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ANÁLISIS DE LA PRODUCCIÓN EN CONVERTIDORES LWS MEDIANTE EL ESTUDIO DE PRÁCTICAS OPERATIVAS ERIKA FERNANDA PARDO SIERRA UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE METALURGIA TUNJA 2019 ANÁLISIS DE LA PRODUCCIÓN EN CONVERTIDORES LWS MEDIANTE EL ESTUDIO DE PRÁCTICAS OPERATIVAS Presentado por: ERIKA FERNANDA PARDO SIERRA Trabajo de grado como requisito para optar el título de: INGENIERO METALÚRGICO Director: FABIO RAÚL PÉREZ VILLAMIL Ingeniero Metalúrgico, Maestría en Metalurgia y Ciencia de los Materiales UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE METALURGIA TUNJA 2019 Nota de aceptación Firma del presidente de jurado Firma de jurado Firma de jurado 12 de octubre de 2019 DEDICATORIA Porque todas las cosas proceden de él, y existen por él y para él. ¡A él sea la gloria por siempre! Amén Romanos 11:36 A mis padres Gabriel y Marina porque gracias a su ejemplo y a las cualidades que forjaron en mí desde niña hoy puedo dar un paso más hacia el cumplimiento de mis sueños. A mí cuñada Andrea y a mis hermanos Andrés, Carolina y Sofía por contribuir a mi crecimiento personal continuo y por mantener siempre su confianza en mis capacidades. A mis sobrinos por darme una razón cada día para sonreír y hacer las cosas mejor. A mi compañero de vida por todo su apoyo, colaboración y amor. El amor de cada uno de ustedes es mi motor para cumplir mis metas, ¡Los Amo! AGRADECIMIENTOS A mis padres por su apoyo constante durante el desarrollo de este proyecto. A la universidad pedagógica y tecnológica de Colombia y a la escuela de ingeniería metalúrgica por brindarme los conocimientos y habilidades necesarias para servir a la sociedad desde mí campo de acción. Al ingeniero Fabio Raúl Pérez por asumir la dirección de este trabajo y brindarme su asesoría y orientación durante el desarrollo del mismo. A la compañía Acerías Paz del Rio S. A. por darme la oportunidad de pertenecer a su equipo de trabajo. A cada uno de los integrantes de la división de aceración, en especial al equipo de trabajo de la célula convertidores por su disposición, apoyo, acompañamiento y enseñanzas durante el desarrollo de este trabajo. A los ingenieros Eduardo Franco, José Mario Cala, William Viancha y Ligia Estupiñan por su orientación y acompañamiento durante esta etapa. CONTENIDO pág. GLOSARIO .......................................................................................................................................... 11 RESUMEN .......................................................................................................................................... 14 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 15 2. MARCO REFERENCIAL .................................................................................................................. 17 2.1 PROCESO SIDERÚRGICO ............................................................................................................ 17 2.2 CONVERTIDORES LWS ............................................................................................................... 17 2.2.1 Origen ....................................................................................................................................... 17 2.2.2 Estructura ................................................................................................................................. 18 2.2.3 Materias primas ....................................................................................................................... 22 2.2.4 Etapas del proceso ................................................................................................................... 26 2.3 SET UP ....................................................................................................................................... 27 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ............................................................................................... 30 4.1 METODOLOGÍA.......................................................................................................................... 30 4.1.1 ETAPA 1: Reconocimiento del proceso .................................................................................... 30 4.1.2 ETAPA 2: Obtención y recopilación de información ................................................................ 30 4.1.3 ETAPA 3: Análisis de información ............................................................................................ 31 4.1.4 ETAPA 4: Optimización de proceso .......................................................................................... 31 4.1.5 ETAPA 5: Definición de indicadores y seguimiento ................................................................. 31 4.2 DISEÑO EXPERIMENTAL ............................................................................................................ 31 5. DESARROLLO EXPERIMENTAL ...................................................................................................... 32 5.1 RECONOCIMIENTO DEL PROCESO ............................................................................................. 32 5.1.1 Características del equipo ........................................................................................................ 32 5.1.2 Condiciones del proceso .......................................................................................................... 32 5.1.3 Relevancia del convertidor LWS en la dinámica de la planta de aceración ............................. 41 5.2 OBTENCIÓN Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN ..................................................................... 41 5.2.1 Peso promedio ......................................................................................................................... 41 5.2.2 Set up ....................................................................................................................................... 44 5.3 Análisis de la información ......................................................................................................... 45 5.3.1 Peso promedio ......................................................................................................................... 45 5.3.2 Set Up ....................................................................................................................................... 45 5.4 DEFINICIÓN DE INDICADORES Y SEGUIMIENTO ........................................................................ 46 5.4.1 Indicador peso promedio ......................................................................................................... 46 5.4.2 Indicador Set Up ....................................................................................................................... 46 6. RESULTADOS ................................................................................................................................ 48 6.1 PESO PROMEDIO ....................................................................................................................... 48 6.1.1 Calculo de la capacidad de proceso peso promedio ................................................................ 48 6.1.2 Influencia del mix de chatarra en el peso promedio ...............................................................49 6.1.3 Aceros sismo resistentes .......................................................................................................... 51 6.1.4 Aceros bajo carbono ................................................................................................................ 52 6.1.5 Influencia de la relación de carga en el peso promedio .......................................................... 53 6.1.6 Comportamiento del peso promedio en coladas de arranque................................................ 54 6.1.7 Relación entre peso promedio y productividad del área convertidores ................................. 55 6.1.8 Comportamiento del indicador ................................................................................................ 56 6.2 SET UP ....................................................................................................................................... 56 6.2.1 Medición inicial ........................................................................................................................ 56 6.2.2 Análisis de tiempos y movimientos ......................................................................................... 