tratadas termicamente. Através das simulações computacionais foi possível obter valores das taxas de resfriamento durante a têmpera de anéis em situações reais, enquanto os ensaios laboratoriais comprovaram que as propriedades analisadas estão de acordo com o especificado para as amostras com taxas de resfriamento durante a têmpera similares às obtidas para os anéis. Deste modo, a metodologia desenvolvida através da combinação de simulação computacional e testes laboratoriais permitiu prever as propriedades de produtos complexos e tornou possível, neste caso, determinar os tratamentos térmicos para anéis laminados de forma a atingir as propriedades especificadas em projeto.
Palavras-chave: Energia eólica. Aerogeradores. Anéis sem costura. Aço DIN 42CrMo4. Simulação computacional. Anéis laminados.
ABSTRACT
SILVA JUNIOR, J. E. Heat treatment of rolled rings for wind machine bearings. 2018. 67p. Trabalho de Graduação (Título de Engenharia de Materiais) – Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2018.
In the search for new resources that lead to the generation of energy from renewable sources, wind energy is an excellent alternative and has been growing to make up a significant part of the world energy matrix. Its production is made from wind turbines that rely on a bearing system to increase efficiency in the conversion of wind energy into electricity. These bearings are produced from rolled rings that undergo heat treatments such as quenching and tempering, which are responsible for significantly changing the properties of the material. Therefore, the main objective of this work is the definition of thermal treatments for DIN 42CrMo4 steel rolled rings and used in bearings for wind turbines. The methodology for the definition of the sequence of treatments was performed with the aid of computational simulations combined with laboratory tests, through which mechanical and microstructural characterizations were performed in samples produced in thermally treated DIN 42CrMo4 steel. Through the computational simulations, it was possible to obtain values of the cooling rates during ring tempering in real situations, while the laboratory tests proved that the analyzed properties are in agreement with the ones specified for the samples with quenching rates similar to those obtained for the rings. Thus, the methodology developed through the combination of computer simulation and laboratory tests allowed to predict the properties of complex products and made it possible, in this case, to determine the thermal treatments for rolled rings in order to achieve the properties specified in the design.
Keywords: Wind energy. Wind turbines. Rings seamless. DIN 42CrMo4 steel. Computational simulation. Rolled rings.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada e acumulada de energia eólica no mundo em 2017. ... 15
Figura 2 - Capacidade instalada de energia eólica no Brasil, em MW. ... 16
Figura 3 - Participação do setor eólico na matriz energética brasileira em 2017. ... 16
Figura 4 - Capacidade acumulada e anual de energia eólica no Mundo. ... 19
Figura 5 - Capacidade instalada anual de energia eólica no Brasil. ... 20
Figura 6 - Componente gerais de uma turbina eólica. ... 21
Figura 7 - Localização dos rolamentos das pás e da nacele em uma torre eólica. ... 21
Figura 8 - Demanda de rolamentos das pás e da nacelle no Brasil. ... 22
Figura 9 - Estrutura geral de um rolamento. ... 23
Figura 10 - Rolamento para aerogerador da Kaydon. ... 23
Figura 11 - Melhores processos para produção de anéis. ... 24
Figura 12 - Resultado das etapas de preparação da pré-forma. ... 25
Figura 13 - Princípios da laminação a quente de anéis sem costura... 25
Figura 14 - Diagrama TTT do aço DIN 42CrMo4. ... 28
Figura 15 - Diagrama CCT do aço DIN 42CrMo4. ... 28
Figura 16 - Diagrama esquemático de transformação para têmpera e revenimento. ... 29
Figura 17 - Variação de Ms e Mf com o teor de carbono. ... 30
Figura 18 - Curva de temperabilidade do ensaio Jominy para cinco aços diferentes com composição e tamanho de grãos. ... 31
Figura 19 - (a) Curva de dureza em função da temperatura do aço DIN 42CrMo4, normalizado a 870°C e temperado / (b) Tenacidade em função da temperatura de revenimento para o aço DIN 42CrMo4 revenido por uma hora. ... 34
Figura 20 - Definição dos parâmetros para produção de anéis laminados. ... 36
Figura 22 – Lingotamento. ... 38
Figura 23 - Geometria da barra após o forjamento. ... 39
Figura 24 - (a) Remoção do lingote do forno de aquecimento / (b) Fixação do lingote no manipulador / (c) Barra no início do forjamento / (d) Barra forjada. ... 39
Figura 25 - Região da barra para corte do blanque... 40
Figura 26 - Imagem dos blocos para tratamento térmico. ... 41
Figura 27 - (a) Termopar fixado no centro do bloco / (b) Datalogger usado para adquirir dados de temperatura (modelo Fieldlogger). ... 42
Figura 28 - Processo de têmpera: (a) Ar forçado; (b) Óleo. ... 42
Figura 29 - Diagrama esquemático da distribuição dos corpos de prova a partir do bloco termicamente tratado. ... 44
Figura 30 - Região de amostragem para ensaios mecânicos. ... 44
Figura 31 - Corpos de prova para ensaio de tração. ... 45
Figura 32 - Corpos de prova para ensaios de impacto (Charpy V-notch)... 45
Figura 33 - Análise do entalhe dos corpos de prova para os ensaios de impacto. ... 45
Figura 34 - Corpos de prova para o ensaio de dureza. ... 46
Figura 35 - Corpos de prova para o ensaio Jominy. ... 46
Figura 36 - Processo de produção de anéis... 47
Figura 37 - Região de corte dos blanques para produção de anéis. ... 48
Figura 38 - Processo de recalque do blanque. ... 48
Figura 39 - Pré-forma obtida após o processo de puncionamento. ... 49
Figura 40 – Produção de anéis sem costura pelo processo de laminação a quente. ... 49
Figura 41 - Fornos e tanque utilizados para os tratamentos térmicos. ... 50
Figura 42 - Usinagem de anéis. ... 50
Figura 44 - Curvas de tratamento térmico medidas com termopares de contato. ... 52 Figura 45 - Evolução das temperaturas de resfriamento medidas com termopares de contato. ... 53 Figura 46 – Micrografia da amostra R via Microscópio óptico. (Ataque Nital 2%) ... 56 Figura 47 - Micrografias das amostras temperadas ao ar forçado. Microscópio óptico. (Ataque Nital 2%) ... 56 Figura 48 - Micrografias da amostra 25OLEO610T. Microscópio óptico. (Ataque Nital 2%) 57 Figura 49 - Micrografias das amostras 50OLEO610T e 50OLEO610T-4. Microscópio óptico (Ataque Nital 2%) ... 58 Figura 50 - Ensaio Jominy para o aço DIN 42CrMo4. ... 58 Figura 51 - Representação esquemática da comparação dos resultados simulados e medidos em laboratório. ... 60
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição química típica de um aço DIN 42CrMo4. ... 26
Tabela 2 - Propriedades mecânicas do aço DIN 42CrMo4. ... 27
Tabela 3 - Número de Grossmann aproximado de acordo com a severidade da têmpera. ... 32
Tabela 4 - Número de Grossmann (H) e coeficiente convectivo (h) para a água. ... 33
Tabela 5 - Parâmetros de entrada para as simulações no Solidworks 2018. ... 38
Tabela 6 - Taxa de deformação da barra forjada. ... 39
Tabela 7 - Dimensões dos blocos para tratamento térmico. ... 41
Tabela 8 - Variáveis de processo das amostras. ... 43
Tabela 9 - Taxas de resfriamento de 800ºC a 400ºC simuladas para cada modelo de anel. ... 51
Tabela 10 - Taxas de resfriamento média simuladas. ... 52
Tabela 11 - Taxas de resfriamento para ΔT (800 a 400) ºC. ... 54
Tabela 12 - Resultados da caracterização mecânica e os valores mínimos especificados... 55
