Centro de Gestão e Estudos Estratégicos Ciência, Tecnologia e Inovação. Fase I Panorama Setorial TR 26. Tema: Mercado e Produtos

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1 Centro de Gestão e Estudos Estratégicos Ciência, Tecnologia e Inovação Fase I Panorama Setorial TR 26 Tema: Mercado e Produtos

2 Tendencias e Inovações em Aços Rio de Janeiro Agosto,

3 TR26 Tendencias e Inovações em Aços SUMÁRIO EXECUTIVO Cerca de 75% dos aços utilizados, entre os 3500 diferentes tipos, foram desenvolvidos nos últimos 20 anos. O desenvolvimento na construção civil demanda melhores propriedades mecânicas, soldabilidade, redução de peso, acabamento e integração ambiental. No Brasil, apesar de ainda ser dominante a edificação com estruturas de concreto armado, nota-se um acentuado crescimento do uso das edificações de aço. Apesar do expressivo crescimento das estruturas metálicas no mercado brasileiro, sua participação é ainda pequena. As questões atuais da indústria automobilística se fundem com as questões de meio ambiente e energia, e, assim, com as demandas em relação aos materiais que são utilizados na fabricação de um carro. As principais demandas são: redução de peso, absorção de energia de impacto (crashworthiness), segurança e redução de emissão de gases que causam efeito estufa (GHG emissions). Esta última considera o ciclo de vida, desde a extração do aço, refino e processamento do material, manufatura, uso, ou seja, craddle to grave, ou da produção do aço à reciclagem do veículo. Na indústria brasileira, a utilização dos aços DP é ainda incipiente, participando basicamente como peças estruturais. A USIMINAS é a única siderúrgica brasileira a produzir, desde 2002, os aços DP nas duas versões: laminados a quente e laminados a frio ( nus ou galvanizados). Há previsões que o emprego destes materiais seja bastante incrementado em médio prazo, principalmente nas versões galvanizados a quente. Isto ocorrerá quando a indústria automotiva nacional tiver suas linhas de produção adaptadas aos aços Dual Phase, estando plenamente capacitada a processá-los mecanicamente e a uni-los sob condições adequadas. Cerca de 60% dos graus de aços utilizados hoje na indústria automobilística foram desenvolvidos nos últimos cincos anos. São os aços de alta resistência (high-strength steels (HSS)), aços avançados de alta resistência(advanced high-strength steels (AHSS)) e aços de ultra alta resistência (ultra-high-strength steels (UHSS)) e é justamente neste segmento que existem oportunidades de desenvolvimentos de ponta. Em 2010 haverá regulamentação para colisão frontal, o que deverá impulsionar a utilização dos AHSS. No entanto, a regulamentação tanto sobre a segurança quanto quesitos ambientais poderão ser a motivação principal para a utilização destes novos aços. No que diz respeito ao desenvolvimento dos novos aços propriamente ditos, tudo o que se refere à composição 3

4 química versus as transformações de fase no decorrer do processo é válido e deve ser investigado. A força motriz nesta área está no desenvolvimento da terceira geração de aços associada a uma legislação que imponha esta utilização. Na indústria do petróleo um dos maiores desafios é a produção nacional de aços de alta resistência para serviço ácido (com conseqüente propensão a problemas de HIC), uma demanda importante da indústria de óleo e gás. Assim, o desenvolvimento de aços Duplex, de maior resistência à corrosão e maior resistência mecânica, possibilitará uma maior vida útil, maior segurança e redução de peso. A produção de aços de mais alta resistência no Brasil demanda investimentos em resfriamento acelerado, conforme as técnicas que já vêm sendo desenvolvidas no exterior há mais de vinte anos. Por isso, é importante também garantir um maior investimento das usinas em desenvolvimento de materiais ainda pouco empregados. Este desenvolvimento deve ser feito em conjunto por todas as partes envolvidas, desde os engenheiros projetistas até os usuários finais, a fim de definir melhor as propriedades esperadas e assim criar tecnologia verdadeiramente nacional. Tais desenvolvimentos devem também enfatizar, necessariamente, a participação da academia brasileira, não somente para garantir o avanço tecnológico nacional, mas para promover a formação de novos engenheiros, já preparados para participar ativamente no desenvolvimento e efetiva aplicação destes, e outros, materiais avançados. Algumas companhias brasileiras buscam a academia estrangeira para a realização de estudos, prejudicando assim um maior desenvolvimento nacional. No Brasil, a indústria naval não apresenta novos desenvolvimentos no que diz respeito a aços. No exterior, nos últimos anos, a marinha americana vem desenvolvendo os aços da classe A 710, de baixo C, com a adição de Cu (0,07C e 1, 30Cu) para a fabricação de fragatas (frigates, cruisers) e até porta-aviões. Os aços possuem uma boa combinação de alta resistência (551MPa) e tenacidade, além de boa soldabilidade quando produzidos por tratamento térmico de têmpera e envelhecimento. O endurecimento do aço ocorre por precipitação de cobre epsilon (ε-cu) durante envelhecimento. Embora no setor de utilidades domésticas não existam novidades, há a tendência de maior emprego de pré-pintados e revestidos na linha branca. Os aços elétricos de média a alta eficiência terão demanda aumentada nos próximos anos, como também é de se esperar um crescimento acelerado da produção de aços de maior valor agregado, tais como: aços inoxidáveis e aços revestidos, especialmente os galvanizados. Para os aços inox, a indústria brasileira visualiza uma significativa ampliação de uso, quais sejam: a substituição do 3XX, a redução de peso dos componentes (utilizando 4

