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FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI CIMATEC PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GESTÃO E TECNOLOGIA INDUSTRIAL ROBERT SANTOS CORBACHO ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO ABNT 1075 Salvador 2014

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FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI CIMATEC

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GESTÃO E

TECNOLOGIA INDUSTRIAL

ROBERT SANTOS CORBACHO

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO

DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO

ABNT 1075

Salvador

2014

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ROBERT SANTOS CORBACHO

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO

DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO

ABNT 1075

Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de

Pós-Graduação em Gestão e Tecnologia Industrial, da

Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, como

requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em

Gestão e Tecnologia Industrial.

Orientador: Prof. Dr. Guilherme Oliveira de Souza

Salvador

2014

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ROBERT SANTOS CORBACHO

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO

DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO

ABNT 1075

Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre

em Gestão e Tecnologia Industrial, Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC.

Banca Examinadora

Orientador: Prof. Dr. Guilherme Souza

Doutor em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo ITA – Instituto Tecnológico da

Aeronáutica, São José dos Campos, Brasil.

Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC

Membro Interno: Prof. Dr. Manoel Carreira Neto

Membro Externo: Prof. Dr. Charles Chemale Yurgel

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Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC

Mestrado Profissional em Gestão e Tecnologia Industrial

A Banca Examinadora, constituída pelos professores abaixo listados, aprova a

Defesa de Mestrado, intitulada “ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO

PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM

MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO ABNT 1075”, apresentada no dia 25 de julho

de 2014, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Mestre

em Gestão e Tecnologia Industrial.

Orientador: Prof. Dr. Guilherme Oliveira de Souza

Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC

Membro Interno: Prof. Dr. Manoel Carreira Neto

Membro Externo: Prof. Dr. Charles Chemale Yurgel

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DEDICATÓRIA

_____________________________________________________________

Dedico este trabalho a toda minha família.

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______________________________________________________________

AGRADECIMENTOS

_____________________________________________________________

A todos aqueles que colaboraram na preparação deste trabalho e que sem os

mesmos este projeto não seria possível, em particular:

A toda minha família, pelo apoio e paciência em todos os momentos.

Ao Professor Doutor Guilherme Oliveira de Souza, orientador que foi decisivo em

momentos de grandes dificuldades de prosseguimento dos trabalhos, e forneceu

subsídios e conhecimentos para viabilizar a conclusão deste projeto.

Aos meus filhos Arthur, Igor e Cecilia, pelos quais tenho amor incondicional.

A minha esposa Renata. Sem ela esta realização pessoal seria impossível. O

companheirismo, a paciência e o incentivo me ajudaram a transpor todas as

barreiras e dificuldades.

Aos amigos Daniel Amarante e Thiago Rangel pelo apoio decisivo e por sempre

estarem ao meu lado.

A Empresa em que trabalho pela oportunidade de desenvolvimento profissional e

capacitação técnica.

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RESUMO: ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO

ÓXIDO DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO

ABNT 1075

___________________________________________________________________

O objetivo principal deste trabalho é analisar a viabilidade técnica do pré-tratamento mecânico de remoção de carepa da superfície do fio-máquina ABNT 1075 para a produção de fios de aço como alternativa à decapagem química. A retirada da camada de óxidos ou carepa, conhecida por decapagem, tem grande importância e influência na qualidade superficial do fio de aço trefilado. A decapagem tem como objetivo eliminar a camada de óxidos, além de possibilitar uma condição superficial que permita facilitar o transporte do lubrificante sobre o fio trefilado antes mesmo do início da trefilação, evitando danos ao processo. Este trabalho apresenta uma revisão teórica e conceitual sobre o processo de conformação de metais denominado trefilação, associado a um estudo experimental sobre o processo de pré-tratamento superficial do aço ABNT 1075, através da decapagem mecânica, utilizando decapador mecânico por flexão. A análise do processo de remoção do óxido de ferro através de meios mecânicos contou com a realização de experimentos, onde foram avaliadas as influências da velocidade de trefilação e utilização de lubrificantes secos a base de sódio e cálcio. Foram utilizados como critérios de avaliação o número de fraturas de fio e a quantidade de trocas de fieiras, assim como os critérios de aceitação da qualidade do produto final, que são analisados através do aspecto visual da superfície, e ensaios físicos de medição de diâmetro, carga de ruptura e ensaios metalográficos realizados em laboratórios específicos. Os resultados dos experimentos possibilitaram verificar que o processo mecânico de remoção da carepa possui viabilidade técnica em três das quatro condições experimentais desenvolvidas. Apesar do processo de decapagem mecânica apresentar desempenho inferior quando comparado ao processo de decapagem química para requisitos como índice de fraturas na trefilação e processo pós-trefilação, o mesmo pode ser considerado tecnicamente viável.

Palavras-chave: Carepa, Decapagem, Fio de aço, Fio-máquina, Trefilação.

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ABSTRACT: TECHNICAL FEASIBILITY ANALYSIS OF THE IRON OXIDE REMOVAL BY

MECHANICAL DESCALING ON THE DRAWING OF ABNT 1075 STEEL

___________________________________________________________________

The main objective of this work is to analyze the technical feasibility of the iron oxide removal by mechanical descaling on the drawing of ABNT 1075 steel wire as an alternative to descaling chemical. The removal of the oxide layer or mill scale, known as pickling, has great importance and influence on the surface quality of cold drawn steel wire. This process is used to eliminate the oxide layer and provide a surface condition which allows easy transportation of lubricant on the wire rod before the start of the drawing, preventing damage to the process. This work presents a review of the metal forming process called drawing, associated with an experimental study on the impacts of using mechanical descaling instead of chemical pickling as a surface pre-treatment process before the drawing of ABNT 1075 steel. Experiments were performed where the influence of the drawing speed and the use of sodium and calcium based dry lubricants were evaluated. The evaluation criteria for the technical feasibility analysis were the number of wire fractures and of dies changes, as well as the quality acceptance criteria for the final product, analyzed by visual inspection of the wire surface, diameter measurements, tensile strength tests and metallographic inspection. The results of the experiments show that the mechanical removal of the mill scale has technical feasibility for three of the four experimental conditions. Although mechanical descaling presented lower performance when compared to chemical pickling, the mechanical descaled wire has shown a rate of fractures in the drawing and post-drawing processes that allows the process to be considered technically feasible.

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LISTA DE TABELAS

_______________________________________________________________

Tabela 1 – Composição química nominal do aço ABNT 1075 (% em peso), (NBR

87:2000, 2010)...........................................................................................................55

Tabela 2 – Dados do fio-máquina utilizado no experimento......................................56

Tabela 3 – Jogos de fieiras utilizados........................................................................64

Tabela 4 – Composição química básica (%) de sabões lubrificantes (relatório de

análise química da Alfa Metalúrgica, 2014 )...............................................................65

Tabela 5 - Dados do DOE (Design of Experiments)...................................................66

Tabela 6 – Dados e Resultados do Experimento.......................................................72

Tabela 7 – Avaliação de Fraturas Processo pós Trefilação.......................................83

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LISTA DE FIGURAS

___________________________________________________________________

Figura 1 – Esquema de trefilação através de uma matriz (Adaptado de Mondardo,

2012),.........................................................................................................................23

Figura 2 - Fios de aço trefilados (próprio autor, 2014)...............................................23

Figura 3 – Alguns produtos que utilizam o fio-máquina como matéria-prima

(www.Belgo.com.br, 2013) ....................................................................................... 24

Figura 4 – Cargas tipo colmeia, para transportes de bobinas de fio-máquina

(Barbosa, 2006)..........................................................................................................25

Figura 5 – Estocagem de bobinas de fio-máquina (Barbosa, 2006)..........................26

Figura 6 – Carepas na superfície do aço (esquerda) e carepas eliminadas pelo

processo (direita) (CUNHA et al.,2006)......................................................................27

Figura 7 – Exemplo de carepa na superfície do aço (CUNHA et al., 2007)...............28

Figura 8 – Micrografia apresentando defeito superficial tipo carepa incrustada (Barbosa, 2006...........................................................................................................29

Figura 9 – Tanque de decapagem química de bobinas de fio-máquina (Gillstrom e

Jarl, 2006)...................................................................................................................30

Figura 10 – Superfícies decapadas de fios-máquina (Gillstrom e Jarl, 2006)............32

Figura 11 – Decapadores mecânicos por flexão (Eder, 2006)...................................33

Figura 12 – Caixa de fieira com matrizes refrigeradas a água (El-Domiaty e

Kassab,1998).............................................................................................................38

Figura 13 – Ilustração de rugosidades na superfície do fio trefilado (Cetlin, 2002)...41

Figura 14 – Graxadeira de máquina de trefilação de fios de aço (RUIZ et al., 2001, ...................................................................................................................................42

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Figura 15 – Comparação de lubrificação primeiro bloco de trefilação (Dove, 1979..........................................................................................................................43

Figura 16 – Fieiras de trefilação (Sy-Wei e Yuung, 2002).........................................46

Figura 17 – Desenho da fieira em corte transversal (Oliveira, 2009).........................47

Figura 18– Representação esquemática de fratura dúctil (Callister, 2007)...............49

Figura 19 – Aspecto de fratura dúctil (Callister, 2007)...............................................50

Figura 20 – Aspecto de fratura frágil (Callister, 2007)................................................50

Figura 21 – Desenho do “pé de corvo” na superfície do fio de aço e ruptura típica em

função do crescimento do “pé de corvo” (Magalhães, 2011).....................................51

Figura 22 – Formação do defeito “rupturas centrais” (WRIGHT, 1996a)...................52

Figura 23 – Micrografia de defeito superficial em fio de aço denominado trinca

(Barbosa, 2006)..........................................................................................................53

Figura 24 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo dobra (Barbosa,

2006)..........................................................................................................................53

Figura 25 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo carepa incrustrada

(Barbosa, 2006)..........................................................................................................54

Figura 26 – Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem química

de fio-máquina (Adaptado de Eder, 2005).................................................................57

Figura 27 – Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem

mecânica de fio-máquina (Adaptado de Eder, 2005).................................................58

Figura 28 – Suporte desbobinador de bobinas de fio-máquina (Próprio autor,

2014)..........................................................................................................................59

Figura 29 – Decapador mecânico por flexão (Gillstrom, 2006)..................................60

Figura 30 – Bancada de escovas (Gillstrom, 2006)...................................................60

Figura 31 – Tanque de bórax pentahidratado (Cetlin, 1983).....................................61

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Figura 32 – Máquina de trefilação Java China B302 (Meyers, 1982)........................61

Figura 33 – Carretel de acondicionamento de fio trefilado (Próprio autor, 2014)......62

Figura 34 – Microscópio estereoscópio modelo XTX 3C (Próprio autor, 2014).........66

Figura 35 – Micrômetro digital Digimess (Próprio autor, 2014)..................................67

Figura 36 – Máquina de Tração Instron modelo 3382 (Próprio autor, 2014).............68

Figura 37 – Fratura trefilado 1,27mm carretel no 10 (Próprio autor, 2014)................72

Figura 38 – Aspecto visual de fios trefilados 1,27mm (Próprio autor, 2014)..............72

Figura 39 – Análise metalográfica trefilado 1,27mm – carretel no. 12 (Próprio autor,

2014)..........................................................................................................................73

Figura 40 – Variação de diâmetro – 1ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......73

Figura 41 – Carga de ruptura - 1º teste e réplica (Próprio autor, 2014).....................74

Figura 42 – Amostras de fio-máquina (Próprio autor, 2014)......................................74

Figura 43 – Ampliação de amostras de fio-máquina para verificação de carepa

residual (Próprio autor, 2014).....................................................................................75

Figura 44 – Ampliação de amostras de fio-máquina para verificação de carepa

residual (Próprio autor, 2014).....................................................................................75

Figura 45 - Variação de diâmetro – 2ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......76

Figura 46 – Carga de ruptura – 2ª condição e réplica (Próprio autor, 2014)..............77

Figura 47 – Foto de fratura – amostra nº 58 (Próprio autor, 2014)............................78

Figura 48 - Foto de fratura – amostra nº 71 (Próprio autor, 2014).............................78

Figura 49 – Fio trefilado – amostra nº 58 (Próprio autor, 2014).................................79

Figura 50 - Variação de diâmetro – 3ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......79

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Figura 51 – Carga de ruptura – 3ª condição e réplica (Próprio autor, 2014)..............80

Figura 52 - Variação de diâmetro – 4ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......81

Figura 53 - Carga de ruptura – 4ª condição e réplica (Próprio autor, 2014)..............81

Figura 54 – Efeito do parâmetro velocidade de trefilação (Próprio autor, 2014)........84

Figura 55 – Efeito dos parâmetros lubrificantes de trefilação (Próprio autor, 2014)..85

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16

1.1 Objetivos ...................................................................................................... 19

2 REVISÃO TEÓRICA .......................................................................................... 20

2.1 Processo de Trefilação ................................................................................. 21

2.2 Processos e Tratamentos Pré-Trefilação ..................................................... 27

2.2.1 Decapagem Química ............................................................................. 29

2.2.2 Decapagem Mecânica ........................................................................... 32

2.3 Qualidade e Produtividade no Processo de Trefilação .................................... 36

2.3.1 Influências da Velocidade na Trefilação .................................................... 36

2.3.2 Influência da Lubrificação na Trefilação .................................................... 38

2.3.3 Fieiras de Trefilação .................................................................................. 45

2.3.4 Fraturas na Trefilação ............................................................................... 48

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................. 54

3.1 Caracterização do Material (Fio-máquina) ................................................... 55

3.2 Fluxo de Processos ...................................................................................... 56

3.2.1 Decapagem Química ................................................................................. 56

3.2.2 Decapagem Mecânica ............................................................................... 58

3.3 Condições Experimentais ................................................................................ 62

3.4 Procedimentos de Análise do Experimento ..................................................... 65

3.4.1 Viabilidade de Processo e Produtividade .................................................. 65

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3.4.2 Qualidade .................................................................................................. 66

3.4.3 Qualidade Pós-Trefilação .......................................................................... 69

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 70

4.1 Apresentações dos Resultados ....................................................................... 70

4.2 Análise da Viabilidade Técnica ........................................................................ 82

4.3 Análise do Efeito da Variação dos Parâmetros ................................................ 84

5 CONCLUSÃO .................................................................................................... 86

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 89

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1 INTRODUÇÃO

Apesar da ciência e da engenharia estarem sempre buscando materiais alternativos

como a utilização de produtos poliméricos e cerâmicos (utilizados pela humanidade

antes dos metálicos) para a fabricação de artefatos diversos com inúmeras

aplicações, os metais, especialmente o aço, ainda possui extrema importância na

vida moderna. Isso se dá em função de que este material costuma apresentar

importantes propriedades que contribuem com grande aplicabilidade, como a

elevada resistência mecânica e ductilidade, e que pode assumir uma grande

diversidade de formas, favorecendo a sua utilização em vários segmentos (CETLIN;

HELMAN, 2005).

