Aço em varão para betão armado. Caracterização do material ... · Mestrado em Engenharia Civil Aço em varão para betão armado - Caracterização do material e enquadramento

Mestrado em Engenharia Civil

Ao em varo para beto armado - Caracterizao do

material e enquadramento atual

David Botelho Perdigo Bento

Dissertao para obteno do grau de mestre em

Engenharia Civil

Orientadora: Doutora Maria Dulce e Silva Franco Henriques

Jri

Presidente: Engenheiro Manuel Brazo de Castro Farinha

Vogais: Doutora Maria Dulce e Silva Franco Henriques

Doutor Pedro Miguel Soares Raposeiro da Silva

Dezembro 2014

Ao em varo para beto armado. Caracterizao do material e enquadramento atual. ___________________________________________________________________________________________

1 Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil



Resumo

Este trabalho pretende aprofundar o estudo das caractersticas do ao em varo para beto

armado, sendo feita uma caracterizao exaustiva do material, onde se pretende estudar

quais os seus constituintes, as suas caractersticas fsico-mecnicas e a histria das

tecnologias de produo de ao at aos dias de hoje.

tambm abordada a situao em Portugal, nomeadamente os mtodos utilizados

atualmente na produo de ao e que tipo de ao utilizado para a produo de vares para

beto armado.

feito um breve apanhado histrico da legislao aplicada ao comportamento do ao para

beto armado e so listados todos os documentos legais aplicveis a vares de ao,

procedendo-se depois a uma descrio mais elaborada dos mesmos.

descrita a forma como os vares de ao so aplicados em obra, nomeadamente as regras

a respeitar no processo de receo em obra e a qualidade de execuo dos trabalhos. So

tambm abordadas as principais questes relacionadas com a metodologia utilizada na

montagem de armaduras em estruturas de Beto Armado.

Palavras-chave: Vares de ao; beto armado; produo de ao.



Abstract

This paper tries to achieve a better understanding of the characteristics of steel bars for

reinforced concrete, being made an exhaustive material characterization, where it intends to

study its constituents, its characteristics and the history of steel production technologies until

the present day.

It is also discussed the situation in Portugal, including the methods currently used in steel

production and what kind of steel is used to produce steel bars.

It is made a brief of an historical overview about applied legislation of reinforcing steel

behavior and is listed all the legal documents applicable to steel bars, proceeding after to a

more detailed description of them.

Is described how steel bars are applied in work, including the rules of receipt in the field and

the quality work execution. It is also discussed the main issues related with the methodology

used in the assembly of reinforced concrete structures armor.

Key words: Steel bars; reinforced concrete; steel production.



Agradecimentos

Tratando-se a presente dissertao de mais uma etapa importante no meu percurso

acadmico e pessoal, quero aqui deixar o meu sincero obrigado a todos aqueles que direta

ou indiretamente contriburam para a concretizao deste objetivo.

Agradeo Engenheira Dulce Franco Henriques por todo o auxlio prestado ao longo deste

trabalho e em especial pela pacincia demonstrada para ler, reler e apresentar sugestes

para que este texto se tornasse algo coeso e com valor.

Aos meus amigos Rui Eugnio e Bruno Miguel, que ao longo deste percurso foram como

verdadeiros irmos e aos meus tios Carlos Pereira e Mariana Calado pelo apoio prestado

durante o meu percurso acadmico.

A todos os colegas com quem partilhei o tempo durante os anos que frequentei o Mestrado

em Engenharia Civil nesta Instituio, assim como a todos os Professores que ao longo dos

anos contriburam para a minha formao.

Aos meus pais, pois se hoje cheguei onde estou foi em grande parte graas a eles, e a

pessoa que sou tambm se deve aos seus ensinamentos e exemplos de vida.



ndice Geral

Resumo.....................................................................................................................................2

Abstract.....................................................................................................................................3

Agradecimentos........................................................................................................................4

ndice Geral...............................................................................................................................5

1. Introduo e objetivos.......................................................................................................12

2. Propriedades gerais do ao..............................................................................................14

2.1 Consideraes gerais.............................................................................................14

2.2 Microestruturas na ao...........................................................................................14

2.3 Diagrama de fases Ferro Carboneto de Ferro....................................................19

2.4 Processo de desoxigenao..................................................................................20

2.5 Principais tipos de aos utilizados em engenharia civil..........................................21

3. Levantamento dos processos industriais..........................................................................26

3.1 Histria do Ao.......................................................................................................26

3.2 Processos industriais desenvolvidos para a obteno de ao...............................29

3.2.1 Alto-forno....................................................................................................29

3.2.2 Processo de Bessemer..............................................................................30

3.2.3 Processo de Siemens-Martin.....................................................................31

3.2.4 Forno de arco eltrico................................................................................32

3.2.5 Processo de Linz-Donawitz........................................................................34

3.2.6 Processos de Kaldo e Rotor.......................................................................35

3.3 Tipo de tratamento dos aos em varo..................................................................35

3.3.1 Tratamentos mecnicos (a frio) e termomecnicos...................................36

3.3.1.1 Laminagem....................................................................................36

3.3.1.2 Estiramento....................................................................................37

3.3.1.3 Trefilagem......................................................................................37

3.3.2 Tratamentos trmicos.................................................................................38

3.3.2.1 Recozimento..................................................................................38

3.3.2.2 Tmpera........................................................................................40

3.3.2.3 Normalizao................................................................................42

3.3.2.4 Revenido.......................................................................................43

3.4 - Produo atual.......................................................................................................43

3.4.1 Impacto ambiental......................................................................................44

3.4.2 Produo de ao em Portugal....................................................................45

3.5 - Dados estatistcos acerca da indstria do ao.......................................................48

4. Normas e legislao aplicveis a vares de ao..............................................................52

4.1 Regulamento de Estruturas de Beto Armado e Pr-Esforado............................53



4.2 prEN 10080 Steel for the reinforcement of concrete.......55

4.3 NP EN 1992-1-1:2010 EC2 - Projeto de Estruturas de Beto................................56

4.4 Dec. Lei 390/2007..................................................................................................59

4.5 NP EN 13670:2011 Execuo de estruturas de beto.......................................60

4.5.1 Materiais.....................................................................................................60

4.5.2 Transporte e armazenamento....................................................................61

4.5.3 Inspeo e ensaio de armaduras...............................................................62

4.5.3.1 Classes de execuo das construes.........................................62

4.5.3.2 Receo das armaduras em obra.................................................63

4.5.3.3 Inspeo das armaduras antes da betonagem.............................64

4.6 Especificaes LNEC.............................................................................................66

4.6.1 Processo de fabrico....................................................................................66

4.6.2 Caractersticas mecnicas e tecnolgicas.................................................66

4.6.3 Controlo da produo.................................................................................68

4.6.4 Geometria das nervuras.............................................................................68

4.6.5 Marcas de identificao..............................................................................73

4.7 Documentos de classificao LNEC......................................................................74

4.8 Anlise comparativa da regulamentao...............................................................75

4.8.1 Extenso na rotura.....................................................................................75

4.8.2 Tenso de cedncia...................................................................................76

5. Aplicao em obra do varo de ao.................................................................................78

5.1 Metodologia de aplicao......................................................................................78

5.1.1 Corte e dobragem......................................................................................78

5.1.1.1 Equipamento.................................................................................78

5.1.1.2 Metodologia de corte de ao em varo.........................................82

5.1.1.3 Metodologia de dobragem de ao em varo.................................84

5.1.2 Montagem e colocao de armadura.........................................................85

5.1.2.1 Amarrao de armaduras..............................................................85

5.1.2.2 Montagem de armaduras em estaleiro..........................................88

5.1.2.3 Montagem de armaduras no local de aplicao............................91

5.1.2.4 Espaadores..................................................................................95

5.1.2.4.1 Espaadores de beto..........................................................102

5.1.2.4.2 Espaadores de plstico.......................................................103

5.2 Procedimentos de segurana na execuo de armaduras..................................105

5.3 Normas de conduta do armador de ferro.............................................................105

6. CODIMETAL Engineering S.A........................................................................................106

7. Concluso.......................................................................................................................108

Referncias Bibliogrficas e Bibliografia...............................................................................110



ndice de Figuras

Figura 1 Austenite................................................................................................................15

Figura 2 Ferrite.....................................................................................................................16

Figura 3 Cementite...............................................................................................................16

Figura 4 Perlite ....................................................................................................................17

Figura 5 Martensite .............................................................................................................18

Figura 6 Bainite ...................................................................................................................18

