UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA – ITEC CURSO DE ENGENHARIA NAVAL
HELLERY DE CASTRO ROCHA FILHO – MATR. 2015074400__ LUIS FELIPE FARIAS SOARES – MATR. 2015074400__ JOSÉ MARIA PALHETA CARDOSO DE OLIVEIRA – MATR. 201507440016
Trabalho Técnico T1 – Materiais Metálicos Utilizados em Estruturas Navais Disciplina TE-13007 –Materiais de Construção Hidroviária, período 2017/02, 5º semestre, no curso de Engenharia Naval, na Universidade Federal do Pará. PROFESSOR: Eng. Naval Naval PEDRO IGOR LAMEIRA
BELÉM (PA) – Maio/2017
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1. INTRODUÇÃO O presente trabalho trata sobre os Materiais Metálicos utilizados na indústria naval, notadamente na execução da estrutura resistente das embarcações, ligas de aço naval, seus padrões, normatizações e aplicações, como também características de composição química e propriedades mecânicas como limites de escoamento, limites de resistência à tração, ductibilidade, resiliência e tenacidade, adentrando também sobre as Normas de Construção de embarcações observadas pelas Sociedades Classificadoras.
2. MATERIAIS UTILIZADOS Aços: Processo de Obtenção Para a fabricação do aço utilizado nas estruturas navais, temos dois processos iniciais descritos conforme a seguir: Preliminarmente, com a obtenção do denominado ferro gusa, material metálico composto principalmente por ferro, contendo também altos teores de carbono (cerca de 4,5 %) e altos teores de impurezas (enxofre, fósforo e outros elementos), o qual é produzido a partir do minério de ferro aglomerado sob a forma de sínter ou pelotas, que são obtidos respectivamente nos processos de sinterização e pelotização, ao qual são adicionados produtos fundentes como cal, sílica e outras substâncias semelhantes, e o chamado coque metalúrgico, que é decorrente do processo da coqueificação do carvão mineral ou vegetal. Em continuidade, a etapa é sucedida pela transformação do ferro gusa em aço, na chamada aciaria, onde nos conversores acontece a oxidação do excesso de carbono e das impurezas, que dessa maneira são removidas, resultando em uma liga ferrosa com teor de carbono bem mais baixo, ou inferior a 1% e com praticamente inexistente nível de impurezas. Normalmente, a obtenção do material ferro gusa ocorre no alto forno, embora possa ser obtido material quimicamente semelhante e de característica esponjosa, pelo processo de redução direta, e depois utilizado de mesmo modo ao ferro gusa sólido obtido no alto forno.
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O Processo: O minério de ferro é introduzido no alto forno sob a forma de sínter ou pelotas, este contendo cerca de 99% de Fe2O3, que após ser submetido à sinterização ou pelotização, reduz o teor de Fe2O3 para cerca de 80%, e é transformado em ferro gusa líquido com teor de ferro da ordem de 95%. Após essa etapa, o ferro gusa é submetido à conversão em aço na aciaria à oxigênio, que também recebe sucata como parte da matéria-prima, tendo o teor de ferro elevado pela eliminação de impurezas e grande parte do carbono. O aço líquido é submetido ao lingotamento contínuo, que por razões econômicas e de aumento de produtividade é mais utilizado que a solidificação em lingoteiras, sendo encaminhado aos processos de conformação mecânica, como laminação a quente e posteriormente a frio, como também ao forjamento. Existe também um processo de obtenção do aço através de uma sequencia alternativa, que prevê a alimentação de minério de ferro e pelotas em uma usina de redução direta de minério de ferro, através de fornos de redução direta, que são retortas verticais com gás reformado. Neste sequencia, é obtido o chamado ferro esponja, este no estado sólido, em vez de ferro gusa, que é utilizado como matériaprima nos fornos elétricos, juntamente com sucata, onde é obtido o aço líquido, solidificado no lingotamento contínuo e depois para os processos de conformação, como laminação e forjamento, do material aço sólido. O ferro gusa é o principal produto do alto forno, e contém aproximadamente 4,5% de carbono, 0,3 a 0,7% de silício, 0,01 a 0,04% de enxofre, 0,1% de fósforo no máximo e 0,15% de manganês. Produz ainda escória contendo 30 a 40% de SiO2, 5 a 15% de Al2O3, 35 a 45% de CaO, 5 a 15% de MgO e 1 a 2% de enxofre. O aproveitamento da escória de alto forno tem sido incrementado mais recentemente, utilizado na fabricação de cimentos e outros materiais cerâmicos e cuja basicidade (B) da escória é calculada pela razão entre a soma dos teores de CaO e MgO e a soma dos teores de SiO2 e Al2O3.