5 TR26 Tendencias e Inovações em Aços materiais de mais alta resistência mecânica e permitindo assim uma redução na espessura), a redução de emissões para a atmosfera durante fabricação e maior atuação na indústria alimentícia. PALAVRAS-CHAVE: AÇOS, CONSTRUÇÃO CIVIL, INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA, PETRÓLEO E GÁS, INDÚSTRIA NAVAL, UTILIDADES DOMÉSTICAS E EMBALAGENS 5

6 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO 2. AÇOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL 3. AÇOS NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA 4. AÇOS PARA PETROLEO E GAS 5. AÇOS PARA A INDÚSTRIA NAVAL 6. AÇOS PARA UTILIDADES DOMÉSTICAS E EMBALAGENS 6

7 TR26 Tendencias e Inovações em Aços 1 INTRODUÇÃO O aço pode ser considerado como o material de construção mais versátil que existe no mercado, possuindo uma combinação excelente de resistência mecânica e ductilidade e de fácil disponibilidade. O uso de aço em projetos estruturais permite a redução de peso, traz economias na fabricação e manutenção e contribui para prolongar a vida útil da estrutura. Muito embora os aços sejam uma das mais antigas invenções ainda há espaço para a criação de novos aços, abrindo espaço para estudos diversos. Esta Nota Técnica busca visualizar as tendências e inovações em diferentes setores industriais, considerando a abrangência dos mesmos e os graus e tipos principais de aços para cada setor. Em todas as indústrias existe a preocupação com o meio ambiente, redução de peso e de consumo de combustível assim como a busca de um maior custo-benefício, sem agregar custos. Isto se espalha também para o modo como a pesquisa está sendo conduzida, em que existe a integração de diferentes especialidades com um único objetivo. A união da pesquisa básica com aplicação prática, passando pela modelagem computacional. Este formato permite a compreensão profunda dos fenômenos científicos envolvidos e, com isso, a possibilidade de se criar tecnologia nacional. No Brasil não há um desenvolvimento de pesquisa básica de vulto associada com aplicações técnicas. Fica claro, também, que os grandes desenvolvimentos são todos propulsionados e implementados por orientações governamentais e legislação. A Indústria automobilística é um ótimo exemplo de como uma orientação governamental pode impulsionar um setor, assim como a indústria naval, no desenvolvimento de pesquisas para o setor. 2. AÇOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL 2.1 Classificação Os aços usados na construção civil estão classificados como os seguintes produtos siderúrgicos. Produtos Planos; Bobinas e chapas laminadas a frio; Bobinas e chapas inoxidáveis; 7

