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Eduardo Albertin
DESGASTE ABRASIVO: MECANISMOS, CLASSIFICAÇÕES E ENSAIOS
Laboratório de Processos Metalúrgicos
CENTRO DE TECNOLOGIA EM METALURGIA E MATERIAIS - IPT
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Tópicos de discussão
•Desgaste abrasivo
•Classificações versus mecanismos
•Ensaios de desgaste: para quê?
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•Mineração e movimentação de terra
•Transporte e processamento de particulados e lamas: BRITAGEM, MOAGEM, BOMBEAMENTO.
Desgaste abrasivo nos processos produtivos
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•Processamento mecânico de materiais metálicos : laminação;forjamento;extrusão
•Processamento de materiais não-metálicos: cerâmica, polímeros, biomassas
Desgaste abrasivo nos processos produtivos
maromba
Cilindro laminação
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•Sistemas envolvendo gás+partículas (turbinas, exaustão)
•Contaminação por partículas abrasivas em equipamentos mecânicos
Desgaste abrasivo nos processos produtivos
Desgaste de camisa de bloco
de motor por CAT
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Desgaste abrasivo: desgaste devido a partículas ou protuberâncias duras forçadas contra e movendo-se ao longo de uma superfície sólida.
Definições (ASTM G40)
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Desgaste abrasivo: desgaste devido a partículas ou protuberâncias duras forçadas contra e movendo-se ao longo de uma superfície sólida.
Definições (ASTM G40)
Fatores principais: FORÇA E MOVIMENTO
Outros fatores: • Forma do abrasivo • Dureza relativa • Abrasivo solto/preso
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Desgaste erosivo: perda progressiva de material de uma superfície sólida devido a interação mecânica com um fluido, um fluido multi-componente ou impacto (“impingement”) de líquido ou partículas sólidas.
Definições (ASTM G40)
•Fatores: VELOCIDADE e ÂNGULO de incidência
E = k Vn f()
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Erosão
•VELOCIDADE e ÂNGULO de incidência
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Erosão
•VELOCIDADE e ÂNGULO de incidência
Ensaios de “impacto-erosão - vários materiais contra sinter. Efeitos de velocidade e ângulo de impacto
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Classificações & mecanismos
classificações mecanismos
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Classificações utilizadas em estudos sobre desgaste abrasivo
2 corpos / 3 corpos
“ low-stress ”
“ high-stress ”
“ gouging ”
Severo/moderado
•Rolamento •Deslizamento com sulcamento •erosão
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Mecanismos de desgaste
• Microcorte
• Impressões ( “indentation”)
• Microtrincamento
• Sulcamento “sem corte”
• Erosão
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Sulcamento/riscamento/corte em vários sistemas
Roda de borracha
Britador (mandíbula fixa) Moinho de bolas
Pino-lixa
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Sulcamento/riscamento/corte em vários sistemas
Pino-lixa de sílica (Karla Tozetti )
Rotor de bomba de minério
Ensaio microabrasão Al2O3 x aço ferramenta
(Trezona, 1999)
Mascia e Franco, 2001
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Sulcamento/riscamento
Pino-lixa
Com corte (abrasivo mais duro; alumina)
Sem corte (abrasivo menos duro; vidro)
Pino-lixa
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Rolamento/impressões em vários sistemas
Roda de borracha (aço 1004; Villabon)
Ensaio microabrasão SiC 4,5mm aço ferramenta (Trezona)
Britador (mandíbula móvel)
Trezona, 1999
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microtrincamento em vários sistemas
Moinho de bolas
Superfície
ensaiadaTrincas no
carboneto MC
Pino contra lixa
Riscamento Deslizamento ferro fundido/SiO2/Al
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Severo/moderado Taxa de desgaste: diferenças de ordens de grandeza
OUTROS PARÂMETROS DE SEVERIDADE: •Aspecto da superfície: lisa x rugosa x sulcos macroscópicos •Aspecto das partículas desgastadas: finas x grosseiras
Alumina ou vidro x
diferentes ligas
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Classificar significa agrupar casos em conjuntos, admitindo-se que os elementos de cada conjunto tenham características comuns que levam a um desenvolvimento semelhante ou permitem um tratamento similar.
Desgaste correspondente a uma determinada classificação seria avaliado por um correspondente tipo de ensaio.
Espera-se alguma correspondência entre “tipo
de desgaste” e seleção de materiais para
resistir ao desgaste.
Discussão “filosófica”: Por que classificar?
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As conseqüências práticas de classificar os tipos de desgaste seriam:
•Associar testes padronizados com situações práticas.
•Orientar a seleção e o desenvolvimento de materiais resistentes ao desgaste.
Por que classificar?
