“estudo da deterioração do rolo terra da seção de limpeza...
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
VILMAR ALVES DE SOUZA
“Estudo da deterioração do rolo terra da seção de limpeza alcalina na linha de cromagem eletrolítica da Companhia Siderúrgica Nacional –
Projeto, construção e simulação em planta piloto”
Lorena - SP – Brasil
2006
VILMAR ALVES DE SOUZA
“Estudo da deterioração do rolo terra da seção de limpeza alcalina na linha de cromagem eletrolítica da Companhia Siderúrgica Nacional –
Projeto, construção e simulação em planta piloto”
Dissertação apresentada à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Engenharia dos Materiais.
Área de Concentração: Materiais metálicos, cerâmicos e políméricos
Orientador: Prof. Dr. Alain Laurent Marie Robin
FOLHA DE APROVAÇÃO VILMAR ALVES DE SOUZA “Estudo da deterioração do rolo terra da seção de limpeza alcalina na linha de cromagem eletrolítica da Companhia Siderúrgica Nacional – Projeto, construção e simulação em planta piloto” Dissertação apresentada à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Engenharia dos Materiais.
Área de Concentração: Materiais metálicos, cerâmicos e políméricos
Orientador: Prof. Dr. Alain Laurent Marie Robin
Aprovado em: 30/11/2006
Banca Examinadora
Dr. Alain Laurent Marie Robin – Escola de Engenharia de Lorena - USP
Dr. Gustavo Aristides Santana Martinez – Escola de Engenharia de Lorena - USP Dr. Roberto Zenhei Nakazato – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá - UNESP
DEDICATÓRIA Aos meus pais, Domingos Agostinho de Souza e Elza Alves de Souza, pelo incentivo e o apoio incondicional à continuidade dos estudos. As minhas irmãs, Vilma, Vilméia e Efigênia, pelo apoio e incentivo. A minha esposa, Alcione Gonçalves de Souza, com amor, admiração e gratidão por sua compreensão, carinho, presença e incansável apoio ao longo do período de elaboração deste trabalho. Aos meus filhos, Lucas e Eduarda, pela compreensão dos momentos em que tive que abdicar do convívio da família para a elaboração deste trabalho.
AGRADECIMENTOS A Deus nosso pai todo poderoso, a Jesus nosso mestre e amigo de todas as horas, ao plano espiritual através de nosso mentor e amigos espirituais, pela oportunidade deste crescimento científico e intelectual. Ao Mestrando e amigo, Alfredo Moises Sarkis, pelo convívio, apoio, colaboração, incentivo e pelas horas de estudo, ao longo de todo o período de elaboração deste trabalho. Ao Prof. Dr. Hugo R. Z. Sandim, pela confiança depositada e incentivo para a elaboração deste trabalho. Ao Prof. Dr. Alain Laurent Marie Robin, pelos conhecimentos científicos transmitidos, pela atenção e apoio durante o processo de definição e orientação deste trabalho. Ao Prof. Dr. Durval Rodrigues Júnior, pela atenção e orientação nas análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Ao Prof. Dr. Paulo A. Suzuki, pela atenção e orientação nas análises por difração de raios X. À Companhia Siderúrgica Nacional, através de seu gerente geral, Rafael Garcia Netto e os gerentes Armando Bonilha, José Geraldo e Luiz A. R. de Carvalho, pelo apoio e incentivo para a elaboração deste trabalho. À Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, pela oportunidade de realização do curso de mestrado. Aos colegas do DEMAR, pelo incentivo na elaboração deste trabalho. Aos colegas, Silvio César, Renato e Mazinho, da oficina de rolos da CSN, pela dedicação durante a fabricação da célula piloto de limpeza alcalina. Aos engenheiros Alexsander Sichi, Wagener Marinho e os TD’s Serson de Oliveira e Francisco Neto, da CSN, pelo apoio e dedicação durante a implantação do controle elétrico e eletrônico da célula piloto de limpeza alcalina. Ao colegas Marcos Molica, Marcus Gonçalo e Ana Paula, da CSN, pelo apoio técnico e incentivo na elaboração deste trabalho. À 1001 Artefatos de Borracha Ltda, pelo fornecimento do revestimento dos rolos aplicados na célula piloto de limpeza alcalina e aos funcionários, Carlos Alberto Berardinelli Jr e Ana Maria Pereira, pelas informações técnicas do composto utilizado. A todos que colaboraram de forma direta ou indireta para a realização deste trabalho.
RESUMO SOUZA, V. A. Estudo da deterioração do rolo terra da seção de limpeza alcalina na linha de cromagem eletrolítica da Companhia Siderúrgica Nacional – Projeto, construção e simulação em planta piloto. 2006. 110f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, São Paulo. A folha cromada eletroliticamente é produzida em plantas industriais contínuas, onde as chapas de aço passam em alta velocidade através de várias seções: limpeza alcalina, decapagem, eletrodeposição, passivação e oleamento. Na planta da Companhia Siderúrgica Nacional, a ocorrência de um defeito superficial reprovável (denominado mancha de solução) no revestimento de cromo foi detectado e relacionado a correntes de fuga (60 a 80 A) que retornavam através da chapa de aço da seção de eletrodeposição para a seção de limpeza alcalina. A ocorrência do defeito foi eliminada com a instalação, na seção de limpeza alcalina, de um rolo terra revestido com cromo duro. No entanto, uma deterioração acelerada (em menos de três semanas) do revestimento deste rolo aterrado (região em contato com a chapa de aço) está sendo observada, o que não ocorre em outros rolos aterrados em contato com a chapa de aço seca e em outros rolos não aterrados em contato com a chapa de aço úmida. Neste trabalho, a caracterização da deterioração do rolo terra da linha industrial foi realizada utilizando microscopia eletrônica de varredura, microscopia ótica, espectroscopia de dispersão de energia (EDS) e difratometria de raios X. As causas da deterioração foram investigadas simulando as condições operacionais em uma célula de limpeza alcalina piloto projetada e construída em escala 1:10. Observações da superfície do rolo deteriorado evidenciaram duas regiões distintas: região do rolo (borda) sem contato com a tira de aço com cromo duro de morfologia nodular conservada; região em contato com a tira de aço, desgastada, com emergência de microtrincas características do cromo duro e presença de saliências em forma de vulcões. Análises da superfície por EDS evidenciaram a presença dos elementos Cr, C e O na região do rolo sem contato com a tira, e na região em contato com a tira, além destes três elementos, os elementos Fe, S, Na, K, Ca, Mg e Al. Foi demonstrado que a presença dos metais alcalinos Na e K, alcalino-terrosos Ca e Mg e do metal Al era devida à solução de lavagem (que contém estes elementos) que, arrastada pela tira durante a passagem na seção alcalina, acaba impregnando o rolo terra. A presença do elemento Fe, provavelmente na forma de óxidos, foi atribuída ao atrito da tira de aço com a superfície do rolo terra. As análises por EDS revelaram também um maior teor de cromo nas saliências do que nas regiões adjacentes. Testes realizados na planta piloto em condições simulando a seção de limpeza alcalina mostraram que o aparecimento de saliências (vulcões) na superfície do rolo revestido de cromo duro aterrado está relacionado à formação de arcos elétricos intermitentes entre o rolo e a tira de aço úmido, que provavelmente provocam a fusão localizada do cromo duro, decorrente das altas temperaturas atingidas. Um melhor nivelamento e alinhamento do rolo secador em relação ao rolo terra bem como um melhor ajuste no aperto dos dispositivos pressionadores eliminaram a ocorrência dos arcos e consequentemente das saliências no rolo terra. Estes procedimentos operacionais estão sendo implementados na linha de produção eletrolítica da folha cromada da CSN. Palavras chave: Rolo terra. Simulação. Planta piloto
ABSTRACT SOUZA, V. A. Study of the damage on grounded hard chromium coated roll in the alkaline cleaning section of CSN chromium plating plant – Project, construction and simulation in pilot plant. 2006. 110f. Dissertation (Master of Science in Materials Engeneering) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, São Paulo.
Chromium electroplated steel strips are produced in continuous industrial plants, where the strips pass at high velocity through several sections: alkaline cleaning, acid etching, chromium electroplating, passivation and oiling. At CSN plant, the occurrence of a superficial and reprovable defect (called solution stain) on chromium plates was detected and related to straycurrent (60-80 A) flowing back through the moving steel strip from the plating section to the alkaline cleaning section. The problem of stains was solved locating a grounded hard chromium coated roll in the water washing section of the alkaline cleaning stage. Nevertheless, superficial damage of this grounded roll (region in contact with the steel strip) rapidly appears (less than 3 weeks). Such damage is not observed for other grounded rolls in contact with the dry strip, neither for not grounded rolls in contact with wet strips. In this work, the characterization of the damaged roll was performed using optical and scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy and X-ray diffraction. The causes of the roll degradation were investigated under simulated conditions in a laboratory pilot plant constructed in 1:10 scale. Observations of the damaged roll evidenced two distinct regions: region without contact with the strip (border) presenting the characteristic nodular morphology of hard chromium coatings; region in contact with the wet strip, showing emerging microcracks and numerous randomly distributed round prominences. Analyses by EDS revealed the presence of Cr, C and O in the region without contact with the strip, and besides these elements, the presence of Fe, S, Na, K, Ca, Mg and Al, in the other region. The presence of Na, K, Ca, Mg and Al was demonstrated to be originated from the washing water used in the alkaline cleaning section, whose main constituents also contained the same elements. The presence of Fe, probably in oxides form, was attributed to the continuous friction between the steel strip and the roll. Analyses by EDS also showed that the round prominences observed on the damaged surface contained more Cr than the neighbouring regions. Tests performed in the pilot plant under conditions simulating the alkaline cleaning section showed that the formation of the round prominences on the roll surface is related to the occurrence of intermittent lightning arcs between the steel strip and the grounded roll. These arcs probably lead to the localized melting of hard chromium, due to the associated high temperatures. A best leveling and alignment of the hold down roll towards the grounded roll, as well as a better adjustment of the pression adjusting mechanism, have eliminated the occurrence of lightning arcs, and consequently the formation of prominences. These operational procedures are being implanted in the chromium plating plants at CSN.
Keywords: Grounded roll. Simulation. Pilot plant
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Corte transversal de uma folha de aço cromada 16 Figura 1.2 Tira de aço cromada com defeito (MS Pinta) 17 Figura 1.3 Vista esquemática da linha de cromagem eletrolítica 18 Figura 1.4 Foto do rolo terra com a sua superfície degradada,
após 160 dias de uso 19 Figura 2.1 Representação esquemática da célula de limpeza – desprendimento
de O2 e H2 21
Figura 2.2 Ação de limpeza pela temperatura e pela solução NaOH + aditivos (se utilizado) 22
Figura 2.3 Micrografia do corte transversal de um revestimento de cromo duro 27
Figura 2.4 Curvas de dureza (HV) do cromo duro e temperatura (°C)
para diversas densidades de corrente de eletrodeposição 30 Figura 2.5 Rolo condutor sendo retirado do tanque de cromagem, com
os anodos auxiliares posicionados 33 Figura 2.6 Rolo condutor, rugosidade 70-100 microinch 35 Figura 2.7 Micrografia (1000 X) do corte transversal de camada de cromo duro,
mostrando a identação do ensaio de microdureza 37
Figura 2.8 Curva de vulcanização 42 Figura 2.9 Tipos de curvas de cura ou vulcanização (torque x tempo) 43 Figura 2.10 Sistema simplificado de circulação de corrente em uma seção de
eletrodeposição de cromo 51 Figura 3.1a Amostras retiradas da superfície do rolo terra 52 Figura 3.1b Amostras retiradas da superfície do rolo terra 52 Figura 3.2 Vista esquemática da célula de limpeza alcalina piloto 55 Figura 4.1 Novo lay-out dos rolos da célula de limpeza alcalina piloto 58 Figura 4.2 Vista das estruturas e dos tanques de processo 60 Figura 4.3a Vista dos tanques de circulação 60
Figura 4.3b Vista dos tanques de circulação 60 Figura 4.4 Mancal de rolamento 61 Figura 4.5a Tampa dos tanques em aço carbono e em PTFE 61 Figura 4.5b Tampa dos tanques em aço carbono e em PTFE 61 Figura 4.6a Selo mecânico para vedação da solução no interior dos tanques
de processo 62
Figura 4.6b Tampa dos tanques de processo com anel “O” ring 62 Figura 4.7a Dispositivos pressionadores, suporte e braço 63 Figura 4.7b Dispositivos pressionadores, suporte e braço 63 Figura 4.8 Curva reométrica da borracha utilizada nos rolos submersos,
Deflectores e secadores da célula piloto 65
Figura 4.9a Rolo terra 68 Figura 4.9b Rolo terra 68 Figura 4.10a Rolo condutor 68 Figura 4.10b Rolo condutor 68 Figura 4.11a Rolo submerso 69 Figura 4.11b Rolo submerso 69 Figura 4.12a Rolo deflector 70 Figura 4.12b Rolo deflector 70 Figura 4.13a Rolo secador 70 Figura 4.13b Rolo secador 70 Figura 4.14 Bomba Hidráulica de Engrenagens 72 Figura 4.15 Transformador 73 Figura 4.16 Motoredutor 74 Figura 4.17 Painel elétrico 74 Figura 5.1a Imagem topográfica da amostra 1 (sem contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons secundários 75
Figura 5.1b Imagem topográfica da amostra 1 (sem contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons secundários 75 Figura 5.2a Imagem topográfica da amostra 1 (sem contato com a tira) obtida em microscópio estereoscópico 76 Figura 5.2b Imagem topográfica da amostra 1 (sem contato com a tira) obtida em microscópio estereoscópico 76 Figura 5.3a Imagem da seção transversal da amostra 2 (área sem contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons retroespalhados 76 Figura 5.3b Imagem da seção transversal da amostra 2 (área sem contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons retroespalhados 76 Figura 5.4 Imagem topográfica da amostra 3 (com contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons secundários 77 Figura 5.5a Imagem topográfica da amostra 3 (com contato com a tira) obtida em microscópio estereoscópico 77 Figura 5.5b Imagem topográfica da amostra 3 (com contato com a tira) obtida em microscópio estereoscópico 77 Figura 5.6a Imagem da seção transversal da amostra 4 (área com contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons retroespalhados 78 Figura 5.6b Imagem da seção transversal da amostra 4 (área com contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons retroespalhados 78 Figura 5.7 Análise composicional por EDS da superfície da amostra 1 (sem contato com a tira) 79 Figura 5.8a Imagem topográfica obtida por MEV, apresentando vários pontos
