Este artículo destaca casos de uso de análisis avanzados (es decir, aprendizaje automático , programación matemática y simulación) en la cadena de valor de la producción de acero. Los productos de acero juegan un papel importante en nuestra vida diaria, desde la construcción de bienes raíces, equipos agrícolas, piezas y marcos de automóviles, electrodomésticos y también, por ejemplo, componentes estructurales aeroespaciales. Del mineral de hierro extraído en las minas de mineral de hierro, los productos finales de acero son el resultado de una cadena de valor larga y completa.

Los pasos esenciales de la cadena de valor del hierro al acero son:

• Producción de pellets de hierro
• Producción de arrabio
• Producción de acero

Hay muchas variaciones en la cadena de valor del acero. En este artículo, me centro en los productos planos de acero, es decir, chapas para su posterior procesamiento, por ejemplo, en la industria automotriz. La transformación de mineral de hierro a producto terminado (bobinas empaquetadas o bobinas cortadas) se ilustra a continuación.

El producto de acero plano es acero laminado plano. Los productos planos de acero se envían en forma de bobinas empaquetadas, bobinas cortadas o pilas de láminas de metal.

Cadena de valor del acero, desde el mineral de hierro hasta el producto final

Como se mencionó, los pasos esenciales del proceso de producción de productos de acero plano son la granulación de hierro, la fundición de arrabio y la producción de acero laminado. Estos pasos principales de la cadena de valor del acero tienen lugar secuencialmente.

Proceso de peletización de magnetita: del mineral al pelet

La granulación de hierro es el proceso de producción de gránulos de magnetita a partir de mineral de hierro. El proceso general de producción se ilustra a continuación.

El mineral de hierro, por ejemplo, en forma de escombros de roca de las operaciones de voladura, primero se somete a trituración. La trituración se realiza a través de una serie de trituradoras secuenciales. La granularidad fina aumenta entre cada etapa de trituración. Se define el tamaño máximo de escombros de roca que se permite pasar a la siguiente etapa de trituración, y los escombros se reciclan para otro ciclo de trituración en una etapa determinada hasta que el tamaño de roca esté por debajo del tamaño máximo permitido definido.

Después de la trituración , las trituradoras reducen aún más el tamaño de la roca. Los desechos resultantes luego van a un patio de lecho y mezcla, donde se lleva a cabo un proceso de lecho y mezcla. El propósito es hacer propiedades de minerales mixtos. Los minerales mixtos son más convenientes para la producción, ya que mejoran la eficiencia de producción y reducen los costos de producción. Otro objetivo del proceso de mezcla es asegurar una alimentación uniforme del mineral durante el procesamiento y refinamiento del mineral. Esto contribuye a una producción normal y estable ya una calidad constante.

Después del lecho y la mezcla, los escombros de mineral se someten a más etapas de molienda . Los separadores se despliegan entre cada etapa de molienda, filtrando el polvo granular cada vez más fino por su propiedad magnética. Las impurezas y el contenido de mineral de hierro magnético se separan de esta manera y, por lo tanto, la pureza aumenta después de cada etapa. Finalmente, una vez que se ha completado la molienda, la mezcla de polvo se envía a la flotación de espuma . Aquí, una mezcla de agua, productos químicos que ayudan a los procesos de separación y burbujas de aire eliminan las impurezas, como los silicatos, del lodo resultante. Mientras tanto, el filtrado magnético y la separación entre los baños de flotación aumentan la pureza paso a paso.

El producto de lodo de magnetita se almacena en tanques de almacenamiento y el lodo de desecho se bombea fuera del sistema para el manejo de desechos, por ejemplo, en relaves. Los desechos más grandes, como los escombros de rocas granulares en bruto, se transportan a los sitios de eliminación con camiones, trenes, barcazas o botes.

El valioso lodo de magnetita almacenado en tanques de almacenamiento ahora se procesa en gránulos. En primer lugar, los tambores de puesta a tierra , también conocidos como tambores de granulación , se utilizan para producir gránulos a partir de lodos secos. Luego, los gránulos crudos se someten a precalentamiento, cocción y enfriamiento rotatorio . Esto se hace generalmente en un horno .

