METODOLOGIA DE CÁLCULO PARA OTIMIZAÇÃO DO METAL NA LAMINAÇÃO A FRIO DO ALUMÍNIO

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1 METODOLOGIA DE CÁLCULO PARA OTIMIZAÇÃO DO METAL NA LAMINAÇÃO A FRIO DO ALUMÍNIO Paulo Marcelo Gileno (UNIARA Universidade de Araraquara) mcgileno@terra.com.br Resumo: Em função da grande maleabilidade do alumínio, a Laminação manual a frio proporciona grandes oportunidades para o emprego de técnicas de otimização da matéria prima e redução dos retalhos gerados neste processo. O uso destas técnicas busca elevar a relação da quantidade de discos obtidos através da Laminação da placa utilizada. O presente trabalho apresenta a aplicação de equação numérica e experimental em uma empresa de fabricação de utensílios domésticos de alumínio. Esta equação possibilitou o adequado dimensionamento das lâminas de alumínio, de modo a evitar arestas e retalhos desnecessários na operação de Corte de Discos. Inicialmente foram avaliadas as arestas que sobravam nas lâminas que davam origem aos discos e foi constatada desnecessária sobra de material na região periférica dos discos. Na sequência foi desenvolvida uma equação numérica que possibilitou a simulação da relação discos x retalhos produzidos através de uma placa. Com os resultados obtidos com esta equação foram produzidas vários tamanhos de discos, e pode-se constatar a eficiência da equação e significativa economia no processo de Laminação de alumínio. Palavras chave: Otimização, Laminação, Alumínio, Discos. METHODOLOGY OF CALCULATION FOR METAL OPTIMIZATION IN COLD ROLLING OF ALUMINUM Abstract Due to the great malleability of aluminum, cold rolling offers great opportunities for the use of raw material optimization techniques and reduction of the flaps generated in this process. The use of these techniques seeks to increase the ratio of the number of disks obtained through the lamination of the plate used. The present work presents the application of numerical and experimental equation in a manufacturing company of aluminum household utensils. This equation allowed the proper dimensioning of the aluminum blades, in order to avoid unnecessary edges and flaps in the cutting operation of discs. Initially, the edges that were left on the blades that gave origin to the discs were evaluated, where it was found unnecessary leftover material in the peripheral region of the discs. A numerical equation was developed that allowed the simulation of the relationship between disks and flaps produced through a plate. With the results obtained with this equation were produced several sizes of disks, where it can be verified the efficiency of the equation and significant economy in the process of aluminum rolling. Key-words: Optimization, Lamination, Aluminum, Discs. 1. Introdução Segundo Slack (2002), para empresas que concorrem diretamente em preço, o custo será seu principal objetivo de produção. A redução do custo do processo produtivo poderá reduzir o preço pago pelos consumidores, e isto torna a empresa mais competitiva. As empresas concorrendo em vários outros aspectos, que não o preço, desenvolvem meios para manter seus custos baixos. Cada dólar ecomomizado no custo operacional é acrescido ao lucro.