57 6.2.3 Estandarización de tiempos ..................................................................................................... 65 6.2.4 Porcentaje de paradas por SET UP en relación a las paradas generales del área ................... 66 6.2.5 Relación entre tiempos de SET UP y productividad del área convertidores ........................... 67 6.2.6 Comportamiento del indicador ................................................................................................ 68 7. CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 69 8. RECOMENDACIONES .................................................................................................................... 71 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................... 72 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Estructura del convertidor LWS .................................................................................. 19 Figura 2. Fondo y ubicación de toberas ..................................................................................... 20 Figura 3. Configuración de las toberas concéntricas y descripción de los fluidos............... 20 Figura 4. Revestimiento refractario del convertidor. ................................................................. 21 Figura 5. Esquema del proceso de calcinación ......................................................................... 24 Figura 6. Estructura de la metodología desarrollada ................................................................ 30 Figura 7. Partes del convertidor .................................................................................................. 32 Figura 8. Diagrama de flujo del proceso LWS. ......................................................................... 35 Figura 9. Diagrama de flujo SET UP convertidores. ................................................................. 36 Figura 10. Chimenea del convertidor ......................................................................................... 37 Figura 11. Plataforma del convertidor ......................................................................................... 37 Figura 12. Vista del fondo y conjunto de toberas ..................................................................... 38 Figura 13. Boca del convertidor ................................................................................................... 39 Figura 14. Ubicación de babero en la boca del convertidor ................................................... 39 Figura 15. Plataforma frontal del convertidor ............................................................................ 40 Figura 16. Vista del primer nivel convertidores y línea férrea. ................................................ 40 Figura 17. Comportamiento peso promedio enero. .................................................................. 47 Figura 18. Comportamiento indicador SET UP enero. ............................................................. 47 Figura 19. Comportamiento del peso de acero obtenido para las coladas procesadas en el convertidor LWS en el mes de enero 2019 ................................................................................ 48 Figura 20. Graficas de distribución y porcentaje de cumplimiento ......................................... 49 Figura 21. Comportamiento del peso promedio en función del mix de chatarra. ................ 50 Figura 22. Comportamiento de distintos mix de chatarra empleados en la fabricación de acero sismo resistente. ................................................................................................................. 51 Figura 23. Comportamiento de distintos mix de chatarra empleados en la fabricación de acero bajo carbono ........................................................................................................................ 53 Figura 28. Comportamiento depeso promedio según relación de carga. ............................. 54 Figura 29. Comportamiento del peso promedio en coladas de arranque. ........................... 55 Figura 26. Comportamientodel indicador ................................................................................... 56 Figura 27. Distribución de tiempos de SET UP ......................................................................... 60 Figura 28. Distribución de tiempos muertos en el SET UP ..................................................... 60 Figura 33.Tiempo empleado enparcheo de babero y su impacto en min/col. ...................... 63 Figura 34.Tiempo empleado en limpieza de línea y su impacto en min/col. ........................ 64 Figura 35.Tiempo empleado en SET UP completo y su impacto en min/col. ...................... 65 Figura 36.Porcentaje de paradas por SET UP. ......................................................................... 67 LISTA DE CUADROS pág. Cuadro 1. Clasificación del arrabio según el porcentaje de silicio en APDR........................ 22 Cuadro 2. Factores que afectan el peso promedio de las coladas ........................................ 43 Cuadro 3. Variables que impactan el tiempo de ejecución y frecuencia del SET UP ......... 44 Cuadro 4. Tiempos de ejecución del SET UP por actividad. ................................................ 45 Cuadro 5. Rango de composición de arrabio liquido empleado en coladas de prueba. ... 45 Cuadro 6. Capacidad potencial del proceso y capacidad real del proceso ......................... 49 Cuadro 7. Identificación de mix de chatarra .............................................................................. 50 Cuadro 8. Mix de chatarra empleados en la fabricación de aceros sismo resistente ......... 51 Cuadro 9. Mix de chatarra empleados en la fabricaciónaceros bajo carbono .................... 52 Cuadro 10. Peso promedio e índice de rendimiento metálico según relación de carga. .. 53 Cuadro 11. Tiempos de ejecución del SET UP por actividad. .............................................. 57 Cuadro 12. Descripción de tiempos y movimientos iníciales. ................................................. 59 Cuadro 13. Descripción de tiempos y movimientos luego de implementar prácticas operativas. ....................................................................................................................................... 62 Cuadro 14. Tiempos estándar ...................................................................................................... 65GLOSARIO - ACERO: Es una aleación de hierro con una cantidad de carbono que puede variar entre 0,03% y 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas, sobre todo su resistencia1. - ALTO HORNO: Es un horno en el que tienen lugar la reducción y fusión de los minerales de hierro en un material rico en hierro conocido como arrabio. Está constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias2. - ARRABIO: También conocido como hierro de primera fusión, se obtiene del tratamiento de minerales de hierro, coque y caliza, a través de la reducción- fusión en un alto horno. Este material, se caracteriza por tener elevados porcentajes de Carbono, silicio, manganeso y fosforo3. - CAL: Es un compuesto básico, el cual se emplea como fundente en los procesos de fabricación de acero, debido a que contribuye al cuidado del material refractario de los hornos y ayuda a neutralizar los compuestos de óxidos ácidos presente en las escorias. En convertidores con inyección de oxigeno por la parte inferior, se suele inyectar cal en polvo por medio de las toberas para controlar el soplo cuando el índice de proyecciones aumenta, sobre todo en la etapa de descarburación4. - CAL CRUDA: Se obtiene cuando el tiempo de retención de la carga o la temperatura en la zona de calcinación son muy bajas. Se caracteriza por tener una capa externa bien calcinada (coloración blanca), con un núcleo de caliza. 1 ¿QUÉ ES EL ACERO? [En línea]. [Consulta 19 de noviembre de 2018]. Disponible en: https://www.alacero.org/es/page/el-acero/que-es-el-acero. 