El producto final de este proceso es la bolita de magnetita, que se almacena en áreas de almacenamiento cerradas y luego se transporta por ferrocarril o barcaza.

Producción de arrabio: desde gránulos de magnetita hasta fundición de hierro en bruto

El arrabio, también conocido como fundición de hierro en bruto, hierro en bruto, hierro en bruto o hierro forjado, se produce a partir de gránulos de magnetita. Esta forma bruta de hierro se utiliza para su posterior procesamiento en acero y aleaciones de acero.

El arrabio tiene un alto contenido de carbono. Se produce a partir de gránulos de magnetita y funciona como un bien intermedio para su posterior procesamiento en la industria del acero. Se produce fundiendo gránulos de magnetita en un alto horno, al que se alimentan gránulos de magnetita (es decir, mineral de hierro refinado) y coque (una forma refinada de carbón). El hierro líquido se funde en lingotes.

El arrabio tiene un contenido de carbono de alrededor o por encima del 4%. Esto lo hace muy frágil. Dado que es frágil, sus aplicaciones son limitadas y se produce principalmente para la fabricación de acero aguas abajo. También se utiliza para la producción de hierro dúctil, que también tiene un alto contenido de carbono pero es dúctil y, por lo tanto, menos quebradizo.

Fabricación de acero: del arrabio al producto de acero plano

Los productos planos de acero se venden en forma de bobinas, bobinas cortadas o pilas de láminas. La producción comienza en el horno, por ejemplo, horno de arco eléctrico . El proceso de producción general se resume en la siguiente ilustración.

El horno se utiliza para fundir chatarra de acero o gránulos de arrabio en forma líquida. Dependiendo de las propiedades deseadas del material, se agregan aleaciones adicionales. El acero inoxidable, por ejemplo, contiene cromo. El suministro de oxígeno reduce el contenido de carbono del acero líquido y se agrega calcio para eliminar los sulfuros y óxidos.

Luego, el acero líquido se funde en un estado sólido pero aún muy caliente, por ejemplo, en una corriente continua que luego se corta en losas. Dependiendo del programa de producción, las losas se almacenan en un depósito de losas o se envían directamente a laminación en caliente. El primer escenario se denomina carga en frío y el último se denomina carga en caliente directa. La carga directa en caliente es beneficiosa ya que elimina la necesidad de recalentar las losas para laminación en caliente. Esto se hace para los desbastes en frío que se obtienen en el depósito de desbastes y se lleva a cabo en un horno de recalentamiento antes del proceso de laminación en caliente.

El tren de laminación en caliente reduce el espesor de las losas. A lo largo del proceso de laminación, los rodillos del tren de laminación experimentan un gran desgaste. Por lo general, las losas se laminan así en un programa de laminación de losas en forma de ataúd. Aquí, las losas con anchos pequeños se laminan primero, y el ancho de la losa aumenta losa por losa hasta cierto punto. Después de eso, los anchos de las losas disminuyen nuevamente. Esto está fuera del propósito del desgaste de los rodillos, lo que permite que los rodillos se calienten (anchos de losa más bajos a más altos) y luego estabilicen el calor del rodillo más allá de cierto punto (anchos de losa decrecientes). Sin embargo, debido al gran desgaste y rotura, los rodillos del tren de laminación se cambian con frecuencia. Estos cambios de rollo deben planificarse y son una importante palanca de optimización del cronograma, junto con la carga directa en caliente.

Después del laminado en caliente, las losas se han reducido en espesor y ahora son más largas. Al principio, su temperatura era de unos 2.000C. El enfriamiento desde tales temperaturas es difícil de controlar y no es uniforme. Por lo tanto, la superficie de las bobinas laminadas en caliente es rugosa. Las formas son redondeadas y no perfectas. Esta es la razón por la que algunas bobinas laminadas en caliente se tratan posteriormente, por ejemplo, en líneas de decapado , limpieza con chorro de arena, baño de ácido y molienda .

El acero laminado en caliente se utiliza, por ejemplo, en trabajos de construcción de bienes inmuebles, equipos agrícolas, construcciones metálicas, estampados y armazones de automóviles. Pero otras aplicaciones requieren pasos de laminación adicionales, a saber, laminación en frío.