Segundo o Instituto Aço Brasil (2014), as atividades do mundo contemporâneo são

extremamente dependentes do aço. No atual estágio de desenvolvimento da

sociedade, é impossível imaginar o mundo sem o uso do aço. A produção de aço é

um forte indicador do estágio de desenvolvimento econômico de um país. Seu

consumo cresce proporcionalmente à construção de edifícios, execução de obras

públicas, instalação de meios de comunicação e produção de equipamentos.

Para atender a demanda global por aços e seus derivados, a produção mundial tem

se mantido constante e em alta. Segundo o Word Steel Association (2014), a

produção mundial de aço bruto para os 65 países que notificaram a Associação

Mundial do Aço (IISI) foi de 127 milhões de toneladas em novembro de 2013, um

aumento de 3,6% em relação a novembro de 2012. De acordo com o mesmo órgão,

no acumulado dos onze primeiros meses de 2013, a produção global de aço

totalizou 1,321 bilhão de toneladas, uma alta de 3,2% frente ao registrado em igual

período de 2012.

Para os números nacionais, a produção brasileira de aço bruto em novembro de

2013 foi de 2,7 milhões de toneladas, uma queda de -2,8% em relação a novembro

de 2012, segundo dados da Word Steel Association (2014). Porém dados de

dezembro de 2013 divulgados pelo Instituto Aço Brasil (2014), revelam que a

produção brasileira de aço bruto em dezembro de 2013 foi de 2,7 milhões de

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toneladas, alta de 4,0% quando comparada com o mesmo mês em 2012 e com esse

resultado, a produção nacional acumulada em 2013 totalizou 34,2 milhões de

toneladas de aço bruto, 1,5% maior comparando ao mesmo período de 2012.

Uma das formas de beneficiar o aço é através da trefilação. A trefilação é um dos

processos industriais de transformação e beneficiamento de metais, especialmente o

aço, no qual uma barra ou um fio de metal é forçado a passar através de uma fieira

mediante a aplicação de uma força de tração à saída desta fieira, contribuindo com a

fabricação de produtos com diversas formas geométricas possíveis, conferindo ao

material trefilado precisão dimensional e propriedades mecânicas controladas

(CETLIN e HELMAN, 2005; FELDER et al., 2012; EL-DOMIATY; KASSAB, 1998).

Arames trefilados são produtos oriundos da trefilação que podem ser aplicados em

uma enorme diversidade de produtos acabados como fios de aço para pneus,

grampos, pregos, vergalhões, arames para solda, fios para protensão, telas, arames

para construção civil, dentre outros (BELGO, 2013).

A qualidade superficial do fio de aço trefilado é uma das principais exigências, não

apenas do produto acabado, mas também em todas as fases do processo de

transformação nas empresas metalúrgicas. Possivelmente alguns dos principais

problemas do processo de trefilação estão relacionados com a sua grande

sensibilidade a variações de seus processos e operações, incluindo entre estes as

características que determinam o tratamento de pré-trefilação do aço, conhecido

como decapagem (CHATTOPADHYAY et al., 2009).

A decapagem é um processo de preparação superficial do aço que tem como

objetivo remover a carepa – camada superficial composta, no caso dos aços, por

óxidos de ferro – que se formam como consequência da laminação à quente do fio-

máquina, matéria-prima usada para o processo de trefilação (GILLSTROM; JARL,

2006).

Esta camada de óxidos é caracterizada por uma dureza muito elevada com relação

à dureza do restante do fio-máquina, e deve ser removida antes do processo de

trefilação, pois a sua permanência, ou sua remoção de forma irregular, pode

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18

ocasionar danos ao processo e ao produto final, podendo inclusive, inviabilizá-lo

(GILLSTROM; JARL, 2006).

A decapagem de fios-máquina pode ser feita por dois tipos de processo, o químico

ou o mecânico.

No processo de decapagem química a retirada da carepa é feita por meio do ataque

químico controlado sobre a superfície do fio-máquina. Para tal, as bobinas deste

material são submergidas em tanques de ácido sulfúrico ou clorídrico para remoção

dos óxidos superficiais, depois passam por processo de lavagem com água e

neutralizantes, como banhos de bórax ou cal para evitar a corrosão do próprio fio

(DOVE, 1979).

Já no processo de decapagem mecânica, o fio-máquina passa por um equipamento

chamado decapador mecânico. O tipo mais comum deste equipamento é o

conhecido por decapador mecânico por flexão, composto normalmente por um

conjunto de polias posicionadas de maneira que faça com que o fio-máquina sofra

sucessivas flexões, provocando o rompimento e o descolamento da camada de

óxidos da superfície da matéria-prima (CHATTOPADHYAY et al., 2009;

GILLSTROM; JARL, 2006).

Segundo Hu et al. (2013), tendo em vista a produtividade e meio ambiente, a

decapagem mecânica tem sido amplamente utilizada recentemente como alternativa

para substituir a decapagem química.

O presente trabalho teve como motivação a proposta, em uma empresa do ramo

metalúrgico, de desenvolvimento de um processo de decapagem mecânica como

tratamento pré-trefilação, como alternativa à decapagem química, tradicionalmente

aplicada. A proposta visava verificar a viabilidade técnica deste processo na

preparação superficial de fios de aço ABNT 1075, diâmetro 4,75 mm, para trefilação.

A expectativa era de que a decapagem mecânica, mostrando-se viável

tecnicamente, permitiria à empresa a simplificação do fluxo de produção de fios

trefilados, uma vez que traria as seguintes vantagens:

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• Redução do manuseio do fio-máquina, cujas bobinas não mais precisariam

ser levadas para os tanques de decapagem, lavagem e neutralização, assim

como para o galpão de secagem, nem necessitariam ser devolvidas ao

galpão de estoque;

• Eliminação dos custos com o tratamento dos efluentes da estação de

decapagem (ácidos, água e neutralizantes), com o armazenamento de ácidos

e neutralizantes e com a manutenção dos tanques desta estação;

• Redução de controles documentais e pessoal envolvido no processo;

• Redução dos impactos ambientais relacionados com a produção de fios

trefilados, uma vez que deixam de ser utilizados ácidos e neutralizantes, e

reduz-se o consumo de água empregada neste processo.

1.1 Objetivos

O objetivo principal deste trabalho foi analisar a viabilidade técnica da utilização do

processo de decapagem mecânica, como processo de tratamento pré-trefilação,

para a remoção de carepa de óxidos de ferro de fio-máquina de aço ABNT 1075,

diâmetro 4,75 mm, como alternativa à decapagem química.

Os objetivos específicos deste trabalho foram uma análise, com base na literatura,

dos processos de decapagem química e mecânica, e a avaliação, através de

métodos experimentais, dos efeitos da variação dos parâmetros do processo de

trefilação sobre produtividade e sobre a qualidade do produto final.

Os métodos aplicados para atingir os objetivos propostos por este trabalho foram

uma revisão teórica e conceitual sobre o tema, associada a um estudo experimental.

A revisão teórica apresenta os conceitos e teorias do processo de trefilação. O

estudo experimental foi composto por experimentos de trefilação e pós-trefilação,

analisando os impactos do processo de decapagem mecânica sobre os resultados

do processo de trefilação do aço ABNT 1075. Os capítulos a seguir trazem os

resultados destes estudos.

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2 REVISÃO TEÓRICA

Tem sido uma constante a procura de novos materiais por parte do homem, de tal

forma que torne a sua existência mais cômoda e segura. A utilização de madeiras,

rochas e ossos em ferramentas agrícolas, domésticas e armas foram algumas das

primeiras iniciativas neste sentido. É provável também que o ouro e o cobre, por

serem encontrados na natureza sob a forma metálica, tenham sido os primeiros

metais a serem utilizados pelo homem (BARBOSA, 2006).

Atualmente a produção da maioria dos metais se dá na forma líquida a partir dos

minérios extraídos do subsolo terrestre e posteriormente solidificados em diversos

formatos, tais como lingotes e tarugos em indústrias siderúrgicas.

Para a confecção de uma peça adequada a ser utilizada como produto acabado,

haverá a necessidade de transformação das formas, dimensões e características

mecânicas desses lingotes e tarugos através da conformação mecânica. Os

processos de conformação mecânica alteram a geometria do material por meio de

forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas

matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação (BELGO, 2013).

O estudo iniciado nesse capítulo visa um melhor entendimento sobre variáveis do

processo de trefilação, que é uma das formas de conformação mecânica do aço.

Segundo Dieter (1981) e Giorgini (2013), a conformação mecânica dos metais,

também conhecida como transformação mecânica dos metais, é um campo de

grande importância dentro da área de técnicas de fabricação de peças metálicas, e

refere-se à mudança de forma e de dimensões de metais através da aplicação de

esforços mecânicos externos, que reagem com uma alteração irreversível de

dimensões, conhecida como deformação plástica. Além da mudança de dimensões,

outro resultado obtido comumente através da conformação mecânica é a alteração

das propriedades mecânicas do metal em relação àquelas anteriores ao

processamento (LUIS et al. 2005; CETLIN; HELMAN, 2005).

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A grande importância dos metais a serviço da tecnologia deve-se ao fato da relativa

facilidade com que os mesmos podem ser modificados através da conformação, e

transformados em formas bastante eficazes e úteis, tais como fios, tubos, barras e

chapas. Estas modificações eficazes podem ser determinadas a partir da

deformação plástica, onde não se reduz a quantidade de metal, ou seja, através dos

quais o volume e a massa do metal são preservados, alterando apenas a forma

geométrica e a propriedade mecânica (HIGDON et al., 1981; ALTAN et al.,1999).

Os processos de conformação podem ser classificados em algumas categorias

como: forjamento, extrusão, laminação, dobramento, estampagem, trefilação dentre

outros processos (SCHAEFFER, 1995).

O processo de conformação mecânica através da trefilação consiste em forçar a

passagem de uma barra ou fio através de uma ferramenta, mediante a aplicação de

uma força de tração à saída desta ferramenta (CALLISTER, 2007; DIETER, 1998;

MAJTA et al., 1992; SCHAEFFER, 1995). O material, ao ser forçado a passar pela

matriz de trefilação, deforma-se, reduzindo sua seção transversal para assumir o

perfil de saída da mesma, obtendo-se propriedades mecânicas controladas e

controle dimensional desejado (CALLISTER, 2007). A trefilação é um processo de

fabricação que permite a produção de produtos contínuos, com os mais variados

perfis obtidos de grande variedade de materiais (NEVES, 2003).

Os fios metálicos de seção circular, provenientes da trefilação, são largamente

empregados pela indústria de transformação em diversos artefatos, além disso, os

produtos trefilados são utilizados como matéria-prima para posterior processamento

a frio, gerando uma enorme quantidade de produtos (MAGALHÃES, 2011).

2.1 Processo de Trefilação

O processo de trefilação é conceituado como um processo de conformação

mecânica que se realiza pela operação de conduzir um fio, barra ou tubo através de

uma ferramenta denominada fieira, de formato externo cilíndrico de dimensão

conhecida e controlada e que contém um furo em seu núcleo, por onde passa o

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material trefilado, tracionado por uma força de tração à saída desta fieira (BUTTON

2007; DIETER 1998; BYON et al., 2011; BRESCIANI et al.,1996).

A trefilação normalmente é realizada à temperatura ambiente usando um número de

reduções através de fieiras consecutivas em máquinas de trefilação (CALLISTER,

2007).

Trata-se de uma das operações de conformação mecânica mais antiga e de grande

importância industrial, permitindo a produção de barras, arames e tubos, entre

outras formas (CETLIN; HELMAN, 2005). Segundo Button (2007), a passagem do fio

de aço por uma matriz de trefilação promove a redução de sua seção, alteração das

propriedades mecânicas e dimensionais do material.

Para Cetlin e Helman (2005), este processo industrial de produção permite que o

material trefilado reduza sua seção obtendo assim diversos perfis geométricos, além

de uma boa qualidade superficial.

A figura 1 ilustra o fluxo esquemático deste processo. Há uma deformação no

momento em que o material é forçado a passar pela fieira, reduzindo a sua seção

transversal, como não há a redução da massa do fio trefilado, ocorre o aumento do

comprimento do material. Os fios trefilados podem ser produzidos em diferentes

perfis, sendo mais comum os de seções circulares (CALISTER, 2007).

A trefilação representa um amplo campo de estudo, cujas investigações vão desde

os aspectos relacionados ao próprio processo (matéria-prima, tensão de trefilação,

lubrificação, matrizes de trefilação, máquinas, temperatura, velocidade, entre

outros), até a análise do comportamento ou propriedades subsequentes do material

trefilado (DIETER, 1998).

Para a produção de fios de aço a partir da trefilação utiliza-se a matéria-prima

denominada fio-máquina (ABDELKADER, 2012). A figura 2 apresenta fios de aço

em embalagem muito utilizada para acondicionar arames trefilados diversos,

denominada rolos trefilados.

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Figura 1 - Esquema de trefilação através de uma matriz

Fonte: Adaptado de Mondardo (2012).

Segundo Magalhães et al. (2011), o fio-máquina é utilizado como matéria-prima na

trefilação de fios de aço, em formato cilíndrico, laminado a quente, elaborado com

alto, médio e baixo teor de carbono e processado em indústrias siderúrgicas.

Figura 2 – Fios de aço trefilados

Fonte: Próprio autor

As bobinas são acondicionadas e podem variar de uma a duas toneladas e meia de

massa, e produzidas em diâmetros que podem variar entre 5,50 mm e 32 mm. Em

alguns casos, no desenvolvimento de novos processos, podem ser solicitadas ao

fornecedor mudanças tanto na composição química dos aços como também em seu

diâmetro (DOVE, 1979).

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O fio-máquina é a matéria-prima para produtos de aço, tais como: fios para lã de

aço, fixadores, molas, eletrodos e solda MIG, e, ainda, aplicações em agropecuária,

construção civil, eletrificação, cabos, linha branca e barras para construção

mecânica. Na indústria automobilística serão usados para produção de molas

helicoidais para amortecedores, fios de aço na constituição do talão e na banda de

rodagem de pneus, molas diversas, bases para estofados, volantes e muitos outros

(BELGO, 2013). A figura 3 mostra alguns produtos que são produzidos com essa

matéria-prima.

De acordo com Rizzo (2005), as aplicações do fio-máquina podem ser divididas de

acordo com o tipo de aço utilizado:

• Aços com baixo teor de carbono (inferior a 0,3%) – são utilizados na

fabricação de pregos, grampos, arames farpados e galvanizados para

aplicação na agropecuária, chapas automobilísticas, perfis estruturais e

construção civil;

• Aços com médio teor de carbono (entre 0,3% e 0,7%) – são aplicados em

molas de estofados, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas,

que necessitem de resistência equivalente a esse teor de carbono;

• Aços de alto teor de carbono (acima de 0,7%.) – são comumente utilizados

em molas mecânicas, ferramentas como talhadeiras, folhas de serrote,

martelos e facas.

Figura 3 - Alguns produtos que utilizam o fio-máquina como matéria-prima

Fonte: (BELGO, 2013)

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A manipulação de fio-máquina pode levar a diferentes defeitos superficiais, e

segundo Yalamanchili et al. (2000), quando tais defeitos não ocasionam a ruptura do

produto durante sua trefilação, podem ser prejudiciais na produção subsequente de

produtos conformados a frio, comprometendo a qualidade, e inclusive levando até

mesmo ao sucateamento dos mesmos. Segundo Magalhães et al. (2011) e Griza et

al. (2009), o transporte, o local de estocagem e o manuseio são etapas que

antecedem a todo o processo de trefilação, e são de fundamental importância para

se obter a produção de um fio de aço trefilado com qualidade.

