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Matérias Primas adequadas para fabricação de Tubos Soldados no processo HFIW

Um dos problemas encontrados na operação de formadoras de tubos de pequeno diâmetro é desconsiderar a qualidade do aço. Outro problema é a indiscriminada variação da largura de fitas cortadas para alimentação das formadoras.

Condemir Silva Filho*

Parte I – Larguras de Fitas

A boa prática diz que tudo que puder ser padronizado no processo de fabricação melhora a velocidade na solução de problemas, no treinamento de funcionários e, principalmente na medição e na redução de custos. A matéria prima é algo que deve ser padronizado na produção de tubos por processo de formação contínua, inclusive nos tubos de pequeno diâmetro. Faz parte da padronização das matérias primas, tanto a composição química do aço e suas propriedades – resistência, dureza, etc. – como as dimensionais – espessura, largura e acabamento. Nesta primeira parte, vamos comentar o quesito “Largura da Fita” que deve alimentar as formadoras.

Sabemos que a matéria prima é um item de grande peso na composição do custo de tubos soldados. A largura é um item de controle obrigatório pois apropria a matéria prima diretamente ao produto final, considerando algumas perdas normais do processo.

Também sabemos que a largura da fita é calculada para um determinado diâmetro de tubo, considerados alguns fatores importantes. Dentre eles:

- Conceito do ferramental;

- Número de passagens da formadora (máquina);

- Espessura;

- Propriedades do Aço.

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Os conceitos do ferramental e máquina determinam quanto é necessário para as dobras e curvas durante a conformação contínua, bem como o quanto o material deve ser comprimido para expulsar as impurezas na região da solda durante o caldeamento do tubo.

As propriedades do aço, como o retorno elástico (springback), interferem no quanto se deve aplicar de esforço para se obter uma conformação definitiva.

Teoricamente, para cada tipo de aço e para cada espessura deveria existir uma largura única, mas isso na prática é inviável e quase impossível. Assim, um mesmo jogo de ferramental processa um diâmetro externo e uma faixa de espessuras, além de uma gama de tipos de aço.

Então, para um mesmo diâmetro padroniza-se uma largura para uma faixa de espessuras e o operador efetua os seus “ajustes finos” para uma melhor performance da produção.

Os valores padrão de largura são obtidos por fórmula matemática considerando os aspectos acima, geralmente estabelecidos pelos projetistas da máquina e ajustados pelos fabricantes de tubos e perfis.

Dito isso, vamos então ao quesito “Largura de Fita”

Alteração de Largura de Fita é um fenômeno que acomete boa parte das fábricas de tubo no Brasil. Basta surgir um problema que dificulte a produção de tubos soldados por alta frequência que se acredita que ao mudar a largura de fita, tudo será resolvido. Como uma epidemia, muda-se indiscriminadamente a padronização de larguras. Ela é o bode expiatório dos problemas mal resolvidos ou mal analisados. Alterar a largura de uma fita pode resolver para um caso, mas pode prejudicar todos os demais itens que seguem o padrão previamente estabelecido.

Outro “mito patológico” que cabe aqui registrar é se pensar que o melhor aproveitamento da fita ou tira seja efetuado por um artifício para “otimizar” o rendimento metálico da bobina. Alguém pode falar: “aumenta 1 mm em cada fita que a perda total da bobina cai para 1,0 %”.

Isso é verdade só para a perda da bobina no processo de slitter, que é apenas uma parte do processo de conformação contínua de tubos.

O tubo não vai sair mais pesado por isso e vai gerar mais sucata através do excesso dos refilos removidos do cordão de solda e outras perdas que serão apenas postergadas.

Entretanto, as consequências para o processo de formação de tubos são péssimas. O operador tem que ficar ajustando a máquina o tempo todo: reduz a velocidade; aumenta a potência de solda e acaba se perdendo nos ajustes. A causa disso é explicada no exemplo a seguir:

Tubo: □ 25,40 x 1,50 mm SAE 1010

redução na calibração = 0,50 mm no diâmetro

tolerância no diâmetro externo (NBR 6591) = ± 0,20 mm

largura da fita padrão = 78,0 mm

Suponha o aumento de 1 mm na largura de fita para esse tubo. Isso representa que a compressão de solda deve superar também em 1 mm para que o tubo saia da seção de solda com o diâmetro de projeto! E isso é uma enormidade que pode trazer consequências desastrosas.

Para nova largura de 79 mm, o tubo seria 1 ÷ π (≡ 0,32 mm) maior no diâmetro.

Note que isso é maior que tolerância de norma para o diâmetro externo do tubo!

A força de compressão de solda teria de aumentar em dois terços em comparação com a largura padrão para compensar o novo diâmetro – o que não é recomendado metalurgicamente, pois frequentemente leva a falhas na solda. Para evitar isso o operador dá um jeitinho de produzir o tubo maior.

Como consequência, o operador altera a regulagem dos castelos, da solda e ainda da velocidade da formadora para conseguir levar o tubo até a calibração com 0,32 mm maior que o normal. Para se chegar às tolerâncias finais, a calibração tem que trabalhar com 0,82 mm de redução (0,50 mm + 0,32 mm) – o que aumenta em 64% o esforço de calibração. Dependendo da formadora, pode requerer energia acima da capacidade dos motores e desarmar a máquina. Pode ainda haver patinação dos rolos gerando marcas e sujando o ferramental, obrigando a parada para sua retífica.

O tubo, na melhor das hipóteses, ainda corre o risco de sair com marcas e empenamento, fatalmente com aumento das perdas e desvios de qualidade.

Também há consequências quando se faz um tubo utilizando fitas com largura abaixo da padronizada, como por exemplo a produção de tubos com solda fraca e/ou com diâmetro na saída da seção de solda abaixo do estabelecido para ser calibrado em seguida.