8 Bobinas e chapas revestidas (galvanizadas, pre-pintadas); Produtos longos; e Laminados a quente vergalhões, barras, perfis, fio máquina, trihos. Nos últimos anos a tecnologia da construção civil em aço tem mostrado avanços significativos, englobando projetos de elevada complexidade como prédios de multi andares (skyscrapers), pontes de grande porte e sofisticadas estruturais especiais. Cerca de 75% dos aços utilizados, entre os 3500 diferentes tipos, foram desenvolvidos nos últimos 20 anos. O desenvolvimento na construção civil demanda melhores propriedades mecânicas, soldabilidade, redução de peso, acabamento e integração ambiental. Na construção civil, o interesse maior recai sobre os chamados aços estruturais de média e alta resistência mecânica, termo designativo de todos os aços que, devido à sua resistência mecânica, ductilidade e outras propriedades, são adequados para a utilização em elementos da construção sujeitos a carregamento. Os principais requisitos para os aços destinados à aplicação estrutural são: elevada tensão de escoamento, elevada tenacidade, boa soldabilidade, homogeneidade microestrutural, boa conformabilidade a frio e a quente, susceptibilidade de corte por chama sem endurecimento e boa trabalhabilidade em operações tais como: corte, furação e dobramento, sem que se originem fissuras ou outros defeitos. Os aços estruturais podem ser classificados em três grupos principais, conforme a Tabela 1, em acordo com tensão de escoamento mínima especificada: Tabela 1 Especificação dos aços estruturais TIPO LIMITE DE ESCOAMENTO MÍNIMO, MPa Aço carbono de média resistência Aço de alta resistência e baixa liga Aços ligados tratados termicamente 195 a a a 700 8

9 TR26 Tendencias e Inovações em Aços Na construção civil o aço pode ser utilizado de duas formas: Na forma de edificação, na qual a estrutura base é montada com componentes de aço, Na forma de armadura para compor a estrutura de concreto armado, um compósito de aço e concreto. Cerca de dez anos atrás, os produtos mais utilizados no Brasil para a indústria civil foram: Aços galvanizados em geral; Aços de maior resistência mecânica, revestidos e não revestidos; Aços com revestimento Zinco-Alumínio (Galvalume) O mercado buscava sistemas construtivos integrados, normatização do setor de construção, objetivando aumentar qualidade sem agregar custos [1]. 2.2 Normas de Dimensionamento de Estruturas em Situação de Fogo Para que um edifício, durante um incêndio, possa resistir aos esforços a às temperaturas elevadas, evitando o colapso, em tempos que variam entre 30 minutos a 2 horas, dependendo do tipo de edificação, é necessário o dimensionamento da estrutura. Os aços estruturais comuns apresentam uma redução de 33% em seu limite de escoamento sob temperaturas entre 350 e 450 C, reduzindo ainda mais para temperaturas mais altas. Em 1999, foram implementadas as normas NBR [2] e NBR [3] sobre o dimensionamento de estruturas de aço, que dependem da forma de fabricação dos aços, como laminação a quente e trefilação. No texto base de revisão da NBR 14323, revista em 2003, define o seguinte: Para taxas de aquecimento entre 2 C/min e 50 C/min, a Tabela 2 fornece fatores de redução, relativos aos valores a 20 C, para a resistência ao escoamento dos aços laminados, a resistência ao escoamento dos aços trefilados, o módulo de elasticidade dos aços laminados e o módulo de elasticidade dos aços trefilados, em temperatura elevada, respectivamente. A norma também prevê os casos em que os valores possam ser diferentes daqueles mencionados na Tabela 2. Independente do processo de fabricação do aço, ou de revestimento dos perfis, a norma sugere que os valores devam ser obtidos utilizando-se norma ou especificação estrangeiras ou brasileiras e realização de testes em laboratórios nacionais ou estrangeiros para obtenção dos parâmetros relevantes para o cálculo do fator de redução. 9

10 Tabela 2 Fatores de redução para o aço [4] TEMPERATURA DO AÇO θ a, C Fator de Redução para a Resistência ao Escoamento dos Aços Laminados Fator de Redução para a Resistência ao Escoamento dos Aços Trefilados Fator de Redução para o Módulo de Elasticidade dos Aços Laminados k Ε,θ Fator de Redução para o Módulo de Elasticidade dos Aços Trefilados k Ε0,θ k y,θ k y0,θ 20 1,000 1,000 1,0000 1, ,000 1,000 1,0000 1, ,000 1,000 0,9000 0, ,000 1,000 0,8000 0, ,000 0,940 0,7000 0, ,780 0,670 0,6000 0, ,470 0,400 0,3100 0, ,230 0,120 0,1300 0, ,110 0,110 0,0900 0, ,060 0,080 0,0675 0, ,040 0,050 0,0450 0, ,020 0,030 0,0225 0, ,000 0,000 0,0000 0,000 10