2 Nardocci (2016), presidente da Novelis no Brasil Ltda. diz que a obrigação dos gestores de empresas é encontrar formas de contrabalancear os impactos negativos do ambiente externo, pois estas alternativas são uma preparativa para a volta do mercado. E, quando ele volta, você esta mais bem posicionado. Com base no que o cliente deseja deve-se identificar esforços desnecessários, estudá-los e então eliminar do processo produtivo tudo o que não agrega valor ao produto que o cliente consumirá, mas que consome os recursos da empresa e prejudica seu resultado final. (BALLESTERO-ALVAREZ, 2010). Quando trazidas para o segmento dos bens de consumo fabricados em alumínio, tais citações se fazem atuais face ao cenário econômico atual. Vários produtos são fabricados com alúmino visando atingir exigências de durabilidade e proteção contra intempéries. Na cozinha utensílios domésticos ganham sofisticação e durabilidade. A leveza das panelas de alumínio trazem segurança, conforto e praticidade nas cozinhas industriais, restaurantes e residências. (BRASIL ALUMÍNIO, 2017). Panelas, frigideiras e outros utensílios de cozinha podem ser fabricados em alumínio através dos processos de conformação metalurgica ou mecânica. Nos processos metalúrgicos as modificações de forma são obtidas através de altas temperaturas. Os processos mecânicos são constituídos pelos processos de conformação plástica através da aplicação de tensões, como nas operações de Laminação, Extrusão, Trefilação e Estampagem. (ROCHA, 2012) O presente trabalho aborda o processo mecânico para conformação de utensílios domésticos de alumínio e suas ligas, mais precisamente na operação de Laminação a frio deste metal. A Laminação é uma operação que antecede o Corte de Discos, os quais serão conformados mecanicamente através dos processos de Embutimento e Repuxo, dando forma as peças. Na operação de Laminação a frio do alumínio, parte do material laminado é transformado em discos e outra parte é classificada como material para reciclagem, pois trata-se das arestas que ficam nas lâminas após a operação de corte destes discos. Neste trabalho será apresentado um método de cálculo para a otimização das placas de alumínio, de modo a elevar a quantidade de peças por placas e assim reduzir os custos operacionais. 2. O alumínio e a operação de Laminação A produção industrial do alumínio e suas ligas é um assunto bastante recente. No ano de 1882 ele ainda era uma raridade e sua produção mundial era de apenas 2 toneladas por ano. Em 1900 a produção mundial do alumínio era de 7000 toneladas, alcançando a marca de 2 milhões de toneladas em 1943 e iniciando o milênio com mais de 22 milhões de toneladas. (ABAL, 2000). A bauxita é o minério do alumínio, presente em abundância na face da Terra, representando cerca de 8% da crosta terrestre. O processo Bayer, o mais usual para obtenção do óxido de alumínio da bauxita, é um método de extração a partição hidrometalúrgico. O princípio do processo é a extração do hidróxido de alumínio da bauxita com uma solução de soda a temperaturas elevadas, separação dos resíduos sólidos, após o resfriamento da suspensão, retirada do hidróxido de alumínio da suspensão agora supersaturada através da cristalização e devolução da solução da soda, após a separação do hidróxido cristalizado. O hidróxido obtido é transformado termicamente para óxido, isto é, alumina (Al 2 O 3 ). O processo Hall-Heroult é responsável pela redução deste óxido para o metal, através da sua eletrólise em temperaturas entre 950ºC a 980ºC. A alumina é dissolvida em criolita fundida e através do ânodo do sistema dá-se a decomposição química do óxido de alumínio, obtendo-se o alumínio líquido em temperatura elevada. Resumindo, 4 kg de bauxita produzem 2 kg de alumina que originam 1 kg de alumínio (ABAL, 2004).