2 WORDPRESS. Alto Horno [en línea]. [Consulta 12 de noviembre de 2018]. Disponible en: https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/01/alto-horno.pdf. 3 PRODUCCIÓN Y REFINACIÓN DE ARRABIO [En línea]. [Consulta 19 de noviembre de 2018]. Disponible en: https://www.alacero.org/es/page/el-acero/que-es-el-acero. http://www.infoacero.cl/acero/parrabio.htm 4 FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE CALCINACIÓN. Cartilla de capacitación. Belencito. Acerías paz del rio, 2007.p.5-45. Este tipo de cal presenta una reactividad, la cual depende del grado de cocción que haya tenido la roca, además de esto, si se emplea en procesos siderúrgicos, esta tiende a proporcionar una elevada perdida térmica. - CAL REACTIVA: Esta cal es producto de un proceso de calcinación óptimo y muy bien controlado, en el cual las temperaturas y los tiempos de residencia de la carga fueron óptimos. Esta cal se caracteriza por presentar una coloración blanca cremosa, posee poros pequeños, el volumen total de poros es elevado y tiene una gran reactividad química5. - CAL RECOCIDA: Los carbonatos presentes en la caliza se han descompuesto totalmente y por un exceso en la temperatura de calcinación o tiempo de residencia de la carga, la cal sufre una transformación en su estructura cristalina. - CALCINACIÓN: Consiste en realizar la descomposición química de la caliza, llevando la roca hasta una temperatura de 900°C, en la cual se produce una reacción de descomposición, dando como productos la cal (CaO) y dióxido de carbono (CO2), cabe resaltar que esta reacción es netamente endotérmica. La reacción de descomposición de la caliza, se muestra a continuación 6: CaCO3 + Calor CaO + CO2 - CHATARRA: La chatarra en el proceso de convertidores cumple dos funciones esenciales, refrigerar el baño metálico con el fin de que las reacciones producidas en el convertidor se mantengan en un rango de temperatura de 1650 a 1680°C y como material a portante al baño metálico. Las chatarras cargadas al convertidor pueden ser chatarras de generación propia, rechazo y retorno7. - CONVERTIDOR LWS: Es un recipiente fabricado en chapa de acero de forma especial que recuerda una pera, revestido interiormente por ladrillo refractario y con un fondo perforado para permitir la entrada oxígeno, nitrógeno y cal en polvo. 5 CALCULOS DE SOPLO II. Presentación de capacitación. Belencito. Acerías paz del rio. 2018. 6 FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE CALCINACIÓN. Cartilla de capacitación. Belencito. Acerías paz del rio, 2007.p.5-45. 7 FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE CALCINACIÓN. Cartilla de capacitación. Belencito. Acerías paz del rio, 2007.p.5-45. - DIAGNÓSTICO DE TRABAJO OPERACIONAL: herramienta de gestión que permite evaluar los parámetros de control, indicadores, metas, estándares y métodos de trabajo, a través de estudios que generan información objetiva, práctica y validada sobre las áreas de oportunidad del proceso 8. - DIAGRAMA DE PARETO: Constituye un sencillo y gráfico método de análisis que permite discriminar entre las causas más importantes de un problema y las que lo son menos, la ventaja de este tipo de diagrama es que permite centrar la atención en los aspectos cuya mejora tendrá más impacto9. - PATRÓN OPERACIONAL: estándar que contiene la descripción de actividades, riesgos asociados, materiales, equipos, elementos de protección personal y acciones de corrección inmediata para realizar una tarea10. - INDICADOR DE PROCESO: información utilizada para evaluar aquello que se relaciona con las actividades. Su objetivo es analizar dicha actividad señalando las técnicas de control 11. - PLAN DE ACCION ANUAL (PAA): Un plan de acción es un tipo de plan que prioriza las iniciativas más importantes para cumplir con ciertos objetivos y metas. De esta manera, un plan de acción se constituye como una especie de guía que brinda un marco o una estructura a la hora de llevar a cabo un proyecto 12. 8 BASIC OXYGEN STEEL MAKING [En línea]. [Consulta 19 de noviembre del 2018]. Disponible en http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Tema4.FabricacionAcero.ConvertidorLD.pdf 9 DIAGNOSTICO OPERACIONAL [en línea]. [Consulta 19 de noviembre de 2018]. disponible en: https://es.scribd.com/doc/313496440/DIAGNOSTICO-OPERACIONAL 10 DIAGRAMA DE PARETO-HERRAMIENTAS DE CALIDAD [en línea]. [Consulta 20 de noviembre de 2018]. disponible en: https://www.aiteco.com/diagrama-de-pareto 11 NUEVAS HERRAMIENTAS PARA EL CONTROL DE GESTIÓN [en línea]. [Consultado el 20 de noviembre de 2018]. disponible en: http://www.logisticasud.enfasis.com/articulos/69233-nuevas- herramientas-el-control-gestion 12 TIPOS DE INDICADORES [en línea]. [Consulta 15 de noviembre de 2018]. Disponible en: http://www.tiposde.org/ciencias-exactas/566-tipos-de-indicadores/ https://www.aiteco.com/herramientas-de-la-calidad/ https://www.aiteco.com/herramientas-de-la-calidad/ RESUMEN En el presente trabajo se realiza el análisis de la producción de los convertidores LWS de la empresa Acerías Paz del Rio S.A. mediante el estudio de las prácticas operativas asociadas al peso promedio de las coladas procesadas y al tiempo empleado en las actividades del set Up. En el primer caso, el análisis incluye la identificación de las variables que generan variación en los pesos, pruebas con diferentes mix chatarra y relaciones de carga. En el segundo caso, se realiza la identificación de las variables que contribuyen a la variación de tiempo y frecuencia de cada una de las tareas del Set Up mediante un análisis de tiempos y movimientos. Una vez realizada esta identificación de variables se proponen acciones de mejora que permitan estabilizar el peso promedio y el tiempo invertido en el set up, encontrando como resultado que la implementación de nuevas prácticas operativas representaría una gananciade aproximadamente 226,8 ton/mes (7,5 ton/día) lo que equivale a procesar cinco (5) coladas con peso de 39,5 toneladas. Finalmente, la optimización de tiempos y frecuencias en el Set Up genera una reducción de 35 minutos por día, lo que representa el 70% del empleado en el procesamiento de una colada. 15 INTRODUCCIÓN Acerías Paz del Río, S.A. nació en 1948, por iniciativa del gobierno colombiano bajo el nombre de "Empresa Siderúrgica Nacional de Paz de Río”, el 17 de septiembre del mismo año inició la explotación de las minas de hierro y carbón en Boyacá, así como la construcción de la primera planta siderúrgica con alto horno y laminación en el país, en los terrenos de la antigua hacienda Belencito, en el municipio de Nobsa, Boyacá, donde se ha mantenido hasta la actualidad. Hoy, a sus 71 años, Acerías Paz del Río es la única siderúrgica integrada del país y es la responsable de más del 30% de la producción nacional de acero13. Acerías Paz del Río S.A es una empresa siderúrgica integrada, donde la producción de acero proviene principalmente del procesamiento de mineral de hierro, caliza y coque en un Alto Horno para producir arrabio, fundición o “hot metal” altamente carburado (4 – 5 % C) y en estado líquido. Este arrabio es cargado posteriormente junto con chatarra en el convertidor LWS y mediante la inyección de cal y oxigeno se da lugar a un proceso de oxidación que permite disminuir el contenido de algunos elementos como carbono, silicio, manganeso y fosforo en el baño metálico. Para finalmente, durante el proceso de colado adicionar las ferroaleaciones e iniciar el ajuste de la composición del acero el cual finalizara en el horno cuchara. El proceso de conversión LWS debe mantener una relación de carga arrabio- chatarra a fin de garantizar un balance térmico dentro del convertidor, generalmente, esta relación es de 75% de arrabio y 25% de chatarra, donde esta última, además de actuar como refrigerante aporta de manera significativa al peso y rendimiento metálico de las coladas obtenidas. Actualmente, se observa que, al finalizar el proceso de conversión, algunas de las coladas presentan bajo peso y por consiguiente un índice de rendimiento metálico bajo. Por lo anterior, se ve la necesidad de identificar las variables que están afectando el peso promedio de las coladas y mediante la optimización de las prácticas operativas generar una estabilización del peso. De otro lado, se sabe que todo proceso a nivel industrial requiere garantizar un mínimo de condiciones que permitan la operación óptima del equipo, esta actividad se conoce como SET UP y para el proceso de conversión LWS, es necesario garantizar no solo las condiciones del reactor sino también aquellas que garanticen la correcta secuencia del proceso. Si bien, La duración y frecuencia del SET UP están directamente relacionadas con las condiciones del proceso y calidades de materia prima, es pertinente que la actividad se realice en el menor 13 MOSQUERA RENTERÍA, Betty, et al. Curso De Profundización “Supply Chain Management y Logística”. Trabajo de grado ingeniería industrial. Acacias: Universidad Nacional Abierta y a Distancia. Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería. Programa de Ingeniería Industrial, 2014. 