El laminado en frío reduce aún más el espesor de la lámina y mejora la calidad de la superficie, así como la resistencia del acero. El laminado en frío se realiza por debajo de la temperatura de recristalización. El proceso de laminación crea pequeños errores y rupturas en el acero, y cambia su estructura. Esto mejora las propiedades mecánicas del acero. También puede hacer que el acero sea menos elástico, lo que puede tratarse con procesos de recocido que permiten la recristalización después de los procesos de laminación en frío. En suma, esto crea un acero más duro y resistente que también es más flexible y dúctil y tiene una superficie más suave, uniforme y definida. Este tipo de acero se utiliza, por ejemplo, en muebles de metal, electrodomésticos y piezas de automóviles.

Además de los trenes de laminación en frío y las líneas de recocido , el acero se puede tratar en frío en las líneas de torneado , rectificado y pulido , así como, por ejemplo, se puede recortar y recubrir. Eventualmente, si el cliente lo requiere, se corta en bobinas cortadas y se envasa. Esto se hace en líneas de corte longitudinal y envasado .

Análisis en la producción de pellets de magnetita

La simulación es la principal aplicación de análisis que quiero señalar para la producción de gránulos de magnetita. Usando la simulación, el diseño y el proceso de las instalaciones existentes o planificadas se modelan en un entorno virtual. Los modelos se utilizan para experimentos, con el objetivo, por ejemplo, de prueba de concepto, comparación de variantes (por ejemplo, comparar dos variantes de diseño entre sí), búsqueda de cuellos de botella o planificación de capacidad. Un ejemplo similar para la minería del carbón se ha compartido en SCDA en otro blog. Por favor, vea el enlace a continuación.

• Enlace : Simulación para minería a cielo abierto

Una simulación tiene múltiples ventajas en comparación con el cálculo estático o las estimaciones basadas en normas:

• Una simulación considera la dinámica del sistema, es decir, la cadena real de eventos en la planta de producción a medida que ocurren a lo largo del tiempo.
• Una simulación considera interacciones e interdependencias. Por ejemplo, una grúa debe esperar a los camiones antes de poder descargar su carga en el camión.
• Una simulación considera los modelos de proceso y los cronogramas reales, por ejemplo, algunos procesos operan las 24 horas del día, mientras que otros procesos operan en un modelo de turno simple o doble.
• Una simulación considera el comportamiento del sistema estocástico, a medida que se desarrolla a lo largo de la línea de tiempo. Por ejemplo, fallas de máquinas, tasas de desecho, lotes defectuosos, variaciones en el contenido de mineral, etc.

Una vez que se ha desarrollado y calibrado un modelo de simulación verificado con datos reales o supuestos, se puede utilizar para responder preguntas de la siguiente manera:

• ¿Son suficientes las capacidades previstas para la ejecución dinámica de la producción? ¿La utilización de los recursos es eficiente y está bien equilibrada?
• ¿El patio de mezcla es lo suficientemente grande?
• ¿Hay suficientes vehículos para los transportes internos, por ejemplo, entre trituradoras y/o trituradoras? ¿Hay muchos vehículos?
• ¿Hay suficientes unidades de recursos de mantenimiento para garantizar la estabilidad de la producción, teniendo en cuenta los problemas de mezcla y las variaciones en la calidad y el contenido del mineral?

Otro buen ejemplo de análisis aplicado en la granulación de magnetita es la programación matemática. Es, por ejemplo, aplicable al problema de mezcla en el patio de mezcla. Como el depósito contiene escombros de mineral granular fino con un contenido de hierro mayor pero variable, se aplican programas matemáticos. Estos programas son modelos de optimización que tienen como objetivo optimizar uno o varios objetivos. Un objetivo común es mantener contenidos de hierro uniformes a lo largo del tiempo. Esto se debe a que los contenidos uniformes reducen los costes de producción y garantizan una calidad uniforme en etapas posteriores.