É recomendado que o transporte do fio-máquina seja realizado em cargas

específicas com proteção de emborrachados ou afins, evitando que aconteça o atrito

entre as bobinas e partes metálicas da carroceria do veículo, conforme pode ser

visualizado na figura 4. Segundo Yalamanchili et al. (2000), a estocagem deve ser

feita preferencialmente em local seco e coberto evitando processo de corrosão, e o

manuseio através de máquinas com específicos sistemas de proteção forrados de

materiais como polímeros, borrachas ou afins que possam evitar avarias superficiais

ao aço através do contato.

Figura 4 – Cargas tipo colmeia, para transporte de bobinas de fio máquina.

Fonte: Barbosa, 2006

Segundo Yalamanchili et al. (2000) e Geneve e François (1994), se o fio-máquina

apresentar defeitos em sua superfície, como avarias, escamas e dobras, podem

ocorrer fraturas, que diminuirão a produtividade do processo de trefilação. Afirma

Yalamanchili et al. (2000), que mesmo quando os defeitos não são graves o

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suficiente para causar fraturas, será gerado um fio de aço com superfície irregular, e

essas irregularidades impedem a limpeza eficiente do arame, levando restos de

carepa para o processo subsequente, prejudicando a qualidade do produto e a

produtividade do processo. De acordo com Magalhães (2011), é muito importante a

inspeção das bobinas de fio máquina para impedir que eventuais defeitos de

superfície produzam fios de aço com qualidade inferior.

A figura 5 evidencia a forma de estocagem de bobinas de fios-máquina. Separados

entre os topos, evitando contato frontal entre as espiras, com proteção entre o piso e

as bobinas (BARBOSA, 2006).

Segundo Barbosa (2006), outra observação muito importante diz respeito às

amarras das bobinas. As mesmas devem estar e permanecer bem firmes fazendo

com que as espiras das bobinas permaneçam bem compactadas até o momento do

abastecimento das máquinas para início do processo. Caso contrário poderá haver

perda de material por espalhamento das espiras.

Figura 5 – Estocagem de Bobinas de fios-máquina, matéria-prima utilizada no processo de trefilação.

Fonte: Barbosa, 2006

As dimensões das bobinas de fio-máquina devem ser controladas. Segundo Geneve

e François (1994), dados como diâmetro e ovalização devem ser verificados para

evitar que irregularidades em sua forma gerem atrito desnecessário junto às fieiras,

acelerando seu desgaste ou criando a possibilidade de surgirem defeitos na

superfície do arame.

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2.2 Processos e Tratamentos Pré-Trefilação

Segundo autores como Gillstron e Jarl (2006), Geneve e François (1994) e Pickens

(1984), antes de se iniciar o processo de trefilação, faz-se necessário à remoção da

camada de óxidos, conhecida como carepa, existente na superfície do fio-máquina.

Segundo Cunha et al. (2006), carepa é um co-produto resultante da oxidação da

superfície do aço, quando submetido ao gradiente térmico ou a simples ação do

tempo. A quantidade e o tipo das carepas existentes na superfície de fio-máquina

variam conforme o tipo de aço, o processo de laminação e seus parâmetros

(GILLSTRON; JARL, 2007). As imagens da figura 6 mostram, à esquerda, uma barra

de aço aquecida em cuja superfície pode-se observar a presença de carepa (regiões

escuras sobre a barra incandescente) e, à direita, uma porção desta carepa após ter

sido removida da superfície da barra.

Nos produtos do ramo siderúrgico, a carepa provém basicamente das operações de

lingotamento contínuo e laminação. São óxidos de ferro constituídos principalmente

por wustita (FeO), hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4). A proporção aproximada de

cada fase é de 95% wustita (FeO), 4% magnetita (Fe3O4) e 1% hematita (Fe2O3)

(CUNHA, et al. 2006).

Figura 6 - Carepas na superfície do aço (esquerda) e carepas eliminadas pelo processo (direita)

Fonte: Cunha et al., (2006)

A presença destes três tipos de óxidos na superfície de fio-máquina aço alto teor de

carbono pode ser observada na figura 7.

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Segundo Gillstron e Jarl (2006) e Chattopadhyay et al. (2009), essa camada

superficial de óxidos possui natureza abrasiva e é mais dura e mais frágil que o aço.

Dentre as três camadas, a formação de hematita provoca má decapagem mecânica,

pois são considerados óxidos mais aderentes à superfície do aço, enquanto

magnetita e wustita são consideradas óxidos não aderentes, que podem ser mais

facilmente removidos (CHATTOPADHYAY et al., 2009).

Figura 7 – Exemplo de carepa em superfície do aço

Fonte: (Cunha, 2007)

Quanto aos impactos de resíduos de carepa no processo de trefilação, a não

remoção da carepa de forma eficiente antes da trefilação pode gerar o desgaste

prematuro das fieiras, encurtando a vida dessas matrizes e causando quebras de

fios durante o processo de trefilação, com isso causando aumento dos custos diretos

de produção e perda de produtividade (GILLSTROM; JARL, 2006).

Segundo Barbosa (2006), um exemplo que compromete a qualidade do fio trefilado

é a carepa incrustada, que forma uma superfície irregular no fio trefilado e acelera o

desgaste de fieiras. A figura 8 a seguir apresenta defeitos superficiais causados por

carepa incrustada.

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Figura 08 – Micrografia apresentando defeito superficial tipo carepa incrustada em fio trefilado

Fonte: Barbosa, 2006

Segundo Geneve e François (1994) outro item que também pode contribuir como

limitação do processo é a contaminação do sabão lubrificante pelos óxidos.

Acontecendo isso, a função principal do lubrificante no processo de trefilação se

torna ineficaz, comprometendo o processo.

Já se encontram em desenvolvimento alguns trabalhos que tem por objetivo otimizar

as condições de processo durante o resfriamento do fio-máquina por testes

laboratoriais simulados, para favorecer a formação de escamas de óxido facilmente

removível durante a decapagem mecânica. Segundo Chattopadhyay et al. (2009), o

Fe2O3 é responsável pela formação de óxido aderente, e este tipo de óxido provoca

dificuldade no processo de descalcificação mecânica. Durante a laminação do aço,

testes experimentais já revelam que um resfriamento mais rápido na produção do

aço favorece a redução da quantidade de óxidos aderentes formados pelo Fe2O3, o

que pode favorecer a remoção dos óxidos de ferro (Chattopadhyay et al., 2009; HU,

et al., 2013).

2.2.1 Decapagem Química

De acordo com Bullough (1957), Hudson (1980), Geneve e François (1994),

decapagem é a remoção de óxidos de ferro formados sobre a superfície de metais,

podendo ser realizada de forma mecânica ou química.

Segundo Doernemamm (1997), Geneve e François (1994), Gillstron e Jarl (2007), no

processo de trefilação a retirada da camada de óxido sobre a superfície do fio-

máquina é uma etapa que antecede ao processo de trefilação e é de fundamental

importância na produção de fios de aço trefilados.

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Escamas de óxidos que são depositadas sobre a superfície do aço durante o

processo de laminação de fio-máquina precisam ser removidas para não

comprometer processos de transformação, como a trefilação (CHATTOPADHYAY et

al., 2009; YANG, 2010).

Segundo Dove (1979) e Hudson (1980) o processamento do fio-máquina antes da

trefilação, ou seja, a retirada da carepa no processo de decapagem química é feita

por ação de reação química onde as bobinas de fios-máquina são imersas em

tanques de ácido sulfúrico ou clorídrico para remoção dos óxidos superficiais,

conforme ilustra a figura 9.

Figura 9 – Tanque de decapagem química de bobinas de fio-máquina

Fonte: Gillstrom e Jarl, 2006

No processo de retirada da carepa, após o fio-máquina ser totalmente imergido em

tanques contendo ácido, inicia-se a decomposição da mesma. O ácido atravessa a

camada de óxido através das trincas existentes na superfície do fio máquina e

desintegra a camada denominada wustita, que é totalmente solúvel em ácido, logo

após o ataque do ácido desintegra as camadas hematita e magnetita (BULLOUGH,

1957; MURPHY, 1997).

Na decapagem utilizando-se ácido sulfúrico adotam-se concentrações em torno de

5% a 12% em temperaturas que podem variar entre 55 ºC e 90 ºC (DOVE, 1979).

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Segundo Cetlin (1983), a reação de H2SO4 com o Fe gera hidrogênio que, além de

remover a carepa, pode atacar o metal, fragilizando-o através da criação de trincas,

diminuição da ductilidade ou até mesmo ruptura, Entretanto, existem processos

comercialmente utilizados e seguros para evitar o enfraquecimento por hidrogênio,

globalmente utilizado na indústria.

O ácido sulfúrico ataca o ferro, mesmo após a retirada da carepa. Isto causa perda

de material, que pode fragilizar o metal, prejudicando inclusive a atmosfera pela

emissão de vapores ácidos. Para amenizar esses problemas, as bobinas de fio-

máquina são submetidas a banhos inibidores posteriores, que contêm substâncias

orgânicas como aldeídos e tiocianatos, que funcionam como neutralizantes e

protegem a superfície exposta do aço (DOVE, 1979; TANG, 2012).

Quanto à decapagem por HCl é realizada em banhos com temperaturas entre 40 oC

e 50 oC, e se dá através da decomposição de óxidos de ferro, através de reações

químicas que geram cloreto ferroso (FeCl2) (DOVE,1979). Segundo Cetlin (2002), a

decapagem com ácido clorídrico normalmente fornece superfícies mais claras e

limpas, porém deve ser seguida por uma lavagem cuidadosa do material, pois restos

do ácido reagirão com a cal do banho de neutralização, obtendo-se o cloreto de

cálcio que é muito higroscópico, podendo provocar oxidação, mesmo com prévia

secagem.

Segundo Tang (2012), apesar de fornecer superfícies do aço mais limpas, a

decapagem através do ácido clorídrico possui uma velocidade de descalcificação

inferior quando comparada à decapagem realizada pelo ácido sulfúrico.

Segundo Dove (1979), Gillstron e Jarl (2006) e Chattopadhyay et al. (2009), a

imersão do fio de aço a ser decapado em banhos de permanganato de potássio

(KMnO4) e hidróxido de sódio (NaOH) antes da decapagem em ácido sulfúrico

(H2SO4) ou ácido clorídrico (HCl) altera o estado de oxidação dos óxidos de ferro

encontrados na superfície do aço, tornando mais fácil a sua remoção e a obtenção

de uma superfície mais limpa. Após a decapagem química o aço deve passar por

um processo de lavagem com água, e posteriormente um banho de neutralização

para retirada de restos de ácidos para evitar processo de corrosão (DOVE, 1979). A

decapagem química, quando bem eficiente, forma rugosidades que facilitam a

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retenção de sabões lubrificantes e condições favoráveis a todo o processo de

trefilação (CETLIN, 2002).

2.2.2 Decapagem Mecânica

Segundo Enghag, (2003), no processo de decapagem mecânica, a matéria-prima

(fio-máquina), passa por um conjunto de roldanas, chamado decapador mecânico

por flexão, podendo ter um ou mais planos, verticais ou horizontais, assumindo uma

posição de dobramento entre as polias, onde o fio-máquina é flexionado, desta

forma a carepa, que é dura e frágil, se quebra e se solta.

Segundo Gillstrom e Jarl (2006), para a retirada da carepa deve haver combinação

de flexão inversa e etapas seguintes, ou seja, a etapa de flexão para retirada da

carepa deve vir acompanhada de um sistema posterior que permitam auxiliar na

limpeza da superfície do fio de aço. A figura 10 a seguir ilustra um exemplo

comparativo, ampliado através de microscópio eletrônico em vinte vezes. Do lado

esquerdo, foto de superfície de fio-máquina decapado utilizando remoção química, e

do lado direito foto demonstrando superfície com remoção apenas por flexão

mecânica. Trabalhos experimentais tem demonstrado que apenas a flexão não

consegue eliminar totalmente os óxidos da superfície do fio-máquina. Segundo

Cetlin (2002), o fio máquina decapado mecanicamente deve passar por etapas

seguintes, como escovas metálicas, jatos de ar comprimido ou lixas rotativas para

remoção da camada fina de óxidos que ainda se encontra no fio. Logo após essa

etapa o material poderá ser trefilado normalmente na máquina.

Figura10 – Superfícies decapadas de fios-máquina

Fonte: Gillstrom e Jarl (2006)

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Na figura 11 pode ser verificados tipos de decapadores mecânicos, também

conhecidos por decapadores por flexão, onde o fio-máquina é conduzido através de

roletes, de modo que os mesmos entrem em contato com todo o perímetro do fio-

máquina flexionando-o, quebrando e retirando o excesso de carepa da superfície do

aço.

Para Dove (1979), no processo de decapagem mecânica o arraste do lubrificante

sólido é realizado pela aspereza superficial do fio, que de uma forma geral é menor

que a observada no material decapado quimicamente, tornando as condições de

trefilação mais difíceis. Segundo Cetlin (2002), durante a trefilação de um fio de aço

decapado mecanicamente, faz-se necessário o uso de lubrificantes com boas

características de arraste e uma boa opção é a utilização de lubrificantes à base de

cálcio, com baixo teor de ácidos graxos e boa quantidade de aditivos, importantes

nos primeiros passes onde há extrema pressão e baixas velocidades de trefilação.

Figura11 - Decapadores mecânicos por flexão

Fonte: Gillstrom, 2006

Para Cetlin (2002) e Gillstrom (2007), auxiliam na trefilação do fio-máquina advindo

do processo de decapagem mecânica o uso de fieiras de pressão e agitadores e

pressionadores de lubrificantes dentro das graxadeiras.

Para Cetlin (2002), apesar de todos os cuidados com a utilização da decapagem

mecânica, é importante que a primeira caixa de lubrificação de uma máquina de

trefilação, denominada “graxadeira inicial de trefilação”, tenha um tempo menor de

troca do lubrificante em relação às demais caixas graxadeiras, pois durante o

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processo pode haver um acúmulo lento e gradual de óxidos, o que pode

comprometer a qualidade do lubrificante e por consequência de todo o processo.

Segundo Gillstrom e Jarl (2007), a passagem do material pelo decapador mecânico

provoca um aumento de sua resistência, no entanto esta variação de resistência

inicial não leva a qualquer diferença nas propriedades mecânicas finais do fio

trefilado após vários passes.

Quanto à remoção da carepa como pré-tratamento à trefilação, alguns autores

destacam vantagens e desvantagens do processo químico e mecânico.

Segundo autores como Dove (1979) e Dieter (1998), quando comparado à

decapagem mecânica, o processo químico possui um elevado custo operacional

para a empresa, pois além do valor de aquisição, estocagem e manuseio dos

agentes decapantes, há também o custo de tratamento dos resíduos e efluentes

gerados por esse processo e contaminação do ambiente de trabalho através dos

vapores ácidos.