Tabela 13 - Análise de inclusões utilizando o Método A. ... 59 Tabela 14 - Comparação entre as propriedades mecânicas das amostras e do anel laminado. 61
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABREVIATURAS GWEC Global Wind Energy Council
ABEEólica Associação Brasileira de Energia Eólica
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ASM American Society for Metals
ASTM American Society for Testing and Materials CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica
CCT Continuous Cooling Transformation DIN Deutsches Institut für Normung SAE Society of Automotive Engineers TTT Transformação-Tempo-Temperatura
WWEA World Wind Energy Association
SÍMBOLOS A Área B Bainita C Carbono Cr Cromo de Diâmetro Externo di Diâmetro Interno F Ferrita Fe Ferro
h Coeficiente de Transferência de Calor Interfacial
H Número de Grossmann
k Condutividade Térmica
M50 50 % da Transformação da Martensita
M7C3 Carbonetos primários
M99 99 % da Transformação da Martensita
Mf Temperatura Final de Formação da Martensita
Mn Manganês
Mo Molibdênio
Ms Temperatura de Início da Formação da Martensita
P Perlita
S Enxofre
Si Silício
T1 Temperatura da Superfície
T2 Temperatura do Meio Refrigerante
α Ferrita alfa
γ Austenita
δ Ferrita delta
SUMÁRIO
1. Introdução ... 15
2. Revisão da literatura ... 19
2.1. A Indústria Eólica ...19
2.2. Aerogeradores ...20
2.2.1. Demanda de rolamentos das pás e da nacelle no Brasil ...22
2.3. Anéis para rolamentos ...23
2.3.1. Laminação a quente de anéis sem costura ...24
2.3.2. Aço DIN 42CrMo4 ...26
2.4. Microconstituintes do aço DIN 42CrMo4 ...27
2.5. Tratamentos térmicos ...29
2.5.1. Têmpera ...29
2.5.2. Transferência de calor durante a têmpera ...32
2.5.3. Revenimento...33
3. Objetivos ... 35
3.1. Objetivo geral ...35
3.2. Objetivos específicos ...35
4. Materiais e métodos ... 36
4.1. Definição dos parâmetros de fabricação de anéis laminados ...36
4.1.1. Composição química ...36
4.1.2. Simulação computacional pelo método de elementos finitos ...37
4.1.3. Produção do metal líquido ...38
4.1.4. Forjamento da barra ...39
4.1.5. Recozimento ...40
4.1.6. Obtenção do blanque cilíndrico ...40
4.1.7. Obtenção dos blocos para tratamento térmico...40
4.1.8. Austenitização e têmpera...42
4.1.10. Variáveis dos blocos ...43 4.1.11. Ensaios mecânicos ...43 4.1.12. Região de amostragem ...44 4.1.13. Ensaios de tração ...44 4.1.14. Ensaios de impacto ...45 4.1.15. Ensaios de dureza ...46 4.1.16. Ensaio de temperabilidade ...46
4.1.17. Preparação para análise microestrutural e de limpeza do aço ...46
4.1.18. Microscopia óptica ...47
4.1.19. Análise de inclusões ...47
4.1.20. Tamanho de grão ...47
4.2. Fabricação de anéis laminados e medição das propriedades ...47
4.2.1. Obtenção de blanques cilíndricos ...48
4.2.2. Preparação da pré-forma ...48
4.2.3. Laminação dos anéis ...49
4.2.4. Tratamento térmico dos anéis...50
4.2.5. Usinagem dos anéis ...50
5. Resultados e discussões ... 51
5.1. Simulação computacional ...51
5.2. Avaliação da temperatura das amostras durante os tratamentos térmicos ...52
5.2.1. Curvas dos tratamentos térmicos das amostras para ensaios laboratoriais ...52
5.2.2. Curvas de resfriamento durante a têmpera ...53
5.3. Caracterização mecânica ...54
5.4. Caracterização microestrutural ...56
5.5. Ensaio Jominy ...58
5.6. Análise da limpeza do aço ...59
5.7. Comparação entre resultados simulados com medidos em laboratório ...59
6. Conclusões ... 62
7. Sugestões para trabalhos futuros ... 63
8. Referências bibliográficas ... 64
1. Introdução
A energia eólica é definida como aquela produzida a partir da força dos ventos, sendo abundante, renovável, limpa e está disponível em diversas regiões ao redor do mundo (Müller, 2015). A utilização dessa forma de energia vem crescendo de forma acentuada comparada às fontes não renováveis, como gás e carvão.
A Figura 1 apresenta a capacidade instalada e acumulada de energia eólica no mundo em 2017. Neste ano, a capacidade instalada mundial foi acima dos 50.000 MW e a total acumulada ultrapassou 450.000 MW, com Europa e Índia tendo um ano recorde. A capacidade instalada no Brasil foi aproximadamente 2.000 MW, ficando na sexta posição e à frente de países como a França e Espanha, que possuem uma posição superior ao Brasil em relação à capacidade acumulada.
Figura 1 - Capacidade instalada e acumulada de energia eólica no mundo em 2017.
Fonte: Global Wind Energy Council (2017).
O Brasil é um país favorecido em termos de ventos, que se caracterizam pela presença duas vezes superior à média mundial e pela volatilidade de 5% (oscilação da velocidade), o que dá maior previsibilidade ao volume de energia a ser produzido. A maior parte desse potencial energético está localizado na região nordeste do país (Agência Nacional de Energia Elétrica,
2008).
Analisando os últimos cinco anos, pode-se concluir que houve um aumento significativo na capacidade instalada, como pode ser observado na Figura 2. De acordo com World Wind Energy Association (2018), considera-se que nos últimos quatro anos houve um crescimento de aproximadamente 70% da capacidade instalada de energia eólica no mundo, enquanto que nesse mesmo período o Brasil saiu de 3.399 MW para 12.763 MW, significando um crescimento de aproximadamente 275%.
Figura 2 - Capacidade instalada de energia eólica no Brasil, em MW.
Fonte: World Wind Energy Association (2018).
Considerando todas as fontes de geração de energia elétrica em 2017, foram instalados 6,84 GW de potência, cujo crescimento foi liderado principalmente pelas fontes hidrelétrica e eólica, que representaram 47,86% e 29,62%, respectivamente. Acrescido de 2,03 GW de nova capacidade instalada, o total eólico permitiu para a fonte uma participação de 8,10% da matriz elétrica brasileira, conforme ilustrado na Figura 3, que apresenta a participação de todas as fontes de geração na matriz elétrica brasileira no fim de 2017 (Associação Brasileira de Energia Eólica, 2018).
Figura 3 - Participação do setor eólico na matriz energética brasileira em 2017.
Segundo a Associação Brasileira de Energia Eólica (2018), o ano de 2017 encerrou com 3,57 bilhões de dólares (11,4 bilhões de reais) investidos no setor eólico, representando 58% dos investimentos realizados em energias renováveis (solar, eólica, biomassa e resíduos, biocombustíveis e outras). Considerando o período de 2010 a 2017, esse número é de cerca de US$ 32 bilhões. Esses valores demonstram o crescente desenvolvimento do setor eólico no país. A energia eólica é produzida através de aerogeradores, de modo que a força do vento é captada por hélices conectadas a uma turbina, que por sua vez aciona um gerador elétrico. A quantidade de energia gerada é função de fatores como a densidade do ar, a área varrida pela rotação das pás e a velocidade e direção do vento (Islam, 2014). Devido à eficiência da turbina estar associada à direção do vento, as torres eólicas possuem rolamentos nas pás e na nacelle. A utilização desses rolamentos permite que as pás fiquem sempre na direção perpendicular à direção dos ventos, aumentando a área de contato e, portanto, aumentando a eficiência e controlando a potência da turbina eólica.
Para a fabricação desses rolamentos, deve-se utilizar materiais com boa relação entre resistência mecânica e tenacidade, além de uma alta resistência ao desgaste (Bhadeshia, 2012). O aço DIN 42CrMo4 é amplamente utilizado nessa aplicação, especificamente na produção de anéis para rolamentos, uma vez que esse material, após passar pelos tratamentos térmicos de têmpera e revenimento, atende às solicitações de trabalho com uma excelente relação entre propriedades e custo.
