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

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1 Redução de Peso em Veículos Comerciais A Contribuição dos Aços de Alta Resistência Micro ligados ao Nióbio - Conceitos e Estudo de Caso ED JUAREZ MENDES TAISS ed.taiss@terra.com.br Engenheiro Metalurgista, Pós Graduação em Administração Financeira, Especialização em Marketing Industrial, MBA em Gestão Empresarial e MBA em Comercio Exterior e Negócios Internacionais, Consultor da CBMM.

2 Uma Visão Geral da CBMM - Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração

3 Visão Geral da CBMM Entrada da Mina e Unidade Industrial em ARAXÁ - MG

4 Visão Geral da CBMM Vista da Área da Mineração

5 Visão Geral da CBMM Área de Industrial

6 Visão Geral da CBMM Fluxo de Produção

7 Aplicações do Nióbio Propriedades Superiores em Diversos Segmentos

8 Aços Avançados de Alta Resistência e o Atendimento às Legislações de Segurança Veicular

9 Regulamentações sobre Emissões Ações Globais 280 CO 2 equivalent g/km converted to NEDC test cycle 260 California Japan United States Canada Australia China Europe Source: 9

10 Legislação sobre Emissões Veiculares Brasil Situação atual e Perspectivas. Veículos Leves Atualmente, os carros brasileiros emitem, em média, 171 gramas de CO2 por quilômetro, número que pelas diretrizes do decreto deverá cair para 130 gramas até A variação representa queda de 24%. Estudos do governo avaliam que já há tecnologia disponível para atingir esse objetivo em menos de 01(um) ano antes do prazo. Norma em analise pelo Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior. Para Veículos Comerciais a Anfavea apresentou 02(dois) Projetos ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior Programa Nacional de Renovação de Frota de Comerciais. Em conjunto com as principais entidades envolvidas com o transporte rodoviário de carga apresentaram o projeto fundamentado em promover segurança e redução das emissões. Projeto Novas Tecnologias de Propulsão para Veículos Pesados O Projeto de novas tecnologias de propulsão para veículos pesados pretende promover a utilização de novas tecnologias, fomentar a pesquisa e o desenvolvimento.

11 Structure* (kg) BIW (Kg) Ações de Redução de Peso Veículos de Passeio Structure Weight BIW Wt. vs. vs. Gross GVWVehicle Weight '01 - '03 Steel BIW ULSAB-AVC Aluminum BIW '04 - '08 Steel BIW Top 10 Steel BIW EU Super Light Car Linear ('01 - '03 Steel BIW) Linear (ULSAB-AVC) Linear (Top 10 Steel BIW) EU SLC(Super Light Car) - Multi Materials 37% Weight Reduction 112% Cost Increase GVW (Kg) * Body structure w/o closures + IP Beam + Engine Cradle Source: Shaw, J., U.S Steel, Great Designs in Steel, May 2009, 11 '01 - ULSA Alum '04 - Top 1 EU Su Linea Linea Linea

12 FSV Future Steel Vehicle Ciclo de Vida Total de Emissões 12

13 Ligth Weight Materials na Construção de Automotiva Das tecnologias aplicadas para melhorar a segurança veicular e/ou reduzir o consumo de combustível e de emissões somente a utilização de Light Weight Materials não impactam parcialmente os ganhos obtidos. Potencial de Redução de Peso Outras tecnologias como Air Bags e Freios ABS promovem segurança, entretanto agregam peso e consequente exigem maior energia para o deslocamento. Motores Euro 5 para caminhões e/ou aproveitamento de energia da frenagem promovem redução de emissões, mas em contrapartida aumentam o peso e por consequência redução da carga útil e aumento parcial do consumo e de emissões. Dos materiais considerados Light Weigth Materials destacam-se os aços de alta resistência, que além de permitirem a redução de peso e consequente de redução de consumo e de emissões, promovem melhoria da segurança veicular e da rigidez estrutural refletindo na melhoria da dirigibilidade e durabilidade.

14 Utilização de Aços de Alta Resistência Aplicação em Chassis de Veículos Comerciais -22,6%

15 Utilização de Aços de Alta Resistência EuroCarBody 2013

16 Aços Laminados a Quente Graus e Potencial de Redução de Custo

17 Aços Avançados de Alta Resistência Micro ligados ao Nióbio - Conceitos e Aplicações

18 Aços na Construção Automotiva Moderna L-IP TWIP Utilização atualmente no Brasil M- TRIP Martensite based TRIP SB TRIP Super Bainite TRIP DP High Si Trip Concept Al 18