em relevo, na amostra 3 (com contato com a tira) 79
Figura 5.8b Imagem topográfica obtida por MEV, apresentando vários pontos em relevo, na amostra 3 (com contato com a tira) 79
Figura 5.9 Imagens e análise composicional por EDS em linhas passando pelos
pontos 1, 2 e 3 da amostra 3 81
Figura 5.10 Imagens e análise composicional em linha não passando pelos pontos 1, 2 e 3 da amostra 3 82
Figura 5.11 Imagens e análise composicional em linhas ligando o ponto 1 ao 2, o 2 ao 3 e o 1 ao 3 da amostra 3 83
Figura 5.12 Imagem e análise composicional da superfície da amostra 4 84
Figura 5.13 Imagem e análise composicional ao longo da seção transversal da amostra 4 84
Figura 5.14 Análise química de amostra da água do tanque de lavagem da seção de limpeza alcalina 86 Figura 5.15 Imagem e análise composicional da superfície de um rolo revestido de cromo duro com contato com a tira de aço mas sem contato com solução 87 Figura 5.16 Difratograma de raios X da amostra 1 (sem contato com a tira) 87 Figura 5.17 Sobreposição do difratograma da amostra 1 (sem contato com a tira)
e do difratograma característico do cromo metálico 88
Figura 5.18 Difratograma da amostra 3 (com contato com a tira) 89 Figura 5.19 Difratogramas de varredura ômega do plano (110) da amostra 1
(sem contato com a tira) e da amostra 3 (com contato com a tira) 89
Figura 5.20 Difratogramas de varredura ômega do plano (211) da amostra 1 (sem contato com a tira) e da amostra 3 (com contato com a tira) 90
Figura 5.21 Foto do rolo terra nº 15 sem aterramento após simulação na planta piloto 91 Figura 5.22 Foto do rolo terra nº 15 com aterramento após simulação na planta Piloto durante 15 dias 91 Figura 5.23 Imagem topográfica (MEV) da amostra retirada da superfície do rolo terra nº 15 aterrado após simulação na planta piloto 92 Figura 5.24 Imagem topográfica (estereoscópio) da amostra retirada da superfície do rolo terra nº 15 aterrado após simulação na planta piloto 92 Figura 5.25 Análise composicional, da amostra retirada da superfície do rolo terra nº 15 aterrado após simulação na planta piloto 93
LISTA DE QUADROS
Quadro 2.1 Característica do processo de limpeza alcalina 22 Quadro 2.2 Propriedades da camada de cromo duro 27 Quadro 2.3 Comportamento do cromo duro em distintos agentes químicos 28 Quadro 2.4 Formulação padrão – phr (parts per hundred of rubber) 39 Quadro 2.5 Comportamento do EPDM em agentes químicos 46 Quadro 4.1 Formulação da borracha utilizada nos rolos submersos, deflectores
e secadores da célula piloto 63
Quadro 4.2 Processo de mistura em bambury 64 Quadro 4.3 Resultados dos ensaios laboratoriais 65
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Componentes da célula de limpeza alcalina piloto 56 Tabela 4.1 Características dos motores elétricos 72
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 16 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 20 2.1 Processo de fabricação de folha cromada - Eletrodeposição de cromo 20 2.1.1 Seção de limpeza alcalina 20 2.1.2 Decapagem eletrolítica 23 2.1.3 Seção de pré-tratamento da cromagem 23 2.1.4 Seção de eletrodeposição do cromo metálico 24 2.1.5 Seção do drag-out 25 2.1.6 Seção de tratamento eletroquímico (Passivação) 25 2.2 Rolos da linha de cromagem (CSN), seção de limpeza alcalina 25 2.2.1 Rolos condutores e rolos terra : Eletrodeposição de cromo duro, propriedades e aplicações 26 2.2.1.1 Condições de deposição do cromo duro 29
a - Concentração do ácido crômico 29 b – Catalisador 29 c – Temperatura 30 d - Densidade de corrente 31 e - Rendimento de corrente e duração de deposição 31 f - Difusão de hidrogênio 31
2.2.1.2 Preparação de superfícies a serem revestidas com cromo duro 32 2.2.1.3 Montagem dos anodos auxiliares 32 2.2.1.4 Acabamento de camadas de cromo duro 34
2.2.1.5 Inspeção e testes em camadas de cromo duro 34
a – Espessura 34 b – Rugosidade 35 c – Dureza 36
2.2.2 Rolos deflectores, submersos e secadores: Processamento da borracha EPDM, propriedades e aplicações 37 2.2.2.1 Estrutura 37 2.2.2.2 Processamento do elastômero 38
a – Mistura 38 b – Extrusão 39 c – Vulcanização 41
2.2.2.3 Propriedades do EPDM 44 2.2.2.4 Revestimento dos rolos com borracha EPDM 46 2.3 Sistema elétrico: Corrente de fuga e aterramento 48 2.3.1 Aterramento 48 2.3.2 Corrente de fuga e aterramento em processo eletrolítico 50 3 MATERIAL E MÉTODOS 52 3.1 Caracterização da superfície do rolo terra nº 1 da seção de limpeza
alcalina 52
3.1.1 Obtenção das amostras 53 3.1.2 Preparação das amostras para análise por microscopia eletrônica
de varredura 53
3.1.3 Caracterização das amostras 54 3.2 Projeto da célula de limpeza alcalina 55 4 EXECUÇÃO DA PROJETO DA CÉLULA PILOTO 58 4.1 Confecção dos componentes da célula piloto 59 4.1.1 Núcleos metálicos 59
4.1.2 Tanques 59 4.1.3 Estrutura 60 4.1.4 Mancais de rolamento 61 4.1.5 Tampas dos tanques 61 4.1.6 Selo mecânico 62 4.1.7 Dispositivo pressionador 62 4.2 Revestimento dos rolos 63 4.2.1 Borracha EPDM 63 4.2.2 Cromo duro 66 4.3 Função dos componentes da célula piloto 67 5 AVALIAÇÃO DO DESGASTE DO ROLO TERRA DA SEÇÃO DE LIMPEZA ALCALINA DA LINHA DE CROMAGEM – SIMULAÇÃO NA PLANTA PILOTO 75 5.1 Análise morfológica 75 5.2 Análise composicional 78 5.3 Comportamento do rolo terra da seção de limpeza alcalina em condições simuladas na planta piloto 90 6 CONCLUSÕES 95 REFERÊNCIAS 97 ANEXOS 100
16
1 - INTRODUÇÃO
A Usina Presidente Vargas (CSN) é uma usina de aço integrada e vêm produzindo
uma ampla gama de produtos, tais como chapas e bobinas zincadas, folhas de Flandres, folhas
cromadas e folhas não revestidas.
A CSN têm utilizado, na sua produção, aços de baixo carbono (0,03-0,09%),
desoxidados ao alumínio e lingotados continuamente.
A folha cromada (Figura1.1) é obtida em linhas de cromagem eletrolítica onde, em
alta velocidade, que pode alcançar 520 m/min [1-2], as bobinas se desenrolam tendo
oleosidades e sujeiras removidas, sendo então decapadas e revestidas em ambas as faces com
cromo metálico e óxido de cromo. No processo Cansuper (utilizado na CSN) estas camadas
são depositadas em separados [3-4]. Posteriormente, são oleadas e rebobinadas ou cortadas
[5].
Figura 1.1 – Corte transversal de uma folha de aço cromada
Óxido de cromo
Cromo metálico
Aço base
2 μ m
15 μ m
0,15 a 0,50 mm
Filme de óleo 2 - 4 μ m
17
Em maio de 2001 surgiram defeitos na tira de aço cromada (Figura 1.2), denominados
como manchas de solução (MS pinta) [6]. Estes defeitos apareciam na tira como pontos
(diâmetro aproximado de 2 mm) distantes 1450 mm um do outro, o que corresponde ao
perímetro do rolo submerso. Devido a este problema, foram substituídos 5 rolos submersos e
também todas as placas isolantes das vigas e dos tanques do processo, sendo que após estas
intervenções, o problema não voltou a ocorrer, até julho de 2002.
Figura 1.2 – Tira de aço cromada com defeito (MS Pinta)
Nesta data, o defeito “MS pinta” apareceu de novo. Foram realizadas as mesmas ações
anteriores, porém desta vez a mancha não foi eliminada, sendo necessário processar o material
(folha cromada) com determinados passes da seção de cromagem desligados e
consequentemente reduzindo a velocidade da linha ocasionando perda de produção. Durante o
acompanhamento e investigação do problema da “MS pinta”, foi observado que ocorria uma
passagem de corrente de fuga, que variava entre 60-80 A, pela tira, da seção de cromagem
para a seção da limpeza alcalina. O surgimento do defeito “MS pinta” no material processado
foi atribuído a esta corrente de fuga [6]. A figura 1.3 mostra esquematicamente a linha de
cromagem compreendendo as seções:
18
- limpeza alcalina e lavagem
- decapagem e lavagem
- pré-tratamento, cromagem e drag-out
- tratamento eletroquímico
- oleamento
Foi então definida a instalação de um rolo terra de aço revestido com cromo duro
eletrodepositado (sobressalente disponível, que originalmente é utilizado como rolo condutor
da seção de cromagem) em substituição ao rolo revestido de borracha, no tanque de lavagem
na saída da seção da limpeza alcalina. A posição é indicada na Figura 1.3. Este rolo terra está
portanto em contato com a tira úmida, o que o diferencia dos demais rolos terra usados ao
longo da linha, que estão em contato com a tira seca.
TENSOR # 2
LIMPEZAALCALINA
DECAPAGEM CROMAGEM TRATAMENTOELETROQUÍMICO
TENSOR # 3
OLEADEIRAELETROSTÁTICA
Rolo Terra instalado
LAVAGEM PRÉ TRATAMENTO DRAG-OUT
Figura 1.3 – Vista esquemática da linha de cromagem eletrolítica
Após 3 semanas da instalação do rolo terra, em inspeções visuais realizadas na sua
superfície, foram observadas, na região em contato direto com a tira, mudanças nas
características superficiais do revestimento de cromo duro, como coloração escura com
pontos claros distribuídos aleatoriamente e presença de trincas (Figura 1.4). Esta degradação
do revestimento do rolo não é observada em outras aplicações de rolos de aço revestidos com
19
cromo duro, tanto aqueles instalados como rolo terra, porém sem estar em contato com a tira
úmida, como aqueles não aterrados (rolos deflectores), em contato com a solução alcalina.
Figura 1.4 – Foto do rolo terra com a sua superfície degradada, após 160 dias de uso.
O objetivo do presente trabalho foi o estudo e a caracterização da deterioração
observada na superfície do cromo duro do rolo, usado para aterrar a corrente de fuga,
proveniente da seção de cromagem e fluindo através da tira para a seção de limpeza alcalina.
Foram analisadas as possíveis causas da deterioração do revestimento do rolo e
levantadas as possíveis soluções ao problema ocorrido. Para viabilizar a análise foi projetada
e confeccionada uma célula de limpeza alcalina em escala piloto onde foram simuladas as
condições de processo desta seção.
Região degradada
Região sem
20
2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 –Processo de fabricação de folha cromada - Eletrodeposição de cromo
A linha de cromagem é constituída de várias seções, cada uma com suas finalidades.
Como o problema a ser analisado neste trabalho ocorreu na seção de limpeza alcalina, esta
seção será descrita detalhadamente e as demais de maneira resumida. [7––9]
2.1.1 – Seção de limpeza alcalina
Nesta seção a tira é conduzida para dentro dos tanques de limpeza contendo hidróxido
de sódio (NaOH – 25 a 35 g/L) através de rolos defletores de borracha e passa entre duas
grades , ligadas a retificadores elétricos, que possuem polaridades positiva (anodo) e negativa
(catodo) respectivamente, que vão se alternando em cada tanque. A limpeza alcalina tem a
finalidade de remover óleo, graxa e sujeira da superfície da tira pela ação detergente -
diminuição da tensão superficial da solução e interfacial entre as fases água-óleo e solução-
metal, pela alta temperatura do eletrólito, aliada à ação mecânica dos gases O2 e H2
formados por eletrólise e à posterior reação do hidróxido de sódio e aditivos (caso se use) com
contaminantes ( óleo e graxa) transformando-os em sabões e glicerinas. Após passar pelo
banho, a tira recebe um enxágüe de água na temperatura ambiente para remover o excesso de
resíduos da solução.
De acordo com a polaridade das malhas (fabricadas em aço carbono), a tira poderá ser
anódica ou catódica. Se a tira for anódica, ocorrerá desprendimento de oxigênio e a
quantidade ou o volume do gás produzido será controlado pela quantidade de corrente elétrica
aplicada. Se a tira for catódica, ocorrerá desprendimento de hidrogênio. No entanto, para a
mesma corrente, o volume de hidrogênio gerado é duas vezes o volume de oxigênio gerado.
21
Então, na polarização catódica, temos uma ação de escovamento pelo gás mais efetiva. Por
essa razão, a polaridade catódica é mais desejável.
As reações envolvidas são:
• 2 H2O + 2e- H2 + 2OH- Catodo
• 4OH- O2 + 2 H2O + 4e- Anodo
A densidade de corrente aplicada no processo é controlada e é determinada pela
seguinte relação :
Densidade de corrente = ____A___ (1)
n x C x L
Onde:
Densidade de corrente - A/dm2
A - Corrente total aplicada (A- Ampères)
n - Número de malhas
C - Comprimento efetivo da malha – dm
L - Largura da tira processada – dm
Nas figuras 2.1 e 2.2 são representados de forma simplificada o processo de limpeza
da tira considerando as polaridades envolvidas, e a ação da temperatura do hidróxido de
sódio.
Figura 2.1 - Representação esquemática da célula de limpeza – desprendimento de O2 e de H2 [8]
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
H+H2
OH-
O2
O2
OH-
H+
EletrodoAnodo (+)
EletrodoCatodo (-)Tira
Solução
H2
22
Figura 2.2 - Ação de limpeza pela temperatura e pela solução NaOH + aditivos (se utilizado) [8]
A preparação da superfície para a eletrodeposição é uma das mais críticas de todas as
operações de limpeza, porque a máxima adesão em um substrato de uma camada
eletrodepositada é o maior requerimento para a qualidade em serviço [11].
Uma boa limpeza é determinada pela interação das diversas variáveis de processo:
concentração da solução alcalina, temperatura do banho, agitação do banho, tempo de
limpeza, densidade de corrente aplicada e enxágüe. As condições recomendadas para a seção
de limpeza alcalina são apresentadas no Quadro 2.1.
Solução da limpeza alcalina
Desengraxante a base de NaOH e aditivos 25 a 35 g/L (NaOH)
Temperatura 65 a 75 °C (c/aditivos) e 80 a 90ºC (s/aditivos)
Densidade de Corrente 10 a 30 A/dm2
Quadro 2.1 - Características do processo de limpeza alcalina [10]
Obviamente, um tempo de permanência da tira maior nos tanques de limpeza
aumentaria a taxa de limpeza, porém considerando o número de tanques disponíveis,
implicaria em redução de velocidade da linha, o que não é desejável.
solução solução
graxa
Tiracom graxa esolução fria
Tiracom graxa e
solução quente
graxa
Sabões eglicerina
solução
graxa
Tira
Antes dareação com
a soda
Tira
Apósreação com
a soda
Sabões eglicerina
23
O enxágüe com água objetiva remover o excesso de resíduos da solução presente na
superfície da tira para evitar a contaminação da solução decapante posterior. A pressão da
água nos jatos de enxágüe se situa entre 2 a 3,5 kg/cm2 . Os rolos de borracha que conduzem e
pressionam a tira, principalmente do último tanque da seção alcalina e do tanque de enxágüe,
devem estar em boas condições e com seus parâmetros de trabalho bem ajustados, para
permitir o mínimo de arraste de solução e água, respectivamente.
