Tratamento de aço

1. TRABALHO INTERDISCILINAR DIRIGIDO I
INSTITUTO POLITÉCNICO – CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA
AUTOMAÇÃO DE UM PROCESSO DE TRATAMENTO TÉRMICO DE
AÇO
CURSO: Engenharia de Controle e Automação Professor TIDIR: Hugo Michel
Álax Junio, Ane Emanuele, Camila Mairinques, Cristielly Sabrina, Geraldo Natalício, Thyales Ricarte,
Sidmar Barbosa
Resumo Neste Artigo é proposto um processo automático de tratamento térmico
de Aço conhecido como Normalização. Uma esteira contínua acoplada ao forno
proporciona maior mobilidade do material a receber o tratamento térmico. Sensores
são introduzidos para se efetuar o controle da temperatura de operação, e o tempo
de permanência do material dentro do forno. Um protótipo é desenvolvido com
intuito de se obter resultados que demonstrem a redução de falhas nesse processo
por meio do controle e automação do mesmo.
Palavras-chaves  Automação, Tratamento.
1. Introdução
A utilização de equipamentos e máquinas nas indústrias teve início na Revolução
Industrial, na Inglaterra no século XVIII, expandindo-se pelo mundo a partir do
século XIX. Anteriormente, toda produção era de modo artesanal e rústica. A
introdução de um maquinário específico para produção propiciou auxílio à mão-de-
obra e um aumento de produtividade. Desde então, as máquinas vêm sendo
aperfeiçoadas com o objetivo principal de tornar a produção cada vez mais rápida,
lucrativa e confiável.
Em meados do século XX o controle e automação de processos se baseavam em
elaborados circuitos lógicos acionados por dispositivos eletromecânicos magnéticos
(relés), associados a dispositivos pneumáticos.
Atualmente, a automação é sinônimo de produtividade, qualidade, segurança e
inovação. O que se caracteriza como um diferencial no mercado, possibilitando que
determinadas empresas se destaquem. Pode-se dizer que, umas das demandas
correntes do mercado de engenharia é a busca dos sistemas energeticamente
eficientes. No caso da engenharia de controle e automação, grande parte da
eficiência pode ser alcançada melhorando-se os sistemas de acionamento de
máquinas e equipamentos que se encontram ultrapassados e obsoletos.
O presente trabalho tem como objetivo demonstrar uma pequena parte da
automação do processo de tratamento térmico do aço.
“O Tratamento Térmico em metais é o conjunto de operações envolvendo
aquecimento, tempo de permanência em determinadas temperaturas e resfriamento
sob condições controladas, com o objetivo de melhorar as suas propriedades ou
conferir-lhes características pré - determinadas.” [1]
Neste contexto, o objetivo desse trabalho é descrever um forno contínuo utilizado no
tratamento de normalização, o qual é caracterizado pelo aquecimento do aço até

2. sua austenização completa, ou seja, levá-lo a uma temperatura acima de sua
temperatura eutetóide (+/- 727°C), que é a menor temperatura de equilíbrio entre
fases líquida e sólida.
2. PesquisaBibliográfica
Os tratamentos térmicos empregados em metais são definidos como qualquer
conjunto de operações de aquecimento e resfriamento sob condições controladas de
temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento.
O processo demonstrado, a Normalização, se trata de um resfriamento do aço a
partir de uma temperatura onde exista 100% de austenita.
Austenita ou ferro у é a modificação cúbica de faces centradas do ferro. E é também
a forma estável do ferro puro entre 910°C (1670°F) e 1400°C (2550°F).
Após a realização de trabalhos no aço ele apresenta tensões em sua estrutura
molecular, ao iniciar a Normalização, quando chegar à temperatura desejada, se tem
a homogeneização da estrutura cristalina (Fig. 1Error! Reference source not
found.) do aço, voltando á sua regularidade estrutural, onde apresenta arranjos
atômicos com repetições nas três dimensões, nesse processo é eliminado os pontos
críticos resultantes de trabalhos anteriores.
Quando aquecido além de 910°C (1970°F), o ferro puro sofre mudanças na sua
estrutura cristalina de cúbica de corpo concentrado para cúbicas de faces centradas.
Essa transformação é indicada em Fig. 2 e são comparadas com as mudanças de
fases da água. [2]
Fig. 1- Modelo de Estrutura cristalina
Fig. 2- Mudanças de fase: (a) H2O e (b) ferro