Figura 7 - Diagrama de fases Ferro Carboneto de ferro......................................................19

Figura 8 Esquema de funcionamento de um alto-forno utilizando coque............................27

Figura 9A) Esquema simplificado do funcionamento de um forno de revrbero ............... 28

Figura 9B) Disposio de um forno de revrbero ...............................................................28

Figura 10 Operrio a manobrar o agitador num forno de pudelagem..................................28

Figura 11 Representao esquemtica do alto-forno .........................................................29

Figura 12 Representao do convertedor de Bessemer .....................................................31

Figura 13 Forno de Siemens-Martin ....................................................................................32

Figura 14 Representao esquemtica do forno de arco eltrico .......................................33

Figura 15 Representao esquemtica do forno Linz-Donawitz .........................................34

Figura 16 Representao esquemtica da posio dos rolos.............................................36

Figura 17 Exemplo do modo de arrefecimento de uma pea..............................................41

Figura 18 Diagramas de arrefecimento para vrios tipos de tmpera ................................42

Figura 19 Energia consumida por processo .......................................................................44

Figura 20 Impactes ambientais por processo .....................................................................45

Figura 21 Corte de um varo com as zonas constitudas por diferentes

estruturas cristalina.................................................................................................................46

Figura 22 Perfil de dureza para varo de 22mm de dimetro .............................................47

Figura 23 Evoluo da produo de vares (em milhes de toneladas/ano)

utilizando o processo Tempcore ............................................................................................48

Figura 24 Produo mundial de ao no 1 semestre de 2014 ............................................49

Figura 25 Produo de ao em bruto em Portugal .............................................................50

Figura 26 Figura 3.7 do EC2 Diagramas de tenso-extenso tpicos de

http://products.asminternational.org/).....................................................49http://en.wikipedia.org)...........................20/



vares de ao laminado a quente (a) e endurecido a frio (b)..................................................58

Figura 27 Figura 3.8 do EC2 Diagrama tenso-extenso de clculo

para vares de ao..................................................................................................................59

Figura 28 Exemplo de armazenamento do ao evitando o contacto com o solo ................61

Figura 29 Diagrama tenso-extenso tpico de vares de ao............................................67

Figura 30 Corte transversal de um varo nervurado (E450)................................................69

Figura 31 Corte transversal de um varo endentado (E456)...............................................69

Figura 32 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A400 NR (E449).............................70

Figura 33 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A500 NR (E450).............................70

Figura 34 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A400 NR SD (E455).......................71

Figura 35 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A500 NR SD (E460).......................71

Figura 36 Inclinao e afastamento das nervuras Ao A500 ER (E456).............................71

Figura 37 Exemplo de cdigo de marcas de identificao...................................................74

Figura 38 Diferena da definio de extenso de rotura entre

o EC2 e asEspecificaes LNEC e o REBAP........................................................................76

Figura 39 Elementos da mquina de corte e dobragem.....................................................78

Figura 40 Painel de comandos e funes ..........................................................................79

Figura 41 Prato de dobragem .............................................................................................79

Figura 42 Pino limitador de movimento ..............................................................................80

Figura 43 Mesa de moldagem ............................................................................................80

Figura 44 Espera da mesa de moldagem ...........................................................................81

Figura 45 Posio do veio e batente de espera .................................................................81

Figura 46 Colocao dos espiges no prato de dobragem ................................................81

Figura 47 Adoo de casquilhos acessrios .......................................................................82

Figura 48 Colocao do pino limitador ...............................................................................82

Figura 49 Pontos de amarrao executados em ZIG-ZAG ................................................87

Figura 50 Espaadores na armadura inferior (E469)..........................................................97

Figura 51 Espaadores da armadura horizontal no bordo acabando em ponta (E469)......98

Figura 52 Espaadores da armadura vertical no bordo (E469)...........................................98

Figura 53 Espaadores da armadura vertical no bordo com armadura

intermdia (E469)...................................................................................................................98

http://www.civil.ist.utl.pt).......................................................................................................84/



Figura 54 Espaadores da viga em alado (E469)..............................................................99

Figura 55 Espaadores em viga alta (E469)........................................................................99

Figura 56 Espaadores ao longo do pilar (E469)...............................................................100

Figura 57 Espaadores em seco menor (E469).............................................................100

Figura 58 Espaadores em seco maior (E469)..............................................................101

Figura 59 Espaadores em seco com cintas duplas (E469)..........................................101

Figura 60 Espaadores em seco circular (E469)...........................................................101

Figura 61 Espaadores de beto pr-fabricados ..............................................................102

Figura 62 Dois exemplos de aplicao dos espaadores de beto...................................103

Figura 63 Espaador circular ............................................................................................103

Figura 64 Aplicao do espaador num pilar ....................................................................103

Figura 65 Tipos de espaador pontual com fixao..........................................................104

Figura 66 Espaador pontual com fixao em laje............................................................104

Figura 67 Espaador para lajes e vigas ............................................................................104

Figura 68 Tipo de espaador linear...................................................................................104

Figura 69 Espaador linear aplicado em laje.....................................................................104

ndice de Tabelas

Tabela 1 Especificaes e propriedades tpicas de aos comuns

em construo civil .................................................................................................................23

Tabela 2 Aos inoxidveis ...................................................................................................24

Tabela 3 Os principais mercados de ao em 2013 .............................................................49

Tabela 4 Quadro V do REBAP Tiposcorrentes de armaduras ordinrias.........................54

Tabela 5 Tabela 3 da EN 10080 Requisitos para teste de propriedades mecnicas.......56

Tabela 6 Quadro C.1 do EC2 Propriedades das armaduras............................................58

Tabela 7 Classes de execuo............................................................................................62

Tabela 8 Tipo de inspeo requerido por classe de execuo............................................63

Tabela 9 Exigncias de cada especificao relativas aos ensaios de trao......................67

Tabela 10 Quadro 4 das Especificaes E449, E450, E455, e E460

http://www.jacp.com.br).........................93/



Altura mnima das nervuras transversais................................................................................69

Tabela 11 Quadro 5 das Especificaes E450, E455 e E460

Afastamento das nervuras transversais..................................................................................72

Tabela 12 Quadro 5 da Especificao E449 Afastamento das nervuras transversais.....72

Tabela 13 Quadro 6 das Especificaes E450, E455 e E460

rea relativa das nervuras transversais..................................................................................73

Tabela 14 N de nervuras para identificao do pas de origem dos vares.......................74

Tabela 15 Metodologia de corte de ao em varo ..............................................................82

Tabela 16 Metodologia de dobragem de ao em varo.......................................................84

Tabela 17 Metodologia de execuo do ponto de amarrao em cruz...............................86

Tabela 18 Metodologia de execuo do ponto de amarrao simples................................87

Tabela 19 Montagem da armadura de sapatas em estaleiro ..............................................88

Tabela 20 Montagem da armadura de pilares em estaleiro.................................................89

Tabela 21 Montagem da armadura de vigas em estaleiro ..................................................90

Tabela 22 Montagem da armadura de sapatas no local de aplicao ................................91

Tabela 23 Montagem da armadura de pilares no local de aplicao...................................92

Tabela 24 Montagem da armadura de vigas no local de aplicao.....................................93

Tabela 25 Montagem da armadura de lajes no local de aplicao......................................94

Tabela 26 Montagem da armadura de paredes no local de aplicao................................95

Tabela 27 Recobrimentos mnimos e nominais (E469).......................................................96

Simbolos, siglas e acrnimos

A - Temperatura crtica do ao

Ac1 - Ver A

Agt - Extenso total na fora mxima

Es - Mdulo de elasticidade

Mf - Linha de separao das fases austenitica+perltica com a fase perltica e bainitica

Ms - Linha de separao das fases austenitica com a fase austenitica+perltica

Re - Tenso de cedncia superior ou tenso limite convencional de proporcionalidade a 0,2%

Rm - Tenso de rotura



a - Altura mxima das nervuras

a1 - Perda de massa em percentagem

c - Afastamento entre nervuras

d - Dimetro nominal

f0,2k - Valor caracterstico da tenso de cedncia

fsycd - Tenso de cedncia compresso de clculo

fsyd - Tenso de cedncia de clculo

ft - Resistncia trao

fy - Tenso de cedncia

fy,mx - Tenso de cedncia mxima real

fyk - Ver f0,2k

k - Valor caracterstico de ft/fy

- Dimetro

s - Coeficiente de segurana para capacidade resistente de clculo

- Extenso

suk - Valor caracterstico da extenso na rotura

u - Extenso total na fora mxima / rotura

ud - Extenso de clculo na fora mxima

uk - Valor caracterstico da extenso tenso mxima

- Tenso

u - Tenso de rotura

y - Tenso de cedncia

C - Carbono

Cr - Cromo

Cu - Cobre

Fe - Ferro

Mn - Mangans

Mo - Molibdnio

Nb - Nibio

Ni - Nquel

P - Fsforo

S - Enxofre

Si - Silcio

V - Vandio

Zr Zircnio



1. Introduo e Objetivos

O beto armado atualmente o material estrutural mais utilizado em todo o mundo, sendo

portanto essencial conhecer em detalhe o comportamento dos seus constituintes, assim

como as disposies legais em vigor para garantir que a sua execuo se efetua nas

melhores condies. O beto armado uma tcnica de construo que envolve materiais

simples (beto e ao) que, pelas suas propriedades individuais e caractersticas como

material compsito, tem permitido com sucesso, a realizao de grandes edificaes

estruturais contemporneas.

