Este artigo destaca casos de uso de análises avançadas (ou seja, aprendizado de máquina , programação matemática e simulação) na cadeia de valor da produção de aço. Os produtos siderúrgicos desempenham um papel importante em nossa vida diária, desde a construção de imóveis, equipamentos agrícolas, peças e estruturas automotivas, eletrodomésticos e também, por exemplo, componentes estruturais aeroespaciais. Do minério de ferro extraído nas minas de minério de ferro, os produtos siderúrgicos finais são o resultado de uma longa e abrangente cadeia de valor.

As etapas essenciais da cadeia de valor ferro-aço são:

• Produção de pelotas de ferro
• Produção de ferro-gusa
• Produção de aço

Existem muitas variações na cadeia de valor do aço. Neste artigo, concentro-me em produtos de aço plano, ou seja, chapas metálicas para processamento posterior, por exemplo, na indústria automotiva. A transformação de minério de ferro em produto acabado (bobinas embaladas ou bobinas cortadas) é ilustrada a seguir.

O produto de aço plano é aço laminado plano. Os produtos de aço plano são enviados na forma de bobinas embaladas, bobinas cortadas ou pilhas de chapas metálicas.

Cadeia de valor do aço, do minério de ferro ao produto final

Conforme mencionado, as etapas essenciais do processo de produção de produtos de aço plano são pelotização de ferro, fundição de ferro-gusa e produção de aço laminado. Essas etapas principais da cadeia de valor do aço ocorrem sequencialmente.

Processo de pelotização de magnetita – do minério à pelota

A pelotização de ferro é o processo de produção de pelotas de magnetita a partir do minério de ferro. O processo de produção geral é ilustrado abaixo.

O minério de ferro, por exemplo, na forma de detritos rochosos de operações de detonação, primeiro sofre britagem. A britagem é realizada através de uma série de máquinas de britagem sequencial. A granularidade fina aumenta entre cada estágio de britagem. O tamanho máximo de detritos de rocha permitido para passar para o próximo estágio de britagem é definido, e os detritos são ciclados para outro ciclo de britagem em um determinado estágio até que seu tamanho de rocha esteja abaixo do tamanho máximo permitido definido.

Após a trituração , os trituradores reduzem ainda mais o tamanho da rocha. Os detritos resultantes vão para um pátio de cama e mistura, onde ocorre um processo de cama e mistura. O objetivo é fazer propriedades de minério misto. Os minérios misturados são mais convenientes para a produção, melhorando a eficiência da produção e reduzindo os custos de produção. Outro objetivo do processo de mistura é garantir alimentação uniforme de minério durante o processamento e refinamento do minério. Isso contribui para uma produção normal e estável e uma qualidade consistente.

Após a deposição e a mistura, os detritos de minério passam por outras etapas de moagem . Separadores são implantados entre cada estágio de moagem, filtrando o pó granular cada vez mais fino por sua propriedade magnética. As impurezas e o teor de minério de ferro magnético são separados dessa maneira, e a pureza aumenta após cada estágio. Eventualmente, uma vez concluída a moagem, a mistura em pó é encaminhada para flotação em espuma . Aqui, uma mistura de água, produtos químicos que auxiliam nos processos de separação e bolhas de ar removem impurezas como silicatos do lodo resultante. Enquanto isso, a filtragem magnética e a separação entre o banho de flotação aumentam a pureza passo a passo.

O produto de lodo de magnetita é armazenado em tanques de armazenamento e o lodo residual é bombeado para fora do sistema para tratamento de resíduos, por exemplo, rejeitos. Resíduos maiores, como detritos de rocha granular áspera, são transportados para locais de disposição com caminhões, ferrovias ou por barcaça ou transporte de barco.

A valiosa lama de magnetita armazenada em tanques de armazenamento é agora processada em pellets. Primeiro, os tambores de aterramento , também conhecidos como tambores de pelotização , são usados ​​para produzir pellets a partir de lodo seco. Os pellets crus passam por pré-aquecimento, cozimento e resfriamento rotativo . Isso geralmente é feito em um forno .

