INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO NO DESEMPENHO DE PROPULSORES NAVAIS TIPO HÉLICE UTILIZADOS POR EMBARCAÇÕES NAS CONDIÇÕES AMAZÔNICAS

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1 INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO NO DESEMPENHO DE PROPULSORES NAVAIS TIPO HÉLICE UTILIZADOS POR EMBARCAÇÕES NAS CONDIÇÕES AMAZÔNICAS João Cláudio dos Santos Loureiro, Marcos Fabrício Sena de Oliveira, Rogério de Oliveira Pinto, Otávio Fernandes Lima da Rocha, João Lobo Peralta e Antonio Luciano Seabra Moreira Universidade Federal do Pará Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Av. Augusto Correa, Belém PA Brasil lmoreira@amazon.com.br Resumo O processo de fundição na região amazônica apresenta, ainda hoje, um elevado grau de empirismo o qual é agregado à obtenção de alguns produtos fundidos como, por exemplo, propulsores navais tipo hélice utilizados por embarcações nas condições regionais. Tal fato compromete significativamente a qualidade requerida desses propulsores sendo, portanto, bastante comum a presença de descontinuidades em suas estruturas tais como porosidade, vazios, trincas, etc bem como a quebra e/ou empenamento dos mesmos quando utilizados por embarcações de pequeno e médio portes. Considerando a importância tecnológica, econômica e, principalmente, social do assunto para a região este trabalho tem como principal objetivo desenvolver um estudo capaz de analisar a influência do processo de fabricação no desempenho desses propulsores quando produzidos nos estados do Pará e Amapá, diagnosticando assim causas para o baixo desempenho dos mesmos representado pelo comprometimento de determinadas propriedades mecânicas geralmente exigidas bem como sugerir uma metodologia baseada em procedimentos tecnológicos visando uma melhor qualidade para o produto final. Palavras- chave: Fundição, Propriedades Mecânicas, Embarcação, Hélice. 1. INTRODUÇÃO Com aproximadamente sete milhões de quilômetros quadrados, quatro dos quais localizando-se no Brasil, a maior bacia fluvial do mundo localiza-se na Amazônia. O rio Amazonas, principal rio da bacia, possui mais de dez mil afluentes, sua largura na planície CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43301

2 amazônica chega a treze quilômetros e na foz, quando forma a ilha do Marajó, ultrapassa cem quilômetros. É o maior rio navegável do mundo. Alguns de seus principais afluentes encontram-se, igualmente, entre os maiores rios da Terra. Torna-se evidente, portanto, a importância que o transporte hidroviário representa para a integração da região amazônica e, por conseguinte, para o seu pleno desenvolvimento sócio-econômico. É por meio do transporte fluvial que o caboclo satisfaz suas necessidades básicas quanto ao atendimento de serviços essenciais à sua sobrevivência como saúde, alimentação, transporte, vestuário, lazer, correspondências, etc. Assim, é muito importante a realização de estudos que contribuam para a substituição do empirismo regional utilizado na fabricação de produtos fundidos empregados por este setor melhorando a qualidade e o desempenho dos mesmos. (1-2) Tal objetivo pode ser alcançado por meio do desenvolvimento de estudos que possibilitem a otimização do produto final através da implementação de melhorias no projeto, processo e custos de fabricação dos mesmos que proporcionariam certamente a elevação de suas propriedades mecânicas. Como exemplo desses produtos podemos citar o caso de propulsores navais tipo hélice os quais são bastante utilizados por embarcações de pequeno, médio e grande portes que são empregadas, muitas vezes, como único meio disponível para o transporte de cargas e passageiros assim como são bastante utilizadas na atividade pesqueira, importante para a economia da região. Um levantamento preliminar realizado através de visitas técnicas a algumas oficinas produtoras de hélices, localizadas na área metropolitana de Belém-PA, Macapá-AP e em algumas cidades do estado do Pará, constatou que uma das principais causas do problema decorre da inadequada seleção de materiais e de falhas no processo de fabricação que impõem a presença sistemática de defeitos (porosidade, vazios, trincas, rechupes, etc). Desta maneira, são frequentes o empenamento ou quebra do hélice quando submetido a pequenos choques com troncos e galhos de árvores, bancos de areia, cipós, etc que abundam o leito dos rios amazônicos. Tais fatores, além de afetarem diretamente o sistema de propulsão da embarcação (desgaste precoce de peças móveis, empenamento ou quebra do eixo de transmissão, queda do rendimento de propulsão, etc), causam também enormes prejuízos de natureza sócio-econômica, muitos irreversíveis, tais como o retardamento ou interrupção de viagens, aumento nos custos de operação e manutenção, limitação das possibilidades de navegação, etc. Assim, este trabalho busca iniciar uma solução para este problema através de uma ampla interação com alguns municípios do estado do Pará, contemplando inicialmente aqueles localizados nas regiões do Baixo Amazonas, Marajó, Tocantins e Salgado, cuja posição é estratégica no que se refere a vias de navegação, objetivando avaliar o processo de fabricação e utilização desses CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43302