Para Gillstrom e Jarl (2006), apesar de ser a forma mais eficiente de eliminação da

carepa, o processo de decapagem química gera três tipos de produtos residuais: o

ácido usado para o banho de decapagem, o lodo de filtro dos tanques de

decapagem e a água acidulada de enxaguar.

Cetlin (2002) ressalta que a remoção através de meios químicos prejudica inclusive

a atmosfera pela emissão de vapores ácidos, contaminando o ambiente de trabalho,

aumentando os custos de recuperação dos banhos utilizados.

Segundo Chattopadhyay et al. (2009), para se realizar a remoção de carepa, foi

bastante difundido e utilizado o processo químico de decapagem através do ácido

clorídrico, porém hoje em dia, devido ao rigor das leis de proteção ambiental, e altos

custos, está sendo desestimulado o uso desse processo. Muita ênfase é dada ao

emprego de métodos alternativos de remoção como o processo de decapagem

mecânica.

Tratando da decapagem mecânica, Gillstrom e Jarl (2007), afirmam que a

descalcificação do óxido de ferro por flexão reversa pode não limpar completamente

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o fio de aço, dando qualidade inferior à superfície do fio trefilado e um maior

desgaste das fieiras causado pelos óxidos que são duros e encurtam a vida das

matrizes e a maior dificuldade de lubrificação da superfície do fio trefilado. Partículas

restantes poderão ainda ser identificadas na superfície do aço. Tal fato pode ser

atenuado ou removido por métodos alternativos como aplicação após o decapador

mecânico de escovas metálicas (GILLSTROM; JARL, 2007).

Algumas das possíveis desvantagens do processo mecânico de remoção da carepa

segundo Chattopadhyay (2009) podem ser resumidas como: menor eficácia na

retirada completa do óxido, geração de contaminante em pó (pó de carepa) que

pode causar danos aos equipamentos do processo e ser um contaminante do

ambiente de trabalho através de partículas em suspensão.

Segundo Eder (2005) o processo de decapagem química é mais agressivo ao meio

ambiente, contribuindo para os problemas de acidificação, aumentando a geração

de resíduos e exigindo um espaço adequado para tratamento dos mesmos. Mesmo

com uma maior dificuldade de remoção da carepa, o método mecânico atende aos

requisitos de qualidade e produtividade.

Para Eder (2005), Destacam-se também menores investimentos, custos e espaço

necessário para o processo mecânico, eliminação de controle de banhos

decapantes, diminuição da movimentação do fio-máquina e redução do tempo de

produção em função de redução do fluxo pré-trefilação.

Segundo Cunha et al. (2006), a carepa desprendida através da decapagem

mecânica se torna um coproduto, podendo ser beneficiada e comercializada sendo

reaproveitada nas aciarias das usinas siderúrgicas.

Para Tang (2012), a decapagem química significa enorme investimento e risco

ambiental. Assim, minimizar a decapagem ácida como processo deve ser uma

prioridade, tanto para meio ambiente quanto para questões econômicas.

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2.3 Qualidade e Produtividade no Processo de Trefilação

Esse subcapítulo aborda variáveis que influenciam diretamente na qualidade do

produto final e na produtividade do processo de trefilação de fios de aço.

2.3.1 Influências da Velocidade na Trefilação

No processo de trefilação de fios de aço, apesar do trabalho de conformação ser

realizado a frio, a temperatura no local de contato entre a ferramenta matriz e o fio

pode se elevar consideravelmente em função das condições de atrito, da velocidade

e da deformação plástica (EL-DOMIATY; KASSAB, 1998; DIETER, 1998).

Segundo El-Domiaty e Kassab (1998), geração de calor é um fato inerente à

trefilação e transmitido ao material trefilado. Para Cetlin (1983), quando se trefila a

velocidades muito baixas, há tempo para que o calor gerado dentro da fieira, pelo

atrito e deformação plástica, seja dissipado. Altas velocidades de trefilação podem

modificar as condições de deformação, as condições de lubrificação e, portanto, de

atrito, provocando aumento de temperatura no material trefilado. Neste caso podem

ocorrer modificações sensíveis na estrutura e nas propriedades mecânicas do

material trefilado (MARTINEZ, 1998).

Segundo Martinez (1998), verificam-se alguns problemas decorrentes de altas

velocidades:

• aumento do acúmulo de calor, que afeta o desempenho do lubrificante, pela

redução de sua viscosidade;

• como afeta a viscosidade, ocorre uma diminuição na eficiência da separação

material-matriz, provocando maior força de trefilação;

• têm-se também problemas no acabamento superficial do produto acabado;

• redução da vida útil das fieiras de trefilação;

• redução da produtividade, uma vez que há aumento na troca das fieiras, com

elevação do tempo de máquina parada.

Os materiais utilizados para a fabricação do núcleo da fieira, geralmente a base de

metal duro ou PCD (diamante policristalino), apresentam maior resistência ao

desgaste durante o processo, comparando aos confeccionados em aços-liga,

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possibilitando velocidades de trabalho mais elevadas (DIETER, 1998). Contudo,

esses materiais apresentam baixa condutividade térmica, o que dificulta a dissipação

do calor da região de conformação e, para reduzir a temperatura, os núcleos de

fieiras construídas com materiais de elevada resistência ao desgaste são fixados em

carcaças metálicas de aço ou latão, que apresentam maior facilidade de transmissão

térmica (DOVE, 1979; DIETER, 1998).

A intensidade de aquecimento é também influenciada diretamente pelas condições

de lubrificação. A trefilação de aços decapados química ou mecanicamente é

inviável sem a interferência de lubrificação na interface metal-fieira. As forças de

atrito e a temperatura seriam altas e haveria excessivo desgaste da fieira, com

danos superficiais do fio de aço. Uma boa lubrificação conduz à redução de atrito e

por consequência redução da temperatura no processo (WRIGHT, 1992).

Outro importante aspecto que contribui de forma decisiva para redução da

temperatura de trefilação de fios de aço a altas velocidades é a refrigeração do

processo (BRESCIANI, 1996). Convencionalmente existem várias formas de

redução de temperatura do sistema, uma delas é a utilização de jatos de água

direcionados sobre as paredes internas das bobinas de trefilação, o que também

atenua a temperatura de processo, uma vez que o fio de aço se acumula nas partes

externas das mesmas (DIETER, 1998).

Para El-Domiaty e Kassab (1998), outra forma de atenuar a temperatura de

processo, é a refrigeração da fieira através de água corrente. Acredita-se que este

procedimento objetiva também resguardar a integridade térmica e física da fieira,

uma vez que devido à diferença do coeficiente de expansão do aço que compõe a

carcaça e o núcleo, sem a refrigeração a água, a fieira poderia arrebentar durante o

processo de trefilação. A figura 12 mostra a refrigeração através de água corrente

indicado através de seta vermelha, atuando diretamente na caixa onde se

encontram as fieira de pressão e trefilação.

Outra forma de redução de temperatura seria a ventilação de ar comprimido

soprando diretamente nas paredes externas das bobinas de trefilação sobre o

material acumulado. Trabalhar com um maior acúmulo nos blocos ou bobinas,

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aumenta o tempo disponível para uma melhor refrigeração (DIETER, 1998; CETLIN

1983).

Figura 12 – Caixa de fieira com matriz refrigerada a água

Fonte: El-Domiaty e Kassab,1998

Segundo Dieter (1998) e Cetlin (1983), especialmente para fios de aço de alto teor

de carbono, que resultam em maior temperatura por possuírem uma maior

resistência mecânica e exercerem uma maior pressão sobre as fieiras, quando

comparados a fios de baixo e médio carbono, recomenda-se redução de velocidades

de trefilação, objetivando uma menor variação de temperatura.

Portanto, sob o ponto de vista térmico, para altas velocidades, as condições de

operação do processo tendem a ser de difícil troca de calor e, para velocidades mais

baixas, de fácil troca de calor. Tais condições térmicas influem, de forma evidente,

nas propriedades mecânicas do fio de aço trefilado. Quanto melhor a refrigeração

melhor controle da ductilidade e da resistência mecânica do fio trefilado (MEYERS;

CHAWLA, 1982).

2.3.2 Influência da Lubrificação na Trefilação

Segundo Felder e Levrau (2011), lubrificação na trefilação é a técnica empregada

para reduzir o atrito das superfícies em contato e em movimento, através de uma

camada ou filme lubrificante, reduzindo o atrito e tornando a resistência ao

deslocamento muito menor que a produzida quando há o contato direto. De acordo

com Byon et al. (2011), lubrificante pode ser considerado qualquer substância que,

quando posta na interface de dois corpos, possa reduzir o atrito e consequente

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desgaste dos mesmos, criando um filme plástico que serve para reduzir em grande

medida o contato metal-metal. No caso da trefilação o contato direto entre fio

trefilado e fieiras.

A causa fundamental das forças de atrito na trefilação são as irregularidades

microscópicas existentes nas superfícies metálicas (CETLIN, 2002). Em processos

de conformação, o movimento entre duas superfícies ocasiona deformações,

aquecimento e desgaste, o que resulta em perda da eficiência e solicitação de maior

potência. Isso se deve ao fato de que as superfícies, ainda que cuidadosamente

trabalhadas, quando examinadas microscopicamente, apresentam-se constituídas

de saliências e reentrâncias que ocasionam interação e intertravamento superficial

(MARTINEZ, 1998).

A ausência de um lubrificante na trefilação de um fio de aço inviabiliza todo o

processo, gerando maiores esforços para trefilar, aumento do índice de desgaste de

fieiras, danos à superfície do fio e maior geração de calor (YANG, 1999; CETLIN;

HELMAN, 2005). A melhor maneira de minimizar desgaste e danos superficiais de

peças rígidas em contato e com velocidade relativa não nula, segundo Duarte Junior

(2005), é separá-las por um filme de lubrificante.

Segundo Altan et al. (1999), no processo de trefilação de fios de aço, a lubrificação

pode ser úmida ou seca. Na úmida o fio de aço é imerso em tanques com

lubrificantes líquidos do tipo emulsão com aditivos. Segundo Dove (1979), os

lubrificantes líquidos são utilizados para a trefilação de arames finos que receberão

uma camada de recobrimento de materiais como cobre, zinco, latão ou bronze,

conhecida como lubrificação hidrostática ou por imersão do conjunto de fieiras em

um tanque com lubrificante, gerando um movimento entre as superfícies, conhecida

como lubrificação hidrodinâmica. Na trefilação seca é utilizado lubrificante do tipo

sabão em pó ou em flocos, colocados em caixas denominadas graxadeiras,

localizadas antes da entrada das fieiras. O fio de aço ao ser tensionado passa por

dentro das graxadeiras e carrega partículas de lubrificantes sólidos para dentro da

fieira (DOVE, 1979; ALTAN et al., 1999).

No processo de trefilação de fios de aço, é possível usar lubrificante à base de óleo,

quando se tem a lubrificação úmida, e a base de sódio (Na) e cálcio (Ca) para

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trefilação a seco (ENGHAG, 2003). Para a escolha do melhor lubrificante a ser

usado na trefilação, é muito importante o conhecimento do processo, bem como

todas as variáveis envolvidas, e é indispensável também conhecer a aplicação do

material produzido em processos posteriores (GZESH, 2004).

Como fatores que influenciam na seleção do lubrificante, Gzesh (2004) cita entre

outros: diâmetro de entrada e saída do fio de aço, redução do arame por passe,

velocidade de trefilação da máquina, condição de resfriamento do processo e tipo de

decapagem utilizada.

Hillery e McCabe (1995) caracterizam um lubrificante ideal como sendo aquele

capaz de ser facilmente aplicável ao arame em movimento, assegurando, durante a

deformação, superfícies isentas de defeitos. A condição superficial inicial do material

a ser trefilado, sendo ele decapado química ou mecanicamente, é um dos fatores

mais importantes a influenciar a trefilação, pois determina o regime de lubrificação

da zona de deformação, pelo carreamento e manutenção do lubrificante durante a

trefilação (SARGENT; TSAO, 1980).

Analisando o fio-máquina de aço decapado quimicamente, pode-se afirmar que o

mesmo apresenta em sua superfície uma rugosidade composta por pequenos poros

que favorecem o arraste do lubrificante. Então, quanto maior for a rugosidade e

menor o teor granulométrico do sabão lubrificante, tenderá a haver uma melhor

lubrificação (COCKCROFT, 1976).

Segundo Cetlin (2002), o fio-máquina decapado quimicamente demonstra uma

superfície irregular, criada a partir da ação dos ácidos, gerando microscópicas

porosidades que ajudam na lubrificação, enquanto que o material decapado

mecanicamente pode apresentar longos “vales” na direção longitudinal, conhecido

também como rugosidades paralelas, o que permite a expulsão do lubrificante para

trás ao longo desses vales, quando o fio passa pela fieira, o que pode impor

dificuldades à lubrificação. É o que ilustra a figura 13.

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Figura 13 – Ilustração de rugosidades na superfície do fio trefilado

Fonte: Cetlin, 2002

A depender da utilização posterior do fio de aço, para aços decapados

mecanicamente, podem ser utilizadas coberturas antes de se iniciar a trefilação, com

a finalidade de promover o aumento do arraste de sabão lubrificante (HANGLUND;

ENGHAG, 1996), um exemplo é a utilização de tetraborato de sódio, também

conhecido como bórax pentahidratado. A camada de bórax aumenta o arraste,

devido a fatores como a boa compatibilidade com lubrificantes de sódio e cálcio,

criando uma camada aderente que funciona como condutor de lubrificante, ajudando

bastante o processo de trefilação (HANGLUND; ENGHAG, 1996).

Para promover um melhor arraste de lubrificantes, experimentos demonstram,

segundo Dove (1979) e Cetlin (1983), que é importante a utilização de recursos

complementares como mexedores e pressionadores automatizados nas graxadeiras,

principalmente na primeira, objetivando a aderência do lubrificante ao arame e o

arraste do mesmo para dentro da área de trabalho. O lubrificante é pressionado e

adere à superfície do aço, que o carrega até a fieira.

Um exemplo disto pode ser verificado na figura 14, onde é apresentada uma

graxadeira de lubrificação usada no processo de trefilação de fios de aço. Neste

caso, tem-se a visão de uma graxadeira de uma máquina de trefilação. Pode-se

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verificar no lado esquerdo da figura 14 a entrada do fio de aço indicado por seta

vermelha, e no lado direito indicado por seta amarela os rolos pressionadores do

lubrificante na superfície do fio de aço através das roldanas pressionadoras internas,

objetivando a fixação do lubrificante na superfície do fio de aço.

Segundo Dove (1979) e Cetlin (1983) os lubrificantes sólidos mais utilizados para a

trefilação são os sabões granulados a base de cálcio (Ca) ou sódio (Na), e ainda

pode ser usada uma combinação entre os dois tipos. Segundo Ruiz et al. (2001) os

lubrificantes a base de cálcio são muito utilizados nos passes iniciais de trefilação, e

possuem uma grande importância quando opta-se pelo processo de decapagem

mecânica do aço, por ter um elevado teor de aditivos com alto poder reativo, que

reagem com a superfície do metal, formando uma densa película lubrificante. Os

principais aditivos são enxofre, fosfato e grafite (RUIZ et al., 2001).