19 Efeito do Nióbio no Aços de Alta Resistencia O Nióbio tem capacidade de promover maior resistência nos aços ao Carbono através de mecanismos de endurecimento por Solução Sólida, Precipitação de Carbonitretos (C-N-Nb ) e Refino de Grão. O Nióbio promove microestrutura fina e homogênea. O Refinamento de grão é o único mecanismo que aumenta a resistência mecânica e a tenacidade(resistência ao Impacto) mesmo a baixas temperaturas. Em função destas propriedades o Nióbio é largamente utilizado como micro liga(<0,10%) na grande maioria dos aços de alta resistência Laminados a Quente e Laminados a Frio e/ou Galvanizados. A utilização do Nióbio nos aços permite a redução de elementos como C e Mn promovendo um impacto positivo na soldabilidade e comformabilidade. A utilização de aços de maior resistência torna possível reduzir a espessura dos componentes estruturais, reduzindo consequentemente o peso na mesma proporção. A redução do peso de qualquer elemento estrutural tem impacto positivo na redução de custo e melhoraria o ciclo de vida (LCA). A utilização em veículos de qualquer natureza promovem redução de consumo e de emissões, independente do sistema propulsão, e em veículos comerciais permitem ainda aumentar a carga transportada.

20 Aços de Alta Resistencia Evolução e o Efeito do Nióbio

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

22 Estudo de Caso: Utilização de Aço de Alta Resistência, Micro ligado ao Nb, em Caçambas para Transporte de Minério na Mina da CBMM em Araxá

23 Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso Dumper Truck Projeto: Substituição de aços convencionais de baixa resistência por de aço de alta resistência micro ligados ao Nióbio em caçambas para transporte de minério na Usina da CBMM em Araxá Reduzir o peso das caçambas elevando, proporcionalmente, a capacidade de transporte de carga; Reduzir o custo de transporte ; Reduzir dos custos de manutenção Aumento da disponibilidade física dos caminhões Reduzir consumo de Combustível e Consequentemente de Emissões INOVAR RESPEITAR COMPETIR

24 Estudo de Caso Dumper Truck Dados Operacionais Quantidade Transportada/ano: Minério: 8 M ton Estéreo : 4 M ton Número de Viagens/ano: Frota de Caminhões : 13 unidades Distância Média de Transporte: 1 km Disponibilidade Física Atual dos Caminhões: 92% ( com as antigas caçambas) Consumo de combustível anual: litros INOVAR RESPEITAR COMPETIR

25 Redução de Peso em Veículos Comerciais Características do Veículo Atual(Antigo) Caçamba confeccionada para Caminhão 8X4 MBB Padrão de Fabricação: Meia Cana Volume: 20 m³ Peso real: Kg. Fabricante: Rossetti Caixa de Carga Fundo de espessura 3/8 (9.52mm); Laterais de espessura 1/4 (6.35mm). Construída em aço 350 MPa (Limite Escoamento) Obs. Perfis de acabamento lateral em aço ASTM A-36. Quadro Inferior Longarinas de espessura 5/16 (8.00mm), dobradas em perfil U ; Travessas espessura 3/16 (4.75mm), dobradas em perfil U ; Articulação da caixa: espessura 3/8 (9.52mm); Construído Basicamente em aço ASTM A-36 e alguns componentes em Aços de Média Resistencia. INOVAR RESPEITAR COMPETIR

26 Estudo de Caso Dumper Truck Melhorias a serem Realizadas (5)Deformação nas chapas de aço da caixa de carga Devido o impacto provocado pelo minério provocando deformação gerando desprendimento do revestimento (1)Trinca nos Braços da Corrente Fadiga no braço, consequência o desalinhamento da tampa (4) Trinca na saia da Caixa de Carga Concentração de tensão mecânica (2) Trinca no sobre-chassis Concentração de tensão mecânica (3) Quebra das Talas de fixação fragilidade Fixação do sobre chassi com o chassi INOVAR RESPEITAR COMPETIR

27 Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso Dumper Truck (Novo) Dados do Equipamento: Caçamba para Caminhão 8X4 MBB ACTROS Tipo: Meia Cana Volume: 20 m³ Peso: Kg. Caixa de Carga: Fundo de espessura 6mm, WEAR Steel 450 HB Laterais de espessura 4mm, WEAR Steel 400 HB Obs. Perfis de acabamento lateral em aço Estrutural 700 MPa de limite de Escoamento. Sem coluna adicional Quadro Inferior: Longarinas de espessura 8.00mm, dobradas em Perfil U. Aços Estrutural de 700 MPa de Limite de Escoamento Travessas espessura 3/16 (4.75mm), dobradas em perfil U. Aços Estrutural de 700 MPa de Limite de Escoamento INOVAR RESPEITAR COMPETIR

28 Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso Dumper Truck (Novo) Aço Resistente a Abrasão Classe 450 HB 1 - Fundo em Esp= 6,35mm 2 - Laterais Esp=4,0mm Aços Estrutural Classe 700 MPa de Limite de Escoamento 1 - Perfil lateral Esp = 4.75mm 2 Coluna traseira Esp = 8mm 3 Fechamento Esp = 4.75mm 4 Perfil da Articulação Esp = 6.35mm 5 Base do perfil Esp = 8mm 6 - Travessa Traseira Esp = 8mm