O produto final desse processo é o pellet de magnetita, que é armazenado em áreas fechadas de estocagem e posteriormente transportado por ferrovia ou barcaça.

Produção de ferro-gusa – da pelota de magnetita ao ferro fundido bruto

O ferro-gusa, também conhecido como fundição de ferro bruto, ferro bruto, ferro bruto ou ferro forjado, é produzido a partir de pastilhas de magnetita. Esta forma bruta de ferro é usada para processamento adicional em aço e ligas de aço.

O ferro gusa tem um alto teor de carbono. É produzido a partir de pastilhas de magnetita e funciona como um produto intermediário para processamento posterior na indústria siderúrgica. É produzido pela fundição de pellets de magnetita em um alto-forno, que é alimentado com pellets de magnetita (ou seja, minério de ferro refinado) e coque (uma forma refinada de carvão). O ferro líquido é fundido em lingotes.

O ferro-gusa tem um teor de carbono em torno ou acima de 4%. Isso o torna muito quebradiço. Por ser frágil, suas aplicações são limitadas e é produzido principalmente para a produção de aço a jusante. Também é usado para a produção de ferro dúctil, que também possui alto teor de carbono, mas é dúctil e, portanto, menos quebradiço.

Fabricação de aço – de ferro-gusa a produto de aço plano

Os produtos de aço plano são vendidos na forma de bobinas, bobinas cortadas ou pilhas de chapas. A produção começa no forno, por exemplo, forno elétrico a arco . O processo de produção geral é resumido na ilustração abaixo.

O forno é usado para derreter sucata de aço ou pelotas de ferro-gusa em forma líquida. Dependendo das propriedades desejadas do material, ligas adicionais são adicionadas. Aço inoxidável, por exemplo, contém cromo. O fornecimento de oxigênio reduz o teor de carbono do aço líquido e o cálcio é adicionado para remover sulfetos e óxidos.

O aço líquido é então fundido em estado sólido, mas ainda muito quente, por exemplo, um fluxo contínuo que é então cortado em placas. Dependendo do programa de produção, as placas são armazenadas em um pátio de placas ou encaminhadas diretamente para a laminação a quente. O primeiro cenário é referido como carregamento a frio e o último é referido como carregamento direto a quente. O carregamento direto a quente é benéfico, pois elimina a necessidade de reaquecer placas para laminação a quente. Isso é feito para placas frias provenientes do pátio de placas e é realizado em um forno de reaquecimento antes do processo de laminação a quente.

O laminador a quente reduz a espessura das placas. Ao longo do processo de laminação, os rolos do laminador sofrem forte desgaste. Normalmente, as lajes são assim laminadas em um programa de laminação de lajes em forma de caixão. Aqui lajes com larguras pequenas são laminadas primeiro, e a largura da laje aumenta laje por laje até um certo ponto. Depois disso, as larguras das lajes diminuem novamente. Isso está fora dos propósitos de desgaste do rolo, permitindo que os rolos aqueçam (larguras de lajes menores a maiores) e, em seguida, estabilizem o calor do rolo além de um certo ponto (diminuindo as larguras das lajes). No entanto, devido ao grande desgaste, os rolos do laminador são trocados com frequência. Essas mudanças de rolo devem ser planejadas e são uma importante alavanca de otimização de cronograma, juntamente com o carregamento direto a quente.

Após a laminação a quente, as placas foram reduzidas em espessura e agora são mais longas. No início, sua temperatura era de cerca de 2.000C. O resfriamento de tais temperaturas é difícil de controlar e não é uniforme. A superfície das bobinas laminadas a quente é, portanto, áspera. As formas são arredondadas e não são perfeitas. É por isso que algumas bobinas laminadas a quente são posteriormente, por exemplo, tratadas superficialmente em decapagem , jateamento de areia, banho de ácido e linhas de moagem .

O aço laminado a quente é usado, por exemplo, em trabalhos de construção imobiliária, equipamentos agrícolas, construções metálicas, estampados e estruturas automotivas. Mas outras aplicações requerem etapas adicionais de laminação, ou seja, laminação a frio.