Esta dissertao foca a sua ateno nos aos que hoje em dia so utilizados no beto

armado, concretamente no ao em varo.

A presente dissertao encontra-se dividida em 5 captulos, dos quais se far em seguida

uma breve descrio, pretendendo-se desta forma que o leitor perceba as linhas

orientadoras com que aquela foi desenvolvida.

Descrevem-se as propriedades gerais do ao, sendo estudado o diagrama de fases Ferro -

Carboneto de Ferro e que tipo de reaes ocorre durante o arrefecimento do ao. So

referidos os seus constituntes, a forma como estes se organizam em diferentes

microestruturas cristalinas e de que modo estas afetam o seu comportamento mecnico.

Introduz-se a histria do ao, apresentando o incio desta indstria, a sua evoluo e os

mtodos de produo atuais, as suas propriedades e modo de funcionamento. Ainda neste

captulo so apresentados os tratamentos mecnicos ou termomecnicos e os tratamentos

trmicos aplicados ao ao, descrevendo o modo como so realizados e os objetivos para os

quais so realizados. Na segunda parte do captulo, abordada a produo atual em

Portugal, nomeadamente o processo Tempcore, no que consiste e qual o efeito que este tipo

de tratamento tem nos vares de ao.

So listados todos os documentos legais aplicveis a vares de ao para beto armado,

procedendo-se a uma descrio detalhada dos mesmos, nomeadamente: REBAP, EN

10080, EC2, Dec. Lei 28/2007, NP EN 13670, Especificaes LNEC (E449, E450, E455,

E456 e E460) e os Documentos de Classificao LNEC. No fim deste captulo so

estudadas as diferenas e semelhanas entre a regulamentao existente.

abordado o processo de aplicao em obra do varo de ao, nomeadamente os

procedimentos a ter em conta com o material e o modo de armazenamento do mesmo, a

metodologia de corte e dobragem dos vares e o processo de montagem e colocao de

armaduras nos diversos elementos, dando um destaque especial aos espaadores a utilizar.



Por fim, estudado o modo como feito o controlo da qualidade de execuo dos trabalhos

e que tipos de inspees e ensaios devem ser realizados.

feita uma sntese da visita empresa CODIMETAL Engineering S.A., onde so descritos

os procedimentos utilizados no tratamento ao ao e para que fim so realizados.



2. Propriedades gerais do ao

2.1 - Consideraes gerais

Ao define-se como uma liga Ferro-Carbnica que contm Si, Mn, S e P, cujo teor em

carbono pode variar entre 0,03% e 2,1%, sendo que para valores superiores obtm-se ferro

fundido.

As propriedades de uma liga Ferro-Carbnica so funo da sua composio qumica e do

processo a que a mesma foi sujeita, ou seja, da sua histria trmica e mecnica. As

principais propriedades mecnicas dos metais e ligas so:

Modulo de elasticidade;

Tenso de cedncia ou tenso limite convencional de proporcionalidade a 0,2%;

Tenso de rotura;

Alongamento percentual at rotura;

Dureza.

Na formao das ligas Ferro-Carbnicas o carbono assume uma grande importncia sendo

o principal responsvel pela diferena de propriedades entre diferentes ligas.

Os tratamentos que so efetuados aps o processo sidergico tm como objetivo melhorar

as propriedades do ao, aumentando a resistncia corroso e impedindo deslocamentos

na estrutura cristalina. Devido sua importncia, o teor em carbono geralmente medido

em percentagem relativamente massa total da amostra.

Uma temperatura de fuso muito importante para o comportamento dos aos a

temperatura crtica, tambm designada por temperatura de austenizao, que varia

consoante as propriedades qumicas do ao. Esta temperatura representa a fase em que o

ao em estado slido tem maior capacidade de dissolver carbono, permitindo que este se

distribua uniformemente antes de se iniciar qualquer processo de arrefecimento (Loureno,

2012).

2.2 - Microestruturas no ao

As propriedades mecnicas do ao esto relacionadas com o modo de organizao dos

elementos, que do origem s microestruturas. O aparecimento destas microestruturas est

relacionado com a composio qumica do ao e com as variaes de temperatura a que

este sujeito. Existem seis tipos comuns de microestrutura num ao (Gonalves, 2006):



Austenite (ferro );

Ferrite (ferro ) e (ferro );

Cementite;

Perlite;

Martensite;

Bainite.

Austenite (ferro )

uma soluo slida intersticial de carbono na rede cristalina do ferro (Figura 1). A

solubilidade do carbono atinge um mximo de 2,11% a 1148oC e diminui para 0,77% a

727oC.

As suas caractersticas mecnicas esto dependentes do teor de carbono. Na rotura, a

tenso oscila entre 880 e 1050 MPa e os alongamentos entre 20% e 23%.

A austenite mole e dctil, e s apresenta estabilidade no intervalo de temperaturas entre

727oC e 1500

oC (conforme a percentagem de carbono em dissoluo) (Gonalves, 2006).

Figura 1 Austenite (http://www.sv.vt.edu/)

Ferrite (ferro ) e (ferro )

Ferro :

uma soluo slida intersticial de carbono na rede cristalina do ferro (Figura 2). A

solubilidade maxima do carbono no ultrapassa 0,02% temperatura de 727 oC, sendo

praticamente nula temperatura ambiente.

Na rotura, o valor da tenso anda na ordem de 250 MPa e o alongamento na ordem de 50%,

portanto, muito dctil e pouco resistente.

http://www.sv.vt.edu/



A sua presena no ao indesejvel, a menos que se pretenda obter ao extra macio

(Gonalves, 2006).

Figura 2 - Ferrite (http://it.wikipedia.org/)

Ferro :

uma soluo slida intersticial de carbono no ferro. Tem uma estrutura semelhante ao

ferro , formando-se somente temperatura de 1394 oC.

Cementite (Fe3C)

A cementite (Figura 3) tem limites de solubilidade muito pequenos e possui uma composio

de 6,67% C e 93,33% Fe. Devido elevada dureza, a cementite apresenta um

comportamento muito frgil, razo pela qual as suas caractersticas mecnicas so difceis

de determinar (Gonalves, 2006).

Figura 3 Cementite (http://www.ruthtrumpold.id.au/)

http://it.wikipedia.org/http://www.ruthtrumpold.id.au/



Perlite

Este constituinte (Figura 4) contm 0,77% de carbono e formado por lamelas de ferrite e

cementite, nas percentagens respectivas de 88% e 12%.

Quando uma amostra de ao-carbono com 0,77% C aquecida a 750oC e mantida a essa

temperatura durante algum tempo, a sua estrutura vai sofrer um processo de austenizao,

ou seja, transformar-se em austenite homognea (ferro ). Se o ao for arrefecido de forma

lenta, a uma temperatura inferior eutectide (727 oC), verificar-se- a transformao de

toda a austenite numa estrutura lamelar de placas alternadas de ferrite e cementite, dando

origem perlite.

A forma como as lamelas se conjuguam, mais precisamente o espao existente entre elas,

vai influenciar as propriedades mecnicas da microestrutura, estando a variao deste

espao associada s condies de arrefecimento. A dureza e a tenso de rotura aumentam

e a extenso de rotura diminui com a reduo do espao entre as lamelas (Gonalves,

2006).

Figura 4 Perlite (www.ebah.com.br)

Martensite

Existem dois tipos de martensite: a martensite acicular e a martensite cbica. Ambas as

formas de martensite so obtidas pelo rpido arrefecimento de austenite, no permitindo a

dissipao do carbono, ficando retido na estrutura cristalina. Admite-se que a transformao

da austenite em martensite ocorra sem difuso, uma vez que a transformao ocorre to

rapidamente que os tomos no tem tempo para se misturar (Gonalves, 2006).