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Aço naval: Chapas grossas. As chapas grossas pertencem à categoria de aços planos comuns e são laminados à quente e transformadas a partir do corte de placas em chapas por meio de laminadores especiais. Apresentam propriedades físicas específicas no tocante à espessura, largura, comprimento e aplicações, que tornam o produto distinto dos demais produtos de aços planos laminados à quente. A espessura das chapas grossas pode atingir 400 mm, enquanto que as bobinadas a quente apresentam, no máximo, 25 mm. A largura das chapas grossas pode atingir 5000 mm, enquanto que as demais chapas bobinadas à quente atingem, no máximo, espessura de 2200 mm. O comprimento das chapas grossas pode atingir de 2400 até 18000 mm. As chapas grossas são utilizadas em aplicações diferenciadas das chapas finas de aço plano, destinando-se à indústria mecânica, de energia, de equipamentos industriais, naval, metalúrgica etc., ou seja, onde as dimensões das chapas grossas proporcionam vantagem comparativa para os usuários de aço. No Brasil, a Usiminas e a Cosipa fabricam chapas grossas para uso naval. As espessuras utilizadas no Brasil são, em geral, de 6,5 mm, 8 mm, 9,5 mm, 12 mm e 16 mm. Usualmente apresentam 2440/ 2750 mm de largura e 12000 mm de comprimento. São fabricadas de 900 mm a 3.900 mm de largura e 2.400 mm a 18.000 mm de comprimento. As espessuras variam de 6 mm a 150 mm. A produção de todos os aços utilizados para fins de construção naval começa com a fundição do minério de ferro e a fabricação do ferro-gusa. O ferro fundido resultante inicial é composto por um percentual de 92 a 97 de ferro, sendo o restante carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo. Em processos subsequentes o ferro-gusa é refinado e as impurezas são reduzidas
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Aços podem ser considerados como ligas de ferro e carbono, com a porcentagem de carbono variando de cerca de 0,1 por cento em aços macios para cerca de 1,8 por cento em alguns aços endurecidos Adições de elementos químicos nos aços durante o processo de fabricação serve a vários propósitos como remover as impurezas, levando-as para a escória e, finalmente, para produzir a composição do aço pretendida
Tratamento Térmico dos Aços RECOZIMENTO Consiste no aquecimento do aço a uma velocidade lenta até uma temperatura de 850°C a 950°C. Em seguida o aço é resfriado lentamente na fornalha. Os objetivos do recozimento são: • aliviar quaisquer tensões internas, • suavizar o aço, • trazer o aço a u ma condição adequada para um tratamento térmico posterior
NORMALIZAÇÃO É realizada pelo lento aquecimento do aço até uma temperatura semelhante à para o recozimento e posterior resfriamento ao ar.
A taxa mais rápida de
resfriamento resulta na produção um aço mais forte do que o recozimento, e também com o tamanho de grão refinado TÊMPERA (ou ENDURECIMENTO) O aço é aquecido a temperaturas semelhantes às usadas para recozimento e normalização e então é “temperado” em água ou óleo. A taxa de resfriamento mais
rápido produz uma estrutura muito dura com uma maior resistência à tração ALÍVIO DE TENSÕES Para aliviar tensões internas, a temperatura do aço pode ser levantada de modo a que nenhuma mudança estrutural do material ocorra e em seguida, ela pode ser arrefecida lentamente
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Os tipos mais comuns associados com a construção naval são apresentados na figura abaixo. É preferível limitar as seções a serem usadas na construção naval para aquelas prontamente disponíveis, isto é, os tipos padrão, pois a usinagem de pequenas quantidades de perfis de aço não é muito econômica Normalmente na construção do casco utiliza-se aço carbono contendo de 0,15 a 0,23 por cento de carbono, com um razoavelmente alto teor de manganês. Tanto o enxofre e o fósforo no aço macio são mantidos a um mínimo (menor do que 0,05 por cento). As concentrações mais elevadas de ambos são prejudiciais para as propriedades da soldagem do aço, e fissuras podem desenvolver-se durante o processo de laminação, se o teor de enxofre é elevado O aço utilizado na construção de um navio classificado com Lloyds Register, testes de inspeção deverão ser realizadas na fábrica do aço antes da expedição. Todos os materiais certificados são marcadas com a Marca da Sociedade (abaixo), como exigido pelas regras.
Atualmente existem cinco qualidades diferentes de aço utilizados na construção de navios mercantes, frequentemente referido como aços IACS. A – Aço carbono comum. Muito usado na construção de navios. B – Aço carbono de melhor qualidade e especificado onde as placas mais espessas são necessárias nas regiões mais críticas Em alguns casos recomendado pela ABS. C, D e E – possuem melhores características e ductilidade. Aços com maior resistência do que a do aço carbono são empregados nas regiões altamente estressadas de grandes petroleiros, conteineiros e graneleiros
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O uso de aços de maior resistência permite reduções na espessura de convés, fundo do casco, e escantilhões na meia-nau de navios de maior porte, o que, no entanto, pode levar a maiores deflexões.