Figura 14 – Graxadeira de máquina de trefilação de fios de aço

Fonte: RUIZ et al., 2001

Segundo Felder e Levrau (2011), sabões à base de sódio, com alto teor de ácidos

graxos são utilizados em passes de trefilação com maiores velocidades, onde as

temperaturas são maiores e as reduções promovidas no fio são menores.

No processo de lubrificação como um todo, destaca-se que os lubrificantes, a partir

de suas características e propriedades físicas e químicas, devem ser capazes de

suportar as temperaturas de trabalho entre fios de aço e fieiras, e que a preparação

da superfície do arame é condição essencial para se obter um bom resultado

(COCKCROFT, 1976).

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Segundo Button (2007), um bom lubrificante deve apresentar as seguintes

características: um baixo coeficiente de atrito, garantir a completa separação das

superfícies da matriz e do material trefilado, ser resistente ao calor, favorecer ao

bom acabamento superficial do produto trefilado, ser limpo e resistir à pressão de

deformação.

Contudo, nem sempre um alto teor residual de sabão na superfície do produto

acabado é considerado bom para fios trefilados (FELDER et al., 2012), a utilização

do produto no processo de produção subsequente é o que vai determinar qual a

camada ideal de lubrificantes. Segundo Yang (2010), alguns produtos exigem

superfície mais polida e com baixo resíduo de lubrificante, nesta categoria incluem-

se, como exemplo, arames para eletrodeposição, soldagem e para grampeação,

aplicações para as quais o produto final deve ter uma superfície praticamente isenta

de lubrificante. Por outro lado, segundo Dove (1979), quando se produz arames para

pregos ou molas de estofados, por exemplo, a alta camada de resíduo lubrificante

ajuda no processo seguinte, aumentando a vida útil das ferramentas utilizadas.

A figura 15 apresenta imagens de lubrificação eficiente e ineficiente no primeiro

passe de trefilação, onde se pode verificar, à esquerda, o lubrificante aderente na

superfície do fio em trefilação, que adquire uma coloração opaca e facilmente

evidenciada pelo aspecto visual e pelo contato manual. Comparativamente, pode ser

verificada, à direita, uma lubrificação não eficiente no primeiro passe de trefilação,

onde há um aspecto visual de fios brilhantes e lisos, indicando a falta do lubrificante.

Figura 15 – Comparação de lubrificação primeiro bloco de trefilação

Fonte: Dove, 1979

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Cockcroft (1976), Hillery e McCabe (1995) relatam que procedimentos que

contemplam melhoria das condições da lubrificação proporcionam uma série de

vantagens para o processo de conformação:

• Redução de atrito – índice elevado de atrito gera perdas de potência e

aumento das cargas de trabalho das máquinas de trefilação, isso implica

também em tensões elevadas no material trefilado e danos à superfície que

podem provocar fraturas.

• Redução do desgaste – a redução do desgaste das matrizes (fieiras) reflete-

se no custo da operação do processo e nos acabamentos superficiais do

produto; o lubrificante, quando utilizado, além de reduzir o desgaste, atua

também como refrigerante.

• Controle da deformação – na medida em que o lubrificante controla o atrito

reduzindo as tensões atuantes no material trefilado, consegue a distribuição

das deformações no sentido de homogeneizar essas deformações e

minimizar o aparecimento de defeitos.

A mais vantajosa condição de lubrificação é a hidrodinâmica, que ocorre quando um

filme de fluido lubrificante se desenvolve entre duas superfícies em movimento

relativo. Nesse caso, a resistência ao movimento das superfícies depende somente

da viscosidade do fluido (HONDROS, 1971).

Segundo Dove (1979) e Cetlin (1983), Algumas técnicas especiais são utilizadas

com o objetivo de acentuar o fluxo do lubrificante para a zona de deformação da

fieira:

• Fieiras de pressão – consiste em utilizar duas fieiras justapostas, sendo a

primeira com a função de pressionamento de lubrificante e a segunda para

trefilação. A primeira deve ter o diâmetro um pouco superior que o do fio de

aço a ser trefilado (fio-máquina). A utilização da fieira de pressão faz com que

entre as duas fieiras ocorra uma pressão muito elevada, forçando assim a

entrada do lubrificante na fieira de trefilação, formando um filme mais

uniforme. As fieiras de pressão proporcionam um aumento da produtividade

com consequente redução de custos em função de um menor desgaste de

fieiras de trefilação com menor número de arrebentamentos.

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• Agitadores de lubrificante – são equipamentos instalados dentro das

graxadeiras que se movimentam, mantendo constante o contato do fio de aço

com o lubrificante. Esses equipamentos agitam o lubrificante e evitam a

formação de túneis e vazios que podem ser formados com a passagem do fio

em trefilação.

• Pressionadores de lubrificantes – são polias que pressionam o sabão

lubrificante contra a superfície do fio de aço, melhorando o arraste.

2.3.3 Fieiras de Trefilação

Independente do tipo de produto obtido, a trefilação caracteriza-se sempre pelo

tracionamento do produto trefilado através de uma matriz que lhe confere a

geometria e as dimensões finais especificadas (BUTTON, 2007; ALTAN et al., 1999;

ABDELKADER et. al., 2102).

Segundo Dove (1979), Button, (2007) e Abdelkader et al. (2012), a matriz utilizada

no processo de trefilação denomina-se fieira, e é a partir das fieiras que se dá a

redução de seção do fio-máquina, ou seja, é a ferramenta responsável pela

deformação plástica do material que resulta na redução do diâmetro. Normalmente o

material utilizado para a construção do núcleo das fieiras para a trefilação de arames

de aço é o metal duro (carboneto de tungstênio sinterizado em uma matriz de

cobalto), ou diamante policristalino (PCD). As matrizes são adquiridas em tamanhos

e furos (diâmetros) padronizados (ALTAN et al., 1999; CETLIN, 1983; DOVE, 1979).

Como um dos problemas das fieiras é a sua fragilidade sob tensões de tração

(CETLIN, 1983; DOVE 1979; KIM et al. 1997), as fieiras devem ser encarcaçadas

em peças de aço, que podem então suportar as tensões aplicadas ao núcleo

durante a trefilação. Segundo Dove (1979) e Cetlin (1983), a junção da carcaça ao

núcleo da fieira é feita sob pressão, com o propósito de a carcaça abraçar

firmemente o núcleo da fieira em toda sua extensão, e que suas paredes exerçam

sobre o núcleo uma pressão de fora para dentro, para que durante a trefilação as

forças que o arame exerce contra as paredes do núcleo sejam anuladas,

propiciando um melhor desempenho da fieira. A figura 16 mostra exemplos de fieiras

de trefilação.

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Como já foi citado, existem também no mercado fieiras com núcleo de diamante,

porém possuem um alto custo. Normalmente são utilizadas, segundo Cetlin (1983),

para produção de arames muito finos, geralmente abaixo de 0,5 mm, quando a

fabricação através de fieiras de metal duro começa a ficar inviável. Para diâmetros

menores, tem-se uma tolerância de diâmetro também menor, e as fieiras de

diamante, por possuírem uma elevada resistência ao desgaste comparada às de

metal duro, se adequam melhor para esse tipo de material (CETLIN, 1983).

Figura 16 – Fieiras de trefilação

Fonte: Sy-Wei e Yuung, 2002.

A figura 17 mostra um corte da seção transversal de uma fieira com suas respectivas

regiões.

Segundo Sy-Wei e Yuung (2002), o ângulo de entrada da fieira (2β), apresentado na

figura 17, região 1, é o ponto de entrada do fio-máquina na fieira. Esta região é

responsável por guiar o material em direção ao cone de trabalho e ajuda na entrada

do lubrificante na fieira. O ângulo de entrada também é responsável por conduzir o

fio de aço de forma que evite movimentos intensos e abruptos diretos ao núcleo da

fieira, evitando assim quebras e danos ao mesmo. Nenhuma redução de área do fio

de aço deve ocorrer nesta região.

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O ângulo de redução (2α) também conhecido como ângulo de trabalho da fieira,

mostrado na Figura 17, como região 2, é onde se inicia a redução da seção do

material.

Adota-se o perfil cônico para a zona de trabalho por duas razões principais: primeiro,

torna-se mais fácil à manufatura da matriz e, em segundo lugar, porque facilita o

arraste do lubrificante para a zona de deformação, tornando a lubrificação mais

eficiente (MARTINEZ, 1998).

A região 3, mostrada na Figura 17, é denominada de região de calibração (I3),

segundo Sy-Wei e Yuung (2002), esta região confere ao material trefilado seu

diâmetro final, geometria e acabamento superficial, é onde ocorre o valor máximo da

Figura 17– Desenho da fieira em corte transversal

Fonte: Adaptado de Oliveira, (2009).

taxa de deformação, essa é a região responsável pela deformação plástica do fio de

aço. Segundo Cetlin e Helman (2005), a vida útil da matriz também depende desta

dimensão. Um comprimento reduzido desta região implica em desgaste prematuro

da fieira. Segundo Martinez (1998), um comprimento maior implica em aumento da

força de tração para trefilação para vencer o atrito, podendo causar variação do

dimensional desejado por deformação do fio ou desgaste do núcleo.

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Segundo Sy-Wei e Yuung (2002) O ângulo de saída (2y), na região 4 da figura 17, é

o responsável por evitar que o região de calibração termine abruptamente e opera

como um guia na saída da fieira.

O degaste prematuro de fieiras em um processo de trefilação tem significativos

impactos sobre indústria de fios, podendo provocar fraturas e tolerâncias com

dimensões fora de especificações, provocando danos ao processo (ABDELKADER,

2012).

Segundo Cetlin e Helman (2005), com o uso contínuo, é normal o desgaste da

região de entrada do arame na fieira, originado pelo contato do fio de aço, e

conhecido como “anel” de desgaste, o que pode provocar danos ao fio trefilado

através de riscos e arranhões ao arame. O alinhamento entre fieira e fio trefilado é

outro aspecto importante de manutenção da vida útil da fieira, Segundo Dove (1979)

e Sy-Wei e Yuung (2002). O desalinhamento causa desgaste mais rápido em uma

região, que é aquela mais pressionada pelo fio na entrada da fieira.

Segundo Dove (1979), também pode ocorrer à quebra de fieiras, numa região onde

há folga entre o núcleo e a carcaça. A causa desta quebra em condições normais de

trefilação deve ser atribuída a falhas de fixação entre a carcaça e o núcleo da fieira.

Em condições normais de operação, toda fieira deverá ser substituída após

ultrapassar o limite de tolerância do diâmetro do arame trefilado em processamento.

Segundo Dieter (1998), após sua utilização as fieiras passam por operações de

recuperação através de retificação de seu núcleo para serem usadas novamente,

porém em diâmetros superiores ao anterior.

2.3.4 Fraturas na Trefilação

A fratura de fio de aço durante a trefilação é tida como um grande problema para

este que é um processo de produção contínuo, pelo tempo perdido para reinício da

atividade, pelas demoras que possam existir no processo de emenda por soldagem

e reinício de trefilação e pela consequente perda de produtividade (LEE et al., 2010;

BRZOSTEK, 2012). De uma forma convencional, uma fratura ocorre quando se tem

sobre o fio trefilado uma força de tração e outra força de deformação presentes, que

excedem o valor de resistência do material (CAGNA; CEPEDA, 1996).

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Para a ciência dos materiais existem dois tipos principais de fraturas possíveis:

fratura dúctil e fratura frágil (CALLISTER, 2007). Fraturas dúcteis tipicamente exibem

uma grande deformação plástica e se caracterizam pela propagação lenta de trincas

resultante do crescimento de micro cavidades. A ductilidade geralmente é

quantificada em termos de alongamento, e da redução percentual da área. A fratura

frágil é caracterizada, de uma forma geral, pela ausência ou pouca deformação

plástica (CALLISTER, 2007).

Segundo Callister (2007), a figura 18 apresenta o perfil mais comum de fratura em

tração para materiais dúcteis a partir da aplicação constante de carga. Em (a), a

figura 17 apresenta o início da deformação plástica. Após o inicio da deformação,

pequenas microcavidades ou “microvazios” formam-se no interior da seção

transversal (b). Com o crescimento da deformação, esses microvazios aumentam,

aproximam-se e se unem para formar uma microtrinca elíptica (c). A trinca continua

a crescer em uma direção paralela ao seu eixo principal pelo processo de união de

microvazios (d). Finalmente, a fratura ocorre (e) por meio de cisalhamento, onde o

ângulo é de aproximadamente 45º em relação ao eixo de tração, nesse ângulo a

tensão é máxima (CALLISTER, 2007).

Figura 18 – Representação esquemática de fratura dúctil

Fonte: Callister, 2007

A figura 19 ilustra aspecto de fratura dúctil, na qual pode se observar a ocorrência de

deformações plásticas precedendo a ruptura.

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Segundo Callister (2007), a fratura frágil ocorre com pouca ou nenhuma deformação

plástica apreciável, quaisquer sinais de deformação plástica bruta estarão ausentes,

e se dá pela propagação rápida das trincas e falhas existentes.

Figura 19 – Aspecto de fratura dúctil

Fonte: Callister, 2007

Superfícies de fratura de materiais que falharam de forma frágil terão seus próprios

padrões distintos, com superfícies relativamente planas como ilustra a figura 20.

Figura 20 – Aspecto de fratura frágil

Fonte: Callister, 2007

Na trefilação, alguns fatores podem contribuir para gerar fraturas, diversas delas

podem ser causadas pela matéria-prima, ou seja, danos superficiais e má qualidade

do fio-máquina e outras através do próprio processo de trefilação (WRIGHT, 2002).

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Cagna e Cepeda (1996) e Wright (1996 b), afirmam que a classificação das fraturas

de fios durante o processo de trefilação se dá em três categorias:

• Categoria I: fraturas ocasionadas por motivos quaisquer que não sejam

relacionados às condições de processo ou à qualidade da matéria-prima.

Como manuseio incorreto do fio de aço, desgaste de fieira, mau

funcionamento da máquina ou solda mal realizada.

• Categoria II: fraturas decorrentes de problemas relacionados ao processo,

parâmetros inadequados como velocidade de trefilação, redução excessiva

de diâmetro, jogos de fieiras mal dimensionados, lubrificação e refrigeração

ineficientes.

• Categoria III: fraturas ocasionadas por defeitos metalúrgicos ou

microestruturais no fio.

Como exemplo da categoria I, as fraturas em “V”, do tipo “pé de corvo”, são as mais

comuns, podendo ser consequência dos defeitos superficiais existentes no fio-

máquina como a remoção ineficiente da carepa (WRIGHT, 2002). A figura 21 (a)

ilustra esquematicamente a presença do pé de corvo na superfície do material e a

figura 21 (b) mostra um fio de aço com uma fratura proveniente desse tipo de

defeito.