A laminação a frio reduz ainda mais a espessura da chapa e melhora a qualidade da superfície, bem como a resistência do aço. A laminação a frio é realizada abaixo da temperatura de recristalização. O processo de laminação gera pequenos erros e rupturas no aço, além de alterar sua estrutura. Isso melhora as propriedades mecânicas do aço. Também pode tornar o aço menos elástico, que pode ser tratado com processos de recozimento que permitem a recristalização após as laminações a frio. Em suma, isso cria um aço mais duro e resistente que também é mais flexível e dúctil e tem uma superfície mais lisa, uniforme e definida. Este tipo de aço é usado, por exemplo, em móveis de metal, eletrodomésticos e peças automotivas.

Além de laminadores a frio e linhas de recozimento , o aço pode ser tratado a frio em linhas de torneamento , retificação e polimento , bem como, por exemplo, pode ser aparado e revestido. Eventualmente, é então, se exigido pelo cliente, cortado em bobinas cortadas e embalado. Isso é feito em linhas de corte e embalagem .

Analytics na produção de pellets de magnetita

A simulação é a principal aplicação analítica que quero destacar para a produção de pelotas de magnetita. Usando a simulação, o layout e o processo de instalações existentes ou planejadas são modelados em um ambiente virtual. Os modelos são usados ​​para experimentos – visando, por exemplo, prova de conceito, comparação de variantes (por exemplo, comparação de duas variantes de layout entre si), pesquisa de gargalos ou planejamento de capacidade. Um exemplo semelhante para mineração de carvão foi compartilhado no SCDA em outro blog. Por favor veja o link abaixo.

• Link : Simulação para mineração a céu aberto

Uma simulação tem várias vantagens quando comparada ao cálculo estático ou estimativas baseadas em normas:

• Uma simulação considera a dinâmica do sistema, ou seja, a cadeia real de eventos na planta de produção à medida que ocorrem ao longo do tempo.
• Uma simulação considera interações e interdependências. Por exemplo, um guindaste deve esperar por caminhões antes de poder descarregar sua carga no caminhão.
• Uma simulação considera modelos e cronogramas de processo reais, por exemplo, alguns processos operam ininterruptamente, enquanto outros processos operam em um modelo de turno único ou duplo.
• Uma simulação considera o comportamento estocástico do sistema, conforme ele se desenrola ao longo da linha do tempo. Por exemplo, falhas de máquinas, taxas de refugo, lotes ruins, variações no teor de minério, etc.

Uma vez que um modelo de simulação verificado tenha sido desenvolvido e calibrado com dados reais ou presumidos, ele pode ser usado para responder às seguintes perguntas:

• As capacidades pretendidas são suficientes para a execução dinâmica da produção? A utilização de recursos é eficiente e equilibrada?
• O pátio de mistura é suficientemente grande?
• Existem veículos suficientes para transportes internos, por exemplo, entre britadores e/ou trituradores? Existem muitos veículos?
• Existem unidades de recursos de manutenção suficientes para garantir a estabilidade da produção, considerando problemas de mistura e variações na qualidade e conteúdo do minério?

Outro bom exemplo de análise aplicada na pelotização de magnetita é a programação matemática. É aplicável, por exemplo, ao problema de mistura no pátio de mistura. Como o pátio contém detritos de minério granular fino com teor de ferro aumentado, mas variável, são aplicados programas matemáticos. Esses programas são modelos de otimização que visam otimizar um ou vários objetivos. Um objetivo comum é manter teores de ferro uniformes ao longo do tempo. Isso ocorre porque conteúdos uniformes reduzem os custos de produção e garantem uma qualidade consistente mais adiante.