3 O alumínio é um metal notoriamente de pequena resistência mecânica. A resistência à tração do alumínio puro (99,99%) é apenas de 60 kg/mm 2 em média. Entretanto, o alumínio comercial tem resistência à tração de cerca de 9 a 14 kg/mm 2. É interessante notar que as impurezas metálicas presentes nessa forma de alumínio, principalmente ferro, silício e cobre, contribuem para aumentar a resistência à tração de mais de 50%. Por meio da introdução de elementos de liga, trabalho a frio ou tratamentos térmicos, pode-se atingir resistência à tração até 60 kg/mm 2. Alguns principais defeitos encontrados em peças fundidas em ligas de alumínio são provocados por dois importantes fatores. O primeiro é o desconhecimento da ciência da metalurgia, que compreende os mecanismos de nucleação e crescimento durante o processo de solidificação da liga para a formação da microestrutura desejada. O segundo fator se refere aos devidos tratamentos ao metal líquido, tais como, proteção, desgaseificação, remoção de óxidos, refino e modificação da estrutura, que não são realizados adequadamente ou simplesmente não são realizados por serem considerados desnecessários (CORRADI, 2001). O metal líquido é o ponto de partida para a transformação de peças de uso industrial, este metal é derramado no interior de uma forma cuja geometria é um negativo da peça desejada a qual posteriormente pode ser submetida a um trabalho de conformação mecânica, no seu estado sólido, obtendo-se assim novas formas da peça. (CHIAVERINI, 1986) Laminação é uma operação de conformação mecânica através da deformação plástica que consiste na redução transversal por compressão do metal e por meio de tensões superficiais resultantes da passagem entre cilindros de aço com eixos paralelos que giram em torno de si mesmos, este processo pode ser feito a quente, a frio ou de forma contínua. A operação de Laminação produz: chapas planas ou bobinadas, folhas e discos, sendo estes últimos utilizados para a fabricação de panelas e utensílios de cozinha. (ABAL, 2004). O processo de Laminação a quente reduz a seção transversal das placas a uma temperatura mínima de 350ºC. Neste processo o material laminado é deslocado entre os cilindros chegando a reduzir a espessura da placa em até 50% e constitui a matéria prima para a Laminação a frio. (ABAL, 2004) Laminação a frio é realizada a temperaturas bem inferiores a recristalização do alumínio proporcionando o encruamento do material aumentando os limites de resistência à tração, e ao escoamento com diminuição do alongamento. As chapas laminadas a frio tem grande aplicação nos processos metalúrgicos incluindo aqueles que exigem boa ductilidade, como nos processo de Corte de Discos para estampagem profunda. Neste processo o disco de alumínio é pressionado por um punção contra uma matriz, como acontece na produção de panelas e outros utensílios domésticos. (ABAL, 2004) Depois da operação de Laminação, às lâminas são cortadas em discos, os quais são submetidos a um tratamento térmico chamado Recozimento, que é o processo pelo qual se consegue as condições de plasticidade máxima do alumínio, o que corresponde a recristalização (amolecimento) total do material. As propriedades e a estrutura do metal são alteradas pelos trabalhos de Laminação a frio, são recuperadas ao estado anterior ao encruamento mediante um tratamento térmico de Recristalização ou Recozimento (CHIAVERINI, 1986). 3. Metodologia O estudo foi realizado em campo, seguindo os moldes de um estudo de caso, realizado diretamente em uma metalúrgica no processo de produção de utensílios domésticos de alumínio e suas ligas, o universo pesquisado foi o processo de Laminação a frio e Corte de Discos. Os dados e informações necessários foram obtidos com entrevista junto ao

