Redução de Peso em Veículos Comerciais A Contribuição dos Aços de Alta Resistência Micro ligados ao Nióbio - Conceitos e Estudo de Caso

Redução de Peso em Veículos Comerciais

A Contribuição dos Aços de Alta Resistência Micro

ligados ao Nióbio - Conceitos e Estudo de Caso

ED JUAREZ MENDES TAISS – ed.taiss@terra.com.br

Engenheiro Metalurgista, Pós Graduação em Administração Financeira, Especialização em Marketing Industrial, MBA em Gestão Empresarial e MBA em Comercio Exterior e Negócios Internacionais, Consultor da CBMM.

Uma Visão Geral da CBMM - Companhia

Brasileira de Metalurgia e Mineração

Visão Geral da CBMM

Visão Geral da CBMM

Visão Geral da CBMM Área de Industrial

Visão Geral da CBMM Fluxo de Produção

Aplicações do Nióbio

Aços Avançados de Alta Resistência e o

Atendimento às Legislações de

Source:

280 CO2 equivalent g/Km converted to NEDC test cycle 260 240 220 200 180 140 120 160 100 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 California United States Canada Australia Europe Japan China

Regulamentações sobre Emissões Ações Globais

Veículos Leves

 Atualmente, os carros brasileiros emitem, em média, 171 gramas de CO2 por

quilômetro, número que pelas diretrizes do decreto deverá cair para 130 gramas até 2017. A variação representa queda de 24%.

 Estudos do governo avaliam que já há tecnologia disponível para atingir esse objetivo em menos de 01(um) ano antes do prazo.

 Norma em analise pelo Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior.

Legislação sobre Emissões Veiculares – Brasil Situação atual e Perspectivas.

 Programa Nacional de Renovação de Frota de Comerciais. Em conjunto com as principais entidades envolvidas com o

transporte rodoviário de carga apresentaram o projeto fundamentado em promover segurança e redução das emissões.

 Projeto Novas Tecnologias de Propulsão para Veículos Pesados O Projeto de novas tecnologias de propulsão para veículos pesados pretende promover a utilização de novas tecnologias, fomentar a pesquisa e o desenvolvimento.

Para Veículos Comerciais a Anfavea apresentou 02(dois) Projetos ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior

BIW Wt. vs. GVW 150 200 250 300 350 400 450 1000 1500 2000 2500 3000 GVW (Kg) B IW ( K g) '01 - '03 Steel BIW ULSAB-AVC Aluminum BIW '04 - '08 Steel BIW Top 10 Steel BIW

EU Super Light Car

Linear ('01 - '03 Steel BIW) Linear (ULSAB-AVC)

Linear (Top 10 Steel BIW)

BIW Wt. vs. GVW 150 200 250 300 350 400 450 1000 1500 2000 2500 3000 GVW (Kg) B IW ( K g) '01 - '03 Steel BIW ULSAB-AVC Aluminum BIW '04 - '08 Steel BIW Top 10 Steel BIW EU Super Light Car

Linear ('01 - '03 Steel BIW) Linear (ULSAB-AVC)

Linear (Top 10 Steel BIW)

EU SLC(Super Light Car) - Multi Materials

 37% Weight Reduction  112% Cost Increase Struc ture * (k g)

Structure Weight vs. Gross Vehicle Weight

Source: Shaw, J., U.S Steel, Great Designs in Steel, May 2009, www.autosteel.org

*

Ações de Redução de Peso Veículos de Passeio

FSV – Future Steel Vehicle

Ciclo de Vida Total de Emissões

Ligth Weight Materials na Construção de Automotiva

Das tecnologias aplicadas para melhorar a segurança veicular e/ou reduzir o consumo de combustível e de emissões somente a utilização de “Light Weight Materials” não

impactam parcialmente os ganhos obtidos.

 Outras tecnologias como Air Bags e Freios ABS promovem segurança, entretanto agregam peso e consequente exigem maior energia para o deslocamento.

 Motores Euro 5 para caminhões e/ou aproveitamento de energia da frenagem promovem redução de emissões, mas em contrapartida aumentam o peso e por consequência redução da carga útil e aumento parcial do consumo e de emissões.