A martensite acicular constituda por ferrite sobressaturada em carbono e com uma

estrutura cristalina muito deformada, sendo o seu comportamento mecnico dependente da

quantidade de carbono existente e da finura das lamelas de martensite.



Este tipo de martensite apresenta uma dureza bastante elevada, um alongamento reduzido e

uma resilincia quase nula, o que implica uma ductilidade e uma tenacidade muito

reduzidas.

A martensite cbica exibe uma fraca distoro da rede cristalina, a ausncia de austenite e a

precipitao de cloretos. Relativamente martensite acicular, a martensite cbica oferece

uma melhor ductilidade e tenacidade, mantendo ainda uma boa resistncia e dureza,

especialmente depois de ser submetida a um revenido para reduo das tenses internas.

Figura 5 Martensite (http://metalografia.deviantart.com/)

Bainite

A bainite uma microestrutura cujas propriedades mecnicas esto compreendidas entre os

valores da martensite e da perlite (Figura 6).

Quanto menor for a temperatura a que se forma, maior a sua dureza, sendo a bainite

inferior mais dura que a bainite superior, que por sua vez tem uma dureza superior perlite.

Com a diminuio da temperatura formam-se gros cada vez maiores, o que origina o

aumento da quantidade de carbonetos retidos (Gonalves, 2006).

Figura 6 Bainite (http://products.asminternational.org/)

http://metalografia.deviantart.com/http://products.asminternational.org/



2.3 - Diagrama de fases Ferro-Carboneto de Ferro

Carboneto de ferro um composto de frmula qumica Fe3C que contm 6,67% de carbono

e 93,33% de ferro.

As fases presentes aps arrefecimento muito lento de ligas ferro-carbono podem ser

identificadas no diagrama de fases Fe-Fe3C (Figura 7), para diferentes temperaturas e

composies at 6,67% de carbono (Gonalves, 2006).

Figura 7 - Diagrama de fases Ferro Carboneto de ferro (Gonalves, 2006)

Legenda:

L Estado lquido

Fe3C Cementite

Ferrite

Ferrite

Austenite

D-se relevo a dois tipos de reaes-chave, que se do a temperaturas e % de carbono

distintas:

Reao eutctica:

No ponto eutctico, o lquido com 4,30% C transforma-se em austenite (ferro ) com 2.11%

C e cementite (Fe3C) com 6,67% C. Esta reao ocorre a 1148 oC no estado lquido.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Carbetohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ferrohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Composto_qu%C3%ADmicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula_qu%C3%ADmicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Carbonohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Ferro



Reao eutectide:

No ponto eutectide, a austenite com 0,77% C origina ferrite (ferro ) com 0,02%C e

cementite, com 6,67% C. A reao eutectide d-se a 727 oC e ocorre completamente no

estado slido, sendo importante em alguns dos tratamentos trmicos dos aos-carbono.

2.4 - Processo de desoxigenao

O ao quando se encontra em banho de fuso contm oxignio dissolvido, elemento

importante no seu fabrico. A forma como este oxignio libertado medida que o metal

solidifica, fundamental em algumas das suas propriedades.

Na ausncia de desoxidantes, em aos com baixo teor de carbono, a reao de carbono

com oxignio produz monxido de carbono durante a solidificao do lingote. Este lingote

tem a camada exterior isenta de cavidades e a zona interior com porosidade, devido

contrao e aos gases que no foram libertados. Existem 2 classificaes para os aos

relativamente ao seu processo de desoxigenao: Efervescentes e calmados (Gonalves,

2006):

Efervescentes:

Aos efervescentes so os aos que no sofrem desoxigenao e sua superfcie exterior

extremamente dctil e praticamente isenta de carbono. Devido sua heterogeneidade, no

so apropriados para aplicaes estruturais, principalmente para grandes espessuras e para

aplicaes onde seja necessrio proceder a soldadura.

Calmados:

Os aos que sofrem um processo de desoxigenao designam-se por calmados, podendo

dividir-se ainda em 3 sub-grupos consoante o nvel de desoxigenao: semi-calmados,

calmados e especialmente calmados.

Os aos semi-calmados derivam de lingotes parcialmente desoxidados, podendo ser

utilizados em aplicaes estruturais.

Os aos calmados so completamente desoxidados pela adio de fortes agentes oxidantes

como o silcio e o alumnio. Tm melhor desempenho que os anteriores j descritos devido

elevada uniformidade na composio qumica e nas propriedades da massa do metal.



Os aos especialmente calmados so desoxidados da mesma forma que os aos calmados,

diferindo apenas na quantidade de agentes oxidantes utilizados.

2.5 Principais tipos de aos utilizados em engenharia civil

No mbito da engenharia civil, existem vrios tipos de aos desenvolvidos com o objetivo de

resistir a diferentes especificaes e condies de servio, nomeadamente cargas elevadas,

desgaste, impacto, corroso atmosfrica e temperaturas elevadas. Deste modo, selecionar

um ao apropriado para uma determinada aplicao poder ser uma tarefa relativamente

complexa, em que diversos fatores como as geometrias e dimenses disponveis, o custo e

as propriedades requeridas tero de ser considerados. Uma forma possvel para se lidar

com esta complexidade associada seleo do material, consiste em consultar bases de

dados ou catlogos onde os aos disponveis esto agrupados, formando conjuntos com

determinadas aplicaes-tipo. Estas bases de dados podem apresentar entre 12 a 20 grupos

principais de aos (aos de construo, aos inoxidveis, aos mola, aos ferramenta, aos

rpidos, etc.), que depois se dividem em subgrupos mais especficos (Seabra et al., 1981).

No caso particular da construo civil, at meados da dcada de 1960, excepo da

construo de pontes, praticamente foi s utilizado um tipo de ao. Este ao era

normalmente classificado como ao-carbono e as normas internacionais especificavam

apenas a sua tenso de cedncia mnima como sendo 230 MPa. Outro tipo de aos com

propriedades especficas como resistncia corroso ou soldabilidade estavam disponveis

(ASTM A242 ou ASTM A373), mas raramente eram utilizados na construo de edifcios

(Seabra et al., 1981).

Hoje h uma grande variedade de aos de construo, possibilitando o aumento da

resistncia em determinadas peas sem aumentar excessivamente a volumetria das

mesmas, aumentar a resistncia corroso e aumentar durabilidade da estrutura. Os quatro

principais grupos de aos utilizados atualmente em construo so:

Aos carbono;

Aos microligados;

Aos de liga temperados e revenidos;

Aos inoxidveis.



Aos carbono

Segundo (Chiaverini, 2002), o ferro puro no muito apelativo do ponto de vista das suas

propriedades mecnicas, visto que excessivamente macio, dctil e com baixa resistncia a

esforos. No entanto, a adio de pequenas propores de carbono altera radicalmente as

propriedades mecnicas do ferro.

Os aos carbono normalmente aplicados em estruturas, tm teores de carbono

compreendidos entre 0,15% e 0,30% e os teores de elementos de liga no ultrapassam os

seguintes valores: Mn < 1,65%, Si < 0,6% e Cu < 0,6%. O aumento do teor de carbono

aumenta a sua tenso de cedncia, mas tambm reduz a tenacidade e a soldabilidade do

ao.

Estes aos tm aplicaes genricas em construo de estruturas rebitadas ou soldadas,

apresentando tenses de cedncia at cerca de 275 MPa.

Aos microligados

Este tipo de aos, por vezes designados por aos HSLA (High Strenght Low Alloy Steels)

podem apresentar tenses de cedncia compreendidas entre 275 e 500 MPa. Enquanto que

nos aos-carbono o aumento da resistncia conseguido custa do aumento do teor de

carbono, nos aos HSLA este aumento conseguido devido adio de pequenas

quantidades de elementos de liga tais como o Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, V ou Zr. A adio destes

elementos promove o endurecimento por soluo slida e por precipitao de finas

disperses de carbonetos levando ao refinamento da microestrutura do ao, resultando um

excelente compromisso entre tenses de cedncia elevadas e ductilidade. Devido sua

elevada tenacidade, estes aos apresentam em geral uma boa soldabilidade, sendo por isso

adequados para construo soldada (Taylor, 2000).