Uma vez que os tratamentos térmicos alteram significativamente as propriedades dos aços, faz-se necessário um estudo aprofundado para determinar o tratamento mais adequado para obter as propriedades desejadas. Para o aço DIN 42CrMo4, os tratamentos térmicos de têmpera e revenimento são utilizados principalmente para aumentar a resistência mecânica e alcançar valores de resistência ao impacto satisfatórios (Meysami, 2010). Portanto, este trabalho visa estudar os tratamentos térmicos envolvidos no processo de fabricação de anéis para rolamentos através de ensaios laboratoriais, além de acompanhar todo o processo de fabricação, desde a produção do aço até os tratamentos térmicos e usinagem do anel laminado.
O presente trabalho foi dividido em cinco partes, iniciando com uma revisão bibliográfica apresentando a indústria eólica, a descrição sobre a operação das máquinas eólicas, a funcionalidade dos rolamentos das pás e da nacelle, o processo de laminação e os tratamentos térmicos aplicados aos anéis para torres eólicas. Posteriormente, apresenta-se os materiais e métodos utilizados para realizar as simulações computacionais e produção de uma barra de 16 toneladas, utilizada como matéria-prima para confecção dos blocos para os ensaios laboratoriais.
Em seguida apresenta os procedimentos experimentais utilizados nos testes laboratoriais e os processos de fabricação de anéis laminados. Os resultados e discussões são apresentados graficamente e em tabelas para facilitar a análise, auxiliar na definição de variáveis de processo e na previsão de resultados em escala industrial.
2. Revisão da literatura 2.1. A Indústria Eólica
Energia eólica é uma fonte de energia limpa e renovável, considerada como uma alternativa para os combustíveis fósseis. Seu aproveitamento ocorre por meio da transferência da energia cinética de translação dos ventos em energia cinética de rotação das pás, com o emprego de turbinas eólicas, também denominadas aerogeradores, para a geração de eletricidade (Müller, 2015). Um conjunto de centenas de aerogeradores individuais ligados a uma rede de transmissão de energia elétrica é denominado Parque Eólico.
Segundo o Global Wind Energy Council (2018), após cerca de 100 anos de pesquisa e desenvolvimento o primeiro parque eólico comercial começou a gerar eletricidade em Crotched Mountain nos EUA, no ano 1980. Desde então, a indústria eólica tem buscado continuamente novos mercados ao redor do mundo.
O rescaldo da crise financeira global na década passada resultou em mercados globais médios de cerca de 40 GW/ano para o período de 2009 a 2013. Rompendo a barreira de 50 GW/ano pela primeira vez em 2014, a indústria estabeleceu um recorde de mais de 60 GW/ano devido a instalações anomalamente altas na China em 2015. Em 2016, o mercado voltou ao “novo normal” de pouco mais de 54 GW/ano e em 2017 estava na mesma faixa geral, que também é o que se espera para 2018, antes de a indústria embarcar em outro surto de crescimento na corrida para atingir a meta de 62 GW/ano em 2020 e 67 GW/ano em 2022, como observado na Figura 4 (Global Wind Energy Council, 2018).
Figura 4 - Capacidade acumulada e anual de energia eólica no Mundo.
A comercialização da energia eólica no Brasil é realizada principalmente por meio de leilões pela Câmara de Comercialização de Energia Elétrica, instituição sem fins lucrativos e regulada pela Agência Nacional de Energia Elétrica, responsável por viabilizar e gerenciar a comercialização de energia elétrica no Brasil.
Em 2017, foram adicionados à matriz elétrica brasileira mais 2 GW de energia eólica, em 79 novos parques, fazendo com que o setor chegasse ao final de 2017 com 12,77 GW de capacidade instalada (Associação Brasileira de Energia Eólica, 2018).
A capacidade anual instalada de energia eólica no Brasil prevista no Plano Decenal de Expansão Energética da Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético pode ser observada na Figura 5. Para o ano de 2018 a previsão foi otimista, atingindo aproximadamente 2,76 GW, porém para os próximos dois anos esse número será cerca de 1 GW, possivelmente devido aos atrasos nas construções dos parques eólicos e à instabilidade política do país. É possível observar também uma recuperação, prevista a partir do ano de 2021.
Figura 5 - Capacidade instalada anual de energia eólica no Brasil.
Fonte: Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético (2016).
2.2. Aerogeradores
De uma forma geral, uma turbina eólica ou aerogerador é constituída pela torre, nacelle, rotor e as pás, como indicado a Figura 6.
Figura 6 - Componente gerais de uma turbina eólica.
Fonte: Adaptado do Website da empresa Acciona (2018).
O funcionamento do aerogerador começa no rotor, cujo objetivo é captar a energia contida no vento. O fluxo de ar cria uma força aerodinâmica que coloca o rotor num movimento rotativo. Cada pá está unida ao cubo através de um rolamento de esferas, denominados de rolamentos das pás (em inglês, pitch bearings). Já outro rolamento, denominado de rolamento da nacelle (em inglês, yaw bearings) conecta a torre à nacelle, como pode ser observado na Figura 7 (Rodrigues, 2016). Dessa forma, para um único aerogerador, são necessários três rolamentos das pás e um rolamento da nacelle.
Figura 7 - Localização dos rolamentos das pás e da nacele em uma torre eólica.
Existe um controle denominado de controle de passo, que é um sistema formado pelos rolamentos das pás, motores elétricos e caixas desmultiplicadoras. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada, devido a um aumento da velocidade do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal com o objetivo de diminuir a área de superfície e, consequentemente, a extração de potência do vento (Rodrigues, 2016).
Para que haja eficiência no processo de obtenção de energia, o rotor tem que estar constantemente alinhado com a direção do vento, sendo necessário o acionamento do sistema de azimute (em inglês, yaw system), composto pelos rolamentos da nacelle, motores e caixas redutoras (Rodrigues, 2016). Esse sistema mantém a nacelle sempre alinhada na direção do vento.
Dessa forma, pode-se afirmar que os rolamentos estão intimamente relacionados com a eficiência e controle de potência dos aerogeradores.
2.2.1. Demanda de rolamentos das pás e da nacelle no Brasil
Com base na potência média das torres eólicas instaladas no Brasil (3,83 MW), é possível estimar a quantidade de torres novas instaladas necessárias para atingir a capacidade instalada anual (Figura 5), uma vez que, para uma única torre, são necessários quatro rolamentos. Desta forma, torna-se possível estimar a demanda anual de rolamentos das pás e da nacelle para os próximos cinco anos, calculada em aproximadamente 7.790 itens, como observado na Figura 8.
Figura 8 - Demanda de rolamentos das pás e da nacelle no Brasil.
2.3. Anéis para rolamentos
Os Rolamentos são utilizados para minimizar o atrito entre as peças móveis da máquina e suportar as cargas de trabalho. Atualmente, a maioria dos rolamentos são compostos por três componentes principais, sendo anel externo, anel interno e elementos rolantes (esfera ou rolos), como pode ser observado na Figura 9.
Figura 9 - Estrutura geral de um rolamento.
Fonte: Conecta FG (2017).
A Figura 10 mostra um rolamento para aerogeradores da empresa norte americana Kaydon, classificado como um rolamento de giro (em inglês, slewing bearing). Esse rolamento possui anéis (externo e interno) e duas fileiras de elementos rolantes esféricos. É importante evidenciar que as dimensões dos anéis bem como o tipo e a quantidade de elementos rolantes variam de acordo com cada projeto.
Figura 10 - Rolamento para aerogerador da Kaydon.
Fonte: Website da empresa Kaydon (2018).
Segundo Milutinović (2005), os rolamentos são normalmente produzidos em larga escala e por um longo período, e como consequência, as tecnologias de usinagem foram predominantes na produção de anéis para rolamentos. Devido ao grande desperdício de material, esse modo de produção através de usinagem foi substituído por novas tecnologias de conformação de metais.