O óleo e a sujeira que são removidos da tira de aço acumulam-se na solução e os
materiais mais pesados insolúveis tem a tendência de se depositarem sob a forma de lodo no
fundo do tanque de circulação. Quando a solução se torna contaminada demais, ela deve ser
descartada. O tanque de depósito é lavado e uma nova solução de limpeza é preparada.
2.1.2 - Decapagem eletrolítica
A tira passa através de tanques contendo uma solução diluída de ácido sulfúrico
(H2SO4 – 30 a 80 g/L). A finalidade é remover os óxidos superficiais da tira por dissolução e,
após lavagem por água fria deixar um fluxo de íons SO42- sobre a tira para evitar sua oxidação
e compor o banho de cromagem.
2.1.3 – Seção de pré-tratamento da cromagem
Tem a finalidade de permitir um primeiro contato da superfície da tira com a solução
própria da cromagem (o chamado molhamento ou fluxagem) adequando o aço base à
eletrodeposição do cromo metálico.
24
2.1.4 - Seção de eletrodeposição do cromo metálico
A eletrodeposição do cromo metálico ocorre em ambas as superfícies da tira de aço.
Pela passagem da corrente elétrica, de cerca de 22000 A por face da tira (densidade de
corrente 20-130 A/dm2), ocorre redução dos íons do cromo levando à formação de cromo
metálico. A temperatura do banho é de 42-500C. A solução eletrolítica é composta de óxido
de cromo (CrO3 , 70-90 g/L) e ácido sulfúrico (H2SO4 , 0,8-1,2 g/L) mais aditivos como sílico-
hexafluoreto de sódio (Na2SiF6 , 1,5-3,5 g/L) [3]. Os mecanismos reacionais não são ainda
bem compreendidos, apesar dos estudos para a obtenção da folha cromada eletrolítica para
aplicação em embalagens metálicas terem iniciado no Japão em 1957 e concretizada sua
fabricação industrial na década de 60 [9-12].
Um dos muitos mecanismos propostos é por exemplo [14-15]:
Cr2O72- + 14H+ + 12 e- 2Cr + 7 H2O
Independentemente das concentrações de ácido crômico, a eletrodeposição de cromo,
sob ponto de vista das reações envolvidas no processo, pode ser dividida em dois grupos [16]:
(1) teoria da redução direta, na qual a redução a cromo é presumível ocorrer em um único
estágio, Cr6+ Cr° ; e (2) teoria da redução em vários estágios, na qual assume-se que a
redução se dá em etapas, Cr6+ Cr3+ Cr2+ Cr° . No último grupo, inclui-se
também uma discussão sobre a participação do hidrogênio atômico na redução do ácido
crômico. Além disso, dois pontos são também relevantes na discussão do mecanismo da
eletrodeposição do cromo: a formação e a natureza de um filme catódico durante o processo e
o papel dos ânions, particularmente o SO42- [13-17]. Embora o mecanismo da eletrodeposição
de cromo tem sido estudado desde a primeira exploração comercial da cromagem por Fink em
1926, nenhuma teoria tem sido considerada satisfatória completamente até o momento [18].
25
2.1.5 - Seção do drag-out
Localizada após os tanques de eletrodeposição de cromo, tem a finalidade de remover
a camada de óxido ( loose film) formada na cromagem sobre a camada de cromo metálico e
também recuperar a solução da cromagem arrastada pela tira e pelos respingos.
2.1.6 - Seção de tratamento eletroquímico (Passivação)
A finalidade é eletrodepositar a partir de uma solução de CrO3 , 30-60 g/L a uma
temperatura 37-430C, um filme de óxido de cromo de espessura controlada e estável, sobre a
camada de cromo metálico. Este filme de óxido de cromo protege a camada de cromo
metálico contra a corrosão, corrige a porosidade e favorece a aderência do verniz, que é
aplicado posteriormente na fabricação de embalagens metálicas, por exemplo.
2.2 – Rolos da linha de cromagem (CSN), seção de limpeza alcalina
Um rolo é um componente constituído de um corpo cilíndrico com revestimento
(metálico, cerâmico ou de borracha), não maciço, com eixos não passantes, para apoio em
mancais de rolamento, e que tem a função de transportar, secar, esticar, transferir corrente
para o processo ou retirar corrente de fuga da tira quando em contato com o mesmo.
Os rolos condutores e rolos terra consistem de um núcleo metálico (aço carbono), e de
dois anéis coletores de cobre montados na extremidade das pontas de eixo, para permitir a
entrada de corrente e a retirada da corrente de fuga, respectivamente. A sua superfície é
revestida com cromo duro, que confere boas características de resistência à abrasão (desgaste)
e boa condutibilidade elétrica. Os rolos terra têm como principal finalidade isolar as seções
26
(alcalina, decapagem e plating) do processo de cromagem, aterrando a corrente de fuga,
proveniente da tira, não aproveitada no processo (de limpeza ou de deposição).
Os rolos deflectores e submersos consistem de um núcleo metálico (aço carbono),
revestido com borracha Etileno – Propileno – Monômero – Dieno (EPDM), que confere boas
características de resistência à abrasão (desgaste), bom isolamento elétrico e boa resistência
química[19]. Estes rolos têm como principal finalidade conduzir a tira para dentro dos tanques
de limpeza alcalina e evitar uma fuga de corrente, da tira para a estrutura do equipamento.
Os rolos secadores consistem de um núcleo metálico (aço carbono), revestido com
borracha (EPDM), que confere boas características de resistência à abrasão (desgaste), bom
isolamento elétrico e boa resistência química. Estes rolos têm como principal finalidade
pressionar a tira, para evitar o arraste de solução e água, respectivamente, principalmente do
último tanque da seção alcalina e do tanque de enxágüe. Para tanto, necessitam estar em boas
condições (ex. superfície do revestimento isenta de cortes), com seus parâmetros de trabalho
(ex. pressão dos atuadores pneumáticos) bem ajustados, alinhados e nivelados.
2.2.1 – Rolos condutores e rolos terra : Eletrodeposição de cromo duro, propriedades e
aplicações.
Tradicionalmente, há dois tipos principais de revestimento de cromo: o decorativo
[20], no qual uma camada fina (geralmente de espessura menor que 1,25 μm) confere uma
bela e durável superfície final, e o cromo industrial [21], ou “duro”, no qual camadas muito
mais espessas (espessura de 2,5-500 μm) são usadas.
27
O cromo duro industrial é um revestimento com alta dureza e elevada resistência ao
desgaste. O cromo metálico (Cr) é depositado eletroliticamente a partir de eletrólitos aquosos,
gerando camadas normalmente microfissuradas (Figura 2.3) e com dureza de 600 a 1400 HV,
sendo que a faixa de dureza do cromo brilhante, a mais empregada, situa-se entre 900 a 1100
HV (67-70 Rockwell C).
Figura 2.3 – Micrografia do corte transversal de um revestimento de cromo duro [22]
O Quadro 2.2 apresenta algumas propriedades físicas e mecânicas do cromo duro.
Densidade 6,9 – 7,1 g/cm³ Resistência à tração da camada 100 MPa (10 kg/mm²) – 15 x 10³ psi Adesão 540 – 640 MPa (55 – 65 kg/mm²) Coeficiente de expansão térmica 8,1 x 10-6 cm/cm x °C Condutividade Térmica 0,165 Cal/s/cm/K a 18 ºC Dureza 600 – 1400 HV Ponto de fusão 1550 °C Poder de reflexão 65 % (Ag polida é 88 %)
Quadro 2.2 – Propriedades da camada de cromo duro [22]
As camadas de Cromo Duro apresentam baixo coeficiente de fricção, de 0,14 para
cromo sobre cromo e de 0,17 para cromo sobre aço, comparado com 0,30 para aço sobre aço,
alta resistência à oxidação e à corrosão. Estas características fazem com que este revestimento
tenha larga aplicação técnica.
Aço base
Cromo duro
28
A alta dureza aliada ao baixo coeficiente de fricção faz da aplicação do cromo duro
um excelente recurso para uma diminuição acentuada do desgaste em componentes
mecânicos. Mesmo a altas temperaturas, a dureza do revestimento se mantém, com baixas
variações, até a faixa de 400º C; a partir desta temperatura, ocorre uma progressiva queda da
dureza, chegando a cerca de 400 HV em temperaturas próximas de 1000 ºC. A resistência à
corrosão é dada por uma fina camada apassivadora de óxidos de cromo (Cr2O3), que se forma
superficialmente muito rapidamente e apresenta excelente característica anti-corrosiva. A
resistência química (Quadro 2.3) das camadas de cromo duro é alta na maioria dos meios
agressivos, sejam ácidos ou básicas, mantendo as características anti-corrosivas mesmo com o
aumento da temperatura.
Agente Químico Comportamento do cromo duro Ácido Acético Ataque lento Ácido Butírico Resiste bem Ácido Cloracético Resiste bem Ácido Crómico Ataque lento Ácido Cítrico Resiste bem Ácido Clorídrico Ataca Ácido Fluorídrico Ataque lento Ácido Láctico Resiste bem Ácido Nítrico Ataca quando diluído. Resiste bem o ácido concentrado. Cloreto de Cálcio Resiste bem Ácido Fosfórico Ataque lento Cloreto de Magnésio Ataque lento Ácido Esteárico Resiste bem Ácido Sulfúrico Ataque lento em temperaturas baixas. Não resiste quando altas
temperaturas ou concentrações elevadas Água do Mar Resiste bem Ácido Tartárico Ataque lento Cloreto de Sódio Resiste bem Ácido Úrico Resiste bem Amoníaco Resiste bem Ácido Carbônico Resiste bem Ácido Sulfídrico Resiste bem Calor Resiste bem Cloreto de Zinco Ataca Cloroanilina Ataca
Quadro 2.3 - Comportamento do cromo duro em distintos agentes químicos [22]
29
A característica de repelência do revestimento de cromo duro torna a aplicação
indicada quando se deseja evitar a aderência de sólidos, pastas ou líquidos, recomendando
assim seu uso em moldes para plástico ou borracha, cilindros gráficos, rolos na siderurgia ou
máquinas para processamento de alimentos. Pode-se obter níveis de acabamento elevados
com auxílio de processos de polimento, retífica, lapidação e brunimento.
2.2.1.1 - Condições de deposição do cromo duro [21-22]
a - Concentração do ácido crômico
Os eletrólitos industrialmente utilizados contêm entre 200 e 600 g/L de CrO3, sendo
porém a concentração de 250 g/L a mais empregada.
b – Catalisador
Para que se processem as reações que possibilitam a deposição do cromo, é necessária
a adição de um catalisador apropriado. O mais empregado é o ácido sulfúrico (H2SO4) na
proporção de 1 a 2 % da concentração de CrO3, para os depósitos industriais brilhantes e
duros. O rendimento destes eletrólitos é da ordem de 18 %.
Empregam-se outros catalisadores que proporcionam melhor rendimento, porém, com
o inconveniente de serem extremamente agressivos. É o caso do ácido sílico fluórico e do
ácido fluorídrico, tendo como rendimentos de 25 e 24 % respectivamente.
30
c – Temperatura
O controle da temperatura do eletrólito é muito importante para se conseguir um
depósito de boa qualidade. Para diversas densidades de corrente, a temperatura de 55 °C é um
ponto de encontro de diversas curvas de dureza (Figura 2.4).
Figura 2.4 – Curvas de dureza (HV) do cromo duro e temperatura (°C) para diversas densidades de
corrente de eletrodeposição [22]
Os depósitos obtidos, nesta temperatura, apresentam uma dureza de cerca de 900 HV
que é suficientemente alta para grande número de aplicações, e especificada para o
revestimento dos rolos terra da linha de cromagem da CSN.
Com temperaturas de 65 °C, o cromo é leitoso e mole, permitindo entretanto um
polimento. Acima desta temperatura , não há deposição. Com temperaturas mais baixas, cerca
de 40 °C, o cromo é duríssimo e quebradiço. A 20 °C, o cromo é queimado, composto de
flocos duríssimos, mas sem qualquer adesão.
31
d - Densidade de corrente
Como visto na Figura 2.4, todas as densidades de corrente (15 a 80 A/dm²)
industrialmente empregadas, tem um ponto de convergência em suas curvas de dureza, cerca
de 900 HV, na temperatura de 55 °C.
Altas densidades produzem camadas de cromo muito duro e quebradiço e para
densidades baixas, não há deposição.
e - Rendimento de corrente e duração de deposição
Estes parâmetros influem diretamente na espessura da camada depositada. Maior
rendimento e maior tempo de deposição resultam em maior espessura de depósito. Por
exemplo, para peças em aço carbono (hastes, eixos), a taxa de deposição atinge valores de até
0,07 mm por hora, sendo que para ferro fundido ela é reduzida para cerca de 0,005 mm por
hora. Vale ressaltar que a geometria da peça e o grau de acabamento exerce grande influência
no rendimento.
f - Difusão de hidrogênio
O desprendimento de hidrogênio no processo de cromagem é importante, pois é ele o
responsável pela dureza do depósito. Entretanto, cuidados devem ser tomados, pois o
hidrogênio formado, difunde-se no material base em quantidade proporcional ao tempo de
exposição. Como o hidrogênio fragiliza o aço, é preciso analisar as condições de trabalho da
peça a ser cromada antes de especificar a espessura da camada.
32
2.2.1.2 – Preparação de superfícies a serem revestidas com cromo duro
Devido a seu baixo poder de cobertura, o cromo duro não se deposita em poros, trincas
ou pequenos defeitos superficiais [21-22]. Nestas condições, é desejável, se não essencial em
alguns casos, que a superfície esteja perfeitamente lisa e isenta de defeitos. Isto exige sempre
trabalhos de retificação e polimento prévio, sem os quais poderá se estar condenando ao
fracasso um revestimento excelente. Esta exigência é mais necessária se a cromagem tem a
finalidade de prover proteção contra corrosão.
Eventuais poros ou defeitos não eliminados durante a retificação e polimento
preparatórios, não serão cobertos pelo depósito, ficando, assim, pequenas áreas desprotegidas
que se oxidarão rapidamente tão logo sejam postos em contato com o meio agressivo. Uma
vez oxidadas essas áreas, inicia-se um processo de corrosão galvânica em virtude da diferença
de potencial entre o material de base e o revestimento. Os produtos de corrosão do aço
carbono, por exemplo, têm volume consideravelmente maior que o metal e causam o
empolamento da camada naquela região e seu conseqüente destacamento.
Dependendo das condições de trabalho de determinadas peças, ou do tipo de
acabamento exigido, pode-se fazer a preparação superficial por meio de jateamento com
abrasivo de granulação apropriada. É imprescindível, de qualquer maneira, que as peças
estejam perfeitamente limpas e desengraxadas antes de serem colocadas no tanque para a
cromagem. Aços inoxidáveis, alumínio e cobre exigem tratamentos e cuidados adicionais para
ativar a superfície a ser cromada.
2.2.1.3 - Montagem dos anodos auxiliares
Para um bom rendimento e uniformidade de deposição, a correta montagem das peças
é ponto fundamental [21-22]. Superfícies anódicas e catódicas devem ser o mais
33
aproximadamente possível iguais e, ainda em virtude do pequeno poder de cobertura dos
eletrólitos, os anodos devem acompanhar tanto quanto possível, o perfil da superfície a ser
cromada.