 Dos materiais considerados “Light Weigth Materials” destacam-se os aços de alta resistência, que além de permitirem a redução de peso e consequente de redução de consumo e de emissões, promovem melhoria da segurança veicular e da rigidez estrutural refletindo na melhoria da dirigibilidade e durabilidade.

Utilização de Aços de Alta Resistência

Aplicação em Chassis de Veículos Comerciais

Utilização de Aços de Alta Resistência EuroCarBody 2013

Aços Laminados a Quente

Aços Avançados de Alta Resistência

Micro ligados ao Nióbio - Conceitos e

18

Al

TWIP L-IP

M- TRIP

Martensite based TRIP

SB – TRIP

Super Bainite TRIP

DP – High Si

Trip Concept

Aços na Construção Automotiva Moderna

Utilização atualmente

no Brasil

Efeito do Nióbio no Aços de Alta Resistencia

 O Nióbio tem capacidade de promover maior resistência nos aços ao Carbono através de mecanismos de endurecimento por Solução Sólida, Precipitação de Carbonitretos (C-N-Nb ) e Refino de Grão.

 O Nióbio promove microestrutura fina e homogênea.

 O Refinamento de grão é o único mecanismo que aumenta a resistência mecânica e a tenacidade(Resistência ao Impacto) mesmo a baixas temperaturas.

 Em função destas propriedades o Nióbio é largamente utilizado como micro

liga(<0,10%) na grande maioria dos aços de alta resistência Laminados a Quente e Laminados a Frio e/ou Galvanizados.

 A utilização do Nióbio nos aços permite a redução de elementos como C e Mn promovendo um impacto positivo na soldabilidade e comformabilidade.

 A utilização de aços de maior resistência torna possível reduzir a espessura dos componentes estruturais , reduzindo consequentemente o peso na mesma proporção.

 A redução do peso de qualquer elemento estrutural tem impacto positivo na redução de custo e melhoraria o ciclo de vida (LCA).

 A utilização em veículos de qualquer natureza promovem redução de consumo e de emissões, independente do sistema propulsão, e em veículos comerciais permitem ainda aumentar a carga transportada.

Aços de Alta Resistencia

Aços de Alta Resistencia Laminados a Quente Evolução e o Efeito do Nióbio

Em Aços laminados a Frio e Revestidos o Nióbio promove refinamento de grão e uma estrutura homogênea, com impactos positivos nas propriedades mecânicas do aço, em especial nas propriedades de expansão de furo e flangeamento, bem como na Resistência a “Delay Craks”.

Estudo de Caso:

“Utilização de Aço de Alta Resistência, Micro ligado

ao Nb, em Caçambas para Transporte de Minério na

Mina da CBMM em Araxá”

 Reduzir o peso das caçambas elevando,

proporcionalmente, a capacidade de transporte de carga;

 Reduzir o custo de transporte ;  Reduzir dos custos de manutenção

 Aumento da disponibilidade física dos caminhões  Reduzir consumo de Combustível e

Consequentemente de Emissões Projeto:

Substituição de aços convencionais de baixa resistência por de aço de alta resistência micro ligados ao Nióbio em caçambas para transporte de minério na Usina da CBMM em Araxá

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Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso – Dumper Truck

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Estudo de Caso – Dumper Truck Dados Operacionais

 Quantidade Transportada/ano:

 Minério: 8 M ton

 Estéreo : 4 M ton

 Número de Viagens/ano: 300.000

 Frota de Caminhões : 13 unidades

 Distância Média de Transporte: 1 km

 Disponibilidade Física Atual dos Caminhões: 92% ( com as

antigas caçambas)

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Redução de Peso em Veículos Comerciais Características do Veículo Atual(Antigo)

Caixa de Carga

 Fundo de espessura 3/8” (9.52mm);  Laterais de espessura 1/4” (6.35mm).

Construída em aço 350 MPa (Limite Escoamento)

Obs. Perfis de acabamento lateral em aço ASTM A-36.