3. Para a realização do tratamento térmico é utilizado um forno contínuo.
A esteira acoplada ao forno, facilita o transporte do material, onde apresentaria uma
dificuldade em carregá-lo manualmente, ela é montada perpendicularmente ao forno
e com o auxilio de rolos presos à uma mesa pode suportar o peso do material. Isso
acontece porque o vetor de força que o peso do material exerce sobre a esteira
possui um vetor oposto a ele com mesmo módulo, porém, sentido contrário, esse
vetor oposto é o da força que a esteira realiza sobre o material. [3]
A automação do processo é feita por um programador de tempo e temperatura que
determina o tempo de permanência do material dentro do forno.
O tempo de permanência em determinada temperatura é definido por (1)
𝑡𝑝 = 0,5. 𝐸𝑒𝑞. (1)
Onde:
tp - tempo de permanência em horas.
Eeq- espessura equivalente em polegadas. Para fornos com duas fontes de calor
(duas baterias de resistências em duas paredes) a espessura equivalente é 0,5 da
maior espessura do componente em polegadas.
Ex. para um componente com espessura de 100 mm (~4 polegadas), a espessura
equivalente (Eeq) é 2 pol. e o tempo de permanência (tp) será de 1h.
Esse tipo de melhora de um processo está ligado ás cobranças do mercado de
trabalho, onde a busca pelo melhor nunca acaba. “Quanto mais inovamos mais difícil
se tornam as próximas inovações e, portanto, a manutenção de uma estratégia
competitiva baseada na inovação”. [4]
3. Materiais e Métodos
3.1. Descrição do forno contínuo
O forno contínuo (Error! Reference source not found.) é caracterizado por uma
esteira transportadora que é acoplada ao equipamento. Esse tipo de forno é
desenvolvido para uso em linhas de grande produtividade e repetibilidade, indicado
para tratamentos térmicos de aço, e também para processos industriais de
aquecimento mais genéricos, como secagem e pré-aquecimento. Sua estrutura
metálica é construída em chapas e perfis de aço laminados. A esteira transportadora
é construída em aço inox AISI 314, do tipo balanceada com acionamento e auxilio
de rolo esmagador. O acionamento é feito por meio de moto redutor com inversor de
freqüência para ajuste de velocidade, que se localiza dentro do painel de controle.
O revestimento térmico é feito com fibra cerâmica, por se tratar de um material com
baixo peso e alta resistência térmica, o que confere maior rendimento durante o
processo. A atmosfera do forno é geralmente inerte, à base de N2 ou Ar, ou

4. levemente redutoras, contendo H2 ou CO, evitando assim a presença de oxigênio
que provoca oxidação do ferro e a descarbonetação da superfície do aço.
O painel de controle é do tipo armário, e é separado do corpo do equipamento para
evitar a transmissão de calor para os componentes eletro-eletrônicos. O qual é
responsável por controlar todas as funções do forno.
Resistências espiraladas do tipo Kanthal que possuem o formato de ‘U’, e são
distribuídas por todo o forno por meio de tubos cerâmicos, realizam o aquecimento.
Um programador de tempo e temperatura microprocessado é utilizado para delinear
a temperatura que o forno deve atingir, o tempo que levará para chegar nessa
temperatura e o tempo de permanência. O que estabelece um padrão superior de
homogeneização, ou seja, a estrutura molecular do aço fica distribuída de forma
regular, além de ter uma economia de energia.
Rêles de estado sólido realizam o acionamento das resistências, após receberem o
sinal do controlador de temperatura, com este tipo de sistema pode-se chavear
várias vezes por segundo sem causar danos ao equipamento, e assegurando a
qualidade do produto final.
Fig. 3- Forno Contínuo Jung.
3.2. Protótipo
Materiais usados no protótipo (Fig. 4) foram;
Uma caixa metálica com 85 cm de tamanho e 45 cm de largura, duas resistências de
750 w, manta de vidro, termostato, válvula de três e duas vias, cilindro pneumático,
manômetro, napa de couro, motor de para-brisa de carro, barra trefilada, tubo de
duas polegadas, e sensor de movimento.·
Com o objetivo de realizar a montagem do protótipo, utilizou-se duas resistências
como fonte de calor. A inserção do circuito elétrico do forno foi ligada em paralelo,
assim obtendo a mesma tensão nas duas resistências.
Recobriu-se a caixa metálica com manta térmica, para ajudar no aquecimento do
forno diminuindo o tempo de aquecimento, e usando o termostato para controlar à
temperatura desejada. Para abrir e fechar as portas, foram utilizadas válvula de
acionamento junto com os cilindros. Para servir de apoio do forno usou-se barra