Aos de liga temperados e revenidos

A tmpera do ao um tipo de tratamento que origina um aumento da dureza e,

consequentemente, da tenso de cedncia do ao. A tmpera de aos de baixa liga pode

conduzir a materiais com tenses de cedncia entre 550 e 800 MPa. De modo a reduzir um

pouco a fragilidade dos aos temperados aps a tmpera, o ao pode ser revenido a

temperaturas entre 400C e 600C por forma a promover alguma difuso do carbono

aprisionado na estrutura martenstica reduzindo a fragilidade intrnseca a esta fase. Dada

esta situao, estes aos so normalmente utilizados no estado temperado e revenido

(Taylor, 2000).



Aos inoxidveis

Existem trs grandes grupos de aos inoxidveis: os inoxidveis martensticos, inoxidveis

ferrticos e inoxidveis austenticos, sendo a sua classificao definida de acordo com a fase

predominante na sua constituio temperatura ambiente. Na construo de estruturas de

engenharia civil, em particular em tubagens para fluidos agressivos, os aos inoxidveis

austenticos so, em geral, os de utilizao mais frequente, devido elevada ductilidade e

ao bom comportamento que apresentam entre resistncia mecnica e resistncia

corroso. O crmio presente permite aumentar a resistncia corroso do ao, sendo que,

quando o teor de crmio superior a 12% forma-se superfcie do ao uma fina pelcula

estvel de xido de crmio, que protege o ferro das reaes com a atmosfera, em particular

das reaes que conduzem formao de ferrugem, caso os produtos de ao inoxidvel

estejam ao ar livre (Taylor, 2000).

Nas Tabelas (1 e 2) so referidas as propriedades tpicas de alguns dos aos mais utilizados

em aplicaes estruturais de engenharia civil. Na Tabela 1 apresentam-se os aos-carbono

estruturais, os aos microligados de elevada resistncia e os aos de liga temperados e

revenidos, enquanto que na Tabela 2 so referidas as especificaes de alguns aos

inoxidveis.

Tabela 1 - Especificaes e propriedades tpicas de aos comuns em construo civil (adaptado de

Somayaji, 2001)

Teores de C e Mn Caractersticas

mecnicas

Tipo % C % Mn y (MPa)

Ao-carbono estrutural 0.26 - 250

Ao-carbono estrutural 0.27 1.2 290

Ao microligado de

elevada resistncia (

corroso)

0.15 1 290 - 345

Ao microligado de

elevada resistncia 0.21 1.35 290

Ao microligado de

elevada resistncia (

corroso)

0.17 -

0.19 0.5 - 1.25 290 - 345

Ao de liga temperado

e revenido

0.12 -

0.21 0.4 - 1.1 290 - 690

Em relao aos de construo referidos na Tabela 1, os aos ASTM A36 e ASTM A529 so

aos utilizados para aplicaes generalizadas sendo atualmente os mais utilizados na

construo de edficios e pontes. O ao A572 um ao microligado com vandio, enquanto



que os aos aos A242 e A588 so aos microligados com maior resistencia corroso

atmosfrica. O ao A514 um ao de liga com Cr e Mo passvel de tmpera e revenido.

Tabela 2 - Aos inoxidveis (adaptado de Somayaji, 2001)

Teores de C, Cr e Ni Caractersticas

mecnicas

Tipo % C % Cr % Ni y (MPa)

Inxidvel

martenstico 0.08 - 0.15 11.5 - 13.5 - 290

Inoxidvel ferritico 0.08 16 - 18 - 260

Inoxidvel

austentico 0.05 17 - 19.5 8 - 10.5 230

Na Tabela 2 apresentam-se caractersticas de trs aos inoxidveis, representando os

grupos de aos inoxidveis martensticos, ferrticos e austenticos. Como j referido

anteriormente, destes trs tipos, os aos inoxidveis austenticos so aqueles que mais se

utilizam em estruturas de construo civil, principalmente em tubagens, apresentando uma

elevada resistncia corroso.



3. Levantamento dos processos industriais

3.1 - Histria do Ao

H cerca de 4.500 anos, o metal ferro usado pelo homem era encontrado na natureza em

meteoritos recolhidos pelas tribos nmadas nos desertos da sia Menor. Na Gronelndia

existiam tambm indcios da utilizao desse material. Era considerado um metal precioso

devido sua difcil obteno.

Aos poucos, o ferro passou a ser usado com mais frequncia, a partir do momento em que

se passou a extra-lo do seu minrio (geralmente sob a forma de xidos, como a magnetite e

a hematite ou ainda como um carbonato, a siderite). Por volta de 1.500 a.C., no Mdio

Oriente, comeou a explorao de jazidas. Do primeiro milnio da era crist em diante, o

ferro difundiu-se por toda bacia do Mediterrneo.

O minrio de ferro comeou a ser aquecido em fornos primitivos (forno de lupa), abaixo do

seu ponto de fuso, de onde resultava uma pasta designada por lupa, que era martelada

para libertar as impurezas e as escrias. Aps este processo a lupa era ento forjada com

as formas pretendidas. Este processo deve-se ao facto de algumas impurezas do minrio

terem menor ponto de fuso do que a esponja de ferro, e por isso, era possvel retirar-lhe

algumas impurezas. Para fabricar um quilo de ferro em barras, eram necessrios de dois a

dois quilos e meio de minrio pulverizado e quatro quilos de carvo vegetal (Instituto Ao do

Brasil, 2009).

O ltimo estgio tecnolgico e cultural da pr-histria a Idade do Ferro, durante a qual os

utenslios de bronze foram gradualmente substitudos por utenslios de ferro. Na Europa e no

Mdio Oriente, a Idade do Ferro comeou por volta de 1200 a.C..

Aos poucos, novas tcnicas foram descobertas e desenvolvidas, tornando o ferro mais duro

e resistente corroso. A adio de calcrio mistura de minrio de ferro e carvo

possibilitava melhor absoro das impurezas do minrio. Novas tcnicas de aquecimento

tambm foram desenvolvidas, bem como a produo de materiais mais modernos para se

trabalhar com o ferro j fundido.

No incio do sc. XIV foram desenvolvidos os altos-fornos, e com a melhoria das condies

de insuflao era atingida a temperatura de 1350C. A esta temperatura obtido pela

primeira vez um metal lquido.

O ferro conseguia absorver cada vez mais carbono devido fuso do metal, criando ferro

carburado, que por sua vez funde a uma temperatura inferior, absorvendo ainda mais

carbono e formando a gusa, um metal lquido, ao contrrio da massa pastosa que era

anteriormente obtida.

http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93xidohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Magnetitehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Hematitehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Siderite



A gusa arrefecida dura e quebradia, sendo fcil de fundir e permitindo o seu vazamento

em moldes mas no podendo ser soldada ou forjada como o ferro. Este processo era feito

em aciarias, e levou a que a produo de ferro passasse de uns quilos de metal pastoso por

dia para vrias toneladas de gusa por ms (Robert et al, 1999).

No incio do sc. XVIII, devido excessiva utilizao de carvo vegetal como combustvel,

houve grandes problemas relacionados com o abate de rvores. A soluo para este

problema surgiu em 1709 por Abraham Darby, conseguindo-se pela primeira vez produzir

gusa utilizando coque como combustvel. O coque um combustvel que se obtm do

aquecimento da hulha (carvo mineral ou betuminoso), sem combusto, num recipiente

fechado. Com o desenvolvimento da mecanizao e da mquina a vapor, o coque passou a

ser extrado em grandes quantidades evitando a utilizao de carvo vegetal (Robert et al,

1999).

Figura 8 Esquema de funcionamento de um alto-forno utilizando coque (www.picstopin.com)

A Revoluo Industrial iniciada na Inglaterra, no final do sculo XVIII, tornaria a produo de

ferro ainda mais importante para a humanidade. Nesse perodo, as comunidades agrria e

rural comeavam a perder fora para as sociedades urbanas e mecanizadas.

nesta altura que desenvolvido o forno de revrbero (Figura 9). Estes fornos apresentam

um desenho inovador no sentido em que o material a fundir no se encontra em contacto

direto com o combustvel utilizado, sendo aquecido pelo calor refletido das paredes do forno

e pelos gases quentes resultantes da combusto.

http://www.picstopin.com/



Figura 9A) Figura 9B)

Figura 9A) Esquema simplificado do funcionamento de um forno de revrbero

Figura 9B) Disposio de um forno de revrbero

(http://www.sauder.com.br)

Simultaneamente com este novo tipo de forno utilizada uma nova tcnica designada por

pudelagem, que permite finalmente a obteno de ao.