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Algumas palavras sobre a classificação
“Low stress / high stress / gouging
abrasion”
Esta classificação vem diretamente da prática na indústria de
mineração
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high stress (grinding)
•Caso prático de moinhos – ocorre quebra dos grãos de minério (“high stress”)
• Portanto geralmente os grãos do abrasivo exercem força suficiente para causar penetração na superfície desgastada e eventualmente fratura de partículas duras do material.
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Low stress (scratching)
•Caso prático de calhas – os abrasivos apenas deslizam sobre a superfície, exercendo força de pequena intensidade.
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gouging
•Caso prático de britadores: deformações macroscópicas nas superfícies causadas por abrasivos de grandes dimensões (~dezenas de centímetros)
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Low stress / high stress / gouging É possível adotar critérios mais científicos e
quantitativos:
• medição / estimativa de valores de tensões.
• análise das superfícies de desgaste
• medição de efeitos de endurecimento superficial.
A descrição da aplicação geralmente é suficiente para orientar a definição de ensaios e seleção de materiais, independentemente da classificação.
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Classificações: 2 corpos vs. 3 corpos
2-body
3-body / rolling
Corte
impressões
3-body
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Problemas com a classificação 2 corpos vs. 3 corpos
À medida em que se dispõe de metodologias para identificar os mecanismos atuantes nos casos práticos, parece (“é”) pouco produtiva a insistência no sistema de classificação 2 corpos vs. 3 corpos.
Ver. J. D. Gates, Wear, 214 (1998), 139-146
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Problemas com a classificação 2 corpos vs. 3 corpos
Ver. J. D. Gates, Wear, 214 (1998), 139-146 Abstract
• Há duas interpretações, cujas implicações são mutuamente inconsistentes.
• Na interpretação dominante, o conceito refere-se à presença de abrasivos fixos (2 corpos) ou livres para rolar (3 corpos); nesse caso, a abrasão a 2 corpos seria muito mais severa.
• Outra interpretação enfatiza a existência (3 corpos) ou ausência (2 corpos) de um contracorpo rígido. Neste caso, a abrasão a 3 corpos corresponderia à “high stress abrasion”,
sendo mais severa. • “ This paper recommends that the ‘two-body/three-body’
terminology be abandoned, to be replaced by an alternative classification scheme based directly upon the manifest severity of wear.”
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Problemas com a classificação 2 corpos vs. 3 corpos
Muitos casos práticos não se enquadram
• Calha de minérios : 2 corpos, porém distante do mecanismo pressuposto na definição clássica.
•Bolas de moinho: 3 corpos, mas se observam riscamentos “típicos” de 2 corpos.
•Britador: mecanismos diferentes em cada mandíbula
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Problemas com a classificação 2 corpos vs. 3 corpos
Riscamento /corte em bola de moinho
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Problemas com a classificação 2 corpos vs. 3 corpos
Mandíbulas de britador
1 ensaio,
2 mecanismos !!
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ASTM G-132 (pino contra lixa)
Parâmetros: •Dureza do abrasivo •Tamanho •Forma •Carga •Lubrificação •Sobreposição
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testes padronizados
ASTM G-65 ( roda de borracha) Abrasivo = areia de sílica Variáveis: -carga -granulometria
ASTM G-65 ?? • Borracha? • Areia?
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Outros testes
microabrasão
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Outros testes Technical University of Denmark LTM (UFU)
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Mapa de abrasão
Pino-lixa
Karla Tozetti
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Mapa de abrasão
Roda de borracha
Karla Tozetti
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Simulações da aplicação
Moinho de bolas de laboratório
Britador de mandíbulas
Montagens específicas simulando a situação prática
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Outros testes
Planta piloto de moagem (IPT):
•Abrasivo: minérios •Moagem contínua a úmido •Possibilidade de variar características da água. (pH, ions).
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Montagens específicas simulando a situação prática
OPTIMIZATION OF WEAR-RESISTANT MATERIALS SUBJECT TO ABRASIVE-IMPACT STRESS BY IRON-ORE SINTER
Author(s): DEUTSCHER, OSource: STAHL UND EISEN Volume: 113 Issue: 4 Pages: 127-132
m/s
Mq. Para simular desgaste por sinter durante transporte e alimentação
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Recomendações
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RECOMENDAÇÕES
Resultados comparativos: utilizar material de referência Verificar se o ensaio está no regime permanente
“run-in”
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RECOMENDAÇÕES
Expressar claramente os resultados (que ensaio, que carga, características do abrasivo, etc)
Ex: Taxa de desgaste =10 mm3/N/m (roda de borracha,30N, areia 300-600 mm)
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RECOMENDAÇÕES
Reproduzir o mecanismo de desgaste predominante
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Mecanismo de desgaste ensaio x aplicação
Superfície de bolas de aço após moagem de carvão
Moinho industrial
Ensaio
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Mecanismo de desgaste ensaio x aplicação
Ensaio pino x lixa de sílica
Superfície de bomba de minério
Mascia e Franco
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Mecanismo de desgaste ensaio x aplicação
Ensaio c/ abrasivo “mole”
Superfície cilindro de laminação
O abrasivo corta a matriz, mas não os carbonetos
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Para que fazer ensaios de desgaste ?