92 p. 16 tiempo posible, con una frecuencia adecuada y garantizando que cada minuto invertido sea aprovechado de la mejor manera, pues un tiempo de parada excesivo o paradas repetitivas impactan significativamente la productividad y eficiencia del proceso. Finalmente, mediante la estabilización del peso promedio, el control de las variables del proceso y la optimización de los tiempos de SET UP es posible aumentar la productividad y eficiencia de los convertidores LWS contribuyendo directamente al cumplimiento de las metas internas y al plan de acción anual de la empresa Acerías Paz del Rio S.A. 17 2. MARCO REFERENCIAL 2.1 PROCESO SIDERÚRGICO El proceso siderúrgico de la empresa Acerías Paz del Río, es una operación integrada, que comienza en el área de fabricación primaria, en donde los minerales extraídos son procesados a elevadas temperaturas en el alto horno, obteniéndose un hierro fundido altamente carburado denominado arrabio, el cual es vertido en cucharas a una temperatura de aproximadamente 1300 a 1400 °C y posteriormente transportado hacia el área de aceración-convertidores, en donde mediante un proceso de oxidación se eliminan impurezas como: fosforo, silicio, carbono y manganeso, logrando la transformación del arrabio líquido en acero con una temperatura promedio de colado de 1520°C a 1550°C. Una vez finalizado el proceso de conversión en el convertidor LWS, se obtiene un acero con bajos contenidos de azufre y fosforo, el cual es enviado al horno cuchara para realizar ajustes a la composición química y temperatura, obteniendo un acero óptimo para el proceso de solidificación en la máquina de colada continua. Finalmente, se obtiene como subproducto la palanquilla que es transportada hacia las naves de laminación, en donde de acuerdo a la geometría del producto terminado se envía a los trenes de laminación, siendo sometidas previamente a un proceso de precalentamiento en un horno a gas, con el fin de obtener temperaturas cercanas a los 1100°C que permiten tener las propiedades necesarias para realizar el proceso de deformación en caliente y garantizar el cumplimiento de las propiedades físicas y mecánicas requeridas 2.2 CONVERTIDORES LWS 2.2.1 Origen En la segunda mitad del siglo XIX surgieron los convertidores neumáticos para hacer frente a la masiva producción de arrabio proveniente de los altos hornos, el primero de ellos fue el convertidor desarrollado por Sir Henry Bessemer, el cual contaba con refractario ácido y se soplaba aire a través de toberas situadas en el fondo; el oxígeno del aire soplado atravesaba el material fundido existente en el convertidor, quemando a su paso el carbono, silicio y manganeso presentes. Estas reacciones generaban un efecto térmico positivo que elevaba la temperatura y daba paso a la conversión arrabio-acero14. 14 ENRRÍQUEZ BERCIANO, Jose Luis, et al. Monografías sobre tecnología del acero. Parte I. Acería Eléctrica. Universidad Politécnica de Madrid, 2009. p. 9. 18 Sin embargo, el convertidor Bessemer no permitía desfosforar ni desulfurar arrabios con alto contenido de fosforo y teniendo en cuenta que este elemento genera elevada fragilidad en caliente a los aceros, se hizo inevitable la resolución de este problema y es así como en 1978 Sidney Gilchrist THOMAS, metalurgista inglés perfeccionó el procedimiento Bessemer dando luz al tratamiento arrabios fosforosos de Francia y de otros países europeos, mediante la utilización de revestimientos básicos (dolomita) y adicionando cal al convertidor con el arrabio líquido, haciendo de esta manera posible la trasformación del arrabio fosforoso en acero THOMAS15. Sin embargo, apareció un nuevo problema que radicó en la incorporación de cantidades elevadas de nitrógeno en el acero procedentes del aire soplado. Este nitrógeno alteraba la estructura del acero solidificado dando lugar a acritud y fragilidad en frío16. Es por esta razón que las firmas industriales francesas LOIER- WENDEL SIDELOR SPRUNCK dan origen al convertidor LWS, perfeccionando el proceso THOMAS mediante la inyección de oxígeno puro y gas natural mediante toberas concéntricas, donde el calor generado en el fondo del convertidor descompone los hidrocarburos que llegan por la tobera envolviendo al oxígeno. Esta descomposición (cracking), que es endotérmica, produce una fuerte refrigeración del refractario próximo a las toberas, evitando su destrucción17. 2.2.2 Estructura El convertidor LWSes un recipiente fabricado en chapa de acero con forma cónica similar a una pera, revestido interiormente por ladrillo refractario y con un fondo perforado para permitir la entrada oxígeno, nitrógeno y cal en polvo. Gira alrededor de un eje, situado aproximadamente en su centro de gravedad para cargar el arrabio y descargar el acero fundido cerrándose automáticamente la entrada de oxígeno en cuanto deja de estar vertical, que es la posición de trabajo18. 2.2.2.1 Carcasa. La carcasa del convertidor está dispuesta de la siguiente manera: una parte troncocónica donde está el pico con su canal de vertimiento y sangrado (babero) y la panza, una parte cilíndrica, donde se considera la espalda y parte de la panza y el talud donde empalma con la parte cilíndrica y con la silla. 15 COMA GARCÍA, Jorge. Simulación de la Metalurgia en el Convertidor LD. Máster en Ingeniería de Minas. Oviedo: Universidad de Oviedo. Escuela de Ingeniería de Minas, Energía y Materiales de Oviedo. 2016. 76 p. 16 Ibíd., p. 12. 17 CONECTE ESCUELA TÉCNICA. Proceso de conversión en el convertidor LWS. Belencito, 2018. p. 5. 18 Ibíd., p. 7. 19 2.2.2.2 Cinturón. El cinturón o anillo portante está formado por piezas en acero igual al de la carcasa y contiene dos muñones. Uno de éstos se integra con el sistema de engranaje mecánico de la cremallera, que le proporciona movimiento de giro al convertidor. El otro muñón hueco permite la entrada de los diferentes circuitos que transportan los fluidos para el proceso de afino. Figura 1. Estructura del convertidor LWS Fuente. CONECTE ESCUELA TÉCNICA. Proceso de conversión en el convertidor LWS. Belencito, 2018. p. 5. 2.2.2.3 Fondo. El fondo consta de una placa de acero en la cual se realiza el montaje y disposición de las cinco (5) toberas que se encuentran incrustadas en éste y rodeadas de ladrillos refractarios a base de magnesita de 1 m de longitud. Cada tobera está compuesta por dos tubos concéntricos, uno en acero (exterior) y otro en cobre (interior). Un fondo tiene una duración de aproximadamente 400 a 600 cargas y su velocidad de desgaste se sitúa entre 1,1 y 1,6 mm por colada19. Por su parte, las toberas son los mecanismos que se encargan de inyectar el oxígeno y la cal en polvo al Convertidor, consisten en dos tubos donde el tubo central permite la inyección de oxígeno mientras que el exterior permite la inyección de ACPM cuya principal función es refrigerar y proteger el conjunto contra las altas temperaturas generadas por las reacciones de oxidación20. 19 Ibíd., p. 9. 20 VENTUROLI AUAD, Marcos. Refratário para convertedor LD. En: Aciaria a oxigênio. Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração – ABM. Brasil, 2014. p. 5-8. 20 Figura 2. Fondo y ubicación de toberas Fuente. Autor. Figura 3. Tobera para soplado por el fondo del convertidor. Fuente. ENRRÍQUEZ BERCIANO, Jose Luis, et al. Monografías sobre tecnología del acero. Parte I. Acería Eléctrica. Universidad Politécnica de Madrid, 2009. p. 17. 21 2.2.2.4 Revestimiento refractario. Los materiales resistentes al calor se denominan refractarios cuando su temperatura de reblandecimiento es igual o superior a 1500 °C. En la construcción y reparación del convertidor es indispensable el empleo de estos materiales. Dentro de las principales agresiones que puede sufrir el refractario se encuentran las siguientes21: - Térmica: Por las temperaturas del acero y la escoria, tanto por choques térmicos por cambios bruscos de temperatura. - Química: Ataque de escorias, reacciones de óxido-reducción. - Mecánica: Golpe causado por la caída de cargas, rozamiento de materiales durante arranque y agrietamiento (spalling). Figura 4. Revestimiento refractario del convertidor. Fuente. CONECTE ESCUELA TÉCNICA. Proceso de conversión en el convertidor LWS. Belencito, 2018. p. 5. El revestimiento refractario de la coraza está formado con refractario básico, con variaciones de espesor y calidad según las distintas zonas según el grado de desgaste, esta variación busca compensar el mayor desgaste, causado por la 21 ENRRÍQUEZ BERCIANO, Jose Luis, et al. Monografías sobre tecnología del acero. Parte I. Acería Eléctrica. Universidad Politécnica de Madrid, 2009. p. 104. 22 erosión o por el ataque químico de las escorias, durante las distintas fases del soplo. La línea de escoria y puntos calientes, están formados por ladrillos sinterizados a base de magnesia-carbono, químicamente aglutinado con la siguiente composición: MgO = 90-94% y C = 8-15%22. La figura 4 muestra la distribución del ladrillo refractario en el convertidor según las zonas de desgaste. 