3 propulsores navais nas condições regionais bem como propor soluções capazes de otimizar o referido processo. 2. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados apresentados neste trabalho foram levantados através de um estudo de campo, baseado na observação direta e na aplicação de questionário técnico adequado, junto a 20 (vinte) pequenos e médios fabricantes e recondicionadores de hélices navais bem como a 20 (vinte) usuários (pessoas físicas e jurídicas) desses hélices, localizando-se os mesmos na área metropolitana de Belém, em algumas cidades do estado do Pará (Bragança, Maracanã, Vigia, Cametá, Abaetetuba, Igarapé-Miri e Almerim) e Macapá no estado do Amapá. A fim de tornar possível a análise dos dados obtidos os mesmos foram sistematizados, conforme indicado na Tabela 1, a fim de que padrões e tendências pudessem ser observados. É importante ressaltar, que durante o levantamento das informações junto aos fabricantes dos hélices, parcialmente apresentadas na Tabela 1, houve a preocupação em respeitar o conhecimento, a experiência e a linguagem dos mesmos. A Tabela 2 apresenta a composição química de 8 (oito ) tipos diferentes de amostras dos propulsores em questão. As referidas composições químicas foram obtidas através do método de difratometria baseado no processo de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Foram realizadas, igualmente, análises macrográficas em alguns dos hélices a fim de serem avaliados os efeitos impostos pelas condições de solidificação observadas na prática, na estrutura final do produto. 3. ANÁLISE DOS RESULTADOS Considerando os resultados mostrados na Tabela 1, observa-se a ausência de qualquer critério científico no projeto dos referidos hélices parecendo em princípio não ser importante, por exemplo, saber se determinado tipo de embarcação necessitará, na busca de um melhor desempenho, de um hélice capaz de lhe proporcionar maior torque ou velocidade. Logo, conclui-se que o não atendimento a critérios normativos de dimensionamento pode, a médio ou longo prazos, comprometer parcial ou totalmente o sistema de propulsão dessas embarcações. O período de tempo médio para a substituição ou reparo dos hélices é praticamente imprevisível pois o mesmo depende, principalmente, dos seguintes fatores: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43303

4 Tabela1 Dados obtidos através do estudo de campo realizado junto a alguns fabricantes de hélices navais localizados nos estados do Pará e Amapá. PRODUTOR MATERIAL DO HÉLICE 01 bronze e latão sucata de 02 bronze e latão sucata em geral sucata de bronze 05 sucata de bronze CRITÉRIO PARA O PROJETO TEMPO MÉDIO DE SUBSTITUIÇÃO PROCESSO DE FABRICAÇÃO N O ANUAL DE HÉLICES REPARADOS PRINCIPAL ÉPOCA DE MANUTENÇÃO RIOS OCEANO modelo original desconhece desconhece empírico Desconhece Desconhece modelo fornecido pelo fabricante 3 anos 5 anos empírico desconhece janeiro a abril manual do fabricante 2 anos 1,5 anos empírico 1500 janeiro a maio modelo fornecido pelo fabricante modelo fornecido pelo fabricante MOTIVO Quebras e empenamento Impacto com materiais sólidos Impacto com materiais sólidos 10 anos 6 anos empírico 100 a 150 inverno Quebra das pás desconhece desconhece empírico desconhece inverno 06! software imprevisível imprevisível empírico 30 inverno 07 Cu (60%), Sn (10%),Zn (20%),P (10%) sucata de bronze e latão Impacto com materiais sólidos e erosão por cavitação Impacto com materiais sólidos e erosão por cavitação modelo original desconhece desconhece empírico desconhece desconhece Quebra das pás modelo janeiro a março e 08 original 3 anos desconhece empírico 300 junho a agosto!cu 56,85%; Zn 39,68%; Sn 0,07%; Ni 0,216%; Al 1,05%; Pb 0,087%; Mn 1,02%; F 1%; Si 0,024% Impacto com materiais sólidos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43304