5. trefilada. O movimento da esteira será realizado por motor de para-brisa e como
recobrimento da esteira a napa de couro. E o sensor de movimento para detectar, a
presença do material.
4. Resultados Experimentais
Durante a montagem das resistências teste foram realizados para avaliar a
necessidade da utilização de uma eventual proteção térmica interna, foi necessário
adaptar manta de vidro para que não perdesse tanto calor, e alcançar a temperatura
deseja mais rápido.
O nível de dificuldade para escolha dos sensores que adaptasse as necessidades
do protótipo foi grande, pois como se trata de alta temperatura, é necessário ter um
cuidado maior, para não ter problema de danificá-lo.
Durante a montagem da esteira, a principal dificuldade encontrada está na escolha
do motor que precisa fornecer energia com corrente continua para motores de
corrente alternada.
A adaptação de um termostato foi necessária para selecionar a temperatura
adequada de ate 280 graus. E após a realização destes ajustes e as definições
pode-se, ter um resultado satisfatório, na montagem do protótipo.
5. Conclusão
O tratamento térmico de normalização do aço confere ao material melhoria das
condições de usinabilidade, ou seja, o processo o torna com uma resistência
mecânica mais baixa, facilitando o trabalho que será realizado posteriormente no
aço. Normalmente é utilizado para eliminação de pontos críticos resultantes de
trabalhos anteriores, por homogeinizar a estrutura cristalina.
Fig. 4- Foto do protótipo

6. De acordo com as pesquisas realizadas durante o processo de desenvolvimento do
trabalho e do protótipo, pode ser observado que a automação desse tipo de forno é
de extrema importância na indústria, pois ao controlar o tempo e temperatura que o
material permanece no forno, confere ao aço a qualidade e estrutura desejada,
facilitando no trabalho posterior de usinagem.
Por meio deste trabalho, pode-se alcançar os objetivos propostos, de demonstrar a
importância desse tipo de tratamento térmico e suas aplicações na indústria. Além
da qualidade superior que a automação de determinadas partes do forno confere ao
material, ao obter maior controle do processo realizado.
6. Referência Bibliográfica
[1] JUNIOR,Luiz Gimenez. Tratamento térmico em juntas soldadas. Editora IWC,
1997
[2] VAN VLACK, Lawreence H.Elements of Materials Science – Princípios de Ciência
dos Materiais. São Paulo: Editora Blucher, 1970.
[3] EZZI, Gelson. . Matemática: volume único. São Paulo: Atual, 2002
[4] HILSDORF, Carlos. HSM Online.<http://www.hsm.com.br/inovacao> 18/03/2009
7. Bibliografia
1. CAPELLI, Alexandre. Automação industrial e controle do movimento e
processos contínuos. São Paulo: Editora Érica Ltda. 2010
2. CHIAVERINI, Vicente.Aços e Ferros Fundidos. Editora ABM.
3. EZZI, Gelson. . Matemática: volume único. São Paulo: Atual, 2002
4. Introdução à Manufatura Mecânica PMR 2202 Tratamentos Térmicos e
de Superfície; Profa. Izabel Machado. Disponível em
<http://www.poli.usp.br/d/pmr2202/arquivos/Tratamento_termico_e_superficial
.pdf> Acesso em: 23 Abr 2011
5. JUNIOR,Luiz Gimenez. Tratamento térmico em juntas soldadas. Editora
IWC, 1997
6. MORAIS, Cícero Couto de. Engenharia de Automação Industrial. 2. Ed. Rio
de Janeiro: LTC, 2010.
7. VAN VLACK, Lawreence H.Elements of Materials Science – Princípios de
Ciência dos Materiais. São Paulo: Editora Blucher, 1970.