2.2.3 Materias primas 2.2.3.1 Arrabio. El arrabio, también denominado hierro de primera fusión se obtiene del tratamiento de la mezcla de minerales de hierro, coque y caliza, a través de la reducción-fusión en un alto horno. Este material, se caracteriza por tener elevados porcentajes de carbono, silicio, manganeso y fosforo, los cuales pueden ir de 2,5% a 3,8% - 0,5% a 1,5% - 1,5% a 2,7% y 0,3% a 1,1% respectivamente, lo que lo hace equiparable en sus propiedades a una fundición. El arrabio líquido es la materia prima fundamental en el proceso LWS, ya que proporciona el 70-75% de la carga metálica. Como se observará más adelante, la composición química del arrabio y principalmente el contenido de silicio, son de vital importancia en el proceso de conversión LWS, por tal razón, en Acerías Paz del Rio (APDR) se clasifica el arrabio de la siguiente manera. Cuadro 1. Clasificación del arrabio según el porcentaje de silicio en APDR TIPO I (%Si) TIPO II (%Si) NO CONFORME (%Si) 0,4 – 0,8 0,3 - 0,39 0,81 - 1,25 < 0,3 >1,25 Fuente. Autor. 2.2.3.2 Caliza. Las calizas son rocas sedimentarias, formadas por depósitos de los productos de alteración química y física de rocas preexistentes y primitivas. Debido a la extrema lentitud con la que se descomponen los fósiles que contienen carbonato de calcio y al efecto disolvente del dióxido de carbono, se forma el bicarbonato de calcio23. El carbonato de calcio constituye al menos el 50% de todas las piedras calizas en forma de calcita. Algunas calizas son calcita pura, pero la mayoría de las calizas contienen arena y otras sustancias como cuarzo, piritas y minerales de arcilla. La 22 VENTUROLI AUAD, Marcos. Refratário para convertedor LD. En: Aciaria a oxigênio. Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração – ABM. Brasil, 2014. p. 5-8. 23 CONECTE ESCUELA TÉCNICA. Fabricación de cal. Belencito, 2018. p. 6. 23 piedra caliza es el resultado del peso de las capas de diferentes minerales de calcita y se combinan con la reacción química creados por calor y presión. La caliza está formada por una serie de compuestos químicos, en el que la presencia de los carbonatos de calcio y de magnesio es más significativa. Desde el punto de vista geológico, la piedra caliza puede estar compuesta por 4 minerales: la calcita, el aragonito, la dolomita y la magnesita. - La calcita (CaCO3): Es el carbonato de calcio, que al calcinarlo se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico. Cristaliza en el sistema hexagonal, pero sus cristales varían extremadamente de hábito, y a menudo son altamente complejos. El romboédrico y el escalenoédrico son las formas más frecuentes. Su reacción de descomposición es la siguiente24: CaCO3 (sólido) + Calor CaO (sólido) + CO2 (gas) - El aragonito (CaCO3): Cristaliza en el sistema ortorrómbico, típicamente de origen termal. Sin embargo, el aragonito también se forma en procesos de bio- mineralización; los cuerpos de moluscos, las perlas, y el esqueleto humanotienen aragonito. El aragonito es el primer caso de polimorfismo mineralógico conocido. Tiene igual fórmula que la calcita, pero cristaliza en el sistema ortorrómbico. - La dolomita: Es un carbonato doble del calcio y del magnesio, con la fórmula CaMg (CO3)2. Como la calcita, se cristaliza en el sistema hexagonal. La mezcla de carbonato de calcio y de carbonato de magnesio puede alcanzar hasta un 44%. Se forma por la transformación secundaria de los sedimentos de la calcita en piedra caliza, bajo influencia del agua en circulación, a través de la substitución parcial del calcio por el magnesio25. Su reacción de descomposición es la siguiente: CaCO3. MgCO3(s) + CalorCaO. MgO (s) + 2CO2 (g) - La magnesita (MgCO3): La forma típica de este mineral son las masas de micro cristales, compactas y opacas. Cristaliza en estructura romboédrica y su origen es posible por segregación especialmente de rocas de metamorfismo regional, y muchas veces como producto de alteración de silicatos de magnesio o transformación de calizas y dolomías26. Se encuentra como producto de alteración de la serpentina a causa del ataque del agua cargada de CO2. 24 Ibíd., p. 10. 25 Ibíd., p. 11. 26 Ibíd., p. 12. 24 También puede tener origen metamórfico. Su reacción de descomposición es la siguiente: MgCO3 (s) + Calor MgO (s) + CO2 2.2.3.3 Cal. Es un compuesto básico que se emplea como fundente en los procesos de fabricación de acero, debido a que contribuye al cuidado del material refractario de los hornos y ayuda a neutralizar los compuestos de óxidos ácidos presentes en las escorias. Proviene del proceso de descomposición química de la caliza, llevando la roca hasta una temperatura de 900°C, en la cual se produce una reacción de descomposición, dando como productos oxido de calcio (CaO) y dióxido de carbono (CO2)27, cabe resaltar que esta reacción es netamente endotérmica. La reacción de descomposición de la caliza se muestra a continuación: CaCO3 + Calor CaO + CO2 Figura 5. Esquema del proceso de calcinación Fuente. CONECTE ESCUELA TÉCNICA. Fabricación de cal. Belencito, 2018. p. 28. Uno de los factores más importantes a tener en cuenta para la selección del tipo de piedra caliza a emplear en el proceso de calcinación es el contenido de impurezas. En la norma ASTM C 25-83 (nivel permisible de impurezas en calizas), se establecen los siguientes criterios que definen la calidad de una cal. 27 ENRRÍQUEZ BERCIANO, Jose Luis, et al. Monografías sobre tecnología del acero. Parte I. Acería Eléctrica. Universidad Politécnica de Madrid, 2009. p. 123. CALOR CALOR REACCIÓN 25 - % SiO2 presente en la roca caliza: 1,0 a 2,5 como máximo. - % CaO: 51,0-54,0 - % S: Menor a 0,1. - % R2O3: 0,5 a 1,5 De acuerdo al grado de cocción o descomposición que sufre la cal, se distinguen tres tipos de cal: cal cruda, cal recocida y cal reactiva. - Cal cruda: Se obtiene cuando el tiempo de retención de la carga o la temperatura en la zona de calcinación son muy bajas. Se caracteriza por tener una capa externa bien calcinada (coloración blanca), con un núcleo de caliza. Este tipo de cal presenta una baja reactividad, la cual depende del grado de cocción que haya tenido la roca, además de esto, si se emplea en procesos siderúrgicos, esta tiende a proporcionar una elevada perdida térmica. - Cal recocida: Los carbonatos presentes en la caliza se han descompuesto totalmente y por un exceso en la temperatura de calcinación o tiempo de residencia de la carga, la cal sufre una transformación en su estructura cristalina provocando que su reactividad disminuya. Este tipo de cal se caracteriza por tener poros demasiados grandes, presenta una coloración negra, sus granos cristalinos son grandes y el volumen total de poros es pequeño. Este tipo de cal siempre permanece inerte en los procesos metalúrgicos, por lo cual se considera una cal inservible. - Cal Reactiva: Esta cal es producto de un proceso de calcinación óptimo y muy bien controlado, en el cual las temperaturas y los tiempos de residencia de la carga fueron óptimos. Esta cal se caracteriza por presentar una coloración blanca cremosa, posee poros pequeños, el volumen total de poros es elevado y tiene una gran reactividad química. 2.2.3.4 Chatarra. El cargue de chatarra en el proceso de conversión LWS tiene dos finalidades esenciales: actuar como refrigerante del baño metálico garantizando que las reacciones producidas en el convertidor se mantengan en un rango de temperatura de 1650 a 1680°C y como material a portante al rendimiento metálico debido a su alto contenido de hierro. Como se observará más adelante, en acerías Paz del Rio la chatarra se clasifica en según calidad y procedencia en chatarra propia, rechazo, retorno interno y chatarra comprada; donde cada uno presenta un comportamiento diferente durante el proceso. La chatarra incorporada en el proceso LWS debe estar libre de elementos contaminantes como plásticos, grasas, pinturas y metales pesados, debido a que si contienen elementos como cobre, níquel, cromo, etc. Se hace difícil su extracción y generan problemas en etapas posteriores al crear zonas duras 26 disminuye la calidad de productos largos de espesores menores a 5 mm. Además, en cuanto a tamaño, si estos son trozos muy grandes podrían generar daño en el refractario del convertidor durante la caída. 