4 responsável pelos cálculos da engenharia de laminação e planilhas em Microsoft Excel. Por sua vez, a observação do processo produtivo foi in locu, onde de fato as operações ocorrem. 4. Análise e resultados Para melhor entendimento é interessante o leitor estar alinhado com a seguinte terminologia: a) Placa: peça bruta gerada na Fundição antes de passar por qualquer transformação mecânica; b) Chapa: é a placa após passar pelo processo de Laminação primária a frio (Desbaste); c) Lâmina: é a chapa após passar pelo processo de Laminação de acabamento; d) Discos: são lâminas cortadas em formato de discos. O processo produtivo estudado segue o seguinte roteiro de produção: 1ª Operação Fundição: operação onde o alumínio é fundido e depositado em moldes (coquilhas) de ferro, dando forma às placas. 2ª Operação Laminação à quente: operação de Laminação onde as placas ainda quentes oriundas da operação de Fundição, são submetidas à compressão mecânica passandro por cilindros de aço, reduzindo a espessura e aumentando o comprimento. 3ª Operação Laminação primária a frio (Desbaste): após as placas resfriadas a temperatura ambiente, estas são submetidas à operação semelhante à Laminação a quente, no entanto com temperaturas mais baixas e com uso de cilindros com menor rugosidade, proporcionando melhor acabamento superficial. 4ª Operação Corte da Chapa: as chapas oriundas da Laminação primária à frio (Desbaste) são seccionadas em guilhotinas que consistem em duas lâminas de aço especial lineares, sendo uma fixa e outra móvel que dividem o material em tamanhos compatíveis ao diâmetro do disco a ser produzido. 5ª Operação Laminação de acabamento: operação semelhante à Laminação primária a frio (Desbaste), diferindo-se apenas nas reduções menores de compressão e acabamento obtido através de cilindros de aço especial polidos. 6ª Operação Corte de Disco: com o uso de prensas e moldes com diâmetros desejados, o produto gerado na 5ª Operação dá origem aos discos. 7ª Operação Tratamento térmico do disco: onde se consegue as condições de plasticidade máxima do material, o que corresponde à recristalização (amolecimento). A empresa estudada utilizava uma equação para calcular a engenharia do processo de obtenção de discos, esta equação não aproveitava ao máximo o metal utilizado gerando um índice elevado de retalhos. O procedimento de cálculo era o seguinte: 1º - Com uso da equação (01) obtem-se a espessura da Laminação primária a frio (Desbaste) [(D X ND) + (EPX2)] x EL ED = { } + 0, 5 LP (01) ED = espessura do desbaste; D = diâmetro do disco; ND = número de discos por lâmina; EP = espessura da placa (interno da coquilha); EL = espessura da lâmina (disco); LP = largura da placa (interno da coquilha) e 0,5 = constante de arredondamento

5 Supondo que fosse necessário a produção do disco 260 x 1,20 mm (diâmetro x espessura), e que seriam obtidos 3 discos por lâmina, através da placa 360 mm de comprimento x 250 mm de largura x 29 mm de espessura, seria feito o seguinte cálculo para obter a ED (espessura do desbaste) [(260 X 3) + (29 X 2)]X 1,20 ED = { } + 0,5, então => ED = 4,52 mm 250 2º - Com o uso da equação (02) é cálculado o comprimento da chapa (CD) após Laminação primária a frio (Desbaste) CD = EP x CP 29 x 360, então => CD = => CD = mm ED 4,52 (02) CD = comprimento do Desbaste (Laminação primária a frio); EP = espessura da placa (interno da coquilha); ED = espessura do Desbaste e CP = comprimento da placa (interno da coquilha). Portanto, nesta etapa é obtida uma chapa com mm de comprimento x 250 mm de largura x 4,52 mm de espessura. 3º - Determinar a medida do corte na guilhotina e seu rendimento: Se o disco a ser produzido é 260 mm acrescentar 10 mm para apoio no estampo de corte do disco. Portanto 260 mm + 10 mm = 270 mm de largura. Para determinar o rendimento divide-se o comprimento da chapa pela largura desejada => / 270 = 8,55 chapas. Após a operação de Corte da Chapa, que estava com mm de comprimento x 250 mm de largura x 4,52 mm de espessura, obtêm-se 8 chapas + 55% de 270 mm que é igual a 148 mm. Estes 55% correspondem às arestas das pontas das placas. 4º - Usando a equação (3) determina-se o comprimento final da lâmina, a qual será submetida ao corte dos discos. CF = { ED EL } x LP, então => CF = {4,52 } x 250, => CF = 942 mm 1,20 CF = comprimento final da lâmina; ED = espessura do desbaste; (03) EL = espessura da lâmina (espessura do disco); LP = largura da placa (largura da coquilha). CF = { 4,52 } x 250, então => CF = 942 mm 1,20 Assim a operação de Corte de Disco recebe 8 lâminas com 942 x 270 x 1,20 mm que da origem a 3 discos de 260 mm de diâmetro com 1,20 mm de espessura, totalizando 24 discos obtidos através de 01 placa. Considerando que a lâmina precisava ter um comprimento para atender a necessidade de 03 discos com 260 mm de diâmetro = mm de folga entre os discos e os extremos da lâmina, bastava uma lâmina de apenas 820 mm, 122 mm a menos que a utilizada. Estes excessos desnecessários nas lâminas utilizadas na operação de cortes de discos estão expostos na figura 1 nos pontos A, B, C e D.