Análise e produção de aços planos

Um aspecto analítico importante na produção de produtos de aço plano é o carregamento direto a quente. O carregamento quente direto reduz o consumo de energia e, portanto, os custos variáveis ​​de produção, aumentando diretamente as margens operacionais. No entanto, apenas uma fração das placas laminadas no laminador a quente são carregadas diretamente a quente. As razões para isso são várias restrições operacionais. Alguns deles são:

• Diferentes modelos de turnos na laminação a quente e lingotamento
• Diferentes capacidades de produção de pico na laminação a quente e lingotamento
• Pedidos inesperados de clientes, ou seja, pedidos de produção ad hoc
• Programa de laminação em forma de caixão em laminador de tiras a quente
• Restrições de capacidade a jusante, por exemplo, em buffers, linhas de acabamento a frio ou outras linhas de pós-processamento

Considerando tudo isso, vários problemas de programação são resolvidos na laminação de aço. Primeiro, um cronograma mestre de produção deve ser estabelecido e mantido. Ele precisa alinhar a demanda do cliente com a capacidade do pátio de lajes (carregamento a frio) e cronogramas de produção de lingotamento (carregamento direto a quente). Além disso, deve estar alinhado com todos os processos acoplados a jusante. Em segundo lugar, o sequenciamento de trabalho de curto prazo deve ser estabelecido e mantido para todas as unidades relevantes. A abordagem para isso é complexa e depende do provedor. Uma mistura de modelagem de otimização e programação baseada em simulação heurística pode ser aplicada, uma vez que a programação matemática é muito pesada em termos de computação.

Outro problema que é abordado usando análise é o fornecimento de placas do próprio pátio de placas. Com base no cronograma de produção específico do laminador a quente, às vezes único, as placas devem ser entregues pelo pátio de placas em sequência. No pátio de lajes, as lajes são empilhadas em pilhas altas. Isso significa que uma grande quantidade de movimentos de reempilhamento deve ser realizada pelos guindastes de pátio. Esses movimentos são movimentos improdutivos e têm um impacto negativo significativo no rendimento do pátio. A modelagem de otimização matemática é, portanto, aplicada para otimizar as sequências de trabalho executadas pelos guindastes do pátio. Esses modelos reduzem a quantidade de movimentos improdutivos de reempilhamento e garantem a entrega de placas em sequência para a laminação a quente.

Considerações finais sobre análise na produção de aço

Para o escopo deste artigo, considerei as seguintes ferramentas, métodos e técnicas como exemplos de “analítica” na produção de minério e aço:

• Simulação de eventos discretos para fluxo de materiais e simulação de processos.
• Programação matemática para, por exemplo, escalonamento e sequenciamento.

Forneci exemplos de tais aplicações analíticas em pelotização de minério de ferro e laminação de aço. Exemplos de aplicação incluem:

• Mistura de minério de ferro em pátios de liquidificadores, para custos de produção reduzidos e qualidade de entrada uniforme em toda a cadeia de valor do aço.
• Simulação de processo de instalações de produção existentes para detectar gargalos na instalação, por exemplo, no sistema de transporte interno, capacidades de processamento, etc.
• Agendamento de trabalhos para redução de custos, utilização de instalações e/ou redução de lead time.

Existem outros tipos de métodos e técnicas analíticas que podem ser aplicados à produção de pelotas de ferro e aço. Isso inclui aqueles que são generalizáveis ​​e aplicados em indústrias não relacionadas. Por exemplo, aplicativos de previsão para manutenção preditiva e planejamento de demanda guiada. Ou programação de restrição para agendamento de turnos para forças de trabalho e outros tipos de pools de recursos compartilhados. Em vez disso, destaquei exemplos mais específicos do setor.

Se você estiver interessado em ler mais exemplos de análise aplicada em mineração, laminação de alumínio ou outras indústrias, os artigos a seguir são um bom ponto de partida:

• Link : Otimização via programação mestre de produção
• Link : produção e análise PUSH
• Link: Programação da produção no sistema SAP ERP
• Link : Sequência otimizada de configuração da máquina
• Link: Software de planejamento MRP de manufatura
• Link : Um método de mistura de minério baseado na qualidade de beneficiamento

Lucas Neves

Engenheiro de minas com experiência em mineração industrial de minério de ferro e produção de ferro-gusa. Especialista em simulação de operações de mineração.