Quadro Inferior

 Longarinas de espessura 5/16” (8.00mm), dobradas em perfil “U”;  Travessas espessura 3/16” (4.75mm), dobradas em perfil “U”;  Articulação da caixa: espessura 3/8” (9.52mm);

Construído Basicamente em aço ASTM A-36 e alguns componentes em Aços de Média Resistencia.

Caçamba confeccionada para Caminhão 8X4 MBB- 4144 Padrão de Fabricação: Meia Cana

Volume: 20 m³

Peso real: 7.200 Kg. Fabricante: Rossetti

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Estudo de Caso – Dumper Truck Melhorias a serem Realizadas

(1)Trinca nos Braços da Corrente Fadiga no braço, consequência o desalinhamento da tampa

(2) Trinca no sobre-chassis

Concentração de tensão mecânica (4) Trinca na saia da Caixa de Carga

Concentração de tensão mecânica

(5)Deformação nas chapas de aço da caixa de carga

Devido o impacto provocado pelo minério provocando deformação gerando desprendimento do revestimento

(3) Quebra das Talas de fixação – fragilidade Fixação do sobre chassi com o chassi

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Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso – Dumper Truck (Novo)

Dados do Equipamento:

 Caçamba para Caminhão 8X4 MBB ACTROS

 Tipo: Meia Cana  Volume: 20 m³  Peso: 5.500 Kg. Caixa de Carga:

 Fundo de espessura 6mm, WEAR Steel 450 HB  Laterais de espessura 4mm, WEAR Steel 400 HB

 Obs. Perfis de acabamento lateral em aço Estrutural 700 MPa de limite de Escoamento.

 Sem coluna adicional Quadro Inferior:

 Longarinas de espessura 8.00mm, dobradas em Perfil “U”. Aços Estrutural de 700 MPa de Limite de Escoamento

 Travessas espessura 3/16” (4.75mm), dobradas em perfil “U”. Aços Estrutural de 700 MPa de Limite de Escoamento

Aço Resistente a Abrasão Classe 450 HB 1 - Fundo em– Esp= 6,35mm

2 - Laterais – Esp=4,0mm

Aços Estrutural Classe 700 MPa de Limite de Escoamento

1 - Perfil lateral Esp = 4.75mm 2 – Coluna traseira Esp = 8mm 3 – Fechamento Esp = 4.75mm

4 – Perfil da Articulação Esp = 6.35mm 5 – Base do perfil Esp = 8mm

6 - Travessa Traseira Esp = 8mm

Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso – Dumper Truck (Novo)

Aços Estrutural Classe 700 MPa de Limite de Escoamento  Longarina Longitudinal – Espessuara 8 mm

 Reforços – Espessura 6.3 mm

 Travessas Transversais t 4.75 mm e 9.5 mm  Mesmo Design – Sobre Chssis do Caminhão

 Dispositivos e fixações redesenhados objetivando maior resistente à fadiga

Aços Resistente ao Desgaste Classe 400 HB 1 – Chapa do Fechamento - Esp = 4mm Aço Estrutural Classe 700 MPa de Limite de Escoamento

2 – Coluna do Fechamento - Esp = 4.75mm 3 – Travessa do Fechamento - Esp = 6.35mm 4 – Coluna maior do Fechamento - Esp = 6.35mm

Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso – Dumper Truck (Novo)

Talas de fixação do sobre chassis com geometria adequada para auxiliar na execução da solda evitando que a mesma não seja realizada no raio de dobra da longarina.

Paralamas parafusado

• Eliminar soldas excessivas nos materiais de alta resistência.

• Caixa de carga sem a necessidade de colunas adicionais.

Braço para corrente cônico, fabricados em

aço estrutural de 700 MPa com reforços internos e externos feitos na longarina do sobre chassis, para evitar trincas e quebras do mesmo.

Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso – Dumper Truck (Novo)

Projeto Redução de Peso em Dumper Truck Considerações Finais

Des

Actros 4844K/42 + Dumper Rossetti Original Actros 4844K/45 + Dumper Rossetti Proposal

Des Actros 4844K/42 8x4 • 2010 • Wheel base 4.200 mm • Engine OM501LA, V6 435PS • Euro3 Emissions. Des Actros 4844K/45 8x4 • 2013 • Wheel base 4.500 mm • Engine OM501LA, V6 435PS • Euro5 / SCR System.