Alguns procedimentos diferentes foram desenvolvidos baseados em métodos de forjamento, laminação e extrusão, uma vez que esses procedimentos possuem vantagens econômicas e ecológicas.
O melhor processo para produção de anéis depende de muitos fatores, mas principalmente do diâmetro do anel. Desse modo, a relação entre o melhor processo de produção e o diâmetro dos anéis pode ser dividida em cinco grupos, conforme listado a seguir e observado na Figura 11:
a) Anéis com diâmetro de até 60 mm: corte a partir de tubo ou forjamento a quente; b) Anéis com diâmetro entre 50 mm e 200 mm: corte ou laminação a frio;
c) Anéis com diâmetro de até 800 mm: forjamento ou laminação a quente; d) Anéis com diâmetro entre 100 mm a 7.000 mm: laminação a quente; e) Anéis pesados (até 35 000 kg): forjamento livre.
Figura 11 - Melhores processos para produção de anéis.
Fonte: Milutinović (2005).
2.3.1. Laminação a quente de anéis sem costura
Os rolamentos das pás e da nacelle, Figura 7, possuem diâmetros que variam entre 1.000 a 3.500 mm. De acordo com a Figura 11 o melhor e mais utilizado processo de produção de anéis com essa variação de diâmetro é a laminação a quente.
A Laminação a quente de anéis sem costura é utilizada na produção de grandes anéis para rolamentos aplicados nos setores aeroespaciais, automobilísticos, de energia eólica, entre outros (Uchibori, 2018). Esse processo de laminação é um procedimento avançado de conformação mecânica que utiliza uma tecnologia de carregamento parcial e conformação contínua para produção de anéis sem costura (Qi, 2017) e vem evoluindo ao longo de 150 anos, com um significativo trabalho de pesquisa nos últimos 50 anos (Allwood, 2005).
Esse processo pode ser divido em duas partes: preparação da pré-forma e laminação a quente. As duas etapas desse processo são descritas a seguir.
1ª Parte) Preparação da pré-forma:
(a) Obtenção de um blanque cilíndrico e pré-aquecimento; (b) Recalque do blanque;
(c) Puncionamento do blanque recalcado para obtenção da pré-forma;
A Figura 12 ilustra as etapas de preparação da pré-forma. A primeira etapa (a) é baseada no corte de uma barra para obter um blanque cilíndrico e seu pré-aquecimento, a segunda etapa (b) é o recalque desse blanque com o objetivo de aumentar a deformação e cobrir vazios gerados durante a solidificação do material, a terceira etapa (c) consiste em remover o núcleo pelo processo de puncionamento.
Figura 12 - Resultado das etapas de preparação da pré-forma.
Fonte: Elaborado pelo autor.
2ª Parte) Laminação a quente de anéis sem costura:
Figura 13 - Princípios da laminação a quente de anéis sem costura.
Fonte: Hua (2018).
A pré-forma, já aquecida, é posicionada entre dois conjuntos de rolos, um conjunto de rolos radiais (rolo principal e mandril) que é usado para reduzir a espessura radial do anel, enquanto o outro conjunto de rolos axiais (rolos axiais) controlam a altura do anel. Durante o processo de laminação do anel, o rolo principal e o mandril movem-se um em direção ao outro, diminuindo continuamente a distância entre eles e como consequência causa a diminuição da parede do anel. À medida que a seção transversal do anel é gradualmente reduzida, o diâmetro do anel cresce progressivamente devido à incompressibilidade do material. Ao mesmo tempo,
rolos cônico-axiais pressionam o anel para diminuir sua altura (ASM Handbook, 1988). Ou seja, durante a laminação a quente, um anel é deformado plasticamente e de forma contínua para reduzir a espessura e a altura, aumentar o diâmetro e formar um perfil pela deformação na direção radial e axial, como mostrado na Figura 13 (Hua, 2018).
2.3.2. Aço DIN 42CrMo4
Os rolamentos de giro (slewing bearing), como visto na Figura 10, são utilizados em diferentes partes da engenharia, como em equipamentos de mineração, guindastes e turbinas eólicas, sendo o aço DIN 42CrMo4 (SAE 4140), na condição de temperado e revenido, o material mais utilizado na produção de anéis para esse modelo de rolamento (Göncza, 2010). Segundo Bhadeshia (2012), aços para rolamentos são normalmente temperados em óleo ou água (pura ou com sal), com o objetivo de obter uma estrutura martensítica; a martensita é então submetida ao tratamento de revenimento para atingir as propriedades requeridas. O aço DIN 42CrMo4 quando submetido a esses tratamentos, atinge propriedades como alta resistência mecânica e boa resistência ao impacto, além de uma boa resistência ao desgaste.
Esse aço é ligado ao Cromo ( 1%) e ao Molibdênio ( 0,2%) e é amplamente utilizado na indústria, não somente em equipamentos de baixo custo, mas também em equipamentos de alta responsabilidade que requerem tensão limite de escoamento entre 410 MPa e 965 MPa. É também chamado de aço-cromo-molibdênio e possui em torno de 0,4% de carbono em sua estrutura, sendo classificado como um aço de médio carbono (Rocha, 2004). A Tabela 1 apresenta a composição química típica para um aço DIN 42CrMo4.
Tabela 1 - Composição química típica de um aço DIN 42CrMo4.
C Si Mn P S Cr Mo
0,38-0,43 0,15-0,35 0,75-1,00 máx 0,030 máx 0,040 0,80-1,10 0,15-0,25 Fonte: Norma SAE J404 (p. 3, 2009).
Segundo Rocha (2004), o aço DIN 42CrMo4 possui características tais como alta temperabilidade, baixa soldabilidade e usinabilidade razoável. Além disso, este aço apresenta boa resistência à torção e à fadiga e, na condição temperada, a dureza varia de 54 a 59 HRC. Este aço é empregado em peças que exigem elevada dureza, resistência mecânica e tenacidade, sendo de uso recorrente na fabricação de anéis para rolamentos de torres eólicas. A Tabela 2 apresenta as propriedades mecânicas médias para esse tipo de aço.
Tabela 2 - Propriedades mecânicas do aço DIN 42CrMo4. Propriedades Condições T (ºC) Tratamento Densidade (10³ Kg/m³) 7,70- 8,03 25 - Coeficiente de Poisson 0,27- 0,30
Módulo de Young GPa 190 – 210
Resistência à tensão MPa 655
25 Normalizado a 870°C
Tensão de escoamento MPa 417,1
Alongamento % 25,7
Redução de área % 56,9
Dureza HB 197 25 Temperado a 815°C
Resistência a Impacto (J) 54,5 25 Temperado a 815°C
Fonte: Rocha (2004).
2.4. Microconstituintes do aço DIN 42CrMo4
As propriedades mecânicas das ligas são dependentes da estrutura cristalina do material, ou seja, as propriedades variam de acordo com quais microconstituintes as microestruturas são formadas, bem como a fração de cada um desses microconstituintes. Para este aço observa-se cinco principais microconstituintes que formam o diagrama de equilíbrio: ferrita delta (δ), ferrita alfa (α), austenita (γ), cementita e carbonetos (M7C3). No entanto, na produção industrial de aço, a solidificação e o resfriamento são muito rápidos para que o equilíbrio termodinâmico seja alcançado. Portanto, os aspectos cinéticos das transformações de fase são tão importantes quanto os diagramas de equilíbrio para o tratamento térmico de aços (Callister, 2013).
A austenita, uma vez resfriada, pode se transformar em outras fases/microconstituintes, as quais, dependendo da velocidade de resfriamento, poderão alterar diversas propriedades mecânicas. Dois desses microconstituintes são a martensita e a bainita, que são de extrema importância para as propriedades dos aços, sendo classificadas como microconstituintes morfologicamente metaestáveis e não são previstas no diagrama de equilíbrio. Esses microconstituintes são formados através de um resfriamento comparativamente rápido, quando a difusão de carbono e elementos de liga é limitada a um intervalo muito curto (ASM Handbook, 1991).