A preparação dos tanques (Figura 2.5) e montagem de anodos auxiliares exige mão de
obra altamente especializada. O “montador”, na cromação é uma pessoa que deve ter boa
habilidade manual para executar um trabalho tipicamente artesanal.
Os depósitos de cromo duro, sob condições especiais de montagem de anodos
auxiliares e “ladrões de corrente”, têm tolerância de variação de mais ou menos 20 % de
espessura. Isto significa que, por exemplo, um rolo condutor (Figura 2.5), cromado com
camada de 0,15 mm, apresentará espessura de 0,12 a 0,18 mm, uma vez que tenha sido
cuidadosamente preparado e montado.
Figura 2.5 – Rolo condutor sendo retirado do tanque de cromagem, com os anodos auxiliares
posicionados. [23]
34
2.2.1.4 - Acabamento de camadas de cromo duro
Dependendo das tolerâncias de acabamento de uma peça, poderá haver,
eventualmente, a necessidade de algum retrabalho para deixar sua medida dentro dos limites
da tolerância especificada [21-22]. Este retrabalho só poderá ser feito mediante retificação
com rebolo de abrasivo adequado em virtude da elevada dureza da camada. Além do rebolo, o
procedimento de retificação também é especial. De fato, tem que se tomar cuidados extremos
para evitar o super aquecimento da camada que, se não levar ao destacamento da base, na
melhor das hipóteses irá reduzir sua dureza.
Existem equipamentos especiais de HONNING para acabamento de superfícies
revestidas internamente, com emprego de diamante como abrasivo. Para espelhamento de
rolos, utiliza-se o equipamento de “Super Finish” que trabalha com pedras planas em um
sistema vibratório longitudinal. Graduando-se a granulação do abrasivo das pedras é possível
atingir rugosidades bastante baixas (0,04 a 0,05 μm CLA-AA).
2.2.1.5 - Inspeção e testes em camadas de cromo duro [21-22].
a – Espessura
A espessura de camadas de cromo duro pode ser verificada, direta ou indiretamente,
dependendo da geometria das peças e do tipo de material base.
Verifica-se diretamente em eixos, cilindros, placas de faces paralelas, onde se possa
fazer medições, com micrômetros, antes e após a aplicação do cromo. Pela diferença de
medidas obtêm-se a espessura da camada aplicada.
Em peças de geometria complexa, tais como moldes para injeção de plástico,
estampos de corte e repuxo, machos, ou em elementos de máquinas, como barramentos e
35
componentes de máquinas têxteis, faz-se a verificação da camada indiretamente, com
aparelhos magnéticos, de indução magnética ou de corrente parasita.
São bastante empregados os aparelhos de indução magnética para os casos de material
base ferromagnético. Para os materiais base não ferromagnéticos, utilizam-se os aparelhos de
correntes parasita.
b – Rugosidade
Para cada condição específica de trabalho, pode haver uma exigência diferente de
acabamento superficial para peças revestidas com cromo duro.
Um cilindro laminador de plástico precisa estar perfeitamente polido para permitir um
bom acabamento no filme que produz.
Uma haste de cilindro hidráulico tem que ser retificada para não danificar a bucha de
bronze ou o retentor de borracha.
Um rolo condutor (Figura 2.6) de linhas de cromagem precisa ter uma determinada
“aspereza” (rugosidade) para tracionar a chapa, sem contudo marcá-la. Cada um destes
acabamentos tem um parâmetro próprio e mensurável que possibilita o controle para se
garantir o resultado desejado. É a “rugosidade”.
Figura 2.6 – Rolo condutor, rugosidade 70-100 “microinch” [23]
36
Existem várias escalas de medição de rugosidade, sendo que apresentaremos algumas
com as suas respectivas definições:
Ra (CLA-AA) – Média aritmética das distâncias dos picos e vales do perfil real relativamente
à linha média (superfície teórica).
RMS – Desvio médio quadrático, ou seja, raiz quadrada da média dos quadrados das
distâncias dos vales e picos da superfície real relativamente à linha média (superfície teórica).
R max (RT na Alemanha) – Distância entre duas linhas paralelas à linha média (superfície
teórica) que tangenciam o pico mais alto e o vale mais profundo.
Rz ou ISO10 – É a diferença entre o valor médio das ordenadas dos 5 (cinco) pontos mais
salientes e o valor médio de uma linha paralela à linha média, não interceptando o perfil.
Em todas escalas acima mencionadas, os valores estão referidos a um determinado
comprimento que, nos aparelhos para medição de rugosidade (rugosímetros) é chamado de
Cut-off. Esse comprimento pode variar, sendo os valores mínimos normalizados, 0,25 mm,
0,80 mm e 2,5 mm.
Os “rugosímetros” medem a rugosidade superficial das peças e podem ser acoplados a
um registrador que traça o perfil de rugosidade da superfície.
c – Dureza
Camadas de cromo duro só podem ter sua dureza verificada através de ensaios de
microdureza (Knoop ou Vickers). Processos convencionais não podem ser empregados em
virtude das elevadas cargas envolvidas.
37
As camadas de cromo duro, normalmente aplicadas tem espessura entre 0,025 e 0,5
mm. Quando submetidas à penetração de um cone ou pirâmide de diamante (Figura 2.7), ou
ainda de uma esfera com cargas de 1 a 3000 kg a camada simplesmente se rompe.
Figura 2.7 – Micrografia (1000 X) do corte transversal de uma camada de cromo duro, mostrando a
indentação do ensaio de microdureza [24].
2.2.2 – Rolos deflectores, submersos e secadores: Processamento da borracha EPDM,
propriedades e aplicações [19-25-26]
2.2.2.1 - Estrutura
O Etileno – Propileno – Monômero – Dieno (EPDM) é um terpolímero, que
comercialmente é chamado de Nordel (Du Pont).
Polímeros obtidos a partir de três diferentes monômeros (ex. A, B e C), são
chamados de terpolímeros com a fórmula geral (A) (B) (C). Certos tipos de dienos,
polimerizados em conjunto com o etileno e o propileno, produzem terpolímeros que são
vulcanizáveis pelo método convencional através do enxofre. Entre os dienos atualmente
Substrato de aço carbono
Cromo duro
38
utilizados, os mais importantes são, 1,4 hexadieno, o diciclopentadieno e o etilideno
norborneno.
Nos terpolímeros, em se tratando de produtos comerciais, a relação em peso
etileno/propileno está entre 50/50 e 75/25, e o teor de dieno varia aproximadamente entre 1 e
10%. As moléculas de etileno e propileno não estão dispostas alternadamente no polímero,
existindo pequenos segmentos ou blocos, tanto de etileno como propileno. Além disso, as
macromoléculas de etileno propileno não são totalmente lineares, existindo ramificações
laterais de maior ou menor extensão.
2.2.2.2 - Processamento do elastômero [27]
a - Mistura
Embora existam tipos especiais de EPDM para processamento em misturadores
abertos (cilindros), este tipo de material apresenta melhores condições de processamento em
bambury. Quando se tratar de composições altamente carregadas e com grande quantidade de
plastificantes, sempre haverá dificuldades para que se misture em cilindros, o que se agrava
quando se tratar de compostos de baixa dureza.
O sistema mais comumente empregado em bambury é o sistema inverso (up side
down), isto é, adiciona-se primeiramente a borracha e em seguida as cargas e o óleo de uma
só vez. Este sistema é rápido, econômico e proporciona boa dispersão com ciclo curto, não
sendo entretanto recomendado para composições com alta dosagem de óleo, a menos que
parte do mesmo seja adicionado em separado no final do ciclo.
Quando se tratar de compostos onde entram as cargas de pequeno tamanho de
partículas, este sistema não apresenta bons resultados, sendo mais eficiente a entrada destas
39
cargas inicialmente sem qualquer adição de óleo e o restante das cargas posteriormente junto
com os plastificantes.
No Quadro 2.4 encontramos a formulação padrão de um polímero (EPDM) normal e
estendido em óleo.
Componentes Normal Estendido em óleo Polímero (EPDM) 100 150 Óxido de zinco 5 5 Ácido esteárico 1 1 Negro de fumo (N 330) 67,5 110 Óleo parafínico ou óleo naftênico 35 - TMTM – Tetramethylthiuram monosulfide 1,5 1,5 MBT – Mercaptobenzothiazole 0,5 0,5 Enxofre 1,5 1,5 Total 212,0 269,5
Nota: 1) Método de mistura padrão de acordo com as especificações S-B 019 e S-B 020 2) phr (parts per hundred of rubber) – partes por 100 de borracha
Quadro 2.4 - Formulação padrão – phr (parts per hundred of rubber) [25]
A maioria das composições de EPDM, por possuírem normalmente grande
quantidade de cargas e plastificantes, poderá ser acelerada diretamente no bambury, com a
observância da temperatura e, caso seja demasiadamente alta, esta operação deverá ser feita
no cilindro.
Convém lembrar que o EPDM não sofre praticamente nenhuma redução na
viscosidade pela mastigação, sendo portanto inútil esta operação tanto em cilindro como em
bambury.
b - Extrusão
Uma extrusora consiste essencialmente de um cilindro em cujo interior gira um
parafuso arquimedeano [28]. O movimento do parafuso promove o transporte do material que
cai da tremonha, preenchendo o espaço dos sulcos entre os filetes, levando-o até a
extremidade do cilindro. Durante esse deslocamento o material é progressivamente aquecido,
40
plastificado, comprimido e, finalmente, forçado através do orifício de uma matriz montada no
cabeçote existente na extremidade do cilindro.
O aquecimento é promovido ao longo do cilindro e no cabeçote, normalmente por
resistências elétricas ou, eventualmente, por vapor ou óleo que circula por dutos que
circundam o cilindro e o bocal.
O parafuso necessita de um motor potente para seu acionamento, e de um mancal
robusto para vencer a pressão de retorno. Ele é geralmente dotado de canalizações para
circulação de água ou óleo, para controle de temperatura.
A alimentação, a partir da tremonha, é feita por gravidade. O material que entra no
cilindro passa sucessivamente pelas zonas de alimentação, compressão e calibragem.
Os compostos de EPDM extrudam normalmente bem, exibindo superfícies lisas e sem
colapso. Normalmente requerem pouco aquecimento antes da extrusão e normalmente, se o
material entrar muito aquecido na extrusora, há uma tendência para que o material deslize em
volta da rosca, resultando em uma extrusão lenta e desuniforme. Para se obter um bom
aproveitamento do equipamento e boa qualidade do artigo final, determinadas regras deverão
ser observadas:
- Compostos altamente carregados extrudam mais rapidamente que compostos levemente
carregados, na mesma faixa de dureza e viscosidade.
- Roscas longas para alimentação a frio proporcionam maior velocidade na extrusão e melhor
uniformidade no perfil, muito embora apresentem maior consumo de energia.
- A velocidade de extrusão aumenta à medida que a viscosidade diminui.
- Composições claras ou com alto teor de cargas minerais extrudam mais lentamente que
aquelas que contém negro de fumo.
41
c – Vulcanização [29-30]
É a reação química que transforma o composto de borracha de um estado plástico para
o estado elástico, aplicando pressão e vapor por um tempo predeterminado.
Este tempo é definido por uma curva reométrica que é obtida através de reômetros,
que determinam as características de cura (vulcanização) de compostos de borracha
vulcanizáveis.
Para os compostos utilizados no revestimento dos rolos da linha de cromagem da CSN
e também para os rolos montados na célula de limpeza alcalina piloto, foi utilizado um
reômetro sem rotor de cavidade oscilante (MDR), para determinar as características de
vulcanização [31-33].
Reômetro sem rotor ou de cavidade oscilante, é um reômetro onde o sensor de torque
é colocado na cavidade, a qual oscila [34].
Uma amostra de um composto de borracha não-vulcanizado é contido em uma
cavidade, que é fechada e mantida em temperatura elevada. A cavidade é formada por duas
matrizes, uma das quais oscila através de pequena amplitude rotacional. Esta ação produz
deformação senoidal alternante torcional no corpo de prova, e força ou torque de
cisalhamento senoidal, a qual depende da rigidez (módulo de cisalhamento) do composto de
borracha.
A curva envolvida, que é definida como a amplitude da força ou torque de oscilação, é
continuamente registrada como uma função do tempo (Figura 2.8) [31].
42
Figura 2.8 - Curva de vulcanização [31]
A rigidez do corpo de prova de borracha aumenta com a evolução da vulcanização. O
teste é completado quando o aumento de força ou torque atingir um equilíbrio ou um valor
máximo, ou quando um tempo é pré-determinado. O tempo requerido para obter uma curva de
cura ou vulcanização é função das características do composto de borracha e da temperatura
de teste. Este ensaio com reômetro sem rotor ou de cavidade oscilante alcança a temperatura
de teste em tempo mais curto e há melhor distribuição da temperatura no corpo de prova
devido à eliminação do rotor não aquecido encontrado no reômetro do tipo disco oscilante.
Muitos fabricantes produzem diferentes projetos de reômetros sem rotor ou cavidade
oscilante que podem dar resultados diferentes nas respostas das curvas torque x tempo. Deve-
se estabelecer correlações dos resultados dos testes entre diferentes projetos de reômetros sem
rotor para cada composto e para cada condição de teste.
Os parâmetros normalmente avaliados no gráfico obtido por este tipo de reômetro,
estão listados a seguir, e podem ser observados na Figura 2.9 [31].
43
Figura 2.9 – Tipos de curvas de cura ou vulcanização (torque x tempo) [31]
- Torque máximo: Medida da rigidez ou módulo de cisalhamento da amostra completamente
vulcanizada em dada temperatura de vulcanização, obtida como ponto máximo da curva
reométrica. Pode ser classificado em:
MHF: torque máximo quando a curva reométrica atinge um platô.
MHR: torque máximo quando a curva reométrica apresenta reversão.
MH: torque mais alto atingido durante um período especificado de tempo quando nenhum
platô ou torque máximo é obtido.
- Torque mínimo (ML): Medida da rigidez da amostra não-vulcanizada obtida como ponto
mais baixo da curva reométrica.
- Tempo de scorch ou pré-vulcanização (tsx): Medida do tempo no qual começa a
vulcanização. É o tempo necessário para aumentar x unidades de torque acima do torque
mínimo. Preferencialmente, o tempo de scorch deve ser medido em amplitude de oscilação de
+ 0,5°, denominada ts1.
- Tempo ótimo de vulcanização (t(90)): Tempo necessário para atingir 90% do torque máximo
na curva reométrica.
- Tempo de cura (minutos):
44
t’x, é o tempo para um aumento de x% do torque, ou seja, t’x é o tempo em minutos
equivalente a:
t’x = [ ML + x(MH – ML)/100 ] de torque
Este método de determinação do tempo de cura é considerado o método padrão.
tx é o tempo equivalente a x% do torque máximo, ou seja, tx é o tempo em minutos
equivalente a xMH/100 de torque.
O último (tx) é um método alternativo para determinação do tempo de cura. É mais
comumente utilizado para determinar os valores de t50 e t90 (x = 50 e x = 90).
- Razão de cura: é definida como, 100/(tempo de cura – tempo de scorch).