Producción y análisis de acero para productos planos

Un aspecto analítico importante en la producción de productos planos de acero es la carga directa en caliente. La carga directa en caliente reduce el consumo de energía y, por lo tanto, los costos variables de producción, lo que se suma directamente a los márgenes operativos. Sin embargo, solo una fracción de los desbastes laminados en el laminador en caliente son de carga directa en caliente. Las razones de esto son varias restricciones operativas. Algunos de ellos son:

• Diferentes modelos de turnos en el laminador en caliente y ruedas
• Diferentes capacidades de rendimiento máximo en trenes de laminación en caliente y ruedas
• Pedidos de clientes inesperados, es decir, pedidos de producción ad hoc
• Programa de laminado en forma de ataúd en laminador de bandas en caliente
• Restricciones de capacidad aguas abajo, p. ej., en zonas intermedias, líneas de acabado en frío u otras líneas de posprocesamiento

Teniendo en cuenta todo esto, varios problemas de programación se resuelven en la laminación de acero. Primero, se debe establecer y mantener un programa maestro de producción. Necesita alinear la demanda del cliente con la capacidad del patio de planchones (carga en frío) y los programas de producción de ruedas (carga directa en caliente). Además, debe estar alineado con todos los procesos acoplados aguas abajo. En segundo lugar, debe establecerse y mantenerse una secuencia de tareas a corto plazo para todas las unidades pertinentes. El enfoque de esto es complejo y depende del proveedor. Se puede aplicar una combinación de modelado de optimización y programación basada en simulación heurística, ya que la programación matemática requiere mucho cálculo.

Otro problema que se aborda mediante el análisis es el abastecimiento de planchones desde el propio patio de planchones. Según el cronograma de producción del tren de laminación en caliente, las losas específicas, a veces únicas, deben ser entregadas por el patio de losas justo en secuencia. En el patio de losas, las losas se apilan en pilas altas. Esto significa que las grúas de patio deben realizar una gran cantidad de movimientos de reapilamiento. Estos movimientos son movimientos improductivos y tienen un impacto negativo significativo en el rendimiento del patio. Por lo tanto, se aplica el modelado de optimización matemática para optimizar las secuencias de trabajo realizadas por las grúas de patio. Estos modelos reducen la cantidad de movimientos de reapilamiento improductivos y garantizan la entrega de planchón justo en secuencia al tren de laminación en caliente.

Observaciones finales sobre análisis en la producción de acero

Para el alcance de este artículo, consideré las siguientes herramientas, métodos y técnicas como ejemplos de «análisis» en la producción de minerales y acero:

• Simulación de eventos discretos para flujo de materiales y simulación de procesos.
• Programación matemática para, por ejemplo, programación y secuenciación.

Proporcioné ejemplos de tales aplicaciones analíticas en la granulación de mineral de hierro y laminación de acero. Los ejemplos de aplicación incluyen:

• Mezcla de mineral de hierro en patios mezcladores, para costos de producción reducidos y calidad de entrada uniforme en toda la cadena de valor del acero.
• Simulación de procesos de instalaciones de producción existentes para detectar cuellos de botella en la instalación, por ejemplo, en el sistema de transporte interno, capacidades de procesamiento, etc.
• Programación de trabajos para reducción de costos, utilización de instalaciones y/o reducción de tiempo de entrega.

Existen otros tipos de métodos y técnicas de análisis que se pueden aplicar a la producción de gránulos de hierro y acero. Esto incluye aquellos que son generalizables y aplicados en industrias no relacionadas. Por ejemplo, aplicaciones de previsión para mantenimiento predictivo y planificación guiada de la demanda. O programación de restricciones para la programación de turnos para fuerzas de trabajo y otros tipos de grupos de recursos compartidos. En cambio, destaqué ejemplos que son más específicos de la industria.

Si está interesado en leer más ejemplos de análisis aplicado, en minería, laminación de aluminio u otras industrias, los siguientes artículos son un buen lugar para comenzar:

• Vínculo : Optimización a través de la programación maestra de producción
• Enlace : producción y análisis PUSH
• Enlace: Programación de la producción en el sistema SAP ERP
• Enlace : Secuencia de configuración de la máquina optimizada
• Enlace: software de planificación MRP de fabricación
• Link : Un método de mezcla de minerales basado en la calidad del beneficio

Lucas Neves

Ingeniero de minas con experiencia en extracción industrial de mineral de hierro y producción de arrabio. Experto en simulación de operaciones mineras.