Com o objetivo de alterar as propriedades do aço, alguns tratamentos térmicos são especificados intencionalmente, de forma a obter microestruturas fora do equilíbrio não previstas no diagrama de equilíbrio. Devido a essa limitação, utilizam-se os diagramas TTT e CCT para definir os tratamentos térmicos dos aços.
No diagrama TTT, o tempo de transformação em uma determinada temperatura é representado através da transformação isotérmica, que ocorre numa temperatura fixa após um resfriamento instantâneo. A Figura 14 ilustra o diagrama TTT para o aço DIN 42CrMo4. As linhas horizontais Ms, M50 e M99 marcam, respectivamente, o início, 50% e 99% da transformação da austenita na martensita. As letras F, P e B, significam, respectivamente, as fases ferrita, perlita e bainita.
Figura 14 - Diagrama TTT do aço DIN 42CrMo4.
Fonte: Ficha técnica do aço DIN 42CrMo4 da empresa Abrams Premium Stahl (2009).
Nos processos industriais, as transformações dos aços ocorrem predominantemente por resfriamento contínuo ao invés de isotermicamente. Desse modo, foram desenvolvidas curvas denominadas de diagrama CCT.
Esses diagramas representam as curvas da transformação em resfriamento contínuo, indicando as temperaturas de início e fim da transformação para as diferentes taxas de resfriamento. A Figura 15 apresenta o diagrama CCT do aço DIN 42CrMo4. A partir desse diagrama e conhecendo a taxa de resfriamento é possível determinar, por exemplo, a microestrutura final do produto transformado.
Fonte: Xintao, 2009.
Em resumo, conclui-se que as microestruturas formadas estão relacionadas com a taxa de resfriamento dos aços. Para resfriamentos lentos e moderados, obtêm-se as microestruturas perlíticas e bainíticas, respectivamente. Já a obtenção da microestrutura martensítica só é possível mediante resfriamentos rápidos, onde a taxa de resfriamento deve ser rápida o suficiente para prevenir a difusão do carbono, pois qualquer difusão que por ventura ocorra resultará na formação das fases ferrita e cementita.
2.5. Tratamentos térmicos
Segundo Chiaverini (1998) tratamentos térmicos podem ser descritos por ciclos de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades.
Uma das características mais importantes dos aços é a possibilidade de desenvolver ótimas combinações de resistência e tenacidade, medida pela resistência ao impacto. Os tratamentos térmicos que provocam tais características aos aços são os de têmpera e revenimento, resultando na microestrutura martensítica revenida (Silva, 2010). A Figura 16 apresenta um diagrama esquemático do tratamento térmico de têmpera seguida do revenimento. O tratamento inicia-se com um resfriamento rápido e, em sequência, o material é aquecido e mantido a uma temperatura constante, sendo por fim novamente resfriado até a temperatura ambiente.
Figura 16 - Diagrama esquemático de transformação para têmpera e revenimento.
Fonte: Adaptado de ASM Handbook (1991).
2.5.1. Têmpera
O principal objetivo do processo de têmpera é alcançar a microestrutura, a dureza e a resistência desejadas, minimizando as tensões residuais e a distorção. Os meios de têmpera mais
comuns são: água (pura, com adição de sal ou com adição de polímeros), ar (calmo ou forçado) e óleos (Totten, 2007).
O processo de têmpera consiste no aquecimento do material até o campo austenítico (para os aços, esta temperatura está entre 815 a 870 ºC) seguido de resfriamento rápido até uma temperatura abaixo de Ms (temperatura de início da formação da martensita). Este resfriamento deve ser rápido o suficiente para a obtenção da fase metaestável da martensita (Totten, 2007).
A martensita é formada por um mecanismo de cisalhamento, no qual vários átomos se movimentam cooperativamente e quase simultaneamente para efetuar a transformação, mecanismo este bem diferente do movimento de átomo por átomo através de interfaces durante as transformações difusionais (Yeddu, 2012). O rápido resfriamento promove um rearranjo na estrutura atômica, formando o microconstituinte martensita, que confere ao aço endurecimento e aumento da resistência mecânica, mas também fragilidade (Vales, 2011).
O início da transformação martensítica ocorre quando os primeiros volumes da fase austenítica se transformam em martensita. A temperatura onde se inicia a transformação martensítica é chamada de Ms (s = start), que reflete a força termodinâmica necessária para iniciar a transformação da austenita em martensita. A temperatura onde a transformação da austenita em martensita é completa é chamada Mf (f = finish) (Vales, 2011).
Na Figura 17 observa-se que, com o aumento do teor de carbono, ocorre uma diminuição na temperatura Ms. A temperatura Mf não é bem definida, portanto, pode-se dizer que a transformação nunca se completa, ou seja, é esperada a presença de austenita retida em aços temperados (Reed-Hill, 1982).
Figura 17 - Variação de Ms e Mf com o teor de carbono.
O conceito associado à capacidade de endurecimento do aço durante o resfriamento rápido é denominado de temperabilidade. Esta é uma medida qualitativa da capacidade do aço de formar martensita a uma determinada profundidade em uma peça.
Um dos métodos mais comuns para avaliar a temperabilidade é o ensaio Jominy, que consiste na austenitização de uma barra com medidas normalizadas que, em seguida, é submetida a um resfriamento com jato de água em condições padronizadas. Depois de resfriada, faz-se, longitudinalmente, uma trilha retificada na amostra e mede-se a dureza a partir da extremidade resfriada. Esse ensaio é realizado de acordo com a norma ASTM A255. O objetivo do ensaio é verificar o perfil de dureza no eixo longitudinal, relativo à diminuição da fração de martensita produzida durante o resfriamento. Para aços com maior temperabilidade, essa variação de dureza é menor.
A composição da liga é de grande influência na curva de temperabilidade. Sendo assim, para aumentar a temperabilidade do aço, deve-se deslocar a curva TTT para tempos mais longos, ou seja, deve-se aumentar os elementos de liga dissolvidos na austenita (Bain, 1966). A Figura 18 apresenta uma curva de temperabilidade de ligas de aço, no qual observa-se que, com o aumento dos elementos de liga, ocorre um aumento na temperabilidade do material. Aços como o DIN 42CrMo4 (SAE 4140) apresentam uma quantidade significativa de elementos de liga dissolvidos e portanto, apresentam uma alta temperabilidade comparado a outros aços menos ligados, como o SAE 8640 e o SAE 5140.
Figura 18 - Curva de temperabilidade do ensaio Jominy para cinco aços diferentes com composição e tamanho de grãos.
2.5.2. Transferência de calor durante a têmpera
Segundo Totten (2007), um problema importante para determinar o comportamento de resfriamento dos aços é a transferência de calor através da superfície do corpo para o meio circundante.
Durante a tempera, um fluido refrigerante que possui um coeficiente de transferência de calor interfacial suficientemente alto, produz uma taxa de resfriamento que poderá minimizar a transformação da austenita na ferrita ou perlita e produzirá uma quantidade desejada de martensita e bainita. O coeficiente de transferência de calor interfacial é função de um amplo número de variáveis, tais como as propriedades do fluido do refrigerante (viscosidade, densidade e condutividade térmica), velocidade do fluido, geometria de contato, entre outras.
O coeficiente de transferência de calor interfacial pode ser descrito matematicamente como:
ℎ = 𝑞
𝐴(𝑇1−𝑇2) (1)
Na têmpera de um aço, a remoção de calor é frequentemente expressa pelo número de Grossmann (H), definido pela equação abaixo (ASM Handbook, 1991).
𝐻 = ℎ 2𝑘 (2)
A Tabela 3 mostra a relação entre o número de Grossmann (H) e os meios refrigerantes. Essa tabela é importante para relacionar a severidade da têmpera com o número de Grossmann e o meios de têmpera.
Tabela 3 - Número de Grossmann aproximado de acordo com a severidade da têmpera.