11 TR26 Tendencias e Inovações em Aços NOTA: Para valores intermediários da temperatura do aço pode ser feita a interpolação linear Para aumentar o tempo de resistência às temperaturas elevadas, aplicam-se materiais isolantes térmico, revestindo a superfície dos componentes estruturais. No entanto, a utilização destes revestimentos, para que o aquecimento da estrutura metálica não ultrapasse a faixa dos 500 o C no tempo determinado, onera, em torno de 10 a 30%, o custo total e,desta forma, torna a estrutura metálica menos competitiva. Existem vários estudos brasileiros sobre a resistência de estruturas metálicas frente a condições de incêndio, que oferecem dados relativos à resistência dos aços, porém não há referencia aos aços resistentes ao fogo [5]. Os projetos de construção civil em regiões suscetíveis a terremotos exigem aços especiais com propriedades mecânicas adicionais àquelas utilizadas em estruturas convencionais. A produção desses aços com elevada resistência mecânica (até 800 MPa de LR), necessita processos de tratamentos térmicos especiais. 2.3 Desenvolvimentos Em 2001, foram realizados investimentos no mercado de habitações populares de quatro andares em estruturas de aço, com custos comparáveis as estruturas executadas de forma convencional em concreto. Este empreendimento foi realizado pela COSIPA, utilizando os aços Cos Civil aços-carbono empregados em estruturas de uso geral. Existem também os aços Cos Ar Cor e a serie USI SAC, produzidos pelo sistema USIMINAS, mais resistentes à corrosão atmosférica, com alta resistência mecânica, boa soldabilidade e tenacidade adequada. Estas propriedades são obtidas com a adição de pequenos teores de cobre e cromo, que propiciam a formação de uma película em sua superfície, que funciona como uma barreira que protege o aço contra a oxidação ferrugem. Também existem aços especiais resistentes à atmosfera marinha, desenvolvidos, por exemplo, pela USIMINAS. Projetos similares, de casas populares em aço, foram realizados por outras siderúrgicas, como a CSN, que desenvolveu um sistema de construção de residências em estruturas metálicas de chapa de aço zincado. Este tipo de estrutura, utilizando engradamento em aço galvanizado, apresenta uma redução do custo de construção em relação aos métodos convencionais por utilizar componentes pré-fabricados. Este tipo de construção possui muitas vantagens: rapidez na construção, facilidade de montagem, flexibilidade 11

12 para ampliação, alta resistência estrutural, bom isolamento térmico e acústico, durabilidade e reciclabilidade, utilização de materiais não combustíveis e a prova de cupins. Tais sistemas já estão consagrados nos Estados Unidos, na Inglaterra, na Austrália e na Argentina [6]. Em 2005, O Instituto Internacional de Ferro e Aço (IISI International Iron and Steel Institute, sediado na Bélgica) lançou um projeto denominado Soluções em Aço e Desenvolvimento Urbano Sustentável, num esforço para promover um intercâmbio efetivo entre institutos, indústrias e universidades. No Brasil, um esforço similar resultou na criação do CBCA (Centro Brasileiro de Construção em Aço O CBCA foi criado sob a forma de "consórcio", tendo o IBS - Instituto Brasileiro de Siderurgia como gestor. Conta com a participação das principais empresas que produzem e beneficiam aço, em parceria com universidades, associações e institutos [7]. 2.4 Situação Atual da Construção Civil No Brasil, apesar de ainda ser dominante a edificação com estruturas de concreto armado, nota-se um acentuado crescimento do uso das edificações de aço. O Centro Brasileiro da Construção em Aço (CBCA) reporta: a consolidação do uso do aço na construção, nos seguimentos de galpões industriais pesados, shoppings, torres de processo, pontes, caldeiras, fingers para aeroportos, plataformas e hangares. É crescente no Brasil o consumo de estruturas metálicas para edifícios de múltiplos andares comerciais e industriais e até habitacionais, como o já utilizado em vários conjuntos habitacionais na Grande São Paulo, em obras da Companhia de Desenvolvimento Habitacional Urbano (CDHU). Em escolas de nível superior, hotéis, prédios fabris e comerciais, o aço vem mostrando todas as suas vantagens: alívio nas fundações em até 30% e conseqüente redução nos custos e na velocidade da construção, o que obriga o investidor a analisar, caso-a-caso, o retorno antecipado de seu investimento, devido ao prazo de execução mais curto da estrutura metálica. Como exemplo recente, apesar de um custo 5% maior em relação à mesma estrutura em concreto armado, a WTorre optou por utilizar estruturas mistas aço/concreto, em um dos seus mais recentes empreendimentos imobiliários voltado à locação, o Edificio Nações Unidas, composto por duas torres, totalizando m 2, em construção na Marginal Pinheiros, na Cidade de São Paulo, em função da maior 12