2.2.3.2 Oxigeno. Es el agente oxidante para las reacciones que tienen lugar en el convertidor. Su pureza debe ser superior al 99,99%, y en razón a su afinidad con el nitrógeno la disolución de este elemento en el baño superaría las restricciones por formación de nitruros. El oxígeno se inyecta por el fondo del convertidor a través de 5 toberas. Este oxigeno sirve para oxidar las impurezas que trae el arrabio (Si, Mn, C, P, S) y cuya reacción exotérmica eleva la temperatura a valores que permiten fundir la chatarra y llegar a las temperaturas de proceso, al mismo tiempo que forma los óxidos respectivos que mediante la acción de la Cal van a formar la escoria del Convertidor. A este proceso de inyección de oxigeno se le conoce como “soplo” donde las variables que intervienen en este proceso definen lo que se llama el “esquema, patrón o perfil de soplo” y son diferentes para cada grado de acero, temperatura del arrabio, tenor del silicio en el arrabio y número de coladas que lleve el revestimiento refractario del Convertidor. Estas variables son: Volumen de oxígeno, su caudal y su presión28. 2.2.4 Etapas del proceso El proceso de conversión LWS es un proceso esencialmente oxidante cuya finalidad es reducir los elementos de aleación que por el anterior proceso reductor o por condiciones del mineral quedan presentes en el arrabio mediante una serie de reacciones que siguen el principio de afinidad química de cada elemento por el oxígeno se procede a llevar a unos niveles de calidad que exige un acero. Teniendo en cuenta lo anterior se distinguen principalmente tres etapas durante el proceso. 2.2.4.1 Etapa 1: Oxidación de silicio y manganeso. El silicio contenido en el arrabio reacciona con el oxígeno inyectado por medio de las toberas obteniendo como producto SiO2 (reacción 1), posteriormente, la sílice formada reacciona con el óxido de calcio (CaO) formando un silicato di cálcico que permanecerá estable en la escoria (reacción 2). Inmediatamente, se da origen a la oxidación del manganeso (reacción 3) que entrará en contacto con CaO figará el manganeso en la escoria en forma de CaO. MnO (reacción 4). Este soplo dura de 3,5 a 5,0 minutos. Aquí ya se tienen tres fases perfectamente definidas: metal, escoria y gases. 28 GUIMARÃES DE ATHAYDE, João Domingos. Controle de processo. En: Aciaria a oxigênio.Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração – ABM. Brasil, 2014. p. 5-8. 27 2.2.4.2 Etapa 2: Descarburación creciente. Durante esta etapa el carbono presente en el baño reacciona con el oxígeno inyectado y da origen al dióxido y monóxido de carbono, donde se considera que el 95% se quema como CO2 y el 5% restante corresponde a CO. Esta etapa determina el tiempo de proceso, la formación de la escoria espumosa y el nivel de proyecciones durante el soplo., producción de llama en la boca del Convertidor y gran formación de calor. Si+ O2SiO2 SiO2 + CaOCaO.SiO2 Mn + ½ O2MnO MnO + Cao CaO. MnO (1) (2) (3) (4) C + ½ O2 CO C + O2CO2 Fe + ½ O2 FeO (5) (6) (7) 2.2.4.3 Etapa 3: Descarburación decreciente y oxidación del hierro. Cuando el porcentaje de carbono en el baño es menor a 0,8% la velocidad de descarburación disminuye, produciéndose la oxidación del hierro metálico a óxido de hierro FeO (reacción 7)29. 2.3 SET UP El set-up es tiempo de preparación en un proceso, es decir, el tiempo necesario en cambiar un dispositivo de un equipo, preparar ese equipo para producir un modelo diferente o simplemente un tiempo necesario para garantizar que el equipo cuente con las condiciones necesarias para operar30. El SET UP de convertidores se divide en 6 tareas, donde cada una de ellas tienen por finalidad garantizar las condiciones de operación del convertidor LWS desde su etapa de cargue hasta el colado. 29 CONECTE ESCUELA TÉCNICA. Proceso de conversión en el convertidor LWS. Belencito, 2018. p.76. 30 Scientia et Technica Año XV, No 41, Mayo de 2009. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701. 28 3. ESTADO DEL ARTE Moreira, Almeida Y Hahne en su artículo titulado “MELHORIA CONTÍNUA DO RENDIMENTO METÁLICO DO CONVERTEDORLD DA V&M DO BRASIL” estudian las principales causas de la variación del rendimiento metálico en convertidores LD con el fin de aumentar el rendimiento metálico en el proceso, lo anterior mediante la metodología de mejora continua, en la cual recopilan información de pérdidas previstas y no previstas, con el fin de formalizar un plan de acción. Con la implementación de estas estrategias, se logró elevar el rendimiento metálico de 90.75% a 92.50%, siendo un aumento considerable para el proceso. Algunas de las acciones tomadas fueron dar a conocer la importancia de la calibración de distancia de lanza de oxigeno-baño metálico con el fin de disminuir el índice de proyecciones generadas, además de ello, realizaron modificaciones a los perfiles de soplo. Almada Faria Marco Aurélio y Claudio Soares en su trabajo titulado “OPERAÇÃO DE REFINO DE AÇO” presentan la descripción del ciclo completo del proceso LD (tap to tap) identificando las técnicas que permiten optimizar los tiempos y mejorar la capacidad de producción. Dentro de los principales hallazgos se propone la correcta configuración de las lanzas y el control del flujo de oxígeno, lo cual permite una reducción en el tiempo de soplado y reduce las proyecciones generadas durante el proceso; la reducción en los tiempos de toma de muestra a fin de evitar alargue del proceso por acondicionamiento térmico y el control de paso de escoria para evitar problemas de calidad y aumentar la productividad. Emércio Batista Campos y João Domingos Guimarães en su trabajo titulado “CONTROLE DE PROCESSO” exponen la importancia del control del proceso en el convertidor para obtener un producto dentro de los parámetros requeridos. Para ello, se realizan modelos matemáticos, constituidos por un sistema de ecuaciones basadas en equilibrios térmicos y de masa, que se establecen a partir de consideraciones teóricas y relaciones empíricas obtenidas por resultados experimentales y operativos. Lo anterior, permite una estandarización que busca asegurar la estabilidad operativa y la eliminación de factores inapropiados en el sistema. En el estudio realizado por Artigo, se realiza la simulación física de un convertidor de soplo Mixto, empleando CO2 como gas de reacción y agua para representar el acero. Para esta investigación, se varían los ángulos de las lanzas de 90 a 60° y se realiza variación de la distancia de la lanza respecto al baño, con el fin de evaluar la velocidad de desgasificación y las perdidas por proyecciones. Para ello, inyectaron CO2 por el fondo y por la parte superior, encontrando que a medida que se disminuye el ángulo de las lanzas ubicadas en el fondo y con mayores flujos de agitación, se disminuyen las proyecciones de material. También determinaron que, a mayores flujos de gas de agitación, los tiempos de 29 desgasificación disminuyen y que a medida que la distancia de la lanza decrece con respecto al baño, aumentan las proyecciones. Kruskopf y Lounkilpi, realizan una serie de modelos termodinámicos y de transferencia de masa, con el fin de conocer, como varia la velocidad de fusión de la chatarra y la velocidad de disolución del carbono en el baño metálico, cuando se cargan 20 toneladas de chatarra con espesores de 1,0, 2,0,4,0 y 8,0 cm y 100 toneladas de arrabio con 4,5% de carbono, el cual entra a una temperatura de 1322 °C ,encontrándose así que , a mayor espesor de la chatarra, los tiempos de fusión se prolongaban de 8 minutos con espesores mínimos de 1,0 cm , hasta 12 minutos con espesores de 8,0 cm. También se observó, que a medida que se aumenta el espesor de la chatarra, la velocidad de dilución del carbono disminuye, debido a que la velocidad de fusión de la chatarra es menor. 30 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Este proyecto se realizó bajo el marco de una investigación experimental, teniendo como objetivo analizar la producción en convertidores LWS mediante el estudio de prácticas operativas involucradas con el peso promedio y SET UP. Lo anterior, bajo los siguientes principios: identificación de problema, obtención y recopilación de información de variables, análisis de información mediante herramientas estadísticas, optimización de proceso y control efectivo 4.1 METODOLOGÍA Para el desarrollo del presente proyecto, se establecieron 5 etapas, las cuales son descritas a continuación: Figura 6. Estructura de la metodología desarrollada Fuente. Autor. 