Agitação
Número de Grossmann (H)
Salmoura Água Óleo e Sal Ar
Nenhuma 2.0 0.9 - 1.0 0.25 - 0.30 0.02 Mediana 2.0 - 2.2 1.0 - 1.1 0.30 - 0.35 ... Moderada ... 1.2 - 1.3 0.35 - 0.40 ... Boa ... 1.4 - 1.5 0.40 - 0.50 ... Forte ... 1.6 - 2.0 0.50 - 0.80 ... Violenta 5.0 4.0 0.80 - 1.10 ...
Fonte: ASM Handbook (1991).
A severidade do meio de têmpera é dependente da sua capacidade de transferir calor na interface do metal quente durante a têmpera. Os dados obtidos para água, através das curvas de
resfriamento, estão apresentados na Tabela 4. Podem ocorrer variações consideráveis nos valores tabelados devido às oscilações e particularidades de cada processo de resfriamento, no entanto, esses valores servem como uma estimativa e ilustram a dependência do coeficiente de transferência de calor interfacial com a temperatura do meio e com o número de Grossmann. Tabela 4 - Número de Grossmann (H) e coeficiente convectivo (h) para a água.
Meio de Resfriamento Temperatura do Meio Número de Grossmann (H=h/2k) Coeficiente de Transferência de Calor Interfacial °C °F W/m².K Btu/ft².h.°F Água 32 90 1.1 5.000 880 2.1 9.000 1.600 2.7 12.000 2.100 2.8 12.000 2.100 55 130 0.2 1.000 180 0.6 2.500 440 1.5 6.500 1100 2.4 10.500 1850
Fonte: ASM Handbook (1991).
2.5.3. Revenimento
O revenimento do aço consiste no aquecimento uniforme até uma temperatura abaixo da austenitização, mantendo-o nesta temperatura por tempo suficiente para equalização de temperatura e, em seguida, é resfriado a uma taxa adequada.
O principal objetivo deste processo é atingir valores adequados de resistência e tenacidade, no entanto, como consequência do aquecimento, ocorre um aumento no tamanho de grão da matriz (ASM Handbook, 1991).
As variáveis do processo de revenimento que afetam a microestrutura e as propriedades mecânicas de um aço incluem:
• Temperatura; • Tempo;
• Taxa de resfriamento;
Na Figura 19 é possível observar um progressivo amolecimento do aço com o aumento da temperatura entre 200 e 700ºC e uma queda acentuada da dureza na faixa entre 280 a 400°C, causada pela precipitação e crescimento da cementita, que está associada à redução do teor de carbono de solução sólida. Isto é, quanto maior a temperatura e o tempo de revenimento, menores dureza e resistência dos aços, com maior ductilidade e tenacidade (MADER, 1984).
Figura 19 - (a) Curva de dureza em função da temperatura do aço DIN 42CrMo4, normalizado a 870°C e temperado / (b) Tenacidade em função da temperatura de revenimento para o aço DIN 42CrMo4
revenido por uma hora.
(a) (b)
3. Objetivos
3.1. Objetivo geral
Determinar os tratamentos térmicos para anéis de rolamentos de máquinas eólicas produzidos em aço DIN 42CrMo4 e esses tratamentos térmicos serão definidos de tal maneira a atingir as propriedades mecânicas e microestruturais especificadas em projeto.
3.2. Objetivos específicos
- Reproduzir fisicamente em laboratório as curvas de resfriamento, do processo de têmpera dos anéis, previamente calculadas por simulação computacional;
- Conhecer as propriedades mecânicas e microestruturais de anéis laminados e tratados termicamente a partir de ensaios de laboratório;
- Validar a metodologia que permite prever as propriedades físicas de peças de grande porte mediante simulação computacional complementada com ensaios de laboratório.
- Comparar as propriedades mecânicas medidas nas amostras ensaiadas em laboratório com as medidas nos anéis laminados.
4. Materiais e métodos
4.1. Definição dos parâmetros de fabricação de anéis laminados
A Figura 20 apresenta um fluxograma geral do processo para produção de anéis laminados. O processo de fabricação iniciou-se com a definição das geometrias e propriedades dos anéis e, a partir dessas informações, realizou-se estudos, com base na literatura e em projetos anteriores, para definição da composição química e simulações computacionais, pelo método de elementos finitos, para obtenção das curvas de resfriamento durante a têmpera dos anéis. Com esses parâmetros definidos, partiu-se para a produção do metal líquido em uma corrida teste, seguido dos processos de lingotamento, forjamento e recozimento das barras. Blocos com diferentes espessuras (25, 35, 45 e 50 mm) foram cortados e passaram pelos tratamentos térmicos de têmpera e revenimento. As curvas de resfriamento durante a têmpera foram obtidas utilizando termopares de contato e tornou-se possível compará-las com as curvas simuladas computacionalmente.
Por fim, foram realizados ensaios laboratoriais para medir as propriedades de cada bloco e compará-las com as propriedades especificadas para os anéis. Uma vez que todos os parâmetros são validados, o processo de produção de anéis é iniciado.
Figura 20 - Definição dos parâmetros para produção de anéis laminados. Definição das geometrias e propriedades dos anéis Definição da composição química Simulação Computacional Produção do metal líquido (corrida teste) Lingotamento Forjamento das barras Recozimentos das barras Obtenção das amostras Tratamentos térmicos Testes laboratoriais Avaliação dos parâmetros Processo de Produção de anéis
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.1.1. Composição química
O material definido para produção dos anéis foi o aço DIN 42CrMo4, cuja composição química, de acordo com a norma SAE J404, foi apresentada na Tabela 1.
4.1.2. Simulação computacional pelo método de elementos finitos
As simulações para obtenção das curvas de resfriamento dos anéis durante a têmpera foram realizadas pelo método de elementos finitos utilizando o software Solidworks 2018, de acordo com a metodologia descrita abaixo.
- Seleção de duas geometrias de anéis: modelo A e modelo B, ambas com 45.000 mm2 de área transversal, visto que essas dimensões são representativas de acordo com os modelos utilizados atualmente na indústria brasileira: modelo A: ø3.200mm de - ø2.800mm di x 225mm altura x 200mm espessura; modelo B: ø3.300mm de - ø2.700mm di x 150mm altura x 300mm espessura;
- Definição de quatro posições diferentes de profundidade para cada região, interna e externa, da seção transversal dos anéis para avaliação da taxa de resfriamento. Cada posição tem uma profundidade medida em mm, sendo 10x10, 20x20, 30x30 e 40x40, conforme pode ser observado na Figura 21.
Figura 21 – Posições para realização do estudo da taxa de resfriamento.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para realizar as simulações com o software Solidworks, são necessários alguns parâmetros como: temperatura inicial e tamanho dos elementos de malha do modelo estudado, temperatura inicial e coeficiente de transferência de calor convectivo (h) do meio de têmpera (água), conforme apresentado na Tabela 5, definidos baseados na literatura, em estudos realizados e em parâmetros reais de processo.
- Determinação do coeficiente de transferência de calor convectivo (h)
O tanque que foi utilizado para a têmpera em água dos anéis de aço DIN 42CrMo4 tem um volume de 230 m³ e um eficiente sistema de controle de temperatura e agitação. Com base nas informações de projeto do tanque e nas informações da Tabela 3, pode-se considerar que a severidade de têmpera neste tanque é forte, portanto torna-se possível estimar que o número de Grossmann seja aproximadamente igual a 2.
A temperatura da água é de 32 °C. De acordo com a Tabela 4 e com o número de Grossmann, estima-se que o coeficiente de transferência de calor convectivo da água (h) é de 8.600 W/m².K.
- Determinação do tamanho ideal de malha
Um estudo preliminar foi realizado para determinar o tamanho ideal dos elementos de malha. Simulações com diferentes tamanhos de elementos de malha (300 mm até 10 mm) foram realizadas, mantendo constante o tamanho do anel e as variáveis térmicas. Verificou-se a existência de uma convergência nos valores de temperatura para elementos de malha menores que 30 mm.