Na apresentação dos resultados recomenda-se que constem, a identificação da
amostra, o método de preparação do corpo de prova (por exemplo, amostra passada no
cilindro ou testada como fornecida ), a marca e o modelo do reômetro, a temperatura de cura
em °C (temperatura do ensaio), a amplitude de oscilação utilizada, reportada como metade do
total da amplitude, a freqüência de oscilação em Hz, o registro do intervalo de torque e tempo
utilizados, a data do ensaio e os parâmetros avaliados, normalmente, ML, MH, ts1e t90.
2.2.2.3 – Propriedades do EPDM
A principal propriedade do EPDM [25-32] é a resistência à degradação pelo calor, luz,
oxigênio e ozona, decorrente da estrutura do terpolímero, a qual não possui insaturação na
cadeia principal:
45
CH3
(-CH2 - CH2 – C - CH2 - - )
Poli – (etileno – propileno – etilideno norbeno)
CH
CH3
As insaturações residuais do dieno, que possibilitam a vulcanização com enxofre,
encontram-se em ramificações laterais e não na cadeia principal. Além disso, sendo essas
insaturações em pequena quantidade, a maior parte é preenchida pelo enxofre durante a
vulcanização. As poucas que restarem, mesmo que sejam degradadas pelos agentes oxidantes,
não afetarão a cadeia principal do polímero. Entretanto, as melhores propriedades de
resistência ao calor, luz, oxigênio e ozona, são obtidas com os tipos de menor grau de
insaturação.
Outra propriedade que depende da quantidade e tipo de dieno presente na
macromolécula é a velocidade de vulcanização. Em iguais proporções, o dicloropentadieno
proporciona cura mais lenta, o 1-4 hexadieno proporciona velocidade de cura intermediária e
o etilideno norboneno proporciona cura mais rápida. O teor de dieno também tem grande
influência na velocidade de cura. Os teores mais comuns são da ordem de 1 a 5% em peso,
mas existem tipos com até 10%, o que proporciona vulcanização muito mais rápida e
possibilidade de mistura do EPDM com outros tipos de elastômeros de alta insaturação (SBR
– Estireno Butadieno, NR - Natural, BR - Polibutadieno).
O baixo custo, decorrente da simplicidade das matérias primas empregadas na sua
obtenção, a baixa densidade do polímero e o grande número de propriedades, tornaram o
46
EPDM, uma das borrachas mais consumidas em todo o mundo. Dentre as suas propriedades,
destacam-se as seguintes:
i – Resistência ao ozona, calor, luz e oxigênio;
ii – Deformação permanente;
iii – Flexibilidade a baixas temperaturas;
iv – Resistência química;
v – Baixo peso específico (0,86 g/cm³);
vi – Aceitação de altos níveis de cargas;
vii – Rápido ciclo de mistura (em bambury);
viii – Excelentes características de extrusão;
ix – Excelentes propriedades dielétricas;
x – Alta impermeabilidade à água.
Borrachas de etileno propileno (Quadro 2.5) oferecem excelente resistência aos
ácidos, alcalis e soluções aquecidas de detergentes. Apresentam também boa resistência a
solventes oxigenados, fluidos hidráulicos e gorduras animais. No entanto, são frágeis quando
expostos a hidrocarbonetos tais como gasolina e tolueno, ou ainda óleos minerais.
Agente químico Comportamento do EPDM Ácidos diluídos Excelente Ácidos concentrados Boa Hidrocarbonetos alifáticos Fraca Hidrocarbonetos aromáticos Fraca Solventes oxigenados (cetonas, etc.) Excelente Solventes de esmalte Razoável a boa Inchamento em lubrificantes Fraca Petróleo e gasolina Fraca Óleos animais e vegetais Boa a excelente Absorção a água Excelente
Quadro 2.5 - Comportamento do EPDM em agentes químicos [25]
2.2.2.4 - Revestimento dos rolos com borracha EPDM
47
As principais operações que envolvem em geral o processamento da borracha na
indústria são:
a) Pesagem das matérias-primas: Na sala de mistura existem balanças com precisão de até 1
grama. Estas balanças são usadas para pesar aceleradores, enxofre, ativadores, corantes e
outros. Outras balanças de até 20 quilos são usadas para pesar borrachas, cargas,
plastificantes e outros.
b) Mistura de compostos: O processo de mistura é feito por misturadores. O formulador
(Químico) fornece o peso dos ingredientes que devem ser pesados para fazer uma carga de
composto. Nesta formulação estão indicadas as condições em que se deverá trabalhar para
fazer esta mistura. Está incluída também a seqüência de adição dos materiais no
misturador. O princípio básico de mistura é a mastigação da borracha no misturador, não
só para facilitar a incorporação dos diversos ingredientes, como também para torná-la
suficientemente plástica, com o objetivo de permitir as demais fases do processo.
c) Controle: É feito pelo laboratório, onde são testados a reometria, peso específico e dureza,
que são requisitos básicos de cada mistura.
A execução de um revestimento de borracha em um núcleo metálico é uma operação
industrial altamente especializada dentro da classe generalizada de indústrias que processam
materiais elastoméricos.
A produção do revestimento de borracha nos núcleos metálicos, consistiu das
seguintes operações:
a) Condicionamento do núcleo metálico: Consiste em usinar a superfície metálica através de
ferramentas próprias deixando-a áspera e limpa, tomando-se o cuidado de não reduzir a
espessura do tubo. É inspecionada a superfície para detectar a existência de trincas.
b) Jateamento: Tem como objetivo obter uma superfície ideal para a aderência do
revestimento, ou seja, limpa e áspera, com aumento da área de contato, através do uso de
granalhas de aço. Antes de executar esta operação de jateamento, é efetuada a lavagem do
48
núcleo metálico com solvente e protegidas com um lençol de borracha as pontas de eixo e
os colos de rolamentos.
c) Aplicação dos adesivos: O objetivo é promover a aderência química entre o revestimento
e a superfície metálica [35-36-37]. Nesta fase é obedecida a ordem de aplicação pré
estabelecida, pois são utilizados 3 tipos de adesivos. O primeiro adesivo, é aplicado logo
após a operação de jateamento, para proteger a superfície contra a oxidação pelo ar. Os
adesivos tem, obrigatoriamente, plena compatibilidade com o revestimento a ser aplicado.
d) Pesagem: É a determinação da quantidade de cada ingrediente (elastômero, antioxidantes,
ativadores, cargas, plastificantes, agentes de pega, aceleradores, agente de vulcanização,
peptizantes e corantes) integrante da formulação respeitando a ordem pré estabelecida.
e) Mistura: Homogeneiza os ingredientes já pesados, em uma ordem pré estabelecida,
obtendo-se um composto de borracha no estado plástico. Esta operação é feita através de
um misturador aberto. Nesta fase, são efetuadas várias medidas como, curva reométrica,
peso específico, dureza, resistência à tração, resistência ao rasgamento, resistência à
abrasão, resistência ao envelhecimento térmico, resiliência e ensaios de resistência
química.
f) Laminação: Consiste em transformar o composto em laminado, com espessura pré
estabelecida. Essa operação é realizada na calandra e tem como características a isenção
de bolhas e adesividade própria para pega.
g) Revestimento: É realizado através da colocação e sobreposição das mantas laminadas,
pela roletagem manual aplicando pressão, efetuando dessa forma a compactação das
mantas.
h) Vulcanização: É a reação química que transforma o composto de borracha de um estado
plástico para o estado elástico, aplicando pressão e vapor por um tempo pré determinado.
i) Retifica: É retirado o excesso de material, dando o acabamento desejado e dentro dos
dimensionais especificados no projeto.
49
2.3 – Sistema elétrico: Corrente de fuga e aterramento
2.3.1 – Aterramento [38]
Todo sistema elétrico necessita de aterramento para proteção pessoal e dos próprios
equipamentos.
A descoberta dos fenômenos elétricos e sua aplicação, gerou a necessidade de se
tomar cuidado com as diferenças de potencial elétrico, que gera a corrente circulante entre o
ponto de maior potencial para o de menor potencial. O caminho escolhido pela corrente
elétrica, entre dois pontos de diferentes potenciais, será o de menor resistência.
Os materiais existentes na natureza ou criados pelo homem, tem características
próprias, de condução, de isolamento ou de semi-condução. Os materiais que conduzem mais
facilmente a eletricidade são os que tem menor resistência à sua passagem, enquanto os
materiais isolantes são os que tem maior resistência à passagem da corrente. Devido a
facilidade com que a eletricidade percorre os diversos tipos de materiais como, metais,
soluções aquosas, ar ionizado e até o corpo humano, o material isolante foi desenvolvido para
isolar adequadamente o elemento condutor. Os materiais isolantes evoluíram juntamente com
o uso e aplicação dos fenômenos elétricos.
O aumento dos níveis de potencial, que representa risco para as pessoas e
equipamentos, levou ao desenvolvimento de dispositivos de proteção e materiais isolantes
para muitas aplicações, níveis de tensão e temperatura, além do próprio dimensionamento das
partes condutoras. Tudo o que existe à nossa volta, que envolve energia elétrica, foi projetado
com base em normas técnicas, levando em consideração o dimensionamento, a proteção
elétrica e mecânica dos componentes e circuitos, e a proteção das pessoas [39-40]. Qualquer
50
alteração nas características nominais dos componentes e instalações pode resultar em falhas
de impedimentos de proteções elétricas ou mecânicas de forma adequada.
Todos os equipamentos devem estar ligados devidamente a terra através de cabos para
que, caso haja alguma falha como, corrente de fuga, curto circuitos, aquecimentos, etc...
decorrentes de sobrecargas ou deficiência de isolamento elétrico, não ocorra destruição dos
equipamentos e instalações, ou risco para as pessoas.
2.3.2 - Corrente de fuga e aterramento em processo eletrolítico [38]
A corrente de fuga é a corrente que flui para a terra ou para elementos condutores
estranhos à instalação, por imperfeição do isolamento.
No processo eletrolítico, especificamente na linha de cromagem eletrolítica da CSN,
os processos de limpeza, eletrodeposição de cromo, passivação e oleamento, utilizam grandes
fontes de energia elétrica.
Estas fontes de energia são os retificadores (limpeza, eletrodeposição e passivação) e a
fonte de alta voltagem da oleadeira.
Todos estes equipamentos devem ser devidamente aterrados e as seções do processo,
isolados através de rolos terra, de modo que a corrente não aproveitada em uma determinada
seção que se transforma em corrente de fuga, tendo como meio condutor a tira de aço, não
influencie de forma negativa uma outra seção.
Os impactos devidos à corrente de fuga estão atualmente sendo analisados e
discutidos. Foi desenvolvido e introduzido um novo método para localização, controle e
redução de corrente de fuga em plantas eletrolíticas, sendo denominado LUSCURE (Lurgi
Stray-Current CuRE) [41].
51
A Figura 2.10, mostra um sistema simplificado de circulação de corrente em uma
seção de eletrodeposição de cromo, em uma linha de cromagem da CSN. A corrente aplicada
(i1) menos a corrente de retorno (iR1) resulta na corrente de fuga (iF1), que deve ser aterrada
para não causar danos pessoais e danos à instalação, bem como alterações no processo.
É muito difícil obter um isolamento ideal entre os componentes da seção (mancais de
rolamento e tanques de processo) e a estrutura do equipamento. Para tanto, são utilizados
tanques revestidos internamente com borracha e calços isolantes de PTFE (Teflon) nas bases
dos mancais de rolamento e também entre as bases dos tanques e a estrutura do equipamento.
Através dos rolos terras (Figura 2.10), as correntes excedentes, chamadas de corrente
de fuga, das seções são desviadas para a terra. Isto evita que estas passem para outras seções
alterando o processo da linha, e para a estrutura do equipamento através dos mancais de
rolamento, colocando em risco de choque elétrico o pessoal.
Figura 2.10 – Sistema simplificado de circulação de corrente em uma seção de eletrodeposição de cromo [42].
IT3
- + Retificador N° 1
+ - Retificador N° 2
i1 i2
iFT
iT1
iR1 iR2
iFT
iT2
Rolo Terra
Rolo Terra
iFT1= iF1+iF2+....+ iFn I1=IR1+iF1 I2=iR2+iF2 iT1 e iT2--- corrente rolo terra iF1,iF2 --- corrente de fuga iR1,iR2 --- corrente de retorno iFT1,iFT2 --- corrente de fuga total
Tira de aço
Rolos condutores
52
3 - MATERIAL E MÉTODOS
Esta parte foi dividida em dois itens. O primeiro consiste na metodologia usada para a
caracterização da superfície do rolo terra danificado, que foi retirado da seção de limpeza
alcalina após 160 dias trabalhados. O segundo consiste no projeto e construção de uma célula
piloto de limpeza alcalina, que será uma reprodução em escala laboratorial (1:10) da seção de
limpeza alcalina da linha de cromagem da CSN. A finalidade da célula é simular as condições
de processamento da folha metálica na linha de cromagem durante a passagem da tira na
seção de limpeza alcalina, e observar em qual condição e sob o efeito de qual parâmetro de
processo, observa-se a ocorrência do fenômeno de degradação do revestimento de cromo duro
do rolo terra.
3.1 – Caracterização da superfície do rolo terra n° 1 da seção de limpeza alcalina
O rolo terra de núcleo em aço carbono, revestido de cromo duro, foi retirado da seção
de limpeza alcalina da linha de produção após 160 dias de trabalho. Em duas regiões distintas
da superfície (uma em contato com a tira durante o processo e a outra não), foram retiradas
amostras (Figura 3.1a – com contato com a tira e 3.1b – sem contato com a tira) para realizar
a caracterização morfológica e composicional.
(a) (b)
Figura 3.1 – Amostras retiradas da superfície do rolo terra da seção de limpeza alcalina
53
3.1.1 - Obtenção das amostras
Foi realizada usinagem de topo na superfície do rolo formando o contorno das
amostras com 10 mm de penetração no metal base, utilizando frezadora (Oficina CSN).
Para o corte total da parte inferior da amostra, foi utilizado arco de serra manual
(Oficina CSN).
As dimensões finais das amostras após as etapas de usinagem foram: 40 x 40 x 2,5
mm.
3.1.2 - Preparação das amostras para análise por microscopia eletrônica de varredura
Para a realização do corte das amostras obtidas da superfície do rolo, foi utilizado
disco diamantado do laboratório do DEMAR/EEL.
Foram obtidas 4 amostras, sendo as amostras 1 e 2 da região sem contato com a tira e
as amostras 3 e 4 com contato direto com a tira.
As dimensões finais das amostras após a operação de corte foram 15 x 8 x 2,5 mm
Para a análise da superfície foram selecionadas as amostras 1 e 3 e para a análise das
seções transversais da camada de cromo duro foram selecionadas as amostras 2 e 4.
Após o embutimento das amostras 2 e 4 em baquelite, foram realizadas as seguintes
operações:
a) Preparação da superfície utilizando a seguinte seqüência granulométrica de lixas
abrasivas 220/320/400/600/800/1000/1200/2400.
b) Polimento das superfícies utilizando pano para polimento e dispersão de sílica (OPS).