Figura 21 – (a) Desenho do pé de corvo na superfície do fio de aço (b) ruptura típica em função do crescimento do “pé de corvo”

Fonte: Magalhães (2011)

Conhecida por esta denominação devido ao formato geométrico característico que a

configura, essa quebra geralmente começa com um pequeno defeito na superfície,

que cresce com a forma “V” ocasionando a quebra do fio sob a tensão de saída na

fieira ou durante a flexão do material em torno das polias, frequentemente,

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empregadas durante o processamento. Esse tipo de fratura em “V”, geralmente é

mais comum nos passes finais no fluxo de trefilação (WRIGHT, 2002).

Quaisquer defeitos superficiais do fio-máquina como remoção indevida de carepas,

falta de lubrificação ou ineficiência da mesma também podem configurar uma

situação propícia para a formação dessa falha (CAGNA; CEPEDA, 1996).

Como exemplo da categoria II, a partir de estudos realizados por Wright (1996b), as

quebras do tipo ruptura central são caracterizadas por apresentar no centro da

superfície fraturada do fio de aço uma grande cavidade. Esse modelo de fratura é

consequência de uma grande deformação, representada por uma linha central de

tensão, como demonstrado pela figura 22. Variáveis como alta redução de área,

jogos de fieiras mal dimensionados e trefilação com ângulo inadequado na entrada

do fio na fieira, gerando alta fricção entre a matriz e o fio trefilado, podem causar

essa linha central de tensão (ENGHAD, 2003).

Figura 22 – Formação do defeito “rupturas centrais”

Fonte: Wright (1996a)

As fraturas denominadas rupturas centrais também são chamadas de fratura em

cone, e a grande maioria das quebras deste tipo ocorre na saída ou dentro da fieira.

É comum o problema se apresentar nos primeiros passes, à medida que o dano

interno do fio vai aumentando (MAXWELL, 2001; NIEWOEHNER, 1993).

Como exemplo da categoria III, a figura 23 ilustra um defeito superficial denominado

trinca que é um defeito na microestrutura do aço, originada em qualquer etapa do

ciclo de laminação do aço. Essas trincas penetram no fio de forma perpendicular ou

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oblíqua em relação à superfície do material e posteriormente, durante a trefilação,

irão gerar fraturas (BARBOSA, 2006).

Figura 23 – Micrografia de defeito superficial em fio de aço denominado trinca

Fonte: Barbosa (2006)

Segundo Barbosa (2006), outro defeito microestrutural do aço que pode gerar

fraturas, considerando variações do processo de laminação são as dobras. Que são

fendas longitudinais inclinadas que se desenvolvem na superfície de fios-máquina

laminados, penetrando de maneira mais ou menos oblíqua para o interior. Às vezes

aparecem como linhas duplas paralelas, e é um defeito essencialmente ligado à

laminação, conforme pode ser visto na figura 24.

Figura 24 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo dobra

Fonte: Barbosa (2006)

A carepa incrustrada é outro defeito estrutural no fio-máquina que contribui com

fraturas de trefilação conforme figura 25. Essa camada de óxidos pode ter camada

variável em função do tempo de permanência em altas temperaturas e atmosfera do

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forno de aquecimento durante a laminação. O defeito aparece irregularmente quanto

à forma e dimensões (Curtinaz, 2012).

Figura 25 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo carepa incrustrada

Fonte: Barbosa (2006)

Outros defeitos provenientes do processo de laminação que podem contribuir para o

surgimento de fraturas no fio-máquina são os riscos e escamas. Os riscos são

depressões de forma irregular, contínuos na direção longitudinal e possuem formas

e dimensões variáveis. Formam-se quando o fio-máquina raspa sob pressão em

cantos vivos dos condutos irregulares, guias maus usinadas, gastas e quebradas

(Curtinaz, 2012). As escamas são tipos de defeitos superficiais que podem se

originar de defeitos pontuais na laminação do fio-máquina, ou por defeitos em

tarugos de laminação, como rebarbas ou estriais.

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3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Para possibilitar a análise da viabilidade técnica da utilização do processo de

decapagem mecânica, como processo de tratamento pré-trefilação, para a remoção

de carepa de óxidos de ferro de fio-máquina de aço ABNT 1075, diâmetro 4,75 mm,

assim como para analisar o efeito da variação dos parâmetros de trefilação,

recorreu-se a um estudo experimental cujos métodos, procedimentos e materiais

utilizados serão descritos ao longo deste capítulo.

3.1 Caracterização do Material (Fio-máquina)

O material utilizado para a realização dos experimentos foi o fio-máquina IA75,

equivalente ao ABNT1075 no diâmetro de 4,75 mm com tolerância de +/- 0,30 mm.

em bobinas com massa entre 2201 a 2260 kg.

Todo o fio-máquina processado no experimento foi recepcionado através de suas

informações existentes nas etiquetas de identificação, com indicações sobre o tipo

de aço, diâmetro, corrida, número da bobina, código do material e peso líquido, além

do código de barras.

O fio-máquina utilizado no experimento é um aço alto carbono comum com 0,80%

de carbono em sua composição. As tabelas 1 e 2 a seguir apresentam

respectivamente a composição química nominal deste aço e os dados referentes à

massa e ao número da bobina do fio-máquina utilizado.

Tabela 1 - Composição Química nominal do aço ABNT 1075 (% em peso)

S C Mn P Si Al Cr Cu Ni Mo N Sn

Mínimo 0,75 0,40 0,150

Máximo 0,050 0,85 0,70 0,040 0,280 0,005 0,050 0,050 0,050 0,010 0,006 0,020

Fonte: Tabela composição química de aços carbonos - NBR 87:2000

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Tabela 2 - Dada do fio-máquina utilizado no experimento

No. Bobina do

fio-máquina Massa em

toneladas

No. bobina

do fio-

máquina

Massa em

toneladas

01 2,254 10 2,238

02 2,219 11 2,239

03 2,260 12 2,221

04 2,232 13 2,221

05 2,224 14 2,226

06 2,205 15 2,239

07 2,221 16 2,236

08 2,211 17 2,230

09 2,227 18 2,225

Fonte: Próprio autor

3.2 Fluxos de Processos

A análise da viabilidade técnica da decapagem mecânica apresentada aqui tem

como referência os dados e índices do processo de decapagem química atualmente

utilizada na empresa em que estes experimentos foram realizados.

Com o objetivo de prover um melhor entendimento das análises que serão feitas, o

fluxo do processo de trefilação precedida pelo tratamento por decapagem química é

apresentado a seguir, e na sequência, o fluxo do processo de trefilação precedida

pelo tratamento por decapagem mecânica adotado nos experimentos será

detalhado.

3.2.1 Decapagem Química

Na trefilação deste fio-máquina utilizando-se a decapagem química as bobinas são

recepcionadas e enviadas para os tanques contendo ácidos decapantes. Logo após

a retirada dos óxidos de ferro da superfície do aço, as bobinas são mergulhadas em

tanques contendo água e a seguir em tanques com soluções alcalinas com efeitos

neutralizantes. Após a secagem, as bobinas são conduzidas ao interior da fábrica.

Sequencialmente serão levadas para os suportes de desenrolamento de fio-

máquina.

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O passo seguinte é a passagem do fio-máquina direto do desbobinador para o

tanque de bórax e em seguida para a máquina trefiladora. A figura 26 ilustra um

fluxograma simplificado do processo de decapagem química.

Figura 26 - Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem química de fio-máquina

Fonte: Adaptado de Eder (2005)

No que diz respeito à lubrificação, são empregadas fieiras de pressão e os

lubrificantes utilizados para trefilação do fio-máquina decapado quimicamente são a

base de cálcio e base de sódio, ambos do tipo sólido.

Fio-máquina

com carepa

Fio-máquina decapado e com resíduo ácido

Fio-máquina decapado e com água

Fio-máquina decapado contendo líquidos alcalinos

Fio-máquina decapado e seco

Fio-máquina decapado e recoberto com bórax

Fio trefilado

Banho ácido

Lavagem água

Lavagem líquidos

alcalinizantes

Secagem

Banho de bórax

pentahidratado

Máquina Trefiladora

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Os atuais dados e índices referentes à decapagem química deste aço são os

seguintes:

• Máquina com onze passes de trefilação;

• Velocidade de trefilação: 10 m/s;

• Configuração das graxadeiras de lubrificantes: uma inicial à base de cálcio e

demais graxadeiras com lubrificante à base de sódio;

• Índice de fraturas na trefilação: 0,07 fraturas / tonelada produzida;

• Índice de fraturas na linha pós-trefilação: 0,08 fraturas / tonelada produzida;

• Índice de uso de fieiras: 0,15 fieiras / tonelada produzida.

3.2.2 Decapagem Mecânica

A figura 27 apresenta um fluxograma simplificado do processo trefilação precedido

por decapagem mecânica, adotado na execução dos experimentos aqui descritos.

Figura 27 - Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem mecânica de fio-máquina

Fonte: Adaptado de Eder (2005)

Fio-máquina

com carepa

Fio-máquina decapado e com resíduo de carepa

Fio-máquina decapado

Fio máquina decapado e recoberto com bórax

Fio trefilado

Decapador mecânico

Bancada de escovas e

sopradores

Tanque de bórax

pentahidratado

Máquina Trefiladora

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Os principais equipamentos utilizados neste experimento, obedecendo ao fluxo de

processo apesentado, foram: um suporte de desbobinador de fio-máquina, um

decapador mecânico por flexão, uma bancada de escovas e sopradores, um tanque

de bórax pentahidratado, uma máquina modelo Júpiter B302 com onze passes

sequenciais de trefilação e carretéis de acondicionamento.

Os suportes desbobinadores de bobinas de fio-máquina têm capacidade para

suportar uma bobina de fio-máquina conforme ilustra a figura 28. São dispositivos

fixos, com eixo horizontal, destinados a alojar e desbobinar de modo controlado

bobinas de fio-máquina a fim de alimentar a máquina trefiladora de fio de aço.

Figura 28 – Suporte desbobinador de bobinas de fio-máquina

Fonte: Próprio autor

Sequencialmente utilizou-se um decapador mecânico por flexão com uma fieira-guia

na entrada do equipamento com diâmetro superior ao fio-máquina decapado. Este

equipamento possui base fixa, dobramento sobre polias com um total de roldanas

fabricadas com metal duro e com base coletora de carepas, conforme ilustra a figura

29.

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Figura 29 – Decapador mecânico por flexão

Fonte: Gillstrom, 2006

Dando sequência, foi utilizada uma bancada fixa, conforme ilustra a figura 30,

contendo uma escova espiralada com fios de aço recobertos com latão de diâmetro

de 0,25 mm na entrada do equipamento, conforme seta indicativa vermelha, e

sopradores de ar comprimido atuando em todo o diâmetro do fio em sentido

contrário ao seu deslocamento.

Figura 30 – Bancada de escovas

Fonte: Gillstrom, 2006

Outro equipamento utilizado no procedimento experimental, logo após a retirada do

óxido de ferro, foi o tanque de banho de bórax pentahidratado, o mesmo pode ser

visualizado na figura 31.

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Figura 31 – Tanque de bórax pentahidratado

Fonte: Cetlin, 1983

A máquina de trefilar (figura 32), utilizada no experimento possui as seguintes

características:

• Fabricante: Java China B302;

• Ano de fabricação: 2005;

• N° de Passes de trefilação: 11;

• 11 Bobinas;

• Velocidade final real: variável por bitola (velocidade máxima para o

experimento de 10 m/s);

• Bobinador de 560 mm de diâmetro com mesa rotativa;

• Duas possibilidades de acondicionamento, cesto metálico e carretel;

• Graxadeiras com misturador de lubrificante e fieiras rotativas.

Figura 32 – Máquina de trefilação

Fonte: Meyers, 1982

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E, por fim, após o fio-máquina ser convertido em fio de aço trefilado com 1,27 mm de

diâmetro, este era distribuído pelo bobinador e acondicionado em carretéis, outro

equipamento utilizado, conforme mostra a figura 33.

Figura 33 – Carretel de acondicionamento do fio trefilado

Fonte: Próprio Autor

3.3 Condições Experimentais

Os experimentos foram desenvolvidos nas instalações de uma unidade industrial

metalúrgica. Sua realização se deu no período de 10 de dezembro de 2013 a 18 de

janeiro de 2014, no horário das 07:00 h às 22:00 h, sendo acompanhadas por 1

técnico de processo, 1 técnico de laboratório e 1 engenheiro de produção, além de 1

operador de produção. Durante o experimento a temperatura ambiente média ficou

em 27 ºC e a umidade relativa do ar em torno de 55%.

O método utilizado para o planejamento deste trabalho foi o Planejamento e Análise

de Experimentos DOE (Design of experiments). O DOE é considerado uma

metodologia apropriada para estudar variáveis de processo e a diversidade de suas

interações, de forma a aumentar a probabilidade de solucionar problemas através de

análises estatísticas (ILZARBE et al., 2008). Por essa razão, nos últimos anos, ela

tem sido aplicada, em diversos segmentos industriais, sendo, portanto um método

de extrema importância para a indústria, pois a sua utilização permite resultados

muito confiáveis, que podem repercutir em ganhos de produtividade e de qualidade.

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Para início do experimento, houve a recepção e conferência das bobinas de fio-

máquina e transferência dessas bobinas para o estoque interno da planta industrial.

Sequencialmente foram levadas para os suportes de desenrolamento de fio-

máquina, ou seja, abastecimento da máquina trefiladora. O passo seguinte foi à

passagem do fio-máquina pelo decapador mecânico por flexão para fragmentar e

fazer soltar a carepa existente na superfície do fio trefilado, seguindo para o sistema

de bancada de escovas espirais e enceradeiras, rotativas, para retirada da camada

fina de óxido de ferro e, ainda fazendo parte desse sistema, na saída desse

conjunto, um soprador com ar comprimido atuando em todo o perímetro do fio-

máquina com o fluxo de ar em sentido contrário ao deslocamento do fio.

Após a retirada da carepa, o fio trefilado passa por um tanque onde há um banho

contendo tetraborato de sódio ou bórax pentahidratado (Na2B4O7�10H2O) à

concentração de 100 gramas por litro de água com uma tolerância de +/- 10%,

temperatura de 65 oC, com variação de +/- 10 ºC, e volume de capacidade do tanque

de aproximadamente 200 litros. Na sequência, o fio adentra a trefiladora equipada

com fieiras conforme identificado na tabela 3.

Tabela 3 – Jogos de fieiras utilizados

Passes de trefilação

4,75mm (diâmetro fio-máquina)

1,27mm (diâmetro final do fio)

Diâmetro das Fieiras de

pressão (mm)

Fieiras de trefilação (mm)

1o 5,13 4,20

2o 4,55 3,60

3o 3,89 3,10

4o 3,35 2,60

5o 2,91 2,37

6o 2,55 2,00

7o 2,26 1,88

8o 2,03 1,65

9o 1,83 1,52

10o 1,66 1,45

11o 1,51 1,27

Fonte: Próprio Autor

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Para a lubrificação foram utilizadas fieiras de pressão, indicadas na tabela 3, e os

seguintes lubrificantes: o sabão T1 a base de cálcio e o T2 a base de sódio. A tabela

4 apresenta a composição química dos lubrificantes utilizados.