• After treatment with Arla32 • injection and use of catalytic

element Original Dumper 2010 Proposed Dumper 2013 Dumper Reduction 7.426kg 5.470kg 1.956kg Actros EURO3 2010 Original Dumper Actros EURO5 2013 Proposed Dumper Legislation Requirements Payload Improvement 1.500kg 18.500kg 17.500kg 356kg Des Dumper Results Des _Des Dumper Rossetti • Half pipe • Capacity 20m3 • Floor 9,5mm • Side 6,3mm Dumper Rossetti - Half pipe - Capacity 20m3 - Floor 6mm - Side 4mm

Dumper + Truck Results

Vehicle Improvements

100kg

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Projeto Dumper Car – CBMM Resultados Obtidos

Projeto Redução de Peso em Dumper Truck Principais Resultados

 Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração, CBMM, tem um programa forte e sustentável no desenvolvimento de aços ligados ao Nióbio e suas respectivas aplicações.  A CBMM integra totalmente o conceito de sustentabilidade, desenvolvendo soluções que

promovam redução das emissões, tanto em sua área industrial como em aplicações de aços de alta resistência em diversos segmentos de mercado.

 Este “Case” apresenta um projeto que reduz o peso do caminhão basculante para serviço na mineração CBMM em mais de 25% ou seja 1.500 kg

 Este conceito pode ser aplicado em qualquer veículo de transporte.

 O Projeto promoveu a substituição de Aços Carbono comum e de Media Resistência para aços micro ligados ao Nióbio de Alta Resistência

 A Redução de peso permitiu uma redução de 3,7% no consumo de combustível e de 3% das emissões de dióxido de carbono.

 Promoveu Redução de(1_)....

 ... 5% no custo de transporte de min

 ...11.250 viagens a menos (aumento de produtividade)  ...3,7% no custo com combustível;

 ....custo de material rodante

 ...paradas para Manutenção. Desde o mês de março a caçamba não apresenta nenhuma trinca.

Consideração Finais

Projeto “Ligth Design” em Dumper Trucks promoveveu....

 Redução no consumo de combustível por caminhão = 600 litros/ano  1 litro de diesel * = 2,61 kg de CO₂

 Redução nas emissões de CO₂ - combustível (caminhão/ano) = 1,6 toneladas/ CO₂ /ano  Redução das emissões de CO₂ - aço (1 aço t = 1,5 t CO₂ = 2,85 toneladas CO₂  TOTAL das emissões por ano (13 caminhões) = 60 toneladas CO₂ /ano (60 toneladas de CO2 = 17 Carros de passageiros/ano)

Considerando quilometragem do carro 20,000 km por / ano

* Fonte: www.learningtools.com.br Entretanto...

“No Brasil veículos leves já incorporam um conteúdo significativo de aços de alta resistência, mesmo de aços AHSS (Advanced High Strength Steel), entretanto para veículos comerciais sua utilização ainda é um potencial a ser explorado, principalmente em carrocerias de caminhões e de ônibus, carretas e em rodas pesadas” (1)_.

(1) PROJETO FSV (FUTURE STEEL VELHICLE): UTILIZAÇÃO DE AÇOS AHSS (ADVANCED HIGH STREGTH STEEL) NA CONSTRUÇÃO AUTOMOTIVA DO FUTURO E SUA APLICAÇÃO EM VEÍCULOS COMERCIAIS LEVES E PESADOS Taiss, Ed Juarez Mendes – USIMINAS, Marra, Kleiner Marques - USIMINAS &Miyamura, Roberto Takeshi – USIMINAS Colloquium de Suspenções de Implementos Rodoviários - SAE Brasil – 2012.

A CBMM esta empenhada no desenvolvimento de soluções de redução de peso envolvendo veículos comerciais em conjunto com as Siderúrgicas, Autopeças e Montadoras.