13 TR26 Tendencias e Inovações em Aços produtividade, redução de despesas indiretas, menor utilização de mão-de-obra da ordem de 40%, redução de desperdícios de materiais e maior rapidez na execução da obra [8]. 2.5 Utilização dos Aços no Brasil, na Visão do Usuário Nesta seção é apresentado um testemunho de usuário de aços em construção civil, no qual é relatado os tipos de aços mais utilizados e sua forma de emprego, assim como as técnicas e tendências atuais. Sem considerar a composição química, o mercado esta dividido em perfis para estruturas, chapas laminadas a frio para perfis leves/telhas e vergalhões: a. Perfis Dobrados de chapa; b. Perfis Laminados leves; c. Perfis Laminados médios pesados; d. Perfis Soldados. e. Perfis Galvanizados; f. Telhas; g. Vergalhões. Os perfis dobrados de chapa (UDC) são feitos com chapas de, aproximadamente, até 4,76 mm de espessura, em sua maior parte. Assim, podem ser utilizados em peças muito leves nas estruturas metálicas, como, por exemplo, telhas de cobertura e treliças de vãos pequenos e médios; As chapas laminadas a quente são as utilizadas para a perfilação ou dobra destes perfis, nos aços SAE 1020, ASTM A-36, e o tipo "COR", como o COR 420 CSN. Os perfis laminados leves são os perfis cantoneira (L), U e I, até 6 polegadas. Estes são utilizados de forma semelhante aos UDC, citados acima, e fabricados em ASTM A- 36 (99%) e A-588. Existem os de padrão americano de abas inclinadas e os de tipo mais leve, de abas paralelas. Os perfis I, laminados médios feitos pela Gerdau Açominas, são fabricados em A-572. São utilizados em estruturas metálicas de galpões e edifícios de múltiplos andares, fazendo as vigas e as colunas principais. A linha de eletro-soldados da COSIPA cobre aproximadamente a mesma faixa de bitolas, e utiliza o mesmo aço, mas o processo é por eletro-soldagem de três chapas pré-slitadas. 13

14 No Brasil não se produz ainda perfis pesados laminados acima de 600 mm. Parece que os próximos investimentos em Ouro Branco-MG visam a preencher esta lacuna. Edifícios de estruturas metálicas muito altos, vigas de grandes vãos, ou galpões pesados, não são atendidos pelos perfis médios acima descritos, havendo então a necessidade de se confeccionar perfis soldados pesados dentro da Norma ou especiais, conforme a necessidade. Estes perfis são formados por três chapas grossas, acima de 8-10 mm de espessura e soldados por processos automáticos a arco submerso. Nas Pontes e viadutos metálicos sempre se utilizam perfis soldados especiais. O material utilizado são chapas laminadas a quente. em bobinas( CSN, CST), ou chapas largas planas (COSIPA- USIMINAS) Os perfis leves galvanizados, ou seja, confeccionados com chapas finas laminadas a frio revestidas, são utilizados em paredes drywall e steel frame. São muito leves e não se prestam para estruturas de residências acima de dois pavimentos. No Brasil, seu uso como steel frame é incipiente em comparação com os países desenvolvidos. Os fechamentos em drywall estão ganhando mercado, mas ainda é visto com reservas como substituto da alvenaria residencial, por exemplo. As telhas metálicas, confeccionadas em chapas laminadas a frio revestidas, são largamente utilizadas nas obras industriais e comerciais de grande porte, mas ainda tem seu uso residencial inexpressivo no Brasil. Suas formas mais comuns são: a. Galvanizada simples; b. Galvanizada dupla com isolamento termo-acústico; c. Galvalume; d. Galvanizada pré-pintada; e. Galvanizada pré-pintada dupla com isolamento termo-acústico; f. Painéis de fechamento lateral Os vergalhões utilizados nas estruturas de concreto armado são do tipo: CA25, CA50 e CA60. O mais utilizado, o CA50, domina a construção civil brasileira e é utilizado em 100% das obras. Por enquanto, a sua liderança no Brasil não está ameaçada pelas estruturas metálicas. Portanto, apesar do expressivo crescimento das estruturas metálicas no mercado brasileiro, sua participação é ainda pequena. A construção civil (concreto armado) ainda 14