6 A B C D Figura 1 Áreas com excesso desnecessário na lâmina fonte: Empresa do estudo Para melhor entender é preciso imaginar que os excessos nos intervalos A, B, C e D, de todas as lâminas da placa, possam ser somados (aderidos) resultando em novos discos. Para as operações de Laminação Primária a Frio (Desbaste), Corte de Chapas, Laminação de Acabamento e Corte de Discos, foi desenvolvido, durante este estudo, um novo método de cálculo da engenharia do processo, culminando em maior aproveitamento da placa e conseqüentemente menor quantidade de retalhos. Por exemplo: a partir da placa com as dimensões 360 mm de comprimento x 250 mm de largura x 29 mm de espessura, e através das operações pertinentes ao processo de Laminação, é necessário produzir discos com diâmetro 260 mm e espessura 1,20 mm. Para realizar a sugestão de cálculo, basta seguir os passos a seguir: 1º Trabalhando com 3 discos por lâmina o tamanho da lâmina a ser utilizada na operação de Corte de Discos, deve ser calculado com base na figura 2 da seguinte maneira: C C C C A B D Figura 2 Lâmina ideal para corte de discos fonte: o autor

7 A = diâmetro do disco de 260 mm; B = diâmetro do disco mais folga de 10 mm; C = folga entre discos e laterais de 10 mm cada; e D = comprimento final da lâmina (CF) é a somatória de A + C = 820 mm. Portanto, é determinado o comprimento da lâmina através da equação (4): CF = {(D x ND) + [(ND + 1) x 10]} => CF = 820 mm (04) D = diâmetro do disco; ND = número de discos por lâmina. 2º - Cálculo da espessura da Laminação primária a frio (Desbaste) através da equação (5): CF x EL ED = (05) LP ED = espessura do desbaste; CF = comprimento final da lâmina (calculado no primeiro passo); EL = espessura da lâmina (disco) e LP = largura da placa (largura interna da coquilha). Assim executa-se o cálculo para obter o disco 260 de diâmetro x 1,20 mm de espessura através da placa 360 mm de comprimento x 250 mm de largura x 29,00 mm de espessura: (ED =?); (CF = 820 mm); (EL = 1,20 mm) e (LP = 250 mm) ED = 820 x 1, 20, então => ED = 3,94 mm 250 3º - Equação (02), cálculo do comprimento da chapa (CD) após Laminação primária a frio (Desbaste) CD = EP x CP 29 x 360, então => CD = => CD = mm ED 3,94 (02) CD = comprimento do Desbaste (Laminação primária a frio) ; EP = espessura da placa (interno da coquilha); ED = espessura do Desbaste e CP = comprimento da placa (interno da coquilha). Portanto, nesta etapa é obtida uma chapa com mm de comprimento x 250 mm de largura (ainda é a medida relativa ao interior da coquilha) x 3,94 mm de espessura. 4º - Determinar a medida do corte na guilhotina (medida B do passo 1) e seu rendimento: Como o disco a ser produzido é com diâmetro de 260 mm, acrescenta-se 10 mm para apoio no estampo de corte do disco. Para determinar o rendimento dividi-se o comprimento da chapa pela largura desejada => / 270 = 9,81 chapas. Após a operação de Corte da Chapa, que estava com mm de comprimento x 250 mm de largura x 3,94 mm de espessura, obtêm-se 9 chapas + 81% de 270 mm que é igual a 218 mm. Estes 81% correspondem às arestas das pontas das placas. 5º - Para obter uma estrutura molecular apropriada para a operação de Estampagem ou Repuxo, as chapas são submetidas a Laminação de acabamento no sentido transversal ao sentido da Laminação primária a frio (Desbaste), usando a equação (3) determina-se o comprimento final da lâmina, a qual será submetida ao corte dos discos. CF = { ED EL } x LP, então => CF = {3,94 } x 250, => CF = 820 mm 1,20 (03)