O ferro impuro obtido era refundido no forno de revrbero sendo que, atravs da agitao

feita por barras, a gusa ia sendo reduzida pelo oxignio. O lquido transformava-se pouco a

pouco numa massa pastosa que, no final, se tornava to consistente que era possvel retirar

bolas ou "lupas", que eram a seguir marteladas em barras. O produto final apresentava uma

qualidade tal que permitia a laminagem e estiragem de lingotes, obtendo produtos cada vez

mais diversificados.

Figura 10 Operrio a manobrar o agitador num forno de pudelagem

No incio do sculo XIX vrias novas tecnologias foram aplicadas produo de ferro e ao,

utilizando-se mquinas a vapor para a insuflao e sopragem de ar quente, o que

possibilitou um aumento da dimenso dos altos-fornos, e consequentemente a capacidade

http://www.sauder.com.br/



de produo, que em mdia passou de 4 toneladas/dia para 15 toneladas/dia em cerca de

45 anos. (Robert et al, 1999).

3.2 - Processos industriais desenvolvidos para a obteno de

ao

Ao longo dos anos, surgiram diversos processos destinados obteno de ao. Neste ponto

sero descritos com maior detalhe os principais processos utilizados para esse fim.

3.1.1 - Alto-forno

O alto-forno o processo mais utilizado para obter gusa a partir do minrio de ferro, apesar

de ser utilizado desde o sculo XIV. Para melhorar a qualidade do produto obtido, o

processo foi com o passar dos anos alvo de diversas inovaes e alteraes.

Este tipo de forno apresenta a forma e o funcionamento em tudo semelhantes s utilizadas

no sculo XIV tendo a sua dimenso aumentado e sido adaptado de modo a tornar todo o

processo automatizado e controlado.

O equipamento do alto-forno apresenta as seguintes caractersticas (Holleman, 1985):

Altura ~30 m;

Dimetro interior: ~10 m (no local do anel de suporte);

Contedo: 500 a 800 m;

Operao ininterrupta (24 horas, durante 10 anos);

Figura 11 Representao esquemtica do alto-forno (http://www.timoteo.cefetmg.br )

http://www.timoteo.cefetmg.br/



O forno construdo de forma semelhante a uma chamin, numa estrutura alta feita com

tijolos refratrios. Coque, pedra calcria e minrio de ferro so inseridos no topo e o ar entra

pela base permitindo a combusto no interior. Isto reduz o xido a metal que, sendo mais

denso, concentra-se na parte inferior do forno.

O alto-forno um processo de reduo carbo-trmica atravs do qual se produzem diversos

metais a partir dos seus minrios: alm do Fe, h o Mangans, Cromo, Estanho, Chumbo e

Zinco. A reduo do minrio de ferro um processo endotrmico em que a combusto do

carvo (ou do coque) libera energia suficiente para desidratar e aquecer o minrio (na parte

superior da cuba) enquanto o ferro gusa derrete na parte inferior do alto-forno. O calor

excessivo, portanto at zona mais larga do forno (altura do anel de suporte no qual

assenta a cuba), tem que ser arrefecido atravs da circulao de gua. A cuba apenas

arrefecida pelo ar pr aquecido que injetado posteriormente pelos bicos na altura da zona

de fuso (Holleman, 1985).

O carregamento do alto-forno ocorre pela extremidade superior. A carga forma normalmente

camadas alternadas, coque e minrio misturado com aditivos, formando cada camada com

uma espessura de cerca de 50 cm.

3.2.2 - Processo de Bessemer

O processo Bessemer foi desenvolvido por William Kelly e Henry Bessemer no final do sc.

XIX. Este processo permitiu a obteno de ao de baixo carbono que se caracterizava por

ser resistente mecnicamente, dctil e tenaz. No era no entanto endurecvel por tmpera,

embora pudesse ser produzido e enformado mecanicamente em grande escala de modo

econmico.

Era um processo onde a descarbonatao da gusa era feita num vaso em forma de pra,

caracterizado por ter uma tampa atravs da qual passava um tubo central de argila para

soprar o ar atravs do metal lquido. Com esse processo foi possvel conseguir, no mesmo

espao de tempo, 200 vezes mais ao que no processo de pudlagem (Cottrell, 1975).

Bessemer tentava melhorar o processo de pudelagem por intermdio da aplicao de um

jacto de ar quente gusa lquida e durante essa tentativa tirou concluses acerca de dois

aspetos: o primeiro era de que o jacto de ar eliminava de forma rpida o carbono e o silcio

da gusa, e o segundo era que o calor libertado na reao de oxidao das impurezas era

suficiente para manter o metal em fuso, elevando a sua temperatura at temperatura de

fuso do ao (1600-1650C).

O processo realizado no Convertidor de Bessemer, um recipiente cuja capacidade vai de 8

a 30 toneladas de ferro fundido (Figura 12). No topo do convertidor existe uma abertura, para

http://pt.wikipedia.org/wiki/Tonelada



injeo de ar, geralmente inclinada para o lado relativo ao corpo do recipiente, pelo qual o

ferro introduzido e o produto final removido.

O convertidor um recipiente oval revestido por materiais refractrios e com capacidade

para vrias toneladas de gusa lquida. No seu topo possui uma boca e no fundo tubeiras

para injeco de ar, podendo ser rodado para facilitar os processos de carga/descarga

(Cottrell, 1975).

Figura 12 - Representao do convertidor de Bessemer (http://pt.wikipedia.org/)

O convertidor colocado na posio horizontal de modo a ser carregado de gusa lquida e o

fundo do convertedor contm perfuraes, pelas quais o ar forado para dentro do

convertedor. rodado para receber a carga, voltando posio normal durante a converso

e, passados alguns minutos (15 a 20), o ar desligado rodando novamente para

descarregar o ao fundido no final do processo. O processo de oxidao remove impurezas

como silcio, mangans e carbono, na forma de xidos gasosos ou escrias slidas (Cottrell,

1975).

3.2.3 - Processo de Siemens-Martin

O processo de Siemens-Martin contemporneo ao processo de Bessemer e foi

desenvolvido com o objetivo de diminuir o consumo energtico necessrio produo e

encontrar um modo para transformar gusas fosforosas em ao, visto que na altura ainda no

tinha sido desenvolvido o mtodo de Thomas. A diminuio do consumo energtico vem do

pr-aquecimento a que o ar e o combustvel (normalmente gasoso) eram sujeitos antes de

entrar na cmara de combusto.

Os gases extrados do forno aqueciam as cmaras que eram constitudas por tijolos

refractrios dispostos em xadrez, sendo que, a admisso/extrao era feita de forma

alternada nas cmaras para promover o arrefecimento das cmaras de admisso enquanto

as cmaras de exausto iam aquecendo. Deste modo, quando as cmaras de admisso

http://pt.wikipedia.org/



estivessem abaixo da temperatura ideal, era invertido o sentido da circulao de gases,

funcionando depois como cmaras de extrao.

O ferro-gusa, o calcrio e o minrio de ferro so colocados no forno Siemens-Martin (Figura

13) que aquecido a aproximadamente 871 C. O calcrio e o minrio formam uma escria

que flutua na superfcie e as impurezas, incluindo o carbono, so oxidadas e migram do ferro

para a escria (Cottrell, 1975).

Figura 13 Forno de Siemens-Martin (adaptada de http://en.wikipedia.org)

Legenda:

A Entrada de ar e combustvel;

B Cmara pr-aquecida;

C Gusa fundida;

D Cadinho;

E Cmaras a aquecer;

F Exausto de gases.

Os maiores fornos Siemens-Martin apresentam uma capacidade de aproximadamente 500

toneladas de ao por carga. A elevada capacidade de carga tem como objetivo compensar o

facto de o processo ser bastante lento quando comparado com o processo de Bessemer,

demorando a totalidade do processo, desde o incio do carregamento at ao fim da

descarga, cerca de 12 horas.

3.2.4 - Forno de arco eltrico

O forno de arco eltrico foi inventado em 1900 por Paul Hroult, tendo entrado em

funcionamento em 1907 em Nova Iorque.



Este tipo de forno tambm utilizado em Portugal na produo de ao, sendo o seu

funcionamento baseado na induo magntica. O material a fundir aquecido por intermdio

de um arco eltrico que, por sua vez, se desenvolve entre os elctrodos do material.

Aps o fim da 2 Guerra Mundial que a utilizao dos fornos eltricos comeou a expandir.

Esta expanso deveu-se ao baixo investimento inicial necessrio e levou ao aparecimento

de siderurgias deste tipo por toda a Europa, permitindo assim concorrer no mercado

americano com os maiores produtores de ao dos Estados Unidos.