É intuitivo notar que a calibração não irá ajudar na tração do tubo e podem haver marcas, riscos, empenamento, e até consequências mais graves.

– Então? Qual foi a economia?

Por isso, alterar a largura de fita deveria ser feito apenas com autorização da diretoria da empresa depois de uma análise do setor técnico.

Ocorre que, em alguns casos reais, temos que conviver com larguras de fitas diferentes das padronizadas. É comum nos casos em que se compram as fitas já cortadas (“slitadas”). Recomenda-se, nesses casos, que sejam inspecionadas no recebimento e agrupadas primeiro por tipo de matéria-prima (bobina) e depois por largura. Desse modo, o operador conhecendo o problema, perderá menos tempo ajustando a máquina e, consequentemente, gerará menos perdas.

Parte II – Importância da Matéria Prima

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Como já foi dito, a matéria prima (MP) é o item de custo mais relevante na fabricação de tubos de aço soldados diretos de máquina. Portanto, deve-se ter cuidado suficiente no manuseio e transformação em todas as etapas do processo.

Outro aspecto relevante e muitas vezes subestimado é a qualidade do material, ou seja, sua especificação para o processamento nos equipamentos de tubos de pequeno diâmetro soldados a alta frequência.

Um operador experiente já vivenciou esta situação:

“A produção estava indo bem até entrar esse rolo de fita! Daí tive que ficar ajustando e gerou toda essa perda...“

É comum dizer que tubos soldados aceitam qualquer tipo de MP e algumas normas são muito abertas quanto a isso. De fato, os tubos soldados aceitam como MP uma ampla gama de composição química e propriedades mecânicas – mas não qualquer tipo de MP!

Tubos soldados não são todos iguais. Há os soldados por processo SAW, TIG, Eletrodo, Laser, etc. e há os HFIW. Lembremos que a maior característica da solda HFIW é a não aplicação de metal de adição (usa o próprio metal base).

Em relação à composição química, a matéria prima ideal é a que tenha uma faixa limitante de “metalóides” (C, Mn, Si, P, S, etc). Alguns deles afetam propriedades de soldabilidade do material, que é diferente para o processo HFIW:

Excesso de Silício (Si) – O Si é, em termos leigos, um “isolante” eletromagnético – Lembre-se que a solda HFIW é baseada em princípios de indução eletromagnética – Fica difícil soldar nesse processo!

Além disso o Silício e também o fósforo (P) possuem faixa de teores indesejáveis para produção de tubos, perfis e outras peças para galvanização a fogo.

- Falta ou Excesso de Carbono (C) – Tanto a falta como o excesso são prejudiciais à solda. Podendo afetar a recristalização do aço na ZTA – Zona Termicamente Afetada – e fragilizar a solda.

- O Excesso de Manganês (Mn) propicia defeitos e óxidos indesejáveis que iniciam trincas internas fragilizando a solda.

A informação do Carbono Equivalente do aço também é um indicador importante para análise da viabilidade de produção de tubos no processo HFIW.

A maioria das Usinas possui aços específicos para fabricação de tubos, que associam tanto a composição química como as propriedades mecânicas que as tornam ideais para atendimento às normas e controle do processo.

Frequentemente, algumas bobinas encalhadas no estoque (tanto das usinas como dos fabricantes) necessitam ser “desovadas” através da transformação em tubos ou perfis com os mais variados defeitos e inconvenientes:

De forma ou superfície:

- Bobinas ou fitas com empeno lateral,

- Quebra de superfície

- Deformação de borda

Com variação dimensional:

- Bobinas ou fitas com variação de espessura

- Variação de largura

- Composição química incerta

Os conhecidos “roll-chance” são gerados nas Usinas como um subproduto, porém ainda sendo classificado como aço tem muitas vezes boas propriedades para fabricação de tubos HFIW, mas o aspecto crítico é sua variação ao longo da corrida ou mesmo da bobina. O ideal é que se exija um certificado de composição e propriedades da Usina ou se faça análise química e metalúrgica desses materiais para poder classificá-los em alguma norma conhecida.

Sabemos que a composição química é um fator importante para as propriedades mecânicas do aço (Alongamento, Limite de Escoamento e de Resistência). Cada aço tem um comportamento diferente na conformação à frio e consequentemente requer um ajuste de máquina também diferente.

Imagine que uma Ordem de Produção vai para a fábrica requisitando vários rolos de fita com composições químicas diferentes umas das outras.

Se o operador não se importar ou desconhecer esse fato, fará uma série de ajustes a cada passagem de emenda. Facilmente evidenciados por empenamento, falhas na solda, riscos, etc. Ou seja, aumento de perdas!

Agora dá para entender o motivo do questionamento do operador experiente no início deste artigo!

Do mesmo modo que foi exposto na parte I, o setor de Programação da Produção deve selecionar as bobinas tanto de largura, como de matéria prima adequada para o processo. Entretanto, havendo variação de composição química ou mesmo na suspeita dessa variação, deve-se agrupá-las e programá-las para o final da montagem (corrida de produção). Sempre abrindo uma nova Ordem de Produção para os casos que há divergências significativas de composição e/ou propriedades mecânicas.

Lembro aqui, que não somente na formação contínua de tubos por processo HFIW, mas também em outros processos como no Corte Longitudinal (slitter), Corte Transversal e Perfilação Contínua, etc., o aspecto “Matéria Prima” interfere diretamente na regulagem do equipamento pelo operador.

*Condemir Silva Filho é consultor da CSF e engenheiro mecânico com grande experiência como gestor em centros de serviços e fábricas de tubo.