5 (a) Propriedades mecânicas do tipo de material utilizado na fabricação dos mesmos (dureza, tenacidade, resistência à corrosão, dutilidade, etc). (b) Propriedades mecânicas do tipo de material utilizado na fabricação dos mesmos (dureza, tenacidade, resistência à corrosão, dutilidade, etc). (c) Condições físicas do meio: as águas fluviais possuem características bem diferentes daquelas encontradas no oceano, tais como ph, densidade de materiais sólidos, etc. (d) Época do ano: durante o período de chuvas mais intensas, os rios elevam bastante o seu volume e, com isso, devido aos efeitos provocados pela erosão em suas margens, arrastam para o interior de sua massa líquida enormes quantidades de materiais sólidos, principalmente troncos de árvores, que ao se chocarem com os hélices contribuem diretamente para o aumento de quebras e empenamentos dos mesmos. (e) Outros fatores. Conforme pode ser observado, o número anual médio de hélices vendidos, substituídos e reparados pelas empresas e oficinas varia bastante, pois depende da capacidade de operação de cada uma delas bem como da demanda verificada em cada época. De qualquer modo observa-se que, em alguns casos, a quantidade de hélices comercializados anualmente é bastante significativa. O processo de obtenção desses propulsores foi monitorado várias vezes em diferentes locais e, em todos os casos, foi observado um procedimento de fabricação baseado somente no empirismo. Assim, foram constatadas inúmeras limitações ao longo de seu desenvolvimento. Entre estas, podem ser destacadas as seguintes: (a) Total ausência de controle sobre a composição química da matéria prima. (b) Desconhecimento da importância dos efeitos proporcionados no produto final pela variação da temperatura de vazamento, convecção no líquido, presença de soluto, impurezas, coeficiente de extração de calor na interface metal/molde, dimensão, geometria e material do molde, tipo de areia utilizado, etc. (3-6) (c) Ausência de procedimentos capazes de conduzir a um melhor controle da microestrutura e macroestrutura de solidificação dos propulsores fabricados onde fosse possível prever, por exemplo, os espaçamentos interdendríticos, a formação de grãos com dimensão, forma, orientação e distribuição desejadas a fim de melhorar as propriedades mecânicas e, por conseguinte, o desempenho dos mesmos. (7-10) CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43305

6 (d) Inexistência de técnicas operacionais capazes de reduzir a quantidade de defeitos de fabricação observados (porosidade, excesso de rebarba, inclusões de óxido, trincas de contração, vazios, etc.). (e) Utilização empírica de moldes de areia com desconhecimento de importantes características tais como composição química, resistência térmica, permeabilidade, consistência, umidade, etc. A Figura 1 apresenta alguns dos principais tipos defeitos encontrados nos propulsores navais em questão quando podem ser observados vazios e descontinuidades na estrutura dos mesmos. Esses defeitos comprometem bastante as propriedades mecânicas exigidas e, portanto, o seu desempenho e o tempo de vida útil. Os resultados indicados na Tabela 2 mostram que não existe qualquer tipo de controle sobre a composição química da matéria prima utilizada na obtenção de propulsores navais tipo hélice em nossa região uma vez que são utilizadas sucatas de diversos materiais diferentes o que compromete, desde a origem do processo de fabricação, a qualidade e a vida útil dos mesmos. A análise macrográfica dos hélices estudados constatou a presença de diferentes estruturas de solidificação conforme pode ser observado na Figura 2, representadas por grãos bastante grosseiros e com forte orientação preferencial. Devido ao elevado grau de anisotropia observado nas estruturas de solidificação reveladas torna se evidente que as mesmas contribuem fortemente para o baixo desempenho dos propulsores estudados uma vez que estruturas homogêneas constituídas de grãos refinados é que são responsáveis por propriedades mecânicas superiores. Assim, os cortes transversais e longitudinais realizados nas pás evidenciam grãos equiaxiais de pequenas dimensões combinados com grãos bastantes grosseiros predominantes nos bordos de ataque e saída das mesmas. Os cubos dos hélices apresentam predominantemente estruturas colunar, com orientação preferencial correspondente àquela da extração de calor pelo molde, e equiaxial ambas grosseiras. A baixa resistência mecânica relatada pelos usuários, relacionada a essas estruturas, somente poderá ser diagnosticada com precisão através de estudos mais aprofundados referentes às condições de utilização, projeto, dimensionamento, composição química, macroestrutura e microestrutura, os quais encontram-se no momento sendo desenvolvidos. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43306