54
3.1.3 - Caracterização das amostras
A partir das amostras (1 e 3) retiradas em regiões distintas da superfície do rolo (área
que estava em contato direto com a tira e área sem contato) foram geradas imagens
topográficas e realizadas análises de composição superficial através de análise por
espectroscopia de dispersão de energia (EDS) usando um microscópio eletrônico de varredura
(MEV), da marca LEO 1450 VP, do Laboratório de Microscopia Eletrônica do DEMAR/EEL.
Análises microestruturais e de composição foram também realizadas a partir das
seções transversais das amostras (2 e 4) recolhidas nestas mesmas regiões.
Foram também geradas imagens topográficas com baixo aumento usando um
microscópio estereoscópico, marca LEICA WILD M 10, do laboratório da CSN/VR.
A identificação das fases presentes na superfície da amostra 1, sem contato com a tira
e da amostra 3, com contato com a tira, foi realizada por difratometria de raios X, usando o
difratômetro marca SEIFERT- ISODEBYEFLEX 1001, do Laboratório de Difração de Raios
X do DEMAR/EEL.
As condições de medida foram:
Radiação Cu Kα - λ = 1,5418 Å, com filtro de Ni
Potência : 40 kV x 30 mA
Intervalo Angular : 10º < 2θ < 90º
Passo angular : 0,05º
Tempo de contagem: 3 s por ponto
Velocidade.: 7 s
55
3.2 - Projeto da célula piloto de limpeza alcalina
A segunda etapa consistiu em projetar e confeccionar na CSN uma célula de limpeza
alcalina em escala piloto onde serão simuladas as condições de processo desta seção.
A célula de limpeza alcalina é uma reprodução em escala laboratorial (1:10) da seção
de limpeza alcalina existente na linha de cromagem da CSN. Vale salientar que esta célula
piloto poderá ser adaptada em outras investigações futuras para reproduzir outras seções da
linha de cromagem, como de outras linhas de recobrimentos de folhas de aço, por exemplo de
estanhagem.
A Figura 3.2 mostra uma vista esquemática do primeiro esboço da célula piloto de
limpeza alcalina projetada.
Figura 3.2 - Vista esquemática da célula piloto de limpeza alcalina.
As dimensões aproximadas da célula de limpeza alcalina inicialmente projetada eram:
comprimento: 1200 mm, largura: 400 mm e altura: 500 mm
Seção deLavagem
LimpezaAlcalina
Rolo Terra 1
RoloCondutor
RoloTerra 2
Rolos Defletores
RolosSubmersos
Rolo Defletor
RoloTensionador
Tira de Aço
RoloAcionador
-+
Transformador
56
Na Tabela 3.1 estão listados os principais componentes da célula piloto de limpeza
alcalina.
Tabela 3.1 – Componentes da célula piloto de limpeza alcalina
Item Descrição Dimensões Quant.
01 Rolo defletor, revestido de borracha φ 61 X 120 mm 06
02 Rolo submerso, revestido de borracha φ 46 X 20 mm 05
03 Rolo terra, revestido de cromo duro φ 40 X 120 mm 02
04 Rolo acionador, revestido de borracha φ 61 X 120 mm 01
05 Rolo tensionador, revestido de borracha φ 61 X 120 mm 01
06 Rolo condutor, revestido de cromo duro φ 61 X 120 mm 01
07 Tanque de limpeza alcalina em aço baixo carbono 03
08 Tanque de lavagem em aço baixo carbono 02
09 Motor AC 01
10 Transformador 01
O funcionamento da célula (Figura 3.2) se dá com a passagem da tira num sistema
fechado, onde as variáveis de controle podem ser alteradas de acordo com os testes a serem
realizados. O fluxo de corrente elétrica (simulando a de fuga) se dá através de um rolo
condutor que está ligado a um transformador, transferindo esta corrente para a tira de aço. Os
rolos terra enviarão para a terra a corrente que passa na tira de aço isolando os tanques de
processo e simulando a sua função na linha de produção. A tira de aço será movimentada por
um único motor, e os demais rolos serão movidos pela tira de aço. A tensão na tira de aço será
dada pelo rolo tensionador e a tira será direcionada para os tanques de limpeza alcalina e de
lavagem, pelos rolos defletores e rolos submersos. O rolo terra 1 (Figura 3.2) representa
aquele da planta industrial da CSN danificado.
57
A finalidade desta célula é simular as condições de processamento da folha metálica
na linha de cromagem durante a passagem da tira na seção de limpeza alcalina, e observar em
qual condição e sob o efeito de qual parâmetro de processo ocorre o fenômeno de degradação
do revestimento de cromo duro do rolo terra nº15. Após simulação, a superfície deste rolo foi
analisada usando as mesmas técnicas empregadas para a análise do rolo terra da planta
industrial.
Pretende-se assim definir as condições operacionais que provocam a deterioração do
revestimento. Serão aplicados estes resultados de laboratório na própria linha de cromagem da
CSN na seção de limpeza alcalina.
58
4 – EXECUÇÃO DO PROJETO DA CÉLULA PILOTO
Durante a fase de execução do projeto da célula piloto, foi necessário implementar
algumas alterações em relação ao projeto inicial (Figura 3.5), para maior aproximação das
condições reais e de funcionamento da linha de produção. Este fato pode ser verificado na
Figura 4.1. Foram incluídos dois rolos secadores, quatro dispositivos pressionadores, dois
tanques de circulação, sendo, um de solução alcalina e outro de água (lavagem), dois
conjuntos de motor e bomba, tubulações interligando os tanques de circulação aos tanques de
processo, um inversor de freqüência, um transformador, um cartão de disparo do
transformador, dois motoredutores acoplados aos rolos acionadores nº 5 e 10 e um rolo
deflector na posição 16, para aumentar a área de contato do rolo condutor n° 17. Foi também
necessário relocar o rolo deflector nº 2 de sua posição inicial, para aumentar a área de contato
do novo rolo esticador nº 1. Foi realizado o desenho técnico (GEE00074) da célula piloto de
limpeza alcalina (vide anexo 8). As dimensões da célula de limpeza alcalina após a execução
do projeto são bem maiores que o projeto inicial (item 3.2): Comprimento: 1525 mm,
Largura: 810 mm e Altura: 14150 mm.
Figura 4.1 – Novo lay-out dos rolos da célula de limpeza alcalina piloto
Legenda: 1 – Rolo esticador 2, 3, 7, 12, 16 e 18 – Rolo deflector 4, 6, 8, 11 e 13 – Rolo submerso 5 e 10 – Rolo acionador 9 e 14 – Rolo secador 15 – Rolo terra
59
4.1 – Confecção dos componentes da célula piloto
A confecção dos componentes da célula piloto (Figura 4.2) foi inteiramente executada
na oficina de reparação de rolos da Gerência de Não Revestidos na Companhia Siderúrgica
Nacional (CSN).
4.1.1 - Núcleos metálicos
Foi utilizado tubo em aço carbono de qualidade estrutural ASTM A-120 para a mesa
dos núcleos metálicos e barra maciça de aço carbono SAE 1020 para as pontas de eixo. A
usinagem foi feita de acordo com as dimensões definidas nos desenhos NSC B-241512 (rolo
submerso, vide anexo 2); NSC B-382959 (rolo secador, vide anexo 4); NSC B-241473 (rolo
terra ou condutor, vide anexo 3); NSC B-241511 (rolo deflector, vide anexo 1) em escala
laboratorial (1:10).
4.1.2 – Tanques
Foram utilizadas chapas de aço carbono ASTM A-36 soldadas pelo processo de arco
aberto, na confecção dos tanques de processo (L) e de circulação da solução (Figuras 4.3a e
4.3b). As dimensões estão definidas nos desenhos NSC B-227547 e NSC B-227549 (tanque
de processo, vide anexos 5 e 6, respectivamente) em escala laboratorial (1:10).
60
Figura 4.2 – Vista das estruturas e dos tanques de processo
(a) (b) Figura 4.3a e b – Vistas dos tanques de circulação
4.1.3 – Estrutura
Foram utilizadas cantoneira “L” de aço carbono ASTM A-36 soldadas pelo processo
de arco aberto, na confecção das estruturas de sustentação dos tanques de processo e dos de
circulação da solução.
61
4.1.4 - Mancais de rolamento
Foram utilizadas barras quadradas de aço carbono SAE 1020, para fabricação dos
mancais de rolamento nas dimensões definidas no desenho NSC B-227552 (vide anexo 7) em
escala laboratorial (1:10). A Figura 4.4 apresenta um mancal de rolamento com os isolantes
(teflon) montados na sua base.
Figura 4.4 – Mancal de rolamento
4.1.5 - Tampas dos tanques
Foram utilizadas chapas de aço carbono ASTM A-36, na confecção das tampas dos
tanques de processo e placas de PTFE – Politetrafluoretileno (Teflon). As Figuras 4.5a e 4.5b,
apresentam as tampas dos tanques de processo.
(a) (b) Figura 4.5a e b – Tampas dos tanques em aço carbono e em PTFE
Local de montagem da tampa do tanque
Aço carbono
PTFE
62
4.1.6 - Selo mecânico
Foram utilizadas placas de PTFE – Politetrafluoretileno (Teflon), com o objetivo de
conferir boa resistência química e boa moldabilidade no momento de ajuste do selo entre a
tampa do tanque e a ponta de eixo do rolo submerso. A vedação da solução se dá pelo contato
do selo (girante) e da tampa do tanque (fixa) e, pelo contato entre o selo e o anel ‘O’ ring. As
Figuras 4.6a e 4.6b, apresentam o selo mecânico e o alojamento do anel ‘O’ ring na tampa
dos tanques de processo.
(a) (b)
Figura 4.6 – (a) Selo mecânico para vedação da solução no interior dos tanques de processo e (b) tampa
dos tanques de processo com anel “O” ring.
4.1.7 - Dispositivo pressionador
Foram utilizadas chapas de aço carbono ASTM A-36 soldadas pelo processo de arco
aberto na confecção dos suportes de fixação e dos braços do rolo secador e dos dispositivos
pressionadores, sendo que para a fabricação destes foram utilizadas barras sextavadas de
latão. As Figuras 4.7a e 4.7b, apresentam o dispositivo pressionador.
Anel ‘O’ ring
63
(a) (b)
Figura 4.7a e b – Dispositivos pressionadores, suporte e braço
4.2 – Revestimento dos rolos
4.2.1 – Borracha EPDM
O revestimento dos núcleos metálicos com borracha EPDM, foi executado na 1001
Indústria de Artefatos de Borracha Ltda., atual fornecedor de revestimento de borracha para a
linha de cromagem eletrolítica da CSN.
As operações que envolveram o processamento da borracha aplicada nos rolos da
célula piloto de limpeza alcalina, foram as seguintes:
- Pesagem dos componentes da formulação definida pelo químico, conforme Quadro 4.1.
Componentes Peso (phr) EPDM 95 Hypalon 5 Sílica 43,13 Ácido Esteárico 1,88 Plastificante Mineral 21,88 Agente de Cura 28,13 Negro de Fumo N-550 0,09 Óxido de Zinco 30 Peróxido de Dicumila (99%) 4,50
Quadro 4.1 – Formulação da borracha utilizada nos rolos submersos, deflectores e secadores da célula
piloto [43]
Braço
Suporte
Dispositivo
64
- Mistura em Bambury: Foram definidas no Quadro 4.2, as condições para fazer a mistura, a
duração, que neste caso foi de 44 minutos, e a seqüência de adição dos componentes da
formulação.
Tempo acumulado (em minutos)
Seqüência de adição
0’ Colocar o Hypalon, formar banda, retirar do cilindro 2’ Colocar o EPDM, formar banda 4’ Adicionar Hypalon, cortar e misturar 5’ Adicionar as cargas, o plastificante e o agente de cura aos poucos 31’ Cortar e misturar 33’ Adicionar o peróxido aos poucos 38’ Finalizar homogeneização, passando a mistura de ponta 5 vezes entre
os cilindros 40’ Pesar, conferir peso final 42’ Retirar em mantas com espessura de aproximadamente 10 mm 44’ Fim
Quadro 4.2 – Processo de mistura em bambury [43].
- Controle: Foi obtida uma curva reométrica do composto (Figura 4.8), tendo os seguintes
parâmetros avaliados:
Torque Mínimo (ML): 1,16 Lb.in
Torque Máximo (MHF): 22,18 Lb.in
Tempo de scorch ou pré-vulcanização (tS2): 0,23 min
Tempo de cura (t50): 0,58 min
Tempo ótimo de vulcanização (t90): 1,55 min
65
Figura 4.8 – Curva reométrica do composto utilizado no revestimento dos rolos submersos, deflectores e secadores da célula piloto [43]
Foram também realizados ensaios laboratoriais cujos resultados estão listados no
Quadro 4.3.
Ensaio Resultado Alongamento 310 % Tensão 153 kgf/cm² Módulo 100 % 41 kgf/cm² Rasgo 39 kgf/cm² Viscosidade Mooney 57 UM (Unidade Mooney) Densidade 1,15 g/cm³ Deformação constante a compressão 19 % Resiliência 45 % Abrasão 84 mm³
Quadro 4.3 – Resultados dos ensaios laboratoriais [43]
66
Os resultados obtidos foram considerados satisfatórios e o composto foi liberado para
aplicação nos núcleos metálicos.
Na fase de aplicação do revestimento (borracha) nos núcleos metálicos, foram realizadas
as seguintes operações:
- Preparação (usinagem) da superfície metálica.
- Jateamento com granalhas de aço.
- Aplicação dos adesivos primer (Chemlok 205) [43], adesivo (Chemlok 220) [44] e uma
solução do composto utilizado na base diluído em toluol.
- Pesagem, realizada na fase de processamento da borracha
- Mistura, realizada na fase de processamento da borracha
- Laminação em calandra
- Aplicação do revestimento, com sobreposição das mantas laminadas
- Vulcanização
- Retifíca. Nesta etapa, não foi possível manter na escala laboratorial (1:10) a espessura do
revestimento, que seria de 2,5 mm. De fato, a espessura mínima do revestimento de borracha
é de 10 mm, para que se possa obter as características exigidas. Foi adotada esta espessura
mínima para os rolos submersos, deflectores e secadores da célula piloto de limpeza alcalina.
4.2.2 - Cromo duro
O revestimento dos núcleos metálicos com cromo duro foi executado na Oficina de
Cromagem de Cilindros da CSN/VR, atual fornecedor de revestimento de cromo duro para a
linha de cromagem eletrolítica.
As principais operações que envolvem o revestimento com cromo duro na CSN/VR,
são as seguintes:
67
a) Inspeção: A superfície a cromar deve estar livre de poros, óxidos, escórias, dobras de
laminação, defeitos na região de solda (ZTA – Zona Termicamente Afetada) e outros
defeitos de superfície. Durante o processo eletrolítico de cromagem, ocorre a formação de
gases nestes pontos, não permitindo a deposição da camada de cromo duro na superfície
de dentro do poro. Consequentemente, estes pontos não estarão cromados.
b) Jateamento: Tem como objetivo obter uma superfície com a rugosidade especificada no
desenho (NSC B-241473), 70-100 microinch, através do uso de granalhas de aço. Antes
de executar esta operação de jateamento, foi efetuada a lavagem do núcleo metálico com
solvente a base de toluol ou xilol e uma proteção de lençol de borracha, nas pontas de eixo
e nos colos de rolamentos.
c) Revestimento: O núcleo metálico foi imerso na posição vertical, em um tanque contendo
solução de ácido crômico com concentração de 250 g/L e anodos insolúveis de Pb-Sn (96-
4% peso) em forma de barras, posicionados ao redor do núcleo metálico. Os rolos foram
mantidos imersos no banho por 12 h com uma corrente aplicada de 80 A, obtendo uma
camada de revestimento de espessura de 0,15 mm e dureza de 1000 HV.