15 TR26 Tendencias e Inovações em Aços é dominante. Contudo, utiliza-se o aço também na forma de vergalhões. E o consumo está crescendo, havendo comentários de que o produto está faltando no mercado devido a forte demanda. [9]. 2.6 Tendências Na construção civil destaca-se a maior participação dos aços revestidos (galvanizados e galvalume) e perfis pré-fabricados. Uns dos aços mais fabricados são os destinados à produção de vergalhões com aço C-Mn, ou com adição de microligantes Nb ou V. Um outro segmento de aços para construção civil, em franco crescimento, é a produção de perfis laminados a quente, aços C-Mn, que satisfazem aos requisitos da norma ASTM A- 36. A Gerdau pretende fabricar e comercializar os arames e cordoalhas de aços para concreto protendido até Observam-se também novos perfis formados a frio com novas geometrias. Novas geometrias para as telhas e revestimentos laterais. Novos perfis para steel deck. Redução da espessura média das telhas versus o seu comportamento mecânico. Quanto ao desenvolvimento de aços, segundo os fabricantes, não há no horizonte um produto alternativo aos vergalhões. Este segmento utiliza somente aços de qualidade comercial (C (500 ppm)-mn(2.500 ppm) e aços da série ZAR (aços C-Mn + Si + outros elementos de liga). Outros desenvolvimento interessantes são os novos revestimento orgânicos (alta refletividade) para melhoria do conforto interno de edificações e, ainda, os novos revestimentos metálicos, que possuem elevada resistência à corrosão em relação ao Galvanizado (vide 55Al-Zn e Zn-Mg). O segmento da construção civil, atualmente, está restrito aos desenvolvimento de aplicações e de novos revestimentos metálicos. Para os produtos longos, como vergalhões e barras, os desenvolvimentos estão associados às novas microestruturas nos vergalhões para o atendimento CA50 (concreto armado com LE mínimo de 500 MPa). Quanto aos aços resistente ao fogo já houve produção sem dificuldade, porém o preço se torna mais alto pela adição de Mo, não sendo produzido atualmente. 2.7 Recomendações Aprimorar a legislação de modo a seguir padrões de segurança mais exigentes, conforme adotado em outros países, como forca motriz de desenvolvimento nesta área. 2.8 Referências 15

16 1. Nota Técnica TR16A Boaventura Mendonça d Ávila Filho/SETEPLA 2. NBR Dimensionamento de Estruturas de Aço de Edifícios em Situação de Incêndio Procedimento. Rio de Janeiro, NBR Exigências de Resistência ao Fogo de Elementos Construtivos de Edificações Procedimentos. Rio de Janeiro, NBR Dimensionamento de estruturas de aço e de estruturas mistas açoconcreto de edifícios em situação de incêndio - Projeto de Revisão da NBR AGO Fabio Domingos Pannoni, Proteção de Estruturas Metálicas Frente ao Fogo, 6. Aço invade a construção civil, Carlos Pimentel Mendes, Editor do jornal eletrônico NovoMilênio., Edição 098-JUL/ /08/ O crescimento do emprego do aço na construção Civil 4_10286.htm 08/08/ Aplicação de estruturas metálicas em edifícios de múltiplos andares ABCEM - Revista Construção Metálica - nº /08/ Comunicação pessoal: Engenheiro Mauro Otoboni Pinho 3. AÇOS NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA 3.1 Cenário Mundial Em meados da década de 90, o governo Clinton desafiou a indústria automobilística norte americana a produzir um carro, até o ano 2004, cuja performance fosse de 80 milhas por galão (ou seja 33km por litro). Para atingir este objetivo seria então necessário ter não apenas um motor mais eficiente, mas um carro muito mais leve, mantendo-se as características de resistência e segurança. [1] 16