7 Figura 1 Presença de defeitos no hélice devido ao processo de fundição. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43307

8 Tabela 2 Composição química de diferentes amostras de propulsores navais tipo hélice fabricados na área metropolitana de Belém-PA. Elementos Químicos Amostra Cu Zn Pb Sn Fe Ni Mn Cl 1 77,873 18,123 3, ,298 0, ,560 17,363 3, ,276 0, ,706 17,253 3, ,275 0, ,505 37,437 0, ,325 1, ,722 15,022-2,265 0, , ,260 15,346-2,306 0, , ,906 19,916-1,453 0, , ,470 20,500-1,496 0, ,060 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43308

9 Figura 2 - Resultados da análise macrográfica de hélices fabricados nas condições amazônicas. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43309

10 4. PROPOSTA DE UMA METODOLOGIA PARA O MELHORAMENTO DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE HÉLICES NAVAIS UTILIZADOS POR EMBARCAÇÕES NAS CONDIÇÕES REGIONAIS Considerando a importância do assunto e os resultados analisados, em seguida é proposto um procedimento metodológico que tem por objetivo sugerir soluções capazes de melhorar o processo de fabricação de propulsores navais tipo hélice utilizados por embarcações nas condições amazônicas. As principais etapas envolvidas no desenvolvimento do procedimento em questão são as seguintes: Etapa 1 Ampliação da avaliação técnica do processo de fabricação desses propulsores para outros centros regionais produtores considerados de interesse. Será operacionalizada através da realização de visitas técnicas a outros fabricantes regionais durante as quais será avaliado o processo de produção dos propulsores (processo de fabricação, operações de acabamento, utilização de materiais, estudo de lay-out, tempos e movimentos, custos envolvidos, aspectos ergonômicos, etc.) a fim de se obter, com base nesses dados, um perfil mais real do processo de fabricação dos mesmos. Etapa 2 Análise da microestrutura e macroestrutura de solidificação dos mesmos. Serão realizadas análises da composição química de diferentes amostras de outros fabricantes desses propulsores, em equipamentos como Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e de Análise por Difração de Raios-X (DRX). Esta etapa será complementada através de técnicas metalográficas disponíves que permitam a observação das estruturas de solidificação mencionadas. Etapa 3 Ensaios mecânicos e de corrosão. O objetivo será realizar um estudo das propriedades mecânicas e de corrosão apresentadas pelos propulsores atualmente fabricados na região. Etapa 4 Proposição de materiais e processos de fundição alternativos para a fabricação desses propulsores. Serão consideradas alternativas relacionadas com a CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43310

11 problemática detectada nas etapas anteriores, aquelas que levem em conta o acúmulo de conhecimento existente na área. Etapa 5 Testes e ensaios das alternativas consideradas. O objetivo será realizar uma avaliação das propriedades mecânicas e de corrosão apresentadas pelas propostas alternativas. Será desenvolvida, também, uma avaliação sobre o ponto de vista da fabricabilidade, custos envolvidos, funcionamento e desempenho das propostas alternativas. Etapa 6 Proposição da solução final (produto e processo). Com base nos resultados obtidos, será apresentada a melhor solução para o problema estudado. Etapa 7 Divulgação dos resultados. Os resultados serão divulgados através de trabalhos apresentados em encontros científicos bem como por meio da realização de cursos de extensão, palestras, seminários e, principalmente, por meio de manuais e cartilhas, gerados com base nos resultados finais, com linguagem e procedimentos técnicos acessíveis à realidade dos fabricantes regionais. 5. CONCLUSÕES A análise dos resultados obtidos neste trabalho permite concluir que os propulsores navais tipo hélice utilizados por embarcações nas condições amazônicas são fabricados através de processos empíricos. A matéria prima utilizada é constituída principalmente de sucata de cobre, zinco, chumbo e estanho, além de outros elementos com teores menos significativos não havendo, portanto, qualquer controle da composição química o que, certamente, contribui para um menor desempenho e qualidade dos mesmos, em função de suas propriedades mecânicas inferiores. O referido processo de fabricação, por ser empírico, não apresenta qualquer controle sobre fatores operacionais de fundição considerados importantes na obtenção do produto final tais como temperatura de vazamento, presença de convecção no metal líquido, forma de extração de calor, presença de soluto, dimensão e material do molde, tipo de areia, etc os quais são capazes de contribuir para a melhoria das propriedades mecânicas do hélice através da possibilidade da formação de estruturas de solidificação adequadas. A inexistência de técnicas operacionais capazes de reduzir a CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43311