1º passo : definir o problema
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Para que fazer ensaios de desgaste ?
•Resolução de problemas
•Seleção de materiais / Desenvolvimento de materiais
•Pesquisa básica sobre desgaste
1º passo : definir o problema
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Resolução de problemas
Caso típico: aumento inesperado das taxas de desgaste (diminuição de vida útil):
•Situação ideal: os materiais utilizados são ensaiados regularmente, utilizando-se um dos ensaios padronizados. Ensaios na situação de “crise” revelam possíveis desvios.
•Ensaios podem evidenciar mudanças na agressividade do sistema ( p. ex. materiais processados tornam-se mais abrasivos).
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Seleção ou desenvolvimento de materiais
• Estudos com vistas a redução de custos / aumento de vida útil
• Adequação a mudança de condições de operação de equipamentos
• Novos processos / equipamentos
• Mudança dos materiais processados
• Competição entre empresas fornecedoras de materiais e peças; desenvolvimento de novos fornecedores.
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Seleção ou desenvolvimento de materiais
•Analisar o tipo predominante de desgaste .
•Custo, custo/benefício (“$/t processada”; custo
de parada).
•Outras propriedades: corrosão, temperatura
•Disponibilidade comercial.
•Utilizar os materiais tradicionais como referência ( “baseline”).
•Testes padronizados versus simulação.
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Seleção ou desenvolvimento de materiais
Testes padronizados
•Facilitam comparação com dados anteriores e de terceiros.
•Há disponibilidade em várias empresas e centros de pesquisa.
•Existem normas e informações sobre reprodutibilidade, precisão, nº mínimo de ensaios, etc.
•As interações abrasivo/material nos ensaios podem ser muito diferentes da situação real.
•São obtidos “rankings” mas não
dados para projeto ou previsão de vida.
vantagens desvantagens
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Seleção ou desenvolvimento de materiais
Simulações
•Possibilidade de reproduzir interações abrasivo-material esperadas no caso prático.
•Possibilidade de obter taxas de desgaste da mesma natureza que no caso prático.
•Casos de sucesso: britador ; moinho de bolas; ensaio com lamas abrasivas.
• “Credibilidade”
/transferibilidade.
•Falta de padronização: cada um faz o “seu” ensaio.
Risco de procedimentos variarem muito.
• Não há garantia de que modelos em escala reduzida produzam as mesmas solicitações que o caso real.
• Dificuldade para validar.
vantagens desvantagens
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Seleção ou desenvolvimento de materiais
Simulações: Caso de bolas de moinho
Laboratório Diam moinho = 0,4 m
Bolas : 50 mm ( 10 por material)
Abrasivo: minério de fosfato
Tempo : 100 a 200 h
Campo
Diam moinho = 4,8 m
Bolas : 50 mm ( 1.000 a 2.000 por material)
Abrasivo: minério de fosfato
Tempo : 1.000 a 2.000 h
simulação das variáveis de moagem: moagem contínua , %sólidos, rotação do moinho, recirculação
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Seleção ou desenvolvimento de materiais
Simulações: Caso de bolas de moinho Material das bolas
Taxa de desgaste Laboratório (Moinho 0,4m)
Taxa de desgaste Campo
(moinho 4,8 m)
Fofo alto Cr –
Fornecedor A
1,87
4,10
Aço forjado, T & R Fornecedor B
3,55
7,97
Fator de desgaste B/A
1,90
1,94
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Pesquisa básica sobre desgaste
•Evento único •ensaios de riscamento
•Transições
•mapas de desgaste
•Medições em escala micro e nano
•técnicas de micro e nano dureza
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Efeito do tamanho do abrasivo
A eficiência das partículas duras do material depende do tamanho em relação ao sulco produzido pelo abrasivo.
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Severidade
Estudo sobre condições que levam ao mecanismo de
microtrincamento.
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Tamanho crítico do abrasivo
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Um caso interessante...
Abrasivo “duro”: SiC
Ferro fundido alto cromo
martensítico
Ferro fundido alto cromo austenítico
% CARBONETOS
Zum Gahr
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OBRIGADO
1º passo : definir o problema
CENTRO DE TECNOLOGIA EM METALURGIA E MATERIAIS - IPT
Laboratório de Processos Metalúrgicos