8 Assim a operação de Corte de Disco recebe 9 lâminas com 820 x 270 x 1,20 mm que da origem a 3 discos de 260 mm de diâmetro com 1,20 mm de espessura, totalizando 27 discos obtidos através de 01 placa. Comparando o resultado do método que era utilizado, 24 discos por placa, com a metodologia sugerida, 27 discos por placa, tem-se um aumento de 3 discos por placa, o que representa 12% de ganho de produção por placa. Esta metodologia de cálculo foi aplicada, na empresa estudada, em todas as medidas de discos produzidas através da placa com dimensões 360 x 250 x 29 mm. Na tabela 1 são apresentadas apenas algumas medidas de discos. Através destes dados foi possível analisar a contribuição da metodologia sugerida para o aproveitamento da placa. Disco (mm) Disco/Placa Disco/Placa Ganho na relação (método antigo) (método sugerido) Disco/Placa Ganho % 205 x 0, x 1, x 1, x 0, x 1, x 1, x 1, x 1, x 0, x 1, x 1, x 0, x 2, x 0, x 1, x 1, x 0, x 1, x 2, x 1, x 0, x 0, x 1, x 1, x 0, Tabela 1 Comparativo de rendimento do método antigo versus o método sugerido Com o uso da metodologia sugerida, a quantidade de discos por placa subiu em média 21%, como consequência a quantidade de metal da placa, que foi transformado em discos, subiu em média de 3,91 kg (55,5%) para 4,83 (68,5%) um aproveitamento médio de 0,92 kg (23,5%). Os retalhos tiveram uma redução média por placa de 3,14 kg (44,5%) para 2,22 kg (31,5%), uma diminuição média no índice de retalho de 0,92 kg (29,3%). 5. Considerações finais Segundo Schimitz (2006), existe uma perda de partículas do material fundido que são carregadas pelos gases durante o processo de fusão, com base nisto, a empresa estudada percebeu que, além de economizar com matéria prima, reduzir o nível de sucatas de retalho é algo bem atraente para seu negócio.

9 Funcionários responsáveis pelos cálculos do processo de Laminação, para obtenção de discos, foram capacitados com o novo método e uma planilha em Microsoft Excel foi criada para auxiliar nesta tarefa. De acordo com estes resultados, o empresário decidiu extender a metodologia sugeriada para duas outras placas utilizadas em seu processo produtivo de discos, sendo placa denominada (A) com medidas 453 x 306 x 32 mm e outra denominada (B) com medidas x x 6 mm, obtendo elevação nos pecentuais de discos produzidos por placa na ordem de 11% e 12% respectivamente. Além de otimizar a quantidade de produto extraído por placa e não perder material no processo de fundição, foi reduzido custos com horas máquinas e horas homem, culminando em expressiva redução de custo do processo produtivo. Referências ABAL, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO ALUMÍNIO. Guia Técnico do Alumínio: laminação,abal, São Paulo, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO ALUMÍNIO. Guia Técnico do Alumínio: manuseio do alumínio líquido, Abal, São Paulo, BALLESTERO-ALVAREZ, M. Gestão de Qualidade, Produção e Operações, São Paulo, Atlas, BRASIL ALUMÍNIO. Bens de Consumo. Disponível em: Acesso em 30 ago CHIAVERINI, V. Técnologia Mecânica: processos de fabricação e tratamento. Vol. 1, São Paulo, Pearson, NARDOCCI, T. Confiança no Potencial de Mercado do Alumínio. Disponível em: Acesso em 30 ago ROCHA, OTÁVIO FERNANDES LIMA da. Conformação Mecânica- Escola técnica Aberta do Brasil.Vol. 149, Santa Maria, SCHMTIZ, C. Handbook of Aluminiun Recicling: fundamentals, mechanical preparation, mettalurgical processing e plant design. Essen: Valkan-Vergal GmbH, 2006 SLACK, N. ; CHAMBERS, S. ; JONNSTON, R. Administração da Produção. 2. ed, São Paulo, Atlas, 2002.