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Optimización de las materias primas y de los costos de producción en las plantas siderúrgicas de la ruta RD-HAE

17 de May de 2021 Blog por Cassotis Consulting

La producción de acero mediante reducción directa y horno de arco eléctrico (RD-HAE) ha aumentado en la última década y no muestra signos de desaceleración. Esta tecnología es la principal alternativa al mecanismo de Altos Hornos - Convertidor LD (AH-LD), ya consolidada. A su favor, el mecanismo RD-HAE reduce drásticamente el consumo de carbón y las emisiones de CO2, manteniendo la productividad al mismo ritmo que AH-LD. Sin embargo, independientemente de la tecnología utilizada, el acero producido debe ser competitivo en un mercado global de múltiples actores.

 

Los fabricantes de acero se enfrentan a muchos retos en el proceso de toma de decisiones estratégicas. Hay muchos elementos en toda la cadena de producción que tienen importantes consecuencias en el proceso en su conjunto. Antes de actuar, la empresa está constantemente tratando de equilibrar el ritmo de producción y la calidad del producto requerido, buscando una forma de producir acero con el menor costo de producción. Para encontrarla, hay 5 conceptos principales que los responsables de tomar decisiones deben tener en cuenta y que se describen en los siguientes temas.


 

Concepto 1 - Impacto de las materias primas

 

Independientemente del diseño de la planta siderúrgica, la proporción de los costos de las materias primas en el costo de producción del acero es enorme. Por lo tanto, es fundamental seleccionar correctamente los proveedores y los consumos específicos para seguir siendo competitivos. Sin embargo, la aplicación de medidas de ahorro centradas en la búsqueda de nuevos proveedores más baratos puede resultar rápidamente contraproducente. 

 

La razón es simple: la calidad de las materias primas influye directamente en el proceso. Los insumos de alta calidad pueden aumentar la productividad y reducir las necesidades energéticas, lo que puede compensar su mayor precio. Los materiales de baja calidad son más baratos, pero pueden aumentar la presencia de elementos químicos no deseados en la cadena del proceso y, como el acero tiene especificaciones que cumplir, la planta experimentará más costos para eliminar esa masa extra de material no deseado. La mejor estrategia de compra será, sin duda, una combinación de esos proveedores en lados diametralmente opuestos de la caracterización de la calidad y el costo.


 

Concepto 2 - Decisiones entre departamentos

 

Como se ha visto en el concepto anterior, la producción de acero implica una gran variedad de materias primas. Algunas de ellas son tan importantes que las empresas siderúrgicas han decidido incorporarlas a su cadena de producción. La idea detrás de esta centralización es coordinar mejor la generación y la calidad de los productos intermedios, con el objetivo de reducir los costos de producción de su acero. Por ejemplo, en las acerías basadas en hornos de arco eléctrico es habitual contar con reactores de reducción directa, máquinas briquetadoras e incluso plantas de peletización. 

 

Dentro de esta larga cadena de procesos, una sola decisión sobre la calidad de un producto intermedio puede afectar a muchas etapas. Un buen ejemplo es el contenido de carbono exigido por HAE. Este elemento desempeña un importante rol en el equilibrio térmico del horno y una alta concentración de carbono en el hierro esponja puede disminuir significativamente el consumo de electricidad. Sin embargo, la planta de RD tiene un control limitado sobre la proporción de carbono del hierro esponja. Normalmente, disminuyendo la productividad de los reactores es posible aumentar el contenido de carbono. Otra posibilidad es que las plantas de peletizado produzcan pellets con diferentes propiedades físicas, que se sabe que afectan a la presencia de carbono en el hierro esponja.

 

Definitivamente, no es nada sencillo saber dónde realizar los cambios necesarios para actualizar el contenido de carbono. ¿Debe ser en el reactor RD, en la planta de peletización o en ambos? ¿Debe la planta reconsiderar las necesidades de carbono de HAE?


 

Concepto 3 - Especificaciones dinámicas

 

Para evitar las fricciones entre los procesos de producción, es habitual adoptar especificaciones de producto para cada interfaz. Existen rangos acordados para las propiedades físicas y químicas de los productos intermedios, que sirven como forma práctica de coordinar las decisiones entre los departamentos. Este sistema es ideal para contextos en los que existen requisitos mínimos y máximos adecuados para las capacidades de proceso y un suministro estable de materia prima.

 

 

Dado que la materia prima es el principal impulsor de la calidad del producto y el rendimiento del proceso, la revisión de las especificaciones debe variar en función de las condiciones del mercado; no sólo considerando la disponibilidad del material, sino también su precio. Los fabricantes de acero deben considerar las alternativas de la materia prima para adaptarse a los nuevos escenarios. Por ejemplo, si hay escasez del principal proveedor de ferroaleaciones de fósforo, la planta debe reconsiderar sus especificaciones en el acero bruto, el hierro esponja e incluso en su nivel de pellets.