17 TR26 Tendencias e Inovações em Aços O projeto Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB) foi iniciado em 1994 por um consórcio de 16 siderúrgicas, sendo a principal força motriz, do ponto de vista das siderúrgicas norte americanas, a iniciativa do governo federal e da indústria automobilística norte americana, com a criação do programa Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV) Sociedade para Uma Nova Geração de Veículos, objetivando um veículo cujo consumo fosse de 33km por litro. Cientistas de Materiais que trabalhavam no PNGV buscaram vários materiais para redução de peso, incluindo alumínio, magnésio, titânio e novos polímeros. Muito embora o aço não tenha sido excluído, outros materiais constituíram-se no foco principal do PNGV. Naquela época, o principal material utilizado na construção da grande maioria dos carros era o aço, representando em torno de 80% do veículo. Em 1994, o comitê automotivo do AISI (Automotive Applications Committee of the American Iron and Steel Institute AISI), decidiu tentar atender às necessidades da indústria automotiva, observando a necessidade de se obter não apenas um carro mais leve para cumprir com os requisitos de menor consumo de combustível e emissão de gases, mas, também, um aspecto crítico, o controle da energia absorvida durante uma colisão. Entretanto, no aspecto econômico, observou-se que os fabricantes de automóveis não conseguiam produzir, em massa, veículos com uma elevada eficiência energética por um preço reduzido. Sendo os aspectos econômicos muito significativos, os fornecedores de aço chegaram à conclusão que seria necessário adotar uma estratégia de "clean sheet". Em 1998, o projeto atingiu dimensões mundiais e 35 Companhias Siderúrgicas, trabalhando com a Engenharia da Porsche, engajaram no projeto ULSAB, gerando um autobody, representado na Figura 1, de alta tecnologia, resistente e seguro, cujo peso foi 25% menor do que o modelo benchmarked, e produzido pelos métodos de manufatura tradicionais. Figura1 Autobody [2] 17

18 Uma avaliação recente considera que existem aproximadamente quatro carros para cada dez pessoas no mundo e os aços constituem aproximadamente 50% da massa total de um carro, no qual partes como: caixa de mudança, eixo de transmissão, carroceria, fivela do cinto de segurança, barras de segurança lateral, reforço em pneus são de aço [3]. As questões atuais da indústria automobilística se fundem com as questões de meio ambiente e energia, e, assim, com as demandas em relação aos materiais que são utilizados na fabricação de um carro. As principais demandas são: redução de peso, absorção de energia de impacto (crashworthiness), segurança, e redução de emissão de gases que causam efeito estufa (GHG emissions). Esta última considera o ciclo de vida desde a extração do aço, refino e processamento do material, manufatura e uso, ou seja, craddle to grave, ou da produção do aço à reciclagem do veículo. De um modo geral, quando se pensa em emissão de gases em automóveis que produzem o efeito estufa, existe a tendência de se pensar nos gases emitidos durante a fase de utilização (emissão de gases de exaustão). Porém, uma compreensão completa de como os materiais afetam o meio ambiente, deve considerar o ciclo completo, desde a produção do aço, passando pela fabricação, utilização e reciclagem, ou seja, Life Cycle Assessment, ou LCA Method. Materiais alternativos, tais como: alumínio, magnésio e polímeros, podem pesar menos que aços avançados de alta resistência. No entanto, é necessário despender mais energia para produzi-los, criando 20 vezes mais emissões de gases que levam ao efeito estufa (GHG) por quilo de material, quando comparado com os aços. Além disso, enquanto as emissões de produção de aço liberam dióxido de carbono, a produção de Al libera CO 2 e perfluorcarbono (PFC) [4,5]. A quantidade de energia usada para reciclar, ou reutilizar, a chamada de produção secundária, é duas vezes maior para o Al do que para o aço comum ou o AHSS. Comparado com outros materiais, os aços produzem 20 vezes menos emissões de gases para o efeito estufa. Enquanto na década de 70 o mix de materiais usados, resumido na Figura 2, estava na proporção de 75% para materiais metálicos, sendo os outros 25% restante dividido entre vidro, elastômeros, tinta, plásticos e outros, na década de 90 esta fatia estava em 30%. Na última década, os materiais metálicos representavam em torno de 70%, sendo que as chapas de aço são 50%, barras forjadas 25%, 10% de ferro fundido, 10% de Alumínio, e o restante em Mg, Zn e outros. Isso indica que, em termos ambientais, o aço continua sendo a melhor opção. 18