A Tabela 5 apresenta os valores dos parâmetros de entrada com base nos estudos realizados e em parâmetros reais de processo.
Tabela 5 - Parâmetros de entrada para as simulações no Solidworks 2018.
Parâmetros de Entrada
Temperatura inicial da água 32 °C
Coeficiente de transferência de calor convectivo (h) 8.600 W/m².K
Temperatura inicial do anel 860 °C
Tamanho do elemento de malha 30 mm
Tempo de simulação 360 s
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.1.3. Produção do metal líquido
O estudo foi iniciado com a produção de um lingote de aço DIN 42CrMo4 de 15,7 toneladas, utilizando uma lingoteira modelo 16TBKT, pelo método do lingotamento indireto, na Aciaria da planta de Pindamonhangaba da Gerdau. A Figura 22 mostra o lingotamento e pode-se observar o derramamento do aço líquido da panela para o canal que alimenta a lingoteira.
Figura 22 – Lingotamento.
4.1.4. Forjamento da barra
Após a solidificação, o lingote foi submetido ao soaking e forjamento. A prensa usada tem uma capacidade de 8.000 toneladas de força, e a temperatura da peça durante este processo foi de cerca de 1.220 °C. O ferramental utilizado para esse forjamento foi uma bigorna dupla em “V” com 800mm de comprimento.
A Tabela 6 mostra o grau de deformação ao qual a barra foi submetida durante o forjamento, nas posições da cabeça, meio e pé.
Tabela 6 - Grau de deformação da barra forjada.
Posição cabeça meio pé
Grau de deformação 2,2 1,6 1,4
Fonte: Elaborado pelo autor.
Como pode ser visto na Figura 23, a barra forjada tem uma geometria cilíndrica com dois diâmetros, 730 mm no seu lado superior (cabeça) e 663 mm no lado (pé).
Figura 23 - Geometria da barra após o forjamento.
Fonte: ELABORADO PELO AUTOR.
Na Figura 24 é possível observar a remoção da barra do forno de aquecimento, a fixação do lingote no manipulador, o forjamento e a barra forjada.
Figura 24 - (a) Remoção do lingote do forno de aquecimento / (b) Fixação do lingote no manipulador / (c) Barra no início do forjamento / (d) Barra forjada.
(a) (b)
Manipulador Forno
(c) (d) Fonte: Acervo do autor.
4.1.5. Recozimento
A barra forjada passou pelo tratamento térmico de recozimento com o principal objetivo de aliviar as tensões geradas durante o forjamento. A temperatura de patamar foi aproximadamente a 650 °C.
4.1.6. Obtenção do blanque cilíndrico
Os blanques cilíndricos foram cortados, a partir da barra forjada, pelo processo de Oxicorte. A região da barra onde foi cortado o blanque para obtenção dos blocos para ensaios laboratoriais é apresentada na Figura 25.
Figura 25 - Região da barra para corte do blanque.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.1.7. Obtenção dos blocos para tratamento térmico
As dimensões dos blocos obtidos a partir do blanque são apresentadas na Tabela 7. Doze blocos foram cortados mantendo as dimensões altura e comprimento fixos, com variação da espessura (25, 35, 45 e 50 mm).
Tabela 7 - Dimensões dos blocos para tratamento térmico.
Dimensões (mm) A0, A1 e A2 B0, B1 e B2 C0, C1, C2 e D0 E01 e E02
Comprimento 200 200 200 200
Espessura 35 45 25 50
Altura 150 150 150 150
Fonte: Elaborado pelo autor.
Os blocos utilizados nos tratamentos térmicos são apresentados na Figura 26. Figura 26 - Imagem dos blocos para tratamento térmico.
Fonte: Acervo do autor.
Foi feito um furo de 3,2 mm de diâmetro a partir da face até o centro dos blocos A0, B0, C0, D0, E01 e E02 e um termopar tipo k com um diâmetro de 3 mm foi fixado no centro desses blocos, como mostrado na Figura 27. Esse procedimento tem como objetivo obter a curva de resfriamento dos blocos durante a têmpera e revenimento.
Para uma mesma espessura e meio de têmpera obtém-se a mesma curva de resfriamento. Desse modo, utilizou-se apenas algumas amostras com termopares fixados para obter as curvas de resfriamento, já que é possível utilizar esses valores para as outras amostras com mesma espessura e meio de têmpera.
Registros de evolução da temperatura nos estágios de aquecimento, tempo de patamar e resfriamento foram realizados com o uso do Datalogger, programado para registrar o sinal medido por termopares com taxa de 1 Hz. Uma amostra de referência foi cortada a partir da barra forjada e foi denominada como amostra R.
Figura 27 - (a) Termopar fixado no centro do bloco / (b) Datalogger usado para adquirir dados de temperatura (modelo Fieldlogger).
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
4.1.8. Austenitização e têmpera
A austenitização foi feita dentro do forno da marca Nabertherm (Nr. 307623) a uma temperatura de 860 ± 5 °C com um tempo de patamar de cinco horas. Os blocos A0, A1, A2, B0, B2, B2, C0, C1 e C2 foram temperados em ar forçado utilizando um ventilador industrial. Os blocos D0, E01 e E02 foram temperados em óleo utilizando um tanque, com a temperatura do óleo começando a 23 °C até atingir 45 °C. A Figura 28 apresenta os processos descritos acima.
Figura 28 - Processo de têmpera: (a) Ar forçado; (b) Óleo.
(a) (b)
4.1.9. Revenimento
O revenimento foi realizado no forno da marca Brasimet (Nr 1349) com um tempo de patamar de nove horas, exceto para amostra E02 que foi de apenas quatro horas. O resfriamento foi realizado no interior do forno.
4.1.10. Variáveis dos blocos
Para facilitar a identificação, foi elaborada uma nomenclatura específica indicando as variáveis de processo, de acordo com cada amostra, como Tabela 8:
• Nome = Espessura + meio de resfriamento + temperatura de revenimento;
• Os blocos que foram utilizados para registrar as temperaturas com auxílio de termopares receberão a letra “T”.
Tabela 8 - Variáveis de processo das amostras.
Amostras Espessura (mm) Austenitização Revenimento Temperatura (°C) Tempo de patamar (h) Temperatura (°C) Tempo de patamar (h) 25AR610 25 860 5 610 9 25AR630T 25 860 5 630 9 25AR630 25 860 5 630 9 25OLEO610T 25 860 5 610 9 35AR610T 35 860 5 610 9 35AR610 35 860 5 610 9 35AR630 35 860 5 630 9 45AR610 45 860 5 610 9 45AR630T 45 860 5 630 9 45AR630 45 860 5 630 9 50OLEO610T 50 860 5 610 9 50OLEO610T-4* 50 860 5 610 4
Fonte: Elaborado pelo autor.
* Amostra com tempo de patamar no revenimento de 4 horas.
4.1.11. Ensaios mecânicos
A partir das amostras foram produzidos corpos de prova para uso em testes de laboratório. Estes corpos de prova para impacto, tração e dureza foram obtidos de acordo com o esboço representado na Figura 29.
Figura 29 - Diagrama esquemático da distribuição dos corpos de prova a partir do bloco termicamente tratado.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.1.12. Região de amostragem
As especificações para ensaios mecânicos em anéis laminados definem uma região para amostragem (região verde), que está localizada entre as posições 15x15mm e 45x45mm de profundidade, como representado na Figura 30.
Figura 30 - Região de amostragem para ensaios mecânicos.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.1.13. Ensaios de tração
Os ensaios de tração foram realizados de acordo com a norma ASTM A370. Dois corpos de prova foram obtidos de cada bloco na direção longitudinal. As dimensões e tolerâncias desses corpos de prova, apresentadas na Figura 31, estão de acordo com a norma ASTM E8 / E8M.
Figura 31 - Corpos de prova para ensaio de tração.
Fonte: Autor.
4.1.14. Ensaios de impacto
Os testes de impacto, pelo método Charpy V-notch, foram realizados de acordo com a norma ASTM A370. Os corpos de prova foram obtidos de cada bloco na direção longitudinal e ensaiados a -40 °C.