Fadiga na solda x corrosão: Aços Resistentes à corrosão Aços com elementos de liga, que lhes dão boa resistência à corrosão e coloquialmente conhecido como aços inoxidáveis não são comumente usados em estruturas de navios, principalmente por causa de seus custos iniciais e de fabricação superiores. São usados apenas na fabricação dos tanques de cargas altamente corrosivas Painéis em sanduiche de aço Como uma alternativa para redução de peso em embarcações onde o peso é um problema, em substituição as placas planas de aço convencional, podem-se usas painéis de chapas de aço com núcleo de recheio leve de PU ou mesmo em honeycomb (tipo colmeia). Forjando o aço O forjamento é simplesmente um método de moldar um metal por aquecimento, a uma temperatura em que ele se torna mais ou menos plástico, para em seguida, por martelagem ou repuxo levá-lo a forma requerida O tratamento térmico subsequente é necessário, preferencialmente de recozimento e têmpera para remover os efeitos do arrefecimento não uniforme A soldabilidade dos aços de resistência a tensão mais elevados é uma consideração importante na sua aplicação em estruturas de navios e a questão da redução da vida útil devido a de fadiga com estes aços tem sido sugerido. Além disso, os efeitos da corrosão, nas espessuras menores da secção das chapas podem exigir um controle mais vigilante do seu grau de corrosão.
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Aços para Construção Naval e Plataformas Marítimas: Essa classe de aço é destinada à fabricação de cascos de navios e embarcações em geral, como também aos diversos tipos de estruturas oceânicas, em especial plataformas offshore dos tipos fixa, semi-submersíveis, TLPs (TensionLeg Plataform), FPSOs (Floating, Production, Storage and Offloading), autoeleváveis e navios-sonda, nas quais a exigência de garantia de propriedades mecânicas na soldagem é requerida. O aço naval de maneira geral é regido pela norma ASTM ou pelas entidades classificadoras internacionais: American Bureau of Shipping (ABS), Bureau Veritas (BV), Det Norske Veritas (DNV), Germanischer Lloyd (GL), Lloyd’s Register of
Shipping (LR), Nippon Kaiji Kyokai (NK), entre outras. No Brasil, um dos fabricantes (Usiminas) é certificado pelas principais entidades classificadoras navais. Para essa aplicação são produzidos aços de m édia e alta resistência mecânica com limitação de carbono equivalente produzidos por diversas condições de fornecimento: laminação convencional, laminação controlada, laminação controlada com resfriamento acelerado ou tratamento térmico de normalização. São aços de excelente limpidez podendo garantir tenacidade a baixas temperaturas, tração na direção da espessura - Tração “Z”, qualidade interna por ensaio de ultrassom, além de ensaios especiais, quando requeridos, tais como DWTT (Drop Weight Tear Test) e CTOD (Crack Tip Opening Displacement), além da ótima soldabilidade, considerando os mais diversos processos de soldagem utilizados na construção naval. Destaca-se para essa aplicação a linha de produtos Sincron Naval, da siderúrgica Usiminas que, devido ao menor carbono equivalente e microestrutura refinada, proporciona excelentes características de tenacidade na ZTA (Zona Termicamente Afetada), mesmo com a utilização de altas taxas de deposição (alto aporte térmico). Sincron naval e offshore: Os aços Sincron foram desenvolvidos para oferecer desempenho superior na construção naval e offshore, na montagem das estruturas
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de plataformas marítimas e nas demais construções que requerem o uso de aços de alta resistência mecânica. Diversos são os benefícios na utilização dessa linha de produtos: • vantagens operacionais; • segurança; • ganho, em produtividade, aos construtores e aos usuários; • flexibilidade na seleção e na especificação de material metálico visando o
desenvolvimento dos projetos de engenharia de dutos, embarcações, plataformas marítimas e estruturas metálicas. • eliminação de pré-aquecimento. • os aços da linha Sincron permitem a operação de soldagem, com redução
de temperatura ou eliminação do pré-aquecimento com alta performance. Essa vantagem é bastante importante na fabricação de plataformas e navios. • Os produtos da linha Sincron apresentam baixa suscetibilidade ao
trincamento a frio (Cold Cracking), permitindo sua soldagem com uma redução significativa na temperatura de pré-aquecimento ou mesmo sua eliminação. AÇOS SINCRON - ESPECIFICAÇÕES temperatura ensaio charpy LIMITE DE ESCOAMENTO ESPESSURA 0 °C
-20 °C
-40 °C
-60 °C
32 kg/mm2
12 A 50,8 mm
AH-32
DH-32
EH-32
FH-32
36 kg/mm2
13 A 50,8 mm
AH-36
DH-36
EH-36
FH-36
40 kg/mm2
14 A 50,8 mm
AH-40
DH-40
EH-40
FH-40
43 kg/mm2
AH-43
DH-43
EH-43
47 kg/mm2
AH-47
DH-47
EH-47
Fonte: USIMINAS
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Fonte: USIMINAS
A tabela a seguir ilustra as principais qualidades comercializadas pela Usiminas destinadas à construção naval e offshore. Composição Química (% em massa) GRAU
PropriedadesMecânicas
Charpy
Alongamento
Faixa de Espessura (mm)
Espessura C
A
Si
Mn
P
S
Outros
Ceq%
LE (MPa)
LR (MPa)
(mm)
Energia mínima BM (mm)
%
0,50 máx. 2,5 x C min. 0,21 máx.