O funcionamento deste tipo de fornos tem as caractersticas ideais para a produo de aos

de elevada qualidade, especialmente os aos ligados (constitudos por metais como o

Nquel, o vandio, o crmio etc). Este facto deve-se s temperaturas atingidas por estes

fornos, que so superiores s de outros e permitem a existncia de elementos no forno sem

que estes sejam oxidados, o que aconteceria com a maior parte dos metais nos

convertidores de Bessemer e nos fornos de Siemens-Martin.

A constituio do forno de arco eltrico caracteriza-se por possuir um vaso revestido por

materiais refractrios arrefecido a gua, com uma cobertura mvel, na qual esto inseridos

elctrodos de grafite (Figura 14).

Figura 14 Representao esquemtica do forno de arco eltrico (www.ebah.com.br)

Para retirar o ao lquido, existe um orifcio no fundo do forno, de modo a que o escoamento

se processe minimizando a quantidade de nitrognio e escria misturados no lquido. Este

orifcio encontra-se ligeiramente descentrado para reduzir as impurezas do produto final.

https://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=APiV_9Jz7t2oqM&tbnid=bOIP0DXUMs9lKM:&ved=0CAQQjB0&url=http%3A%2F%2Fwww.ebah.com.br%2Fcontent%2FABAAABQsEAA%2Fprocessos-fabricacao-vt-operunit&ei=TWSTU9qKHMqb0wWAsYDwAw&bvm=bv.68445247,d.d2k&psig=AFQjCNFuY05JAtxME52ytED737r-aci8zA&ust=1402251534370021



Este tipo de fornos apresenta uma elevada capacidade que pode chegar s 400 toneladas,

sendo que, por este motivo, a operao requer grandes quantidades de energia, sendo

necessrios aproximadamente 440KWh por cada tonelada de ao produzido. Esta situao

cria a necessidade de se ter uma rede eltrica bem desenvolvida e com grande capacidade.

3.2.5 - Processo de Linz-Donawitz

O Processo de Linz-Donawitz foi industrializado em 1952 na ustria e caracteriza-se pela

produo de ao por afinao da gusa lquida atravs de um jato de oxignio puro.

Este processo consiste na utilizao de um convertidor de material refratrio, com a boca

virada para cima, por onde entra uma lana refrigerada com gua que injeta oxignio puro a

uma presso de 4 a 12 bar sobre o banho metlico (Figura 15). A carga do convertidor

constituida por ferro gusa lquido, sucata de ferro, minrio de ferro e aditivos.

Figura 15 Representao esquemtica do forno Linz-Donawitz (http://www.ebah.com.br)

Para oxidar o carbono presente no metal lquido que colocado no convertidor Linz-

Donawitz necessria uma grande quantidade de energia pois a reao consome elevadas

quantidades de calor. Para compensar esta situao, um dos principais elementos presentes

no ferro gusa o silcio, que tambm oxidado, formando uma reao exotrmica (Si + O2

= SiO2). Para diminuir a temperatura, adiciona-se ainda sucata ou minrio de ferro. Para

aumentar a qualidade do ao, adicionam-se ainda os elementos de liga no final do processo.

http://www.ebah.com.br/



O processo foi inicialmente pensado e concebido para o tratamento de gusas de baixo teor

em fsforo, apresentando bons resultados para tal, no entanto, no caso de gusas com

elevado teor em fsforo, o processo revelava-se ineficaz.

O problema das gusas com elevado teor em fsforo foi mais tarde resolvido devido injeo

de cal em p juntamente com o jato de oxignio, uma vez que, era necessrio eliminar uma

maior quantidade de fsforo de modo a que se atingisse o teor em carbono pretendido. A cal

interferia nas reaes de oxidao, dando origem a uma escria fortemente desfosforante

desde o incio da sopragem.

Este convertidor oferece vantagens econmicas sobre os convertidores do processo de

Bessemer e Siemens Martin.

3.2.6 - Processos de Kaldo e Rotor

O processo de Kaldo e o processo de Rotor so dois processos muito parecidos

relativamente forma como se obtm escria. Ambos se assemelham ao processo de

Siemens-Martin, baseando-se na ao refinadora escria-metal, sendo que a diferena

reside no facto de que em Siemens-Martins a criao de escria dependia da introduo de

xido de ferro, enquanto que nestes novos processos obtm-na a partir da sopragem de

oxignio sobre o metal, mais concretamente a superfcie do metal no processo de Kaldo e

tanto a superfcie como o interior do metal no processo de Rotor.

Estes processos so vantajosos no que diz respeito rapidez de execuo, uma vez que o

processo demora cerca de 35 minutos por carga, e economia devido ao facto de no ser

necessria a utilizao de fontes de calor externas porque h poucas perdas de calor.

Devido a esta situao, conseguem-se atingir elevadas temperaturas o que permite a

incluso de sucata de ao misturada com a gusa.

3.3 - Tipo de tratamento dos aos em varo

Os tratamentos aplicados ao ao tm o objetivo de o transformar e de conferir as

caractersticas necessrias sua aplicao em elementos de beto armado. Os tratamentos

podem ser mecnicos (e termomecnicos) ou trmicos.

Segundo Filho, 2004, de uma forma geral, a aplicao de um tratamento trmico ou

mecnico a um ao para melhoria de determinadas propriedades conseguida com prejuzo

de outras. Por exemplo, o aumento da dureza ou da resistncia trao tem como

consequncia a reduo da ductilidade.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Processo_de_Bessemerhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Processo_de_Bessemerhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Forno_Siemens-Martin



3.3.1 - Tratamentos mecnicos (a frio) e termomecnicos

De forma a conferir melhores propriedades mecnicas e a conferir a forma desejada aos

elementos, surgiram diversos tratamentos mecnicos e termomecnicos.

3.3.1.1 - Laminagem

A laminagem consiste em modificar a seco transversal de um metal na forma de barra,

lingote, placa ou fio, pela passagem entre dois rolos. O processo consiste em fazer as peas

atravessar uma mquina onde lhes aplicada uma fora transversal que comprime a pea

(Figura 16).

O processo pode ser realizado continuamente ou em etapas e podem ser utilizados um ou

mais cilindros de laminao, possibilitando a obteno das dimenses dos produtos semi-

acabados ou da pea pronta.

Figura 16 Representao esquemtica da posio dos rolos (http://www.abal.org.br/)

Com cada passagem nas estaes de laminagem, o dimetro do elemento reduzido e o

seu comprimento aumenta. Este aumento de comprimento tem como consequncia o

aumento da velocidade a que o ao atravessa as estaes de laminagem. A velocidade

excessiva torna mais difcil controlar o processo, na medida em que, mais difcil fazer uma

monitorizao adequada e efetuar qualquer correo em tempo til.

O processo de laminagem pode ser aplicado a frio ou com aquecimento prvio. No caso de

ser aplicado com aquecimento prvio possvel utilizar foras mais reduzidas uma vez que a

pea est plstica (ao rubro), tornando o processo mais eficiente e contribuindo para que a

pea final tenha tenses internas mais baixas relativamente ao processo feito temperatura

ambiente. A temperatura ao longo da linha de produo mantida pelo aquecimento que o

ao sofre aquando da reduo de seco, podendo tambm ser aquecida ou arrefecida em



determinados pontos da linha caso seja necessrio, de modo a permitir que o ao chegue ao

fim desta com a temperatura ideal (Filho, 2004).

Caractersticas da Laminagem a quente:

Utilizada para materiais que tenham baixa plasticidade a frio;

Permite grandes redues de espessura;

Foras de laminagem menores que as de laminagem a frio;

O acabamento superficial pobre;

Resulta em tolerncias dimensionais largas.

Caractersticas da Laminagem a frio:

Utilizada para materiais com boa plasticidade;

As redues de espessura so limitadas pelo encruamento;

Foras de laminagem muito maiores que as de laminagem a quente;

O acabamento superficial muito bom;

Resulta em tolerncias dimensionais mais estreitas que a laminagem a quente.

3.3.1.2 - Estiramento

O estiramento consiste na aplicao de uma fora de trao a um elemento, causando assim

o aumento do seu comprimento e a diminuio da sua seco, sendo que, quanto mais dctil

for o material, maiores sero as deformaes possveis. Neste processo, o gradiente de

tenses pequeno, o que garante a quase total eliminao da recuperao da forma inicial.

Este processo permite aumentar a resistncia mecnica trao, no entanto, o

comportamento mecnico bastante heterogneo ao longo da pea devido ao facto de que

a seco e o alongamento obtidos no serem constantes.