4.3 – Função dos componentes da célula piloto
- Rolo terra
O rolo terra (Figuras 4.9a e 4.9b) tem como finalidade aterrar a corrente de fuga
proveniente da tira, simulada pelo rolo condutor, como sendo uma corrente não aproveitada
no processo (de limpeza da tira ou de deposição de cromo).
68
(b)
(a)
Figura 4.9 – Rolo terra
- Rolo condutor
O rolo condutor (Figuras 4.10a e 4.10b) tem como finalidade transferir corrente para a
tira de aço, simulando a corrente de fuga não aproveitada no processo (de limpeza ou de
deposição).
(b) (a)
Figura 4.10 – Rolo condutor
Rolo Terra
Rolo Condutor
69
- Rolo submerso
Estes rolos são montados no interior dos tanques de processo e têm como finalidade
conduzir a tira para fora dos tanques de limpeza alcalina e evitar uma fuga de corrente, da tira
para a estrutura do equipamento. O acabamento superficial com canais em forma de hélice do
centro para as extremidades tem como objetivo evitar a formação de um filme de solução,
entre a superfície do rolo e a tira metálica, que prejudique o contato e provoque movimento
relativo, indesejável, entre o rolo e a tira metálica.
As Figuras 4.11a e 4.11b apresentam o rolo submerso.
(a) (b) Figura 4.11– Rolo submerso
- Rolo deflector
Estes rolos têm como finalidade conduzir a tira para dentro dos tanques de limpeza
alcalina e evitar uma fuga de corrente, da tira para a estrutura do equipamento.
As Figuras 4.12a e 4.12b apresentam o rolo deflector.
70
(a) (b) Figura 4.12 – Rolo deflector
- Rolo secador
Estes rolos têm como finalidade pressionar a tira, para evitar o arraste de solução
alcalina e água, do último tanque da seção alcalina e do tanque de enxágüe, respectivamente.
Para tanto, necessitam estar em boas condições (ex. superfície do revestimento isenta de
cortes) e com seus parâmetros de trabalho (ex. pressão das molas dos dispositivos
pressionadores) bem ajustados, alinhados e nivelados. As Figuras 4.13a e 4.13b apresentam o
rolo secador.
(a) (b)
Figura 4.13 – Rolo secador - Tanque de processo
Os tanques de processo têm a função de permitir o contato da tira (chapa de aço) com
a solução e com a água. A finalidade dos três primeiros tanques é remover óleo e graxa e dos
últimos dois tanques é efetuar a remoção dos resíduos da solução alcalina deixando a tira
71
adequada para a próxima seção do processo. Têm, como componentes, tampas laterais e selos
mecânicos que são montados nas pontas de eixos dos rolos submersos, com função de manter
a solução e a água no interior dos tanques.
- Tanque de circulação da solução alcalina
Localizado abaixo dos tanques de processo, é um tanque de aço com aquecimento por
resistência elétrica . Sua finalidade é estocar e/ou manter a circulação da solução aquecida
(80-90 °C) entre ele mesmo e os tanques de processo (limpeza), através de bombas. Também
é utilizado na decantação de resíduos da solução.
A solução bombeada entra pela parte inferior de cada tanque de processo, transborda
numa canaleta de retorno e, por gravidade, volta ao tanque de circulação.
- Tanque de circulação de água
Localizado abaixo dos tanques de processo, é um tanque de aço, cuja finalidade é
estocar e/ou manter a circulação da água entre ele mesmo e os tanques de processo (lavagem),
através de bombas. Também é utilizado na decantação de resíduos da água.
A água bombeada, entra pela parte inferior de cada tanque de processo, transborda na
canaleta de retorno e, por gravidade, volta ao tanque de circulação.
- Dispositivo pressionador
Este dispositivo têm como principal finalidade pressionar os rolos secadores contra a
tira de aço, para permitir o mínimo de arraste de solução e água, principalmente do último
tanque da seção alcalina e do tanque de enxágüe, respectivamente.
72
- Conjunto motor e bomba
Dois conjuntos de motor e bomba hidráulica de engrenagens (Figura 4.14) foram
utilizados. Eles captam a solução alcalina (limpeza) e a água (lavagem) dos tanques de
circulação e as transportam através de tubulações até os tanques de processo.
Bombas hidráulicas convertem a energia mecânica de um motor elétrico, com as
características descritas na Tabela 4.1, em energia hidráulica.
As bombas usadas na célula piloto são de deslocamento positivo. Estas podem ser de
vazão fixa ou vazão variável.
Figura 4.14 – Bomba hidráulica de engrenagens
Tabela 4.1 – Características dos motores elétricos
Limpeza alcalina Lavagem Potência 2,00 HP 3,00 HP Polaridade 4 pólos 6 pólos Freqüência 60 Hz 60 Hz Rotação nominal 1720 rpm 1150 rpm Tensão nominal 440 V 440 V Corrente nominal 3,23 A 5,25 A Fator de serviço 1,15 1,15 Corrente de partida 22,0 A 28,9 A Ip/In 6,80 5,50 Classe de isolação B B
73
- Transformador
Tem a finalidade de abaixar a voltagem de 440 V para 220 V e isolar a carga (rolo
condutor e tira de aço) da rede elétrica, filtrando o ruído produzido na carga. (Figura 4.15).
Figura 4.15 – Transformador
- Cartão de disparo do transformador
Tem a finalidade de variar os níveis de voltagem na saída do transformador e que
serão aplicados na carga (rolo condutor e tira de aço). O diagrama elementar do circuito de
disparo está contido no desenho CSN DE002604 fls. 3 e 4 (vide anexos 9 e 10,
respectivamente).
- Motoredutor acionador (Figura 4.16)
Converte a energia mecânica (motoredutor) em movimento de rotação, que acoplado
ao rolo acionador, conduz a tira de aço pelos tanques de processo.
74
Figura 4.16 – Motoredutor
- Inversor de freqüência
Tem a finalidade de variar a freqüência de zero a 120 Hz, permitindo obter
velocidades variáveis no motor acionador.
- Painel elétrico (Figura 4.17)
Tem a finalidade de acondicionar os componentes elétricos como: contatores,
disjuntores, fusíveis, chaves seletoras, inversor de freqüência e transformador de controle.
Figura 4.17 – Painel elétrico
Inversor de freqüência
Chaves seletoras
Fusíveis
Disjuntores
Contatores
Transformador
Motoredutor
75
6 – AVALIAÇÃO DO DESGASTE DO ROLO TERRA DA SEÇÃO DE LIMPEZA
ALCALINA DA LINHA DE CROMAGEM – SIMULAÇÃO NA PLANTA PILOTO
5.1 – Análise morfológica
Foram geradas no microscópio eletrônico de varredura (MEV) imagens topográficas
das amostras 1 e 3 utilizando o detector de elétrons secundários e posteriormente imagens das
amostras 2 e 4 (seções transversais) utilizando o detector de elétrons retroespalhados.
Na amostra 1, que foi retirada da área sem contato com a tira (Figura 5.1a e b), pode-
se verificar uma deposição uniforme e homogênea de cromo de aspecto nodular. São notadas
apenas algumas marcas de desgaste nas saliências do depósito de cromo proveniente do atrito
eventual da tira com o rolo, devido ao deslocamento lateral da mesma durante o processo.
Pode-se notar também, com a maior aumento, a existência de algumas trincas superficiais.
(a) (b) Figura 5.1a e b – Imagens topográficas da amostra 1 (sem contato com a tira) obtidas em MEV no modo de elétrons secundários
Imagens topográficas obtidas em um microscópio estereoscópico (Figura 5.2a e b),
mostram uma deposição uniforme e homogênea de cromo de aspecto nodular, como
observado nas imagens topográficas obtidas no MEV (Figura 5.1a e b).
76
(a) (b) Figura 5.2a e b – Imagens topográficas da amostra 1 (sem contato com a tira) obtidas em microscópio estereoscópico
Na amostra 2, seção transversal da amostra retirada da área sem contato com a tira
(Figura 5.3a e b), pode-se verificar a regularidade do depósito de cromo na superfície do
substrato, e a ausência de porosidades ao longo da espessura. Porém, nota-se a existência de
poros na interface cromo-aço. Na ampliação maior pode-se identificar as trincas
características dos revestimentos de cromo duro. A espessura média da camada de cromo duro
medida nesta imagem (Figura 5.3b) é de 192,1 + 1 μm.
(a) (b) Figura 5.3a e b - Imagens da seção trasnversal da amostra 2 (área sem contato com a tira) obtidas em MEV no modo de elétrons retroespalhados
Na amostra 3, que foi retirada da área que estava em contato direto com a tira (Figura
5.4), pode-se observar que a superfície do revestimento se apresenta com desgaste acentuado
em toda a região analisada e com um grande número de trincas superficiais. Verifica-se
AçoCr
Cr
1 μm 1 μm
77
também a existência de pontos distribuídos aleatoriamente na superfície sempre em alto
relevo. (ver seta)
Estes pontos lembram a forma de um ‘vulcão’, e a sua origem será investigada com o
auxílio da célula piloto de limpeza alcalina, onde será possível simular as condições de
processo, uma vez que pode estar acontecendo fusão localizada do cromo duro pelo arco
elétrico gerado pela corrente de fuga proveniente da chapa de aço e enviada para o poço terra
através deste rolo.
Figura 5.4 - Imagem topográfica da amostra 3 (com contato com a tira) obtida em MEV no modo de elétrons secundários
Imagens topográficas obtidas em um microscópio estereoscópico (Figura 5.5a e b),
mostram a variação na tonalidade das cores nas regiões que separam os pontos em relevo. As
trincas características do cromo duro são evidentes.
(a) (b) Figura 5.5a e b – Imagens topográficas da amostra 3 (com contato com a tira) obtidas em microscópio estereoscópico
1 μm1 μm
78
A seção transversal da amostra 4 danificada (Figura 5.6a e b) apresenta uma
quantidade de trincas superficiais maior do que para a amostra 2 (Figura 5.3a e b),
provavelmente devido aos esforços mecânicos aplicados nesta região em contato com a tira,
como também pela contribuição das trincas internas que ‘afloraram’, devido ao desgaste da
camada de cromo. Pode-se notar também um aumento da rugosidade superficial. A espessura
da camada de cromo medida nesta imagem (Figura 5.6b)é de 151,5 + 1 μm, menor que os 192
μm da região sem contato com atira, devido ao desgaste por atrito com a tira em movimento.
(a) (b) Figura 5.6a e b - Imagens da seção transversal da amostra 4 (área com contato com a tira) obtidas em MEV no modo de elétrons retroespalhados
5.2 – Análise composicional
Foi realizada uma análise composicional por espectroscopia de dispersão de energia
(EDS) na amostra 1 (Figura 5.7) sem contato com a tira, fazendo-se uma varredura linear do
feixe de elétrons entre dois pontos previamente escolhidos. O espectro obtido revela a
presença dos picos relativos aos elementos Cr, C e O. Nota-se que a concentração de cromo
diminui e a de carbono e oxigênio aumenta nos contornos de grãos.
Aço CrAço Cr
79
Figura 5.7 – Análise composicional por EDS da superfície da amostra 1 (sem contato com a tira)
Na amostra 3 (área de contato com a tira), foi escolhida uma região que apresentasse
vários pontos em relevo (“vulcão”), identificados como pontos 1, 2 e 3 na Figura 5.8a e b.
Analisando estas imagens, é observado que as áreas entre os pontos em relevo não são
homogêneas quanto à rugosidade. Isto se repete por todos os pontos em relevo da amostra
analisada. Na Figura 5.8a e b foram delineadas estas regiões de aspectos visuais diferentes.
(a) (b) Figura 5.8a e b – Imagens topográficas obtidas por MEV, apresentando vários pontos em relevo, na amostra 3 (com contato com a tira)
Legenda: Cromo
Carbono Oxigênio
1
2
33
2
1
80
Foram realizadas análises composicionais por EDS fazendo varredura linear do feixe
de elétrons em diversas linhas da região da amostra 3 apresentada na figura 5.8a e b: linhas
passando através dos pontos em relevo, linhas posicionadas em cima destes pontos e linhas
ligando os diversos pontos, no intuito de identificar alguma diferença de composição e, se
existir, a correlacionar com o aspecto visual.
Os diferentes espectros obtidos nestas regiões são apresentados nas figuras 5.9 a 5.11.
Todos os espectros revelam a presença dos elementos Cr, C e O (já observados com a amostra
sem contato com a tira) e a presença adicional dos elementos Fe, S, Na, K, Ca e Al.
Com a análise por EDS, não é possível determinar com precisão a concentração dos
elementos com número atômico menor ou igual a 10 (como C e O). Além disso, para o
elemento O, a intensidade do pico detectado não reflete a sua quantidade real, pois qualquer
elemento pode fluorescer oxigênio. Assim, não serão tomados em consideração os espectros
relativos aos elementos C e O.
Da Figura 5.9, há uma forte evidência que quando o feixe atravessa os pontos de
relevo, maior intensidade do pico relativo ao cromo é medida.
Já nas análises em linhas fora dos pontos de relevo, a intensidade do pico de Cr oscila
muito, não evidenciando máximo e mínimo numa região em particular (Figura 5.10), que
pudesse ser relacionado com a morfologia observada na imagem.
Nas análises realizadas entre os pontos 1 e 2, 2 e 3 e 1 e 3 (Figura 5.11), não se
observa também nenhuma variação nas intensidades dos picos que possa ser relacionada com
as topografias e tonalidades de cores observadas nas figuras 5.5 e 5.8 (região da chamada
auréola).
81
Figura 5.9 – Imagens e análise composicional por EDS em linhas passando pelos pontos 1, 2 e 3 da amostra 3
Legenda: Cromo Ferro Potássio
Enxofre Oxigênio Cálcio Carbono Sódio Alumínio
Ponto 2
Ponto 1
Ponto 3
82
Figura 5.10 – Imagens e análise composicional em linha não passando pelos pontos 1, 2 e 3 da amostra 3
Legenda: Cromo Ferro Potássio
Enxofre Oxigênio Cálcio Carbono Sódio Alumínio
Ponto 1
Ponto 2
Ponto 3
83
Figura 5.11 – Imagens e análise composicional em linhas ligando o ponto 1 ao 2, o 2 ao 3 e o 1 ao 3 da amostra 3
Legenda: Cromo Ferro Potássio
Enxofre Oxigênio Cálcio Carbono Sódio Alumínio
1
2
2
3
3
1
84
Análises composicionais por EDS foram realizadas na amostra 4 fazendo varredura
linear do feixe de elétrons em linhas posicionadas na superfície do revestimento (Figura 5.12)
e transversalmente ao revestimento (Figura 5.13).