As dimensões e tolerâncias desses corpos de prova, apresentadas na Figura 32, estão de acordo com a norma ASTM E23.
Figura 32 - Corpos de prova para ensaios de impacto (Charpy V-notch).
Fonte: Autor.
A Figura 33 mostra a avaliação do entalhe em V realizado nos corpos de prova para os ensaios de impacto, a fim de verificar se este entalhe em V está de acordo com a norma ASTM E23. De acordo com a Figura abaixo, concluímos que o entalhe foi feito de acordo com a norma, isto é, com um ângulo de 45º.
Figura 33 - Análise do entalhe dos corpos de prova para os ensaios de impacto.
4.1.15. Ensaios de dureza
Os valores de dureza foram medidos na seção longitudinal da extremidade de cada amostra do ensaio de tração usando um durômetro da Shimadzu Seisakusho (dureza Brinell) com 10 mm de diâmetro e com uma carga de 3.000 kg, de acordo com a norma ASTM E18. Os corpos de prova podem ser visualizados na Figura 34.
Figura 34 - Corpos de prova para o ensaio de dureza.
Fonte: Acervo do autor.
4.1.16. Ensaio de temperabilidade
O ensaio de temperabilidade, ou ensaio Jominy, foi realizado de acordo com a norma ASTM A255. Este ensaio foi realizado somente na amostra R e em duas regiões diferentes, Região 1 e Região 2, posteriormente foi calculado a média desses valores. A Figura 35 mostra as dimensões dos corpos de prova de acordo com a norma ASTM A255.
Figura 35 - Corpos de prova para o ensaio Jominy.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.1.17. Preparação para análise microestrutural e de limpeza do aço
As amostras para análise microestrutural foram obtidas a partir de amostras de ensaios de tração, no sentido longitudinal. Em seguida foram preparadas com lixas de grãos 500 e 600 seguido do polimento com diamante de 6 e 1 μm, conforme a norma ASTM E3. Por fim, foram atacadas com Nital 2% conforme a norma ASTM E407.
4.1.18. Microscopia óptica
Foram realizadas micrografias com ampliação de 16x, 50x, 100x, 200x e 500x usando o microscópio óptico com o software de aquisição de imagens Leica Qwin, disponível na empresa Gerdau Summit.
4.1.19. Análise de inclusões
Após a preparação das amostras, a determinação das inclusões no aço foi realizada de acordo com o método A da norma ASTM E45. Este método consiste em determinar o pior campo, dentro de uma amostragem normatizada, e contar o número de inclusões. Conforme o número e o tipo de inclusões atribuem-se notas.
4.1.20. Tamanho de grão
A determinação do tamanho de grão foi realizada de acordo com a norma ASTM E112.
4.2. Fabricação de anéis laminados e medição das propriedades
A corrida para produção de metal líquido utilizada para os anéis foi a mesma utilizada para produção das amostras para ensaios laboratoriais. No fluxograma da Figura 36 observa-se o processo de produção dos anéis, no qual as etapas destacadas são as mesmas realizadas para os ensaios laboratoriais.
Figura 36 - Processo de produção de anéis. Produção do
metal líquido (corrida teste)
Lingotamento Forjamento das barras Recozimentos das barras Obtenção dos blanques Preparação da pré-forma Laminação Tratamentos térmicos Usinagem
Fonte: Elaborado pelo autor.
As etapas de produção de metal líquido, lingotamento, forjamento das barras e recozimento e obtenção dos blanques foram descritas no itens 4.1.3, 4.1.4, 4.1.5, 4.1.6, respectivamente.
4.2.1. Obtenção de blanques cilíndricos
A região da barra onde foram cortados os blanques para produção dos anéis são apresentadas na Figura 37. Os blanques foram cortados com dimensões variáveis, de acordo com o tamanho do anel a ser produzido.
Figura 37 - Região de corte dos blanques para produção de anéis.
Fonte: Elaborado pelo autor.
4.2.2. Preparação da pré-forma
A preparação da pré-forma pode ser dividida em três etapas: pré-aquecimento, recalque e puncionamento.
Na etapa de pré-aquecimento a peça foi aquecida até a temperatura de 1.200ºC e na sequência foi realizado a etapa de recalque, reduzindo sua altura e aumentando sua secção transversal, como pode ser observado na Figura 38. A prensa utilizada neste processo tem uma capacidade de 4.000 toneladas de força.
Figura 38 - Processo de recalque do blanque.
Após a etapa de recalque e utilizando a mesma prensa, o tarugo deformado é perfurado para obtenção da pré-forma (formato de “rosca”) necessária para o processo de laminação de anéis, etapa denominada puncionamento. A Figura 39 mostra a pré-forma logo após o processo de puncionamento.
Figura 39 - Pré-forma obtida após o processo de puncionamento.
Fonte: Acervo do autor.
4.2.3. Laminação dos anéis
O processo de laminação a quente foi realizado no laminador de anéis da marca Caltek e a pré-forma foi aquecida até a temperatura de 1240ºC,em um forno a gás da marca Sauder, com o objetivo de atingir a temperatura adequada ao processo de laminação a quente.
A Figura 40 mostra o processo de laminação de anéis sem costura e é possível observar especificamente o final do processo de laminação.
Figura 40 – Produção de anéis sem costura pelo processo de laminação a quente.
4.2.4. Tratamento térmico dos anéis
Os tratamentos térmicos de autenitização, têmpera (água) e revenimento foram realizados em fornos e tanques da marca Insertec e foram definidos a partir das simulações computacionais e ensaios laboratoriais com o objetivo de beneficiar o material para atingir os valores de propriedades mecânicas e microestruturais especificados.
A Figura 41 mostra os fornos de austenitização e revenimento, bem como o tanque utilizado para realizar a têmpera.
Figura 41 - Fornos e tanque utilizados para os tratamentos térmicos.
Fonte: Acervo do autor.
4.2.5. Usinagem dos anéis
A usinagem dos anéis, que consiste no ajuste de suas dimensões de acordo com a especificação, foi realizada no torno vertical da marca Blansko. Na Figura 42 observa-se o anel usinado fixado nas castanhas do torno vertical, logo após a usinagem.
Figura 42 - Usinagem de anéis.
5. Resultados e discussões 5.1. Simulação computacional
As curvas de resfriamento simuladas para cada modelo (modelo A e B) de acordo com cada posição (10x10, 20x20, 30x30 e 40x40 mm), como apresentado no item 4.1.2, podem ser visualizadas na Figura 43.
Figura 43 - Curvas de resfriamento simuladas.
Modelo A Modelo B
Fonte: Elaborado pelo autor.
Através das curvas de resfriamento, foram calculadas taxas médias de resfriamento (°C/min) para cada posição e em cada modelo para uma faixa de temperatura de 800 °C a 400 ºC. Os valores são apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 - Taxas de resfriamento de 800ºC a 400ºC simuladas para cada modelo de anel.
800 a 400 °C
Posição Taxa de resfriamento (°C/min)
Modelo a) Modelo b) Média
Lado interno 10x10 1.404 1.444 1.424 20x20 410 417 414 30x30 192 204 198 40x40 115 120 118 Lado externo 10x10 1.379 1.695 1.537 20x20 416 414 415 30x30 197 196 197 40x40 115 120 118
Fonte: Elaborado pelo autor.
0,00 500,00 1000,00 0 100 200 300 400 T emp erat u ra (° C) Tempo (s) 10x10 (Externo) 20x20 (Externo) 30x30 (Externo) 40x40 (Externo) 10x10 (Interno) 20x20 (Interno) 30x30 (Interno) 40x40 (Interno) 0,00 500,00 1000,00 0 100 200 300 400 T emp erat u ra (° C) Tempo (s) 10x10 (Externo) 20x20 (Externo) 30x30 (Externo) 40x40 (Externo) 10x10 (Interno) 20x20 (Interno) 30x30 (Interno) 40x40 (Interno)