Tabela 4 – Composição química básica (%) de sabões lubrificantes

Produto Ácidos graxos

Bórax Ca Cinzas K Mo Na S Si Mg P Ti

T2 78,40 12,50 0,21 <0,02 9,07 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02

T1 37,68 0,21 29,00 47,20 0,02 0,02 0,13 0,10 0,04 0,16 2,38

Fonte: Relatório de Análise Química – (Alfa metalúrgica, 2014)

O fio trefilado, ao final do processo, era bobinado e acondicionado em carretéis com

massa aproximada de 400 kg.

O experimento foi realizado com a variação controlada de dois fatores: condições de

lubrificação e velocidade de trefilação.

A tabela 5 apresenta o planejamento dos testes realizados. Para iniciar cada

condição, foram utilizados novos jogos de fieiras e substituído o lubrificante nas

graxadeiras de trefilação. E, para cada condição, a quantidade de matéria prima

processada foi a mesma, ou seja, cinco toneladas de fio-máquina.

Os parâmetros velocidade e número de graxadeiras com lubrificante à base de

cálcio em detrimento às graxadeiras com lubrificante à base de sódio foram

variáveis. Quanto à velocidade, variou em função da busca pela maior produtividade.

Para tal procurou-se utilizar como teste a velocidade máxima do processo que é de

10 m/s, atualmente utilizada para material decapado quimicamente. A variação do

lubrificante se deu em função da busca pela qualidade do fio trefilado. Fios isentos

de danos superficiais são o que se pretende obter.

Sabões lubrificantes à base de cálcio são muito utilizados quando se tem a

decapagem mecânica e baixas velocidades de trefilação, e os lubrificantes à base

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de sódio são recomendados para serem utilizados em passes com altas velocidades

(CETLIN, 1993 e DIETER, 1998).

Tabela 5 - Dados do planejamento do experimento

Ordem

executada

Graxadeiras

com

lubrificante

Cálcio

Graxadeiras

com

lubrificante

Sódio

Velocidade

(m/s)

Produção

(toneladas)

1 3 8 10 5

2 3 8 8 5

3 2 9 10 5

4 3 8 10 5

5 2 9 8 5

6 2 9 10 5

7 3 8 8 5

8 2 9 8 5

Fonte: Próprio autor

Os fatores que não foram controlados durante o experimento foram mantidos

constantes como foi o caso da concentração, da temperatura e do volume do banho

de bórax, das reduções (jogos de fieiras) e do nível de sabão lubrificante das

graxadeiras.

3.4 Procedimentos de Análise do Experimento

Este subcapítulo se propõe a apresentar os procedimentos, métodos e critérios

utilizados para o levantamento e análise dos resultados.

3.4.1 Viabilidade de Processo e Produtividade

Como forma de verificar a viabilidade do processo quanto ao desgaste de fieiras, fica

estabelecido o índice de 0,25 fieiras por tonelada de fio de aço produzido como

índice máximo convencionado pela planta industrial onde se processa o

experimento.

O número de fraturas do fio trefilado para tornar o processo viável também é definido

pela planta industrial, e estabelecido como número máximo aceitável em 0,15

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fraturas por tonelada de fio de aço produzido. Valores encontrados acima deste

índice torna o processo inviável.

3.4.2 Qualidade

A primeira análise do material que serve como forma de avaliação é a observação

do aspecto visual superficial do fio de aço trefilado. De cada carretel produzido foi

retirada uma amostra de aproximadamente 50 cm de comprimento do fio trefilado

para avaliação do aspecto visual. Ressalta-se que nesta primeira avaliação para

identificação dos defeitos superficiais, o procedimento se dá através da simples

observação visual, seguida da observação através do microscópio estereoscópio,

modelo XTX-3C, apresentado na figura 34, ampliando a visão das amostras em

quatro vezes.

Foram retiradas noventa e seis amostras, cada uma com aproximadamente 50 cm

de comprimento de um total de noventa e seis carretéis produzidos, e estabelecida

avaliação comparativa do aspecto superficial do fio trefilado decapado

mecanicamente com o fio trefilado advindo do processo de decapagem química.

Como critério de aceitação, as amostras devem ser isentas de defeitos superficiais

facilmente visíveis como pés de corvo, soldas mal feitas, frisos gerados por roldanas

ou rolamentos danificados, marcas de fieiras por desgaste natural ou por excesso de

temperatura na trefilação e marcas oriundas de defeitos estruturais do aço.

Figura 34 - microscópio estereoscópio, modelo XTX-3C.

Fonte: Próprio autor

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Outro procedimento utilizado para a avaliação da qualidade das amostras

experimentais foi a análise dimensional do fio trefilado.

Para a execução da análise dimensional foi utilizado um Micrômetro Digital, marca

Digimess, de resolução 0,001 mm e campo de medição de 0 mm a 25 mm, com

graduação no tambor e com calibração válida até 06 de junho de 2014. Conforme

figura 35, o instrumento está sobre um suporte para micrômetros externos, o que

facilita o manuseio em função do técnico executor da medição manter ambas as

mãos livres para operações com o micrômetro.

Quanto ao procedimento, foi utilizada norma técnica interna da empresa onde o

experimento foi realizado. O objetivo desta norma técnica é estabelecer o método e

os requisitos para a realização de análises dimensionais em arames, dentre eles:

diâmetro de arames (bitola), diâmetro de arames entalhados dentro e fora do

entalhe, estricção, passo, profundidade do entalhe e defeitos superficiais no arame.

Quanto aos critérios de aceitação, a especificação de tolerância de diâmetro é

determinada também por norma técnica interna. Essa norma estabelece que o

diâmetro dentro da especificação é aquele encontrado através de instrumento de

medição com status de calibração atualizada, devendo se manter no intervalo de

1,25 mm a 1,29 mm, ou seja, bitola nominal de 1,27 mm com tolerância de +/- 0,02

mm.

Figura 35 – Micrometro digital Digimess

Fonte: Próprio autor

Como forma de atestar a qualidade, também foi realizado o ensaio de tração dos fios

trefilados. Para a execução do ensaio de tração das amostras do experimento foi

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utilizado uma máquina de ensaio universal dinâmica com garra hidráulica, conforme

figura 36. A mesma possui as seguintes características: marca INSTRON, modelo

3382 e faixa nominal de 0 a 100 kN.

O ensaio de tração de fios de arames trefilados é disciplinado por norma técnica

interna. O objetivo desta norma é estabelecer as definições, parâmetros e

procedimentos para a realização de ensaio de tração de arame.

O critério de aceitação é determinado também por norma interna. A especificação

define que a carga de ruptura para o arame trefilado de 1,27 mm de diâmetro deverá

ser igual ou superior a 2200 N.

Figura 36 – Máquina de tração, à esquerda vista geral da máquina, à direita detalhe da execução do ensaio.

Fonte: Oliveira, 2009

Para a execução das análises metalográficas, as amostras foram enviadas para

laboratório específico fora da unidade industrial de onde se desenvolveu o trabalho.

Para as análises foi usado o microscópio eletrônico óptico de reflexão, com

capacidade de ampliação de 1500 vezes com dois conjuntos de lentes. Os

resultados da caracterização microestrutural, obtida por microscopia óptica, e

realizada em amostras de seções longitudinais e transversais do fio máquina e do fio

trefilado, foram atacadas em solução de nital 2%.

O critério de aceitação é definido pela ausência de defeitos superficiais e de carepa

residual.

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3.4.3 Qualidade Pós-Trefilação

Como forma de complementar o estudo e ter uma visão completa sobre as fraturas

do processo, após a conclusão dos experimentos de trefilação e ensaios previstos,

todo material utilizado inicialmente no experimento, cerca de quarenta toneladas, foi

processado em uma linha de produção que representa a fase seguinte do processo,

após a trefilação, objetivando avaliar o desempenho do fio trefilado. Essa etapa pós-

trefilação é uma linha produtiva que processa materiais já trefilados dando apenas

alguns tratamentos superficiais e conferindo ao fio a condição de produto acabado.

O número de fraturas do fio trefilado para tornar o processo viável no processo pós-

trefilação, também definido pela empresa, é estabelecido como número máximo

aceitável de 0,18 fraturas por tonelada de fio de aço produzido. Valores encontrados

acima deste índice tornam o processo inviável.

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3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo, serão apresentados os resultados obtidos a partir da realização do

experimento. Serão apresentados também os dados dos ensaios realizados nas

amostras do fio trefilado 1,27 mm, além da análise de viabilidade.

4.1 Apresentações dos Resultados

Este experimento foi realizado com a configuração de dois fatores controláveis, as

condições de lubrificação e a velocidade de trefilação, ambos variados em dois

níveis e com réplica.

A tabela 6 a seguir, apresenta todos os dados do experimento, os resultados

encontrados nos experimentos e em suas respectivas réplicas, assim como

resultados encontrados na linha pós-trefilação.

1ª Condição Experimental

Os resultados obtidos na primeira condição do experimento e réplica, ou seja, das

unidades 01 a 24, serão apresentados a seguir.

Houve uma fratura durante a trefilação do carretel no 10, entre o oitavo e nono bloco

da máquina trefiladora, identificado através do relatório metalográfico. Essa fratura

iniciou em região com defeito mecânico do tipo pé de corvo, as fotos 1 e 2 da figura

37 foram ampliadas em 32 e 100 vezes respectivamente.

Essa fratura é classificada como dúctil, e pode ter sido causada por algum defeito

superficial existente no fio-máquina ou falhas no processo, como a remoção

ineficiente da carepa, ou ainda por deficiências na lubrificação. Como é

característico dessa fratura, ocorreu nos passes finais do fluxo de trefilação.

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Figura 37 – Amostra de Fratura trefilado 1,27 mm - carretel no 10 da 1ª condição experimental

Fonte: Próprio autor

Segue na figura 38, uma foto da amostra do carretel produzido nº 12, ampliada 9

vezes, selecionada aleatoriamente, analisada e comparada a uma amostra de

mesmo diâmetro e aço, produzida através do processo trefilação precedido por

decapagem química. Evidencia-se que não apenas a amostra selecionada, mas

todas as demais analisadas não possuem defeitos superficiais nem há presença de

carepa residual na superfície dos fios.

Figura 38 – Aspecto visual de fios trefilados 1,27mm, à esquerda fio decapado quimicamente, à direita fio decapado mecanicamente.

Fonte: Próprio autor

Para essa amostra de trefilado (no 12), decapado por processo mecânico, também

foi solicitada análise metalográfica, figura 39, ampliada 500 vezes para verificação

de defeitos superficiais e resíduos de carepa que não foram encontrados.

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Figura 39 – Amostra metalográfica do trefilado 1,27mm – carretel no 12

Fonte: Próprio autor

A variação de diâmetro da primeira condição e réplica, num total de vinte e quatro

unidades produzidas, teve resultados conforme figura 40, através da medida do

diâmetro das amostras, foi encontrada a bitola 1,265 mm como média de todas elas,

sendo, portanto, considerado dentro das especificações. Não houve troca de jogo de

fieiras para essa primeira condição e réplica.

Figura 40 – Variação Diâmetro – 1ª condição e réplica

Fonte: Próprio autor

A carga de ruptura média encontrada no primeiro teste e réplica foi de 2774 N. O

histograma das cargas está apresentado na figura 41.

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Figura 41 – Carga de ruptura - 1ª condição e réplica

Fonte: Próprio autor

Também para essa primeira condição do experimento foram retiradas duas amostras

de fio-máquina (carretel 20) e enviado para avaliação metalográfica para verificação

da existência de carepa residual. A primeira amostra foi retirada após o decapador e

antes da bancada de escovas e sopradores, e a segunda amostra após as escovas

e antes da máquina trefiladora, conforme figura 42 a seguir.

Figura 42 - Amostras de fio-máquina

Fonte: Próprio autor

Os resultados encontrados indicam que para a primeira amostra há alguns pontos

em relevo, aspecto de bolha de carepa residual, enquanto que a segunda amostra

retirada após a bancada de escovas e sopradores não há evidência de carepa

residual. A figura 43 ampliada 9 vezes, refere-se a amostra que foi retirada após o

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decapador e antes da bancada de escovas e sopradores. Neste caso ficou

evidenciado que apenas o decapador mecânico por flexão não foi capaz de remover

toda a carepa existente na superfície do aço, conforme destacado por retângulo azul

na figura 43. Equipamentos auxiliares após o decapador possuem grande

importância no processo de decapagem mecânica do fio-máquina.

Figura 43 – Ampliação de amostra de fio-máquina para verificação de carepa residual

Fonte: Próprio autor

Ainda com relação à amostra retirada após o decapador mecânico e antes dos

equipamentos auxiliares, verifica-se através do corte longitudinal e ampliação da

imagem, a presença de carepa residual, conforme ilustra a figura 44. Na foto 1, com

ampliação de 200 vezes, pode-se observar relevo entre as setas. Na foto 2, com

ampliação de 1000 vezes, pode-se observar a presença de carepa residual.

Figura 44 – Ampliação amostra de fio-máquina para verificação de carepa residual

Fonte: Próprio autor

2ª Condição Experimental

Os resultados obtidos na segunda condição do experimento e sua réplica, ou seja,

das unidades produzidas numeradas de 25 a 48, são tratados a seguir.

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Não foram identificadas fraturas de trefilação. Foram retiradas amostras de todas as

unidades produzidas, também com comprimento de aproximadamente 50 cm, para

verificação do aspecto visual, e todas foram consideradas aprovadas. Conforme

relatório de análise metalográfica, a amostra de número 30 foi considerada sem

defeito superficial e sem evidência de carepa residual.

Não houve troca de jogo de fieiras durante esse segundo teste.

A variação de diâmetro da segunda condição e réplica, também num total de vinte e

quatro unidades produzidas (25 a 48), tiveram resultados conforme figura 45,

através da medida do diâmetro das amostras, foi encontrada a bitola 1,267 mm

como média de todas elas.

Figura 45 – Variação Diâmetro - 2ª condição e réplica

Fonte: Próprio autor

A carga de ruptura média encontrada na segunda condição e réplica foi de 2725 N,

ou seja, todas as amostras dentro da especificação. O histograma das cargas está

apresentado na figura 46.

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Figura 46 – Carga de ruptura – 2ª condição e réplica

Fonte: Próprio autor

3ª Condição Experimental

A seguir os resultados obtidos da terceira condição do experimento e réplica, ou

seja, das unidades produtivas numeradas de 49 a 72.

Foram identificadas quatro fraturas de trefilação (carretéis 58, 59, 71 e 72), e duas

delas foram submetidas a análise metalográfica. A primeira delas referente à

amostra do carretel no 58 pode ser visualizada através da figura 48. Segundo análise

é uma fratura frágil que ocorreu na região da solda, realizada para unir as pontas

das bobinas do fio-máquina para dar sequência ao processo.

A segunda fratura analisada, referente ao carretel no 71, apresentou a face de fratura

com algumas poucas regiões escurecidas, sendo que, este escurecimento

apresentou aspecto que pode ter sido provocado por uma lubrificação ineficiente na

região, é uma fratura frágil, conforme figura 47. As amostras dos carretéis 59 e 72,

que também tiveram fratura, apresentaram mesmo aspecto visual de fratura da

amostra 71.