B
0,60 mín. 0,35 máx. 0,60 mín.
D E
0,035 máx. 0,035 máx.
0,40 máx.
235 mín.
400 ~ 520
200
16
(J)
-
-
0 -20
27
-40
0,70 mín. 0,70 ~ 1,60
AH-32
T (°C)
0
0,90 ~ 1,60 0,70 ~ 1,60
DH-32
0,035 máx. 0,035 máx.
0,36 máx.
315 mín.
440 ~ 585
200
16
-20
31
0,90 ~ 1,60 0,70 ~ 1,60
EH-32
-40
0,90 ~ 1,60 AH-36
0,70 ~ 1,60
6,00 ≤ E ≤ 80,00
(2)
(3)
0
0,90 ~ 1,60 0,18 máx.
DH-36
0,50 máx.
0,70 ~ 1,60
0,035 máx. 0,035 máx.
0,38 máx.
355 mín.
490 ~ 620
200
15
-20
34
0,90 ~ 1,60 0,70 ~ 1,60
EH-36
-40
0,90 ~ 1,60 0,70 ~ 1,60
AH-40
0
0,90 ~ 1,60 0,70 ~ 1,60
DH-40
0,035 máx. 0,035 máx.
0,40 máx.
390 mín.
510 ~ 660
200
14
-20
0,90 ~ 1,60 0,70 ~ 1,60
EH-40
-40
0,90 ~ 1,60 BS-4360/86 43 EE BS-4360/87 50 D API 2H 50
6,00 ≤ E ≤ 76,20
Sob consulta 9,50 ≤ E ≤ 50,80
API 2W 50 SINCRO N A H32 - EH40
12,00 ≤ E ≤ 50,00
Ver catálogo da linha Sincron Naval e Offshore
(1) BV, DNV, NK: Espessura máx. = 51,00 mm. Sob concessão espess uras superiores (2) Outros elementos químicos Ni, Cu, Cr, Mo, V, Ti, Nb conforme especificação da norma. (3) Os valores de alongamento poderão variar em função da base de medida e da espessura do produto. (4) Direção do ensaio de tração: Transversal para todos os graus e entidades classificadoras. (5) Direção do ensaio Charpy: Longitudinal para todos os graus e entidades clas sificadoras. (6) Para ABS e NK: LR= 440 ~590 MPa (AH32,DH32,EH32). (7) Para BV, LR, KR e GL: LR= 440~570 MPa (AH32,DH32,EH32); LR= 490~630 MPa (AH36,DH36,EH36) (8) Para NK considerar Mn= 0,90~1,60 para qualquer faixa de espessura (9) Para NV cons iderar Mn ≥ 0, 80% (6,00 ≤ E ≤ 25,00); Mn ≥ 0,60 % (25,01 ≤ E ≤ 50,80); LR= 440~570 MPa (A32,D32,E32); LR= 490~630 MPa (A36,D36,E36).
(10) Ceq: C+Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 (11) Condições de Fornecimento para grau naval: As rolled, Normalizado, Laminação Controlada, Laminação controlada + Resfriamento acelerado (Linha Sincron) (12) Ensaio de Estricção Z25, Z35: AH32 até EH40. Fonte: USIMINAS
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5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSIS, Prof. Luiz Felipe - Diretor Técnico da SOBENA - artigo sobre aços navais- 2015 www.usiminas.com - Siderúrgica Usiminas – Aços para indústria naval - acesso em maio/2017 www.infomet.com.br - Infomet – Aços e Ligas - acesso em maio/2017 www.ebah.com.br/materiais-metalicos-industria-naval - acesso em maio/2017 www.scribd.com/document/ aços para construcao naval - acesso em maio/2017