3.3.1.3 - Trefilagem

A trefilagem um processo que apresenta parecenas tanto com a laminagem como com o

estiramento. A matria-prima forada a passar atravs de uma fieira (designao

habitualmente dada s matrizes de trefilagem), sofrendo deformao plstica e sendo

sada aplicada uma fora de trao. Este processo d origem a um produto com menor

seco transversal, maior comprimento, maior qualidade superficial e maior resistncia

mecnica.



As fieiras de trefilagem so constitudas por ao ferramenta, um tipo de ao que se

caracteriza pela elevada dureza e resistncia abraso, tem boa tenacidade e mantm as

propriedades de resistncia mecnica mesmo sob elevadas temperaturas. So constitudas

por quatro zonas distintas:

Zona de entrada De modo a facilitar a lubrificao do processo, esta zona

possui um ngulo um pouco maior que o ngulo de trefilagem;

Zona de trefilagem Possui um ngulo que normalmente est entre 5o e 15

o;

Zona cilndrica Por razes de fabrico e manuteno da matriz includa de

modo a garantir uma boa estabilidade dimensional ao produto final;

Zona de sada Possui um ngulo de abertura contrrio aos ngulos de entrada

e trefilagem.

Tal como a estiragem, este tratamento principalmente utilizado para obter barras e fios,

mas neste caso, o produto final apresenta uma seco e um alongamento mais constantes,

tornando os produtos mais homogneos em termos de comportamento mecnico.

Devido ao maior controlo da qualidade do produto final, possvel a utilizao deste

processo na produo de elementos estruturais, tais como as armaduras de pr-esforo.

3.3.2 - Tratamentos trmicos

Este tipo de tratamentos tem como objetivo o melhoramento das caractersticas mecnicas

dos aos por variao controlada de temperatura. Existem quatro tipos de tratamentos

trmicos: o recozimento, a normalizao, a tmpera e o revenido.

3.3.2.1 - Recozimento

O recozimento consiste no aquecimento uniforme do ao-carbono, estando a pea exposta a

uma certa temperatura durante um intervalo de tempo, seguindo-se o arrefecimento lento no

interior de um forno at atingir a temperatura ambiente.

O recozimento tem como objetivo repor no material as caractersticas que haviam sido

alteradas por tratamentos trmicos ou mecnicos aplicados numa fase anterior, regularizar

estruturas brutas resultantes da fuso transformando-as em estruturas mais favorveis

maquinagem ou deformao a frio, atenuar heterogeneidades e reduzir tenses internas

criadas aquando da formao do elemento (Filho, 2004).

De modo a que algumas zonas da pea no cheguem a temperaturas consideravelmente

superiores restante pea, o aquecimento deve ser efetuado o mais uniformemente

possvel, de modo a evitar o possvel empenamento da pea. O intervalo de tempo a que a



pea fica exposta durante o aquecimento assume tambm grande importncia, variando com

o tipo de metal e com a forma/dimenses da pea, devendo ser suficiente para que ocorra a

transformao de toda a estrutura inicial.

A pea deve ser arrefecida no forno ou imersa em cal em p de modo a ter um arrefecimento

lento. Este arrefecimento lento possibilita uma transformao total e gradual na estrutura

final do elemento, sendo que, quanto maior for o teor em carbono do ao, mais lento ter de

ser o arrefecimento. O ritmo de arrefecimento pode no entanto ser aumentado a partir do

momento em que se considera que a transformao est completa (Seabra, 2002).

Existem diversos tipos de recozimento, caracterizando-se pelo objetivo com o qual so

feitos. Os tipos de recozimento existentes so os seguintes:

Recozimento completo:

Pode tambm ser designado como recozimento de homogeneizao ou recozimento de

difuso e tem como objetivo melhorar as propriedades das peas por uma distribuio mais

uniforme dos elementos qumicos e dos constituintes estruturais. O fabrico de peas por

vazamento leva a que esta distribuio no seja uniforme devido segregao de alguns

constituintes causada pela fora da gravidade.

Recozimento isotrmico:

O processo semelhante ao recozimento completo, diferenciando-se pelo arrefecimento.

Este deve ser efectuado a uma velocidade superior, mergulhando a pea num banho de

sais. Este processo permite que o tratamento seja efetuado com maior rapidez, permitindo

ainda uma microestrutura mais bem definida devido ao melhor controlo sobre a distncia

interlamelar da perlite.

Recozimento de amaciamento:

Tem como objetivo conferir ao ao uma estrutura que corresponde sua dureza mnima. O

material obtido apresenta maior aptido para aplicaes que exijam deformao, como a

estampagem, laminagem a frio, dobragem, etc.

Recozimento de regenerao:

Pode tambm ser designado como recozimento de afinao do gro e caracteriza-se pelas

diferentes velocidades de arrefecimeto da pea, que permitem, obter um ao com a finura e

regularidade pretendidas, sendo que quanto mais rapidamente se processar o aquecimento

e o arrefecimento mais fino ser o gro.



Recozimentos subcrticos:

Existe um grupo de recozimentos designados por subcrticos, em que a temperatura a que

feito o aquecimento inferior temperatura critica e sendo o arrefecimento feito a diferentes

velocidades tal como no recozimento de regenerao.

Estes tratamentos so considerados recozimentos apesar de no ser atingida a temperatura

crtica, uma vez que a estrutura do produto final sempre mais estvel do que antes do

tratamento. Estes recozimentos subcrticos tm como objectivo a reduo das tenses

internas, recristalizao da estrutura de gros e restaurao das propriedades mecnicas.

3.3.2.2 - Tmpera

O objetivo da tmpera est relacionado com a obteno de uma microestrutura

essencialmente baintica ou martenstica proporcionando ao ao propriedades elevadas de

dureza e resistncia mecnica. O processo consiste no aquecimento at temperatura de

austenitizao, ou seja, entre 815 C e 870 C.

O aquecimento deve ser lento no incio, para no provocar defeitos no metal e a forma como

mantida a temperatura varia de acordo com a forma da pea, devendo o tempo ser bem

controlado. Em seguida, o ao submetido a um arrefecimento brusco, obtendo-se assim

uma estrutura martenstica. Este arrefecimento geralmente efectuado por contacto da pea

com um lquido, podendo em certos casos obter-se resultados semelhantes atravs de um

simples arrefecimento ao ar. A velocidade de arrefecimento um factor determinante neste

tratamento, dependendo esta de trs elementos distintos que so: a transmisso de calor no

slido, a transferncia de calor na interface e a transmisso de calor no fluido.

A eficcia do tratamento depende da pea a tratar (condutibilidade trmica, calor especfico,

forma e dimenses) e do fluido utilizado (temperatura do fludo, temperatura de ebulio,

calor latente de vaporizao, calor especfico, tenso superficial e reactividade qumica).

Os fluidos mais utilizados so a gua, o leo, banhos de metais ou de sais fundidos, sendo

que, so ainda utilizados leitos fluidificados, que consistem num leito de slidos finamente

divididos atravs dos quais se passa um gs ou um lquido, suspendendo os slidos e

conferindo-lhe caractersticas de um lquido (Ciaverini, 2002).



Figura 17 Exemplo do modo de arrefecimento de uma pea (http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/)

O processo provoca algumas deficincias no ao, como a reduo da ductilidade e da

tenacidade, alm de tenses internas que podem provocar deformaes, empenamento e

fissurao. Por conta disso, recomendvel que o ao temperado seja submetido ao

revenimento.

Os tipos mais recorrentes de tmpera so os seguintes:

Tmpera isotrmica:

Este tipo de tmpera possibilita a obteno de peas endurecidas com um mnimo de

tenses residuais ou deformaes, sendo ainda melhorada a tenacidade. No entanto, o

endurecimento obtido inferior ao obtido atravs de uma tmpera clssica (martenstica).

Neste processo, a pea aquecida e mantida a uma determinada temperatura durante um

perodo de tempo, de modo a permitir a formao de uma estrutura austentica, sendo

posteriormente arrefecida bruscamente num banho de sais. Depois deste arrefecimento

inicial, quando a pea se encontrar temperatura desejada, o arrefecimento continua em

leo ou ao ar at temperatura ambiente.

Tmpera martenstica:

A tmpera martenstica, como o nome indica, tem como objectivo a obteno de uma

estrutura martenstica para a pea, de modo a conferir-lhe a maior dureza possvel. O

aquecimento e o tempo de exposio a tem

Documents

Aço em varão para betão armado. Caracterização do material ... · Mestrado em Engenharia Civil Aço em varão para betão armado - Caracterização do material e enquadramento