12 quantidade de defeitos de fabricação observados proporciona inúmeras limitações aos hélices. É comum, por falta de conhecimento do assunto, a utilização, por parte dos usuários de qualquer tipo de propulsor independente do meio (águas fluviais ou águas do mar) bem como da finalidade a que se destinam as embarcações (transporte de passageiros, atividades de pesca, transporte de cargas, etc.), o que certamente compromete o sistema de propulsão das mesmas. Finalmente, é importante ressaltar, a importância do prosseguimento de estudos que possibilitem a elevação da qualidade desses propulsores navais através da implementação de melhorias no projeto, processo de fabricação e utilização dos mesmos. 6. REFERÊNCIAS 1. Moreira, A. L. S., Carvalho, L. A. P., e Leal, R. L. M., 1996, Aspectos da Indústria Artesanal de Anodos de Sacrifício de Zinco na Amazônia, Anais em CD-ROM do 2 nd NACE Latin American Region Corrosion Congress, Rio de Janeiro. 2. Moreira, A. L. S., Siqueira, C. A., 1997, Indústria Artesanal de Reciclagem de Anodos de Sacrifício de Zinco, Anais em CD-ROM do XIV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica-COBEM, Bauru, SP, Brasil. 3. Wang, C. Y. and Beckermann, C., 1996, Equiaxed Dendritic Solidification with Convection: Part I, II and III, Metallurgical and Materials Transactions, Vol. 27 A pp Miyata, Y., 1997, Dendritic Growth in Undercooled Melt with Forced Convection, Proceedings of the 4 th Decennial International Conference on Solidification Processing, Sheffield, pp Moreira, A. L. S., Siqueira, C. A., 1999, Importância das Dimensões do Molde e da Variação da Vazão de um Gás Inerte na Formação da Zona Equiaxial do Alumínio, Anais em CD-ROM do XV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica-COBEM, Águas de Lindóia, SP, Brasil. 6. Quaresma, J. M. V., et al., 2000, Coeficiente de Transferência de Calor nas Interfaces Metal/Molde e Molde/Ambiente Relativos à Solidificação de Ligas do Sistema Sn-Pb em Molde de Cobre, Anais em CD-ROM do I Congresso Nacional de Engenharia Mecânica-CONEM, Natal, RN, Brasil. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43312

13 7. Yeh, J. W., Jong, S. H. and Liu, W. P., 1993, The Improved Microestructures and Ptoperties of 7075 Alloys Produced by a Water-Cooling Centrifugal Casting Method, Metallurgical Transactions, Vol. 27 A, pp Nastac, L. and Stefanescu, D. M., 1996, Macrotransport-Solidification Kinetics Modeling of Equiaxed Dendritic Growth: Part I and II, Metallurgical and Materials Transactions, Vol. 27 A pp Spittle, J. A., Keeble, J. M. and Al Meshhedani, M., 1997, A Study of Grain Refinement Efficiency in Al-Si Alloy Casting, Proceedings of the 4 th Decennial International Conference on Solidification Processing, Sheffield, pp Moreira, A. L. S., Rocha, O. F. L. e Peralta, J. L., 2000, Estudo Comparativo da Influência do Superaquecimento nas Macroestruturas de Solidificação do Alumínio, Zinco e das Ligas Eutéticas Al-33Cu e Zn-5Al, Anais em CD-ROM do I Congresso Nacional de Engenharia Mecânica-CONEM, Natal, RN, Brasil. Abstract The foundry process in the amazon region contains a high level of empirical knowledge that is employed in the manufacture process of many products such as naval screw-propellers which are used for ships in the region conditions. This fact damages the required quality from them being very commom the presence of structural defects like porosity, cavities, cracks as well as the rupture or warping of them. Considering the tecnological and social importance of this subject for the region the main objective of this work is to develop a study able to analyse the cast process influence in the low performance of these propellers when are manufactured in the Pará and Amapá states and to suggest a methodology to improve the product quality CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43313