4.1.1 ETAPA 1: Reconocimiento del proceso Inicialmente se realizó un reconocimiento del proceso de producción de acero vía convertidor LWS en la empresa acerías Paz del Rio, donde se encontró variación en el peso de las coladas obtenidas, dando lugar a la identificación de parámetros que permitan garantizar coladas dentro del peso objetivo establecido por la compañía. Adicionalmente, se identificó que algunas de estas causas también inciden en la frecuencia y/o duración del SET UP y teniendo en cuenta que las paradas a causa de SET UP representan aproximadamente el 30% de las paradas globales del área la optimización de los tiempos empleados en estas tareas y la estabilización del peso promedio representarían un aumento en el porcentaje de utilización y productividad del área. 4.1.2 ETAPA 2: Obtención y recopilación de información Una vez definidos los campos de acción se procede a recopilar información diariamente sobre el comportamiento del peso promedio de las coladas procesadas en convertidores y el tiempo de ejecución de cada una de las tareas del SET UP, posteriormente se realiza un acompañamiento al proceso con el objetivo de identificar aquellas causas que están generando inestabilidad y/o variación. DEFINIR MEDIR ANALIZAR MEJORAR CONTROLAR 31 4.1.3 ETAPA 3: Análisis de información Con base en la información recolectada se realiza un análisis de datos para determinar aquellas causas que están teniendo mayor impacto y/o frecuencia, con el objetivo de proponer pruebas que permitan la optimización del proceso. 4.1.4 ETAPA 4: Optimizaciónde proceso Posteriormente se realiza la implementación de acciones de mejora y el acompañamiento continúo al proceso para evaluación, verificación y orientación al personal en el cumplimiento de las prácticas operativas establecidas. 4.1.5 ETAPA 5: Definición de indicadores y seguimiento Finalmente, una vez alcanzado el punto de mejora se realiza un refuerzo continuo sobre las prácticas operativas establecidas para obtener la eficacia y continuidad del proceso. 4.2 DISEÑO EXPERIMENTAL Para realizar el análisis de la producción de acero vía convertidores se estudió principalmente el peso de acero obtenido de las coladas procesadas y el tiempo empleado en el SET UP debido a la incidencia que estos dos factores representan en la productividad del área. Teniendo en cuenta lo anterior, el peso fue monitoreado colada a colada con el objetivo de identificar aquellas prácticas operativas de los distintos equipos de trabajo que influyen en una variación del peso de acero obtenido. Para el estudio del SET UP se realizó acompañamiento a los distintos equipos de trabajo en la ejecución de cada una de las tareas, evaluando aspectos como duración, frecuencia y coordinación de funciones mediante un estudio de tiempos y movimiento. Lo anterior, a fin de garantizar el aprovechamiento de cada minuto empleado y la identificación de aquellos factores que generan un aumento de tiempo o frecuencia en cada una de las tareas. El seguimiento y control de cada una de las variables anteriormente mencionadas se realizó mediante indicadores de proceso, donde el monitoreo del peso se realizó como el peso promedio por día (peso promedio/día) y el impacto del SET UP fue medido en minutos/colada. 32 5. DESARROLLO EXPERIMENTAL 5.1 RECONOCIMIENTO DEL PROCESO Para el desarrollo de esta fase se realizó un acompañamiento continuo al proceso de fabricación de acero vía convertidor con el objetivo de conocer las características del equipo, condiciones del proceso productivo y dimensionar la importancia del convertidor LWS en la dinámica del proceso de aceración. Lo anterior, con fin de identificar focos potenciales de mejora. 5.1.1 Características del equipo Figura 7. Partes del convertidor Fuente. CONECTE ESCUELA TÉCNICA. Proceso de conversión en el convertidor LWS. Belencito, 2018. p. 5. 5.1.2 Condiciones del proceso A continuación, se describe el procedimiento realizado en el convertidor LWS para el procesamiento de una colada. 33 Previo a la puesta en servicio del convertidor es necesario garantizar el calentamiento y encharque térmico del mismo mediante etapas de calentamiento controlado para garantizar la calcinación del material refractario. El calentamiento inicia con quemador de gas natural durante doce (12) horas y posteriormente un calentamiento con oxígeno de aproximadamente dos (2) horas o según la necesidad térmica requerida. Una vez dadas las condiciones para el inicio en operación del convertidor LWS, se procede a realizar el cargue de las materias primas manteniendo una relación de carga arabio-chatarra entre el 75% y 25% respectivamente, primero se realiza el cargue de la chatarra y posteriormente el del arrabio. Es importante tener en cuenta que para la primera carga se debe reducir la carga de chatarra en aproximadamente 3 toneladas, debido a que como se mencionó anteriormente la chatarra actúa como material refrigerante y dado que el convertidor aún no ha alcanzado un encharque térmico adecuado se pueden presentar problemas en el balance térmico durante el proceso. Figura 8. Esquema de cargue de chatarra al convertidor. Fuente. OPERAÇÃO DE REFINO DE AÇO. En: Aciaria a oxigênio. Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração – ABM. Brasil, 2014. p. 15. Una vez cargado, el convertidor se bascula a posición vertical y se da inicio al proceso de conversión el cual consta principalmente de 3 etapas: oxidación de silicio y manganeso, descarburación creciente y descarburación decreciente. Durante cada una de las etapas, la inyección de oxigeno permitirá la formación de 34 óxidos que al entrar en contacto con la cal serán captados y retenidos en la escoria. Al terminar las etapas mencionadas anteriormente, se realiza la primera bajada del convertidor con el objetivo de evacuar la mayor cantidad de escoria y verificar la temperatura del baño metálico y el porcentaje de FeO presente en la escoria, según los datos obtenidos se procede a realizar un sobre soplo, teniendo en cuenta que se requieren 30 m3 de oxígeno para subir 10°C en el baño metálico, 30 m3 de oxígeno para aumentar un punto en el porcentaje de oxidación y 200kg de cal en polvo para bajar 10°C al baño de acero. Se realizarán los sobre soplos necesarios para garantizar temperatura entre 1640 a 1680°C y oxidaciones entre 23 a 30% de FeO según calidad de acero a fabricar. Figura 9. Esquema de cargue de arrabio al convertidor. Fuente. OPERAÇÃO DE REFINO DE AÇO. En: Aciaria a oxigênio. Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração – ABM. Brasil, 2014. p. 15. Cuando el baño metálico cumpla con las condiciones dadas, el convertidor se ubica en posición vertical para recibir la cal de la barrera, que como su nombre lo indica busca generar una barrera para impedir el paso de la escoria remanente en el convertidor durante la etapa de colado. Finalmente, se realiza el colado del acero del convertidor a la cuchara y la adición de ferroaleaciones, logrando mediante una agitación con nitrógeno la homogenización del material. 35 Figura 10. Diagrama de flujo del proceso LWS. Fuente. Autor. Debido a condiciones propias del proceso, se genera acumulación de material en zonas aledañas al convertidor y si bien es cierto, que el convertidor es el eje principal en el proceso de conversión no se deben dejar de lado aquellas tareas que permiten la continuidad del proceso y garantizan las condiciones para obtener un des-escoriado óptimo y un colado libre de impurezas; es aquí, donde el SET UP y cada una de las tareas que lo conforman toman relevancia. El set up está comprendido por cinco tareas: Limpieza de boca, Limpieza de chimenea, limpieza de plataforma y medición de toberas, parcheo de babero, limpieza de plataforma frontal y limpieza de línea, donde cada una tiene la función Revisión del estado de los equipos Cargue Metálico Soplo de carga Baño conforme Ajustar Proceso Cargar cal de la barrera Colado Ferroaleaciones y agitación COORDINACIÓN FIN No Si Materias Primas Presión N2 y O2 Estado de toberas, Bloque y cubas Des escoriado 36 proveer y verificar las condiciones necesarias para garantizar la óptima operación del equipo y del proceso. Las actividades se realizan en orden descendente, es decir, las actividades del nivel inferior iniciaran solo cuando en el nivel superior se haya terminado la intervención, lo anterior con el fin de evitar cualquier tipo de incidente tanto personal como material. Figura 11. Diagrama de flujo SET UP convertidores. Fuente. Autor. A continuación, se realiza una breve descripción de cada una de las tareas y su importancia en el desarrollo normal del proceso de conversión: Inspección Se requiere SET UP Si No Continuar proceso Limpieza de chimenea Limpieza de plataforma Medición de toberas Limpieza de boca Parcheo de babero Limpieza plataforma frontal Limpieza de Línea FIN 37 5.1.2.1 Limpieza de chimenea. La chimenea está ubicada en el nivel más alto del convertidor, esta zona recibe las proyecciones generadas durante el proceso las cuales se acumulan principalmente en la viga y al obtener un peso considerable, el material acumulado puede caer al segundo nivel y ocasionar daño en el conjunto de toberas. Figura 12. Chimenea del convertidorFuente. Autor. 