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Figura 47 – Foto de fratura de amostra do carretel no. 58

Fonte: Próprio Autor

Figura 48 – Foto da fratura de amostra do carretel no. 71

Fonte: Próprio autor

Quanto ao aspecto visual referente às amostras de carretéis de números 49 a 60, foi

verificado que, a partir da amostra de número 58, começam a aparecer alguns

defeitos superficiais, como pode ser verificado através da figura 49. Na réplica deste

teste os mesmos defeitos também foram encontrados a partir da amostra do carretel

de número 71, apresentando frisos longitudinais, originados de desgaste de fieiras o

que pode ser atribuído a uma condição mais severa de processo.

Ressalta-se que houve a necessidade de troca de jogos de fieiras para essa terceira

condição no exato momento em que foram identificados os defeitos superficiais.

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Figura 49 – Fio trefilado – amostra do carretel nº 58

Fonte: Próprio autor

A medição de diâmetro dos fios obtidos a partir da terceira condição e réplica,

também num total de vinte e quatro unidades produzidas (49 a 72), teve resultados

apresentados na figura 50, e a média do diâmetro encontrado foi de 1,267 mm.

Figura 50 – Variação Diâmetro - 3a condição e réplica

Fonte: Próprio autor

A carga de ruptura média encontrada nesta terceira condição e réplica foi de 2733 N.

O histograma das cargas está apresentado na figura 51.

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Figura 51 – Carga de ruptura - 3a condição e réplica

Fonte: Próprio autor

4ª Condição Experimental

Os resultados obtidos na quarta condição e réplica do experimento, das unidades

produtivas numeradas de 73 a 96, são os descritos a seguir.

Não foram identificadas fraturas de trefilação. Foram retiradas amostras de todas as

unidades produzidas, também com comprimento de aproximadamente 50 cm para

verificação do aspecto visual, e todas foram consideradas aprovadas. Sem defeitos

superficiais e sem evidência de carepa residual, revelou a análise metalográfica da

amostra 90.

Não houve necessidade de troca do jogo de fieiras nesse último teste e réplica.

A variação de diâmetro desta condição e réplica, também num total de vinte e

quadro unidades produzidas (73 a 96), é apresentada na figura 52. Através da

medida do diâmetro das amostras, foi encontrada a bitola 1,264 mm como média de

todas elas, e todas dentro da especificação exigida.

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Figura 52 – Variação Diâmetro - 4ª condição e réplica

Fonte: Próprio autor

A carga de ruptura média encontrada no para esta condição e réplica foi de 2735 N.

O histograma das cargas está apresentado na figura 53.

Figura 53 – Carga de ruptura – 4ª condição e réplica

Fonte: Próprio autor

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Qualidade Pós-trefilação

Para verificação da qualidade no processo seguinte, denominado de pós-trefilação,

os carretéis de fios trefilados processados por cada condição experimental foram

sequencialmente processados, conforme tabela 7. Observam-se na mesma tabela

os dados do experimento correspondente às noventa e seis amostras do teste

experimental e a seguir os dados obtidos do processo seguinte (pós-trefilação),

assim como o número de fraturas na linha de produção e os índices de fraturas

ocorridos, comparando ao limite máximo do índice de rupturas aceitáveis.

Tabela 7 - Avaliação de Fraturas Processo pós Trefilação

Fonte: Próprio autor

Analisando individualmente os resultados, verifica-se que houve quatro fraturas na

terceira condição e réplica, com índice de fraturas por toneladas de 0,40, bem

superior ao índice aceitável para o processo que é de 0,18.

4.2 Análises da Viabilidade Técnica

Avaliando os experimentos desenvolvidos, fica evidenciado que a viabilidade técnica

da decapagem mecânica do fio-máquina 1075 foi comprovada. Através dos testes

de qualidade e índices obtidos, pode-se concluir que a terceira condição

experimental foi à única que não obteve resultados aceitáveis, sendo considerada

por vários fatores como inviável.

Para a terceira condição do experimento, considerada como inviável tecnicamente, a

verificação de diâmetro e carga de ruptura tiveram resultados positivos, porém o

índice de fraturas na trefilaria foi de 0,40 fraturas por tonelada produzida, ficando

acima do máximo aceitável para o processo que é de 0,15 por tonelada. O desgaste

de fieiras também se manteve acima do aceitável, ficando em torno de 1,1 fieiras por

Processo Seguinte

Produção (t)

Quantidade de carretéis produzidos

Unidades Produzida

s

Número de

fraturas na linha

Indice fraturas por

tonelada produzida

Indice máximo aceitável de

fraturas/tonelada produzida

1a Condição + Réplica 10 24 01 a 24 1 0,100 0,180

2a Condição + Réplica 10 24 25 a 48 0 0,000 0,180

3a Condição + Réplica 10 24 49 a 72 4 0,400 0,180

4a Condição + Réplica 10 24 73 a 96 1 0,100 0,180

Dados do experimento

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tonelada produzida, contra 0,25 fieiras por toneladas como índice máximo aceitável.

Foram produzidos 05 carretéis com defeitos superficiais, e, processando os carretéis

desta terceira condição e réplica na linha pós-trefilação, foi obtido um resultado de

0,40 fraturas por tonelada, superior aos 0,18 estabelecidos como índice máximo

aceitável.

As demais condições experimentadas obtiveram êxito e foram consideradas viáveis.

Entretanto, Além dos resultados encontrados nos testes de qualidade através dos

ensaios realizados e índices alcançados, pode-se afirmar que a primeira condição

experimental gera uma maior produtividade em função da aplicação de uma maior

velocidade de trefilação. Comparando os dados encontrados no experimento da 1ª

condição, considerada melhor em produtividade, com os padrões de trefilação e pós-

trefilação de fios 1,27 mm decapados quimicamente, tem-se:

Decapado quimicamente:

• Velocidade de trefilação: 10 m/s;

• Configuração das graxadeiras de lubrificantes: uma inicial à base de cálcio e

demais graxadeiras com lubrificante à base de sódio;

• Índice de fraturas na trefilação: 0,07 fraturas / tonelada produzida;

• Índice de fraturas na linha pós-trefilação: 0,08 fraturas / tonelada produzida;

Decapado Mecanicamente:

• Velocidade de trefilação: 10 m/s;

• Configuração das graxadeiras de lubrificantes: três iniciais à base de cálcio e

demais graxadeiras com lubrificante à base de sódio;

• Índice de fraturas na trefilação: 0,10 fraturas / tonelada produzida;

• Índice de fraturas na linha pós-trefilação: 0,10 fraturas / tonelada produzida;

O processo de decapagem mecânica apresenta desempenho inferior quando

comparado ao processo de decapagem química para o índice de fraturas na

trefilação e processo pós-trefilação, entretanto o mesmo possui índices que se

encontram dentro dos padrões estabelecidos como plenamente aceitáveis pela

planta industrial.

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4.3 Análises do Efeito da Variação dos Parâmetros

A variação de parâmetros como velocidade de trefilação e quantidade de

graxadeiras com lubrificante à base de cálcio nos primeiros passes em detrimento

das graxadeiras à base de sódio, se dá respectivamente em função da busca pela

maior produtividade e qualidade do fio trefilado. A análise que segue busca elucidar

a relação existente entre estes dois parâmetros de processo e o número de fraturas

na trefilação, a qualidade do fio trefilado, o desgaste de fieiras e a qualidade pós-

trefilação.

Analisando o efeito da variação de parâmetros de processo no procedimento

experimental de forma individual, verifica-se que a partir do aumento da velocidade

de trefilação ocorre aumento do número de fraturas e aumento do desgaste de

fieiras, conforme ilustra a figura 54. Segundo Dieter (1998) e Cetlin (1983) com

velocidades maiores de trefilação, a camada de lubrificante pode se decompor,

devido ao aumento da temperatura, e perder a sua eficiência lubrificante e

refrigerante. Com isso maiores esforços de trefilação irão existir, contribuindo para o

aumento das fraturas e desgaste de fieiras, especialmente para fios de aço de alto

teor de carbono, por possuírem uma maior resistência mecânica e exercem uma

maior pressão sobre as fieiras comparada ao fio de baixo e médio teor de carbono

em sua composição química.

Figura 54 – Efeito do Parâmetro Velocidade de Trefilação

Fonte: Próprio Autor

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Ainda analisando os efeitos individuais dos parâmetros de processo no experimento,

evidencia-se que a partir do aumento das graxadeiras com lubrificantes à base de

cálcio na trefilação, reduz-se o número de fraturas do fio trefilado e não há desgaste

de fieiras, conforme pode ser visualizado na figura 55.

Figura 55 – Efeito dos Parâmetros Lubrificantes de Trefilação

Fonte: Próprio Autor

Segundo Ruiz et al. (2001) os lubrificantes a base de cálcio são muito utilizados nos

passes iniciais de trefilação, e possuem uma grande importância quando opta-se

pelo processo de decapagem mecânica do aço, por ter um elevado teor de aditivos

usados em condições de extrema pressão com alto poder reativo, que reagem com

a superfície do metal, formando uma densa película lubrificante, favorecendo ao

processo de trefilação.

A partir do experimento evidenciou-se que quando utilizados apenas nos dois

passes iniciais da máquina de trefilação lubrificantes à base de cálcio e demais

passes com lubrificantes à base de sódio e velocidade de 10 m/s, o número de

fraturas na trefilação foi maior quando comparado à utilização de três passes iniciais

à base de cálcio e demais à base de sódio com a mesma velocidade. Verificou-se

também que esta configuração além de gerar cinco carretéis com falha de

qualidade, contribuiu com índices de desgaste de fieiras e fraturas pós-trefilação

acima do índice máximo aceitável para o processo pela planta industrial.

Segundo Dove (1979) e Felder e Levrau (2011), pelas maiores dificuldades de

lubrificação de arames decapados mecanicamente, é comum a utilização de

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lubrificantes à base de cálcio com baixo teor de ácidos graxos nos primeiros passes,

onde se encontram baixas velocidades e alta deformação do material.

Quando à velocidade de trefilação é reduzida de 10 m/s para 8 m/s e varia-se a

configuração de graxadeiras de cálcio nos passes iniciais, verifica-se que não há

impactos quanto às fraturas, a qualidade superficial do fio trefilado, o desgaste de

fieiras e fraturas pós-trefilação. Menores esforços de trefilação podem explicar

esses resultados.

Quanto aos resultados de fraturas ocorridos na linha pós-trefilação, constatou-se

que as amostras advindas do processo de trefilação com três graxadeiras de cálcio

nos passes iniciais, tiveram apenas uma fratura, enquanto que a configuração de

trefilação com apenas duas graxadeiras de cálcio gerou cinco fraturas. Os efeitos da

velocidade de trefilação na linha de processamento pós-trefilação foram os

seguintes: para as amostras produzidas a uma velocidade de 10 m/s ocorreram

cinco fraturas, enquanto que apenas uma foi gerada a partir da velocidade de 8 m/s.

4 CONCLUSÃO

Apesar de sua crescente difusão e utilização em ambientes fabris, com sólida

importância para a fabricação de fios de aço trefilados, a decapagem mecânica de

aços ainda não é um método cujo conhecimento está tecnologicamente dominado

em sua totalidade, de forma que ainda restam diversos estudos a serem explorados,

tanto relativos ao próprio processo como suas aplicações.

A proposta do trabalho aqui apresentado foi a de fazer uma análise da viabilidade

técnica da remoção de carepa da superfície do aço ABNT 1075, utilizando o método

pré-trefilação de decapagem mecânica. Foram abordados temas de relevada

importância na revisão bibliográfica para essa aplicação, assim como a realização

de um procedimento experimental.

Sintetizando as conclusões sobre o procedimento experimental objetivando a

decapagem mecânica do aço ABNT 1075, pode-se afirmar que:

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• Diante dos testes desenvolvidos e requisitos do projeto, os resultados

possibilitaram verificar que o processo mecânico de remoção da carepa

possui viabilidade técnica em três das quatro condições experimentais

avaliadas;

• Os resultados da terceira condição experimental e réplica evidenciam

limitações ao processo, considerada inviável, uma vez que requisitos de

processo como índices de fratura na trefilação e pós-trefilação, além de

utilização de fieiras, ficaram acima do limite padrão estabelecidos pela

unidade industrial;

• A primeira condição experimental corresponde a um processo com mesma

velocidade comparada ao processo associado à decapagem química, o índice

de fratura ficou acima do encontrado no processo com decapagem química,

porém abaixo do que a empresa determina como limite aceitável;

• Ficou evidenciado que utilizando apenas o decapador mecânico por flexão

não foi possível retirar toda a carepa da superfície do fio. Equipamentos

auxiliares sequenciais, como escovas rotativas e sopradores

complementaram o processo, o que concorda com a revisão da literatura;

• O fio de 1,27 mm de diâmetro decapado mecanicamente possui

características mecânicas e físicas iguais ao fio decapado quimicamente;

• O método mecânico de decapagem permitiu a simplificação do fluxo de

produção de fios trefilados, assim como a redução do manuseio do fio-

máquina comparado ao método químico de decapagem;

• Houve a redução de controles documentais e pessoal envolvido no processo;

• Eliminação dos custos com o tratamento dos efluentes da estação de

decapagem (ácidos, água e neutralizantes);

• Eliminação dos custos de armazenamento de ácidos e neutralizantes e com a

manutenção dos tanques desta estação;

• Verificou-se a redução dos impactos ambientais relacionados com a produção

de fios trefilados, uma vez que deixam de ser utilizados ácidos e

neutralizantes, assim como redução do consumo de água.

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Quanto à variação dos parâmetros velocidade e número de graxadeiras à base de

cálcio nos passes iniciais de trefilação em detrimento do número de graxadeiras à

base de sódio, conclui-se que:

• A configuração de lubrificantes capaz de trefilar o fio-máquina de aço 1075

decapado mecanicamente de 4,75 mm de diâmetro, para um diâmetro final de

1,27 mm a uma velocidade de 10 m/s foi a seguinte: três graxadeiras nos

passes iniciais á base de cálcio e demais à base de sódio.

• Utilizando apenas duas graxadeiras à base de cálcio e processando o fio-

máquina a condições menos severas, ou seja, a uma velocidade de 8 m/s,

obtêm-se também viabilidade técnica. Entretanto há perda de produtividade

• Apenas duas graxadeiras à base de cálcio nos passes iniciais da máquina é

um fator limitante para processar o fio-máquina 4,75 mm aço 1075 a uma

velocidade de 10 m/s.

Sugestões para Trabalhos Futuros

A partir deste trabalho seguem sugestões para trabalhos futuros:

• Fazer o mesmo estudo para outros tipos de aços alto teor de carbono, assim

também como para aços com baixo teor de carbono;

• Conhecer detalhadamente as causas que levam às rupturas do material

quando este é trefilado, através de ferramentas estatísticas e de

experimentos que possam isolar algumas das muitas variáveis existentes;

• Analisar detalhadamente, através de uma abordagem experimental, as

causas que levam aos vários tipos de desgaste de fieiras no processo de

trefilação.

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