19 TR26 Tendencias e Inovações em Aços Figura 2 Distribuição dos materiais ao longo dos anos [6] A criação e teste das estruturas ULSAB levaram a um projeto de 22 milhões dólares para demonstrar que uma estrutura auto body, de aço leve, pode atender a uma ampla faixa de segurança e critérios de desempenho. Este projeto foi patrocinado por um consórcio de 35 companhias siderúrgicas, representando 18 países, sendo 11 nos EUA. O objetivo foi de redução de peso, sem custo adicional, mantendo ou melhorando o desempenho. O projeto ULSAB foi formalmente finalizado no ano de 2002 [7]. Outros projetos se desenvolveram a partir de ULSAB, por exemplo, o ULSAB-AVC UltraLight Steel Auto Body (ULSAB) Advanced Vehicle Concepts (AVC), o ULSAC e o ULSAS. O ULSAB-AVC foi projetado para ser finalizado em O principal objetivo foi um veículo mais leve, porém muito seguro, no qual os padrões estabelecidos são muito acima daqueles determinados em padrões governamentais da época, antecipando o que entraria em vigor em O ULSAB-AVC vai além da estrutura básica ou monobloco (Body-in-White) e inclui a suspensão, berço do motor, rodas, portas (closures) e todos os componentes de projeto relacionados à segurança. O projeto inclui a otimização do projeto de duas classes de veículos: o classe C europeu, representado por dois veículos benchmark, o Ford Focus e o Peugeot 206, e a classe Partnership for a New Generation of Vehicles, ou PNGV, representada pelo Chrysler Cirrus [8]. Os projetos Ultralight Steel Auto Closure (ULSAC) começaram como um programa de desenvolvimento de conceito, produzindo projetos de redução de peso, de portas, hoods (Capô), decklids e hatches, 32% mais leves que a benchmark média. E o UltraLight Steel Auto Suspensions (ULSAS) buscou compreender e explorar as propriedades dos 19

20 aços, assim como ser uma vitrine do melhor projeto de design e tecnologia automotiva conduzido pela Lotus Engineering, consultora em engenharia de chassis e dinâmica de veículos. Os objetivos foram similares àqueles dos outros projetos, como por exemplo, atingir uma redução de massa de até 34% com os aços atuais sem nenhum custo adicional, mantendo-se o custo benefício e sem comprometimento do desempenho, além de ser passível de produção em massa sem penalização do custo [9]. 3.2 Estado da Arte Cerca de 60% dos graus de aços utilizados hoje foram desenvolvidos nos últimos cinco anos. São os aços de alta resistência (high-strength steels,(hss)), aços avançados de alta resistência(advanced high-strength steels (AHSS)) e aços de ultra alta resistência (ultra-high-strength steels (UHSS)). Um dos desenvolvimentos alcançados pelo ULSAB foi aquele dos aços avançados de alta resistência (AHSS), os quais possuem o potencial de reduzir o consumo de energia em 50% durante o ciclo de vida de um automóvel. A resistência mecânica de um aço de alta resistência na indústria automobilística está entre 270 e 700 MPa, ultra alta resistência acima de 700MPa. Aços Avançados de Alta Resistência (AHSS) possuem um mínimo de 500 a 800 MPa. Estes novos aços reduzem peso enquanto aumentam a segurança e se caracterizam por alta resistência mecânica e boa estampabilidade. As montadoras Européias têm utilizado os aços tradicionais, (estampagem profunda), alta resistência (HSS):como o bake hardening, refosforados e de alta resistência e baixa liga (ARBL), os de ultra alta resistência (UHSS) como o Dual Phase, Ferritico-Bainitico e TRIP. Foi anunciado pela Arcelor, em 2005, os aços FeMn, conhecidos como TWIP (XIP). Aços de alto Mn representaram um avanço em formabilidade, combinando muito alta resistência com excelente soldabilidade e elongamento acima de 50%, oferecendo oportunidade de maior segurança e economia de massa além de permitir novos designs, especialmente para partes complexas. Desde 2003 já foram produzidas 1,5 toneladas em escala industrial, sendo a FIAT a montadora que iniciou testes com o TWIP 1000, com excelente resultado em termos de formabilidade. Existe também a nova geração de aços dúcteis de ultra alta resistência(uhs), com tamanho de grão de 1 µm [10]. 20

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