 

Una especificación establecida por escrito puede ser el punto ciego de un proceso.


 

Concepto 4 - Optimización de procesos

 

Los ingenieros de procesos también deben considerar cómo operar sus máquinas para aumentar los beneficios para toda la planta. El impacto de las decisiones relacionadas con el proceso es claro con respecto al tratamiento de los gases en la planta de RD y la estrategia de carga en el HAE.

 

El material cargado en el reactor de RD interactúa químicamente con el gas reductor, generando el hierro esponja y el gas de escape que se recaptura. El sistema de gas está diseñado para maximizar la recirculación y garantizar su capacidad de reducción. Para lograr este objetivo, el gas de escape se trata para controlar su composición química, principalmente en lo que respecta a: CO2, H2, CH4, y CO. La eficiencia de remoción de CO2 está sometida a una cierta capacidad, mientras que el aumento de compuestos de hidrocarburos requiere la adición de gas reformado o gas natural al sistema. La composición del primero es una palanca de proceso, que se puede cambiar considerando factores operativos del reformador, como la presión y la humedad. Además, se inyecta oxígeno antes de la entrada al reactor, lo que resulta en reacciones de combustión parcial que aumentan la temperatura del gas y permiten una mayor productividad.

 

Todas las decisiones tienen importantes implicaciones en las demás. La reducción de la demanda de materia prima, la remoción de CO2, el proceso de reformado y la inyección de oxígeno tienen un delicado equilibrio, que corresponde a los ingenieros definir el camino a seguir.


 

Concepto 5 - También se trata de microeconomía

 

Otro aspecto importante de la industria siderúrgica es la flexibilidad de la producción. Hay muchos tipos de materias primas que se pueden utilizar a lo largo de la cadena de producción. En los reactores RD, los minerales calibrados pueden sustituir a los pellets. En HAE, las chatarras pueden sustituir a los hierro esponjas. Lo difícil es saber cuándo hay que cambiar la mezcla de entrada.

 

Para los ingenieros de procesos de HAE, es natural determinar la mezcla comparando el costo de producción de hierro esponja con el precio de mercado de la chatarra. Cuando el mercado puede suministrar una chatarra con una mejor relación costo-beneficio, es lógico cambiar la mezcla. Sin embargo, debido a la complejidad del proceso, los responsables de la toma de decisiones suelen considerar el costo promedio de producción del hierro esponja como su índice para tomar medidas. Sin embargo, este concepto económico no se ajusta al análisis a realizar. En su lugar, hay que considerar el costo marginal de producción, que determina el costo de producción de la siguiente tonelada de hierro esponja producida. 

 

Este concepto microeconómico es fundamental. Si se sabe que la siguiente tonelada de hierro esponja es mucho más cara que la del proveedor alternativo de chatarra, es fácil comprar el material externo. Sin embargo, si este concepto no está claro, la planta sólo constatará un aumento del costo de producción. El costo adicional se diluye en el costo promedio total de producción y es posible que se necesiten muchas toneladas de hierro esponja para darse cuenta de que ha llegado el momento de empezar a sustituir la chatarra por hierro esponja.

 

 

Esta delicada función de costo marginal de producción es difícil de seguir en esta industria. Cada proceso tiene sus propias limitaciones operativas más allá de las especificaciones de su producto, y todos los cambios en el consumo de materias primas o en los factores operativos pueden afectar el costo marginal de producción. Además, su complejidad aumenta porque los cuellos de botella de un proceso pueden afectar a todos los demás.


 

Solución - Cuantificación del proceso de decisión

 

Por último, en un proceso tan integrado, la única manera de tomar las decisiones correctas teniendo en cuenta todos los delicados equilibrios y conceptos es aplicando un modelo matemático. Éste tendrá en cuenta todos los balances de masa, químicos, térmicos y energéticos, a la vez que hará un seguimiento de los ingresos y costos de cada solución posible. Además, los algoritmos de optimización son adecuados para encontrar la mejor solución entre todas las posibilidades, dado un objetivo determinado. Combinándolos, es posible saber qué debe hacer la planta para minimizar los costos o maximizar las ganancias.

 

Tras la exitosa implementación del modelo AH-LD en Gerdau, CSP y Usiminas, entre otras, el modelo RD-HAE está funcionando en las plantas de Ternium en México.

 


 

Autor: Guilherme Martino - Senior Consultant en Cassotis Consulting

                                      Coautores: Fabio Silva - Gerente Senior en Cassotis Consulting

        Emmanuel Marchal - Managing Partner en Cassotis Consulting

 

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