29 Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso Dumper Truck (Novo) Aços Estrutural Classe 700 MPa de Limite de Escoamento Longarina Longitudinal Espessuara 8 mm Reforços Espessura 6.3 mm Travessas Transversais t 4.75 mm e 9.5 mm Mesmo Design Sobre Chssis do Caminhão Dispositivos e fixações redesenhados objetivando maior resistente à fadiga Aços Resistente ao Desgaste Classe 400 HB 1 Chapa do Fechamento - Esp = 4mm Aço Estrutural Classe 700 MPa de Limite de Escoamento 2 Coluna do Fechamento - Esp = 4.75mm 3 Travessa do Fechamento - Esp = 6.35mm 4 Coluna maior do Fechamento - Esp = 6.35mm

30 Redução de Peso em Veículos Comerciais Estudo de Caso Dumper Truck (Novo) Talas de fixação do sobre chassis com geometria adequada para auxiliar na execução da solda evitando que a mesma não seja realizada no raio de dobra da longarina. Paralamas parafusado Eliminar soldas excessivas nos materiais de alta resistência. Caixa de carga sem a necessidade de colunas adicionais. Braço para corrente cônico, fabricados em aço estrutural de 700 MPa com reforços internos e externos feitos na longarina do sobre chassis, para evitar trincas e quebras do mesmo.

31 Projeto Redução de Peso em Dumper Truck Considerações Finais

32 Projeto Dumper Car CBMM Resultados Obtidos Actros 4844K/42 + Dumper Rossetti Original Actros 4844K/42 8x Wheel base mm Engine OM501LA, Des V6 435PS Euro3 Emissions. Dumper Results Dumper Rossetti Half pipe Capacity 20m3 Floor Des 9,5mm Side 6,3mm Actros 4844K/45 + Dumper Rossetti Proposal Actros 4844K/45 8x Wheel base mm Engine OM501LA, V6 435PS Des Euro5 / SCR System. After treatment with Arla32 injection and use of catalytic element Dumper + Truck Results Dumper Rossetti - Half pipe - Capacity 20m3 - Floor 6mm Des - Side 4mm 7.426kg 1.956kg kg kg 1.500kg 5.470kg Des Des 356kg 100kg Original Dumper 2010 Proposed Dumper 2013 Dumper Reduction Actros EURO Original Dumper Legislation Requirements Vehicle Improvements Actros EURO Proposed Dumper Payload Improvement INOVAR RESPEITAR COMPETIR

33 Projeto Redução de Peso em Dumper Truck Principais Resultados Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração, CBMM, tem um programa forte e sustentável no desenvolvimento de aços ligados ao Nióbio e suas respectivas aplicações. A CBMM integra totalmente o conceito de sustentabilidade, desenvolvendo soluções que promovam redução das emissões, tanto em sua área industrial como em aplicações de aços de alta resistência em diversos segmentos de mercado. Este Case apresenta um projeto que reduz o peso do caminhão basculante para serviço na mineração CBMM em mais de 25% ou seja kg Este conceito pode ser aplicado em qualquer veículo de transporte. O Projeto promoveu a substituição de Aços Carbono comum e de Media Resistência para aços micro ligados ao Nióbio de Alta Resistência A Redução de peso permitiu uma redução de 3,7% no consumo de combustível e de 3% das emissões de dióxido de carbono. Promoveu Redução de (1 ) % no custo de transporte de min viagens a menos (aumento de produtividade)...3,7% no custo com combustível;...custo de material rodante...paradas para Manutenção. Desde o mês de março a caçamba não apresenta nenhuma trinca. Pay-back inferior a 03 meses. (1) Avaliação nos 1ºs 04 Meses

34 Consideração Finais Projeto Ligth Design em Dumper Trucks promoveveu... Redução no consumo de combustível por caminhão = 600 litros/ano 1 litro de diesel * = 2,61 kg de CO 2 Redução nas emissões de CO 2 - combustível (caminhão/ano) = 1,6 toneladas/ CO 2 /ano Redução das emissões de CO 2 - aço (1 aço t = 1,5 t CO 2 = 2,85 toneladas CO 2 TOTAL das emissões por ano (13 caminhões) = 60 toneladas CO 2 /ano (60 toneladas de CO 2 = 17 Carros de passageiros/ano) Considerando quilometragem do carro 20,000 km por / ano * Fonte: Entretanto... No Brasil veículos leves já incorporam um conteúdo significativo de aços de alta resistência, mesmo de aços AHSS (Advanced High Strength Steel), entretanto para veículos comerciais sua utilização ainda é um potencial a ser explorado, principalmente em carrocerias de caminhões e de ônibus, carretas e em rodas pesadas (1). (1) PROJETO FSV (FUTURE STEEL VELHICLE): UTILIZAÇÃO DE AÇOS AHSS (ADVANCED HIGH STREGTH STEEL) NA CONSTRUÇÃO AUTOMOTIVA DO FUTURO E SUA APLICAÇÃO EM VEÍCULOS COMERCIAIS LEVES E PESADOS Taiss, Ed Juarez Mendes USIMINAS, Marra, Kleiner Marques - USIMINAS &Miyamura, Roberto Takeshi USIMINAS Colloquium de Suspenções de Implementos Rodoviários - SAE Brasil 2012.

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