Legenda: Cromo Carbono Oxigênio Ferro
Legenda: Cromo Ferro Potássio Enxofre Oxigênio Cálcio Carbono Sódio Alumínio
Figura 5.12 – Imagem e análise composicional da superfície da amostra 4
Figura 5.13 – Imagem e análise composicional ao longo da seção transversal da amostra 4
85
Os espectros apresentados nas figuras 5.12 e 5.13 revelam que a contaminação por Fe,
Na, K, Ca e Al é apenas superficial, uma vez que os picos relativos a estes elementos só foram
identificados, quando a varredura linear do feixe de elétrons foi realizada na superfície do
revestimento de cromo (Figura 5.12). A presença de ferro no espectro da figura 5.13 é
proveniente do substrato de aço.
Os teores médios (% em peso) do Fe, Na, K, Ca e Al deduzidas dos espectros obtidos
nas diversas regiões analisadas da amostra 3 são de 16,94, 0,23, 0,12, 0,13 e 0,43
respectivamente.
A questão agora é: qual é a proveniência destes elementos?
Para o Na e K, sua presença poderia ser atribuída a priori ao manuseio da amostra e à
solução de lavagem da seção de limpeza alcalina que é levada pela tira em movimento. O
manuseio como causa da presença de Na e K pode ser descartado, já que o Na e K não foram
detectados nas amostras do rolo sem contato com a tira, que foram manuseadas de forma
similar. Uma análise da solução de lavagem foi realizada e é apresentada na figura 5.14.
Pode-se notar que as espécies majoritárias desta água são os metais alcalinos Na e K, os
metais alcalino-terrosos Ca e Mg e os metais Al e Fe, embora seus teores estejam a níveis de
alguns ppm ou menos. É razoável pensar que a contaminação da camada de cromo duro por
Na, K, Ca e Al esteja relacionada com a solução de lavagem que, levada pela tira em
movimento, acaba impregnando ao longo do tempo o revestimento de cromo. A presença em
grande quantidade de Fe na superfície do rolo terra (teor em torno de 17% peso) não pode ser
atribuída inteiramente à presença de Fe na solução de lavagem.
86
Figura 5.14 – Análise química de amostra da água do tanque de lavagem da seção de limpeza alcalina
Pode-se levantar outras origens da presença do Fe na análise por EDS da superfície do
cromo duro em contato com a tira: 1) interferência do substrato do cromo duro (o metal base
do rolo revestido é de aço carbono); 2) a própria tira de aço. Visto que a espessura do
revestimento de cromo duro na região do rolo desgastado é em torno de 150 μm (Figura 5.6),
o feixe de elétrons durante a análise por EDS não atinge o metal base de aço carbono,
portanto o Fe detectado não pode ser proveniente do substrato.
Foi realizada, para comparações, a análise superficial de um outro rolo revestido de
cromo duro da linha de cromagem, rolo este sem nenhum contato com a solução, apenas com
a tira de aço.
O espectro obtido apresentado na figura 5.15, revela a presença dos picos relativos aos
elementos Cr, C, O e Fe, indicando que a maior contribuição da presença do elemento Fe nos
diferentes espectros apresentados nas figuras 5.9 a 5.11, é devido ao atrito da tira de aço com
a superfície do rolo terra.
87
Figura 5.15 - Imagem e análise composicional da supefície de um rolo revestido de cromo duro com contato com a tira de aço mas sem contato com solução
Foram realizadas na amostra 1 (superfície do rolo sem contato com a tira) e na amostra
3 (superfície do rolo com contato com a tira) análises por difratometria de raios X.
Um difratograma típico obtido para a amostra 1 é apresentado na figura 5.16.
Difratogramas similares foram obtidos em outras regiões da amostra 1.
Figura 5.16 – Difratograma de raiso X da amostra 1 (sem contato com a tira)
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
400
500
600
700am ostra 1 - sem contato
Inte
nsid
ade
(con
tage
ns)
2θ (o)
Legenda: Cromo Carbono Oxigênio Ferro
88
Os picos, identificados usando as fichas JCPDS [46], correspondem aos planos (110),
(200) e (211) do cromo. O pico relativo ao plano (200) é pouco intenso. A figura 5.17
apresenta a sobreposição do difratograma da figura 5.13 com a simulação do difratograma de
cromo metálico obtido utilizando o programa POWDER CELL [46].
Figura 5.17 – Sobreposição do difratograma da amostra 1 (sem contato com a tira) e do difratograma característico do cromo metálico
A figura 5.18 mostra um difratograma típico obtido para a amostra 3 (com contato
com a tira). Difratogramas similares foram obtidos em outras regiões da amostra 3.
Só os picos relativos aos planos (110) e (211) do cromo metálico foram detectados
indicando a ausência de outras fases cristalinas (fora cromo) na superfície do rolo danificado.
No entanto observa-se uma redução da intensidade para o plano (110) quando comparado com
o espectro da figura 5.16. Além disso, em baixos ângulos, nota-se uma banda larga mal
definida característica de um material amorfo presente na superfície do cromo duro. Esta
poderia estar relacionada com óxidos de ferro, já que grande quantidade do elemento Fe foi
detectada por EDS. Vale lembrar que os óxidos decorrente de oxidação metálica em meios
aquosos são geralmente amorfos.
1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0
1 0 8 8 6 7
5 4 4 3 3
0
P o w d e r C e l l 2 . 2
C R O M O
110
200 21
1
c ro m o -s e m -d e fe ito .x _ y
89
Figura 5.18 – Difratograma da amostra 3 (com contato com a tira) Foram realizadas análises de difratometria de raios X por varredura ômega (rocking
curvs) nos picos (110) e (211) na amostra 1 sem contato com a tira e na amostra 3 com
contato com a tira.
Na figura 5.19 são apresentados os difratogramas da varredura ômega do pico (110).
Para a amostra 1, a curva medida pode ser ajustada por uma curva de Gauss, mostrando que
existe uma orientação preferencial dos grãos bem regular nesta direção (110). Na amostra 3, a
curva medida é irregular, com redução significativa na intensidade. Isso indica que na amostra
3, provavelmente devido ao desgaste do cromo duro decorrente do atrito da tira sobre o rolo,
os grãos passaram a ter uma distribuição aleatória e não mais uma orientação preferencial na
direção do plano (110).
Figura 5.19 – Difratogramas de varredura ômega do plano (110) da amostra 1 (sem contato com a tira) e da amostra 3 (com contato com a tira)
10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
400
500
600
700
(211
)
(110
)
x - cromo
x
x
amostra 3 - com contato
Inte
nsid
ade
(con
tage
ns)
2θ (o)
1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 50
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
(1 1 0 )
Inte
nsid
ade
(con
tage
ns)
ω ( o )
a m o s tra 1 a m o s tra 3
90
Os difratogramas de varredura ômega do pico (211) da amostra 1 e da amostra 3
(Figura 5.20) são parecidos e irregulares, mostrando que não existe uma orientação
preferencial dos grãos nesta direção.
Figura 5.20 – Difratogramas de varredura ômega do plano (211) da amostra 1 (sem contato com a tira) e da amostra 3 (com contato com a tira)
5.3 – Comportamento do rolo terra da seção de limpeza alcalina em condições simuladas
na planta piloto
Foi realizada a simulação das condições de processo na célula piloto de limpeza
alcalina, sendo que as condições dos experimentos foram as seguintes:
- seção de limpeza alcalina (NaOH – 25 a 35 g/L) e de lavagem (composição dada na figura
4.8), com soluções retiradas da planta industrial.
- intensidade de corrente (simulando a fuga) variando entre 60 a 80 A
- rolo terra n.º 15 (vide figura 4.1) sem e com aterramento.
- velocidade da tira 27 mpm.
Após a simulação das condições de processo na célula piloto de limpeza alcalina,
com o rolo terra n.º 15 sem aterramento, não foi observada a presença dos pontos claros
distribuídos de forma aleatória (denominados “vulcões”) na superfície do rolo, mas apenas a
mudança na coloração do rolo na região de contato com a tira de aço (Figura 5.21).
30 35 40 45 500
100
200
300
400
500
600
(211)
In
tens
idad
e (c
onta
gens
)
ω (o)
amostra 1 amostra 3
91
Figura 5.21 – Foto do rolo terra nº 15 sem aterramento após simulação na planta piloto
Na simulação com o rolo terra nº 15 com aterramento, foi possível observar a
formação de centelhamento (curto circuito) entre a tira de aço úmida em movimento, e a
superfície do rolo terra.
O rolo terra nº 15 aterrado removido da célula piloto de limpeza alcalina após 15 dias
de testes, se apresentou com a sua superfície degradada (Figura 5.22). É possível observar, na
região de contato direto com a tira, as mesmas mudanças nas características superficiais
verificadas no rolo terra da linha de produção, como coloração escura e presença de pontos
claros distribuídos aleatoriamente.
Estes pontos, não presentes no rolo terra não aterrado (Figura 5.21), estão então
relacionados com o sistema de aterramento em funcionamento.
Figura 5.22 – Foto do rolo terra nº 15 com aterramento após simulação na planta piloto durante 15 dias
92
Foram geradas no microscópio eletrônico de varredura (MEV) imagens topográficas
(Figura 5.23) de uma amostra retirada do rolo terra nº 15 danificado (aterrado). Podemos
observar a existência de pontos distribuídos aleatoriamente na superfície, sempre em alto
relevo, que lembram a forma de um “vulcão”, com as mesmas características da imagem
apresentada na figura 5.4, obtida com a amostra retirada da superfície (região de contato
direto com a tira de aço) do rolo terra que estava aplicado na linha de produção.
Figura 5.23 – Imagem topográfica (MEV) da amostra retirada da superfície do rolo terra nº 15 aterrado após simulação na planta piloto
Imagens topográficas obtidas em um microscópio estereoscópico (Figura 5.24),
mostram a variação na tonalidade das cores na região que separam os pontos em relevo.
Figura 5.24 – Imagem topográfica (estereoscópio) da amostra retirada da superfície do rolo terra nº 15 aterrado após simulação na planta piloto
1 μm
93
Foi realizada a análise composicional por espectroscopia de dispersão de energia
(EDS) desta amostra (Figura 5.25), fazendo-se uma varredura linear do feixe de elétrons. O
espectro obtido revela a presença dos picos relativos aos mesmos elementos encontrados na
amostra do rolo terra da linha de produção a saber, Cr, C, O, Fe, S, Na, K, Ca e Al.
Figura 5.25 – Análise composicional, da amostra retirada da superfície do rolo terra nº 15 aterrado após simulação na planta piloto A presença de Na, K, Ca e Al já foi atribuída à própria solução de lavagem que
contem estes elementos, e do Fe ao atrito da tira de aço com o rolo de cromo duro (ver item
5.2).
O aparecimento dos chamados “vulcões” está relacionado à formação intermitente de
pequenos arcos elétricos entre a tira úmida e o rolo terra. Estes arcos são detectados pela luz
emitida e pelo som de estalo característico. Estes arcos são resultantes de mal contato
localizado entre a tira de aço em movimento e o rolo terra, bem como do isolamento tira/rolo
terra decorrente de uma fina camada de solução de lavagem arrastada pela tira. Estes arcos
resultam em temperatura localizada muito alta, capaz de fundir localmente a tira como o
revestimento do rolo terra. Estes “vulcões” na supefície do rolo terra são provalvelmente
Legenda: Cromo Ferro Potássio
Enxofre Oxigênio Cálcio Carbono Sódio Alumínio
94
formados devida à fusão localizada do cromo duro.
Um teste, com o rolo terra nº 15 novo e aterrado, nas mesmas condições adotadas
anteriormente (intensidade de corrente de fuga, velocidade da tira) foi realizado com cuidados
especiais no nivelamento e alinhamento do rolo secador nº 14 (vide figura 4.1) em relação ao
rolo terra nº 15, bem como nos ajustes de regulagem (aperto) dos dispositivos pressionadores
(vide item 4.3). Os arcos elétricos não foram mais observados e nenhuma alteração nas
características superficiais do rolo, exceto a mudança de coloração proveniente do ferro, foi
detectada após 15 dias de teste.
Estes procedimentos operacionais relativos ao rolo secador estão sendo
implementados na linha de produção eletrolítica da folha cromada da CSN.
95
6 – CONCLUSÕES
A caracterização morfológica e composicional do rolo terra, usado na seção de
limpeza alcalina da linha de cromagem eletrolítica da Companhia Siderúrgica Nacional para o
aterramento das correntes de fuga provenientes da seção de eletrodeposição de cromo,
mostrou que:
- a região periférica do rolo (que só entrou em contato com a tira em eventual deslocamento
lateral da tira) apresentava uma superfície conservada de cromo duro com morfologia nodular
e a presença dos elementos Cr, C e O.
- a região do rolo que estava em contato direto com a tira apresentava uma superfície
desgastada, evidenciada pela emergência de microtrincas, pela redução significativa da
espessura da camada de cromo e pela presença de saliências superficiais em forma de
pequenos vulcões. A análise química da superfície desta região do rolo revelou a presença de
Cr, C e O, mas também dos elementos Fe, Na, K, Ca, Mg e Al.
Comprovou-se que a presença de Na, K, Ca, Mg e Al era proveniente da solução de
lavagem (que contém estes elementos), que, arrastada pela tira durante a passagem na seção
alcalina, acabava impregnando o rolo terra. A presença do elemento Fe, provavelmente na
forma de óxidos, foi atribuída principalmente ao atrito da tira de aço com a superfície do rolo
terra.
Uma célula piloto representando a seção de limpeza alcalina em escala 1:10 foi
projetada e construída para determinar a origem do aparecimento das saliências na superfície
do rolo em contato com a tira de aço.
Testes de simulação realizados nesta célula com aplicação de corrente de fuga
conduziram a um desgaste do rolo terra idêntico ao observado no rolo terra da planta
industrial. Sem passagem de corrente, não houve deterioração do rolo.
96
O aparecimento das saliências observadas na superfície do rolo em contato direto com
a tira foi atribuído a pequenos arcos elétricos intermitentes formados entre a chapa de aço e a
superfície do rolo, produzindo fusão localizada do cromo duro. Cuidados especiais no
nivelamento e alinhamento do rolo secador em relação ao rolo terra, bem como nos ajustes de
aperto dos dispositivos pressionadores, permitiram eliminar a formação dos arcos elétricos, e
consequentemente os danos ao rolo terra.
97
REFERÊNCIAS
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100
ANEXOS
101
Anexo 1 - Desenho NSC B-241511 - Rolo deflector
102
Anexo 2 - Desenho NSC B-241512 - Rolo submerso
103
Anexo 3 - Desenho NSC B-241473 - Rolo terra ou condutor
104
Anexo 4 - Desenho NSC B-382959 - Rolo secador
105
Anexo 5 - Desenho NSC B-227547 - Tanque de processo (detalhes vista frontal)
106
Anexo 6 - Desenho NSC B-227549 - Tanque de processo (detalhes parte inferior)
107
Anexo 7 - Desenho NSC B-227552 - Mancal de rolamento
108
Anexo 8 - Desenho GEE00074 - Célula piloto de limpeza alcalina
109
Anexo 9 - Desenho CSN DE002604 fl3 - Circuito de disparo (diagrama elementar)
110
Anexo 10 - Desenho CSN DE002604 fl4 - Circuito de disparo (diagrama elementar)