5.1.2.2 Limpieza de plataforma. Está ubicada en el segundo nivel del convertidor y es el acceso hacia las toberas cuando el convertidor se encuentra en posición horizontal, el material acumulado en esta zona proviene de las proyecciones del proceso y su limpieza es necesaria para garantizar el ingreso seguro del personal y la maquinaria para realizar la medición de toberas. Figura 13. Plataforma del convertidor Fuente. Autor. 38 5.1.2.3 Medición de Toberas. Las toberas son uno de los componentes más importantes del convertidor debido a que permiten la inyección de oxígeno, nitrógeno y cal en polvo, una anomalía en las toberas podría generar desde un aumento en el TTT hasta una parada temporal del equipo. Por esta razón, es importante realizar la medición de las toberas, evidenciar cualquier tipo de obstrucción y/o desgaste que pueda afectar la integridad del equipo y del proceso. Figura 14. Vista del fondo y conjunto de toberas Fuente. Autor. 5.1.2.4 Limpieza de boca. Durante soplo la boca del convertidor va acumulando material metálico en su contorno debido a las constantes proyecciones originadas durante el proceso, generando que después de un determinado número de cargas la boca del convertidor presente una reducción en su tamaño. Teniendo en cuenta que en el proceso LWS las materias primas son cargadas por la boca, durante el cargue se pueden presentar problemas por caída de material, lo cual no solo afectara la frecuencia con que se deba realizar la limpieza sino también posibles pérdidas y/o reducciones en el peso de las coladas. La limpieza de la boca comprende una etapa de fusión del material con oxígeno, generalmente se realiza al finalizar el primer des escoriado cuando el convertidor se encuentra en posición horizontal. Para la segunda etapa, se emplea la pajarita para realizar el retiro del contorno de la boca. 5.1.2.5 Parcheo de babero. El babero está ubicado en la parte inferior de la boca y es la zona por donde se realiza la evacuación de la escoria y el acero, lo cual le implica un desgaste acelerado. Es por esta razón, que se debe realizar una proyección de material refractario en esta zona a fin de garantizar una superficie regular que evite el paso de acero hacia las cubas durante el des escoriado. 39 Figura 15. Boca del convertidor Figura 16. Ubicación de babero en la boca del convertidor Fuente. Autor. 5.1.2.6 Limpieza de línea. Es el nivel inferior del convertidor, en él se encuentra la línea férrea que permite el ingreso de las cubas empleadas para el desescoriado y las cucharas que recibirán el acero al final de la colada. Adicionalmente, si se presentan problemas durante el cargue, parte del material podría caer al primer nivel y generar obstrucción o ametalamiento en la línea, lo que implicaría demoras en el desescoriado y un aumento en el TTT del proceso. Babero 40 Figura 17. Plataforma frontal del convertidor Fuente. Autor. Figura 18. Vista del primer nivel convertidores y línea férrea. Fuente. Autor. Plataforma Frontal 41 5.1.3 Relevancia del convertidor LWS en la dinámica de la planta de aceración La planta de aceración de acerías Paz del Rio está conformada por cuatro áreas: Horno eléctrico de arco, convertidores LWS, horno cuchara y máquina de colada continua. Donde las dos primeras son los encargados de producir el acero líquido que será enviado al horno cuchará para realizar ajustes en la composición química y en las temperaturas, a fin de garantizarlas condiciones óptimas que permitan su liberación hacia la máquina de colada continua e iniciar la producción de palanquilla. Es decir, que una vez obtenida la colada en el convertidor LWS debe ser trasladada hacia el horno cuchara en el menor tiempo posible con el objetivo mantener un flujo de acero constante en la máquina de colada continua y evitar así posibles cierres de línea y/o pérdidas de secuencia. Es por esta razón, que el SET UP debe garantizar la ausencia de anomalías durante el proceso y su coordinación o ejecución debe evitar la generación de tiempos muertos que puedan generar una falta de continuidad del proceso y consecuentemente reducir la productividad del área. Por su parte, el peso de colada debe encontrarse dentro del objetivo establecido por la compañía dado que una disminución significativa en el peso del acero líquido obtenido significa un aumento en el costo de producción y puede generar inconvenientes en la dinámica del proceso. Teniendo en cuenta lo anterior, es necesario optimizar los tiempos empleados en el SET UP y producir coladas de buen peso para garantizar el flujo de acero en el proceso y contribuir al cumplimiento del plan de producción de la acería. 5.2 OBTENCIÓN Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN Realizando el acompañamiento al proceso fue posible establecer algunas de las causas que impactan tanto en la variación de tiempos de SET UP como el peso promedio de las coladas obtenidas. A continuación, se presenta la información recolectada. 5.2.1 Peso promedio 5.2.1.1 Proyecciones durante el soplo. Las proyecciones durante el soplo son generadas debido las fuertes reacciones químicas que suceden dentro del convertidor y están relacionadas principalmente con las ocurridas durante la etapa de carburación creciente debido a la generación de los gases CO y CO2, pues estos últimos tienden a expandirse y agitar el baño metálico. 42 El porcentaje de proyecciones durante el soplo puede aumentar a causa de un desequilibrio en el balance térmico dentro del convertidor ya sea por un incumplimiento en la relación de carga (Arrabio chatarra), exceso de material en relación al volumen del convertidor y/o inyección acelerada de oxígeno. Cada uno de los factores mencionados anteriormente se ven afectados directamente por la composición química del arrabio cargado al convertidor debido a que un aumento en el porcentaje de cada uno de los elementos exógenos contribuye directamente a un aumento en la temperatura del baño, la cual debe ser contrarrestada con una cantidad adecuada de refrigerante (Chatarra/caliza) que garantice un equilibrio térmico dentro del reactor, siendo en este punto donde se ve la necesidad de establecer la cantidad y mix de refrigerante requerido para distintas condiciones químicas de arrabio líquido. De otro lado, guardar la relación de carga (Arrabio + chatarra) en concordancia a la distribución de volumen dentro del convertidor garantiza que el reactor tenga el espacio necesario para llevar a cabo cada una de las reacciones. Sin embargo, es importante controlar el flujo durante la inyección de oxigeno debido a que esto nos puede generar un aumento significativo en la temperatura del baño. 5.2.1.2 Paso de acero a las cubas. La escoria generada en el convertidor es la encargada de captar los óxidos formados durante el proceso de soplo y retenerlos allí hasta su evacuación durante el desescoriado, su evacuación es de vital importancia para evitar que elementos como el fosforo se reviertan al baño metálico y lo contaminen, sin embargo, se observó al realizar la evacuación de la escoria a temperaturas elevadas (>1700°C) y con altos porcentajes de FeO se aumenta la probabilidad de generar paso de acero a las cubas debido a la reducida diferenciación que se tiene entre el acero y la escoria en estas condiciones. 5.2.1.3 Caída de material. El cargue de chatarra al convertidor se realiza mediante el izaje de una cesta de forma cilíndrica y mediante la regulación del gancho auxiliar de la grúa se genera la inclinación necesaria para garantizar la evacuación del material hacia el convertidor (Ver figura), sin embargo, se observa que en algunas ocasiones se genera atascamiento del material en la boca del convertidor dando lugar a demoras en el cargue y caída de material. 5.2.1.4 Falta de capacidad en cucharas. La formación de bancos de escoria en las cucharasdisminuye directamente su capacidad y cuando la temperatura del colado es alta existe la probabilidad de fundir la escoria remanente, al ocurrir la reacción escoria-acero se genera una expansión de la escoria generando una disminución de la capacidad que obliga a detener el colado para respetar el límite de seguridad de la cuchara (tres hiladas de ladrillo). 43 5.2.1.5 Mix de chatarra. La chatarra usada como material de cargue se clasifica en los siguientes grupos: propia, rechazo, arrabio y comprada; se observa diferencia entre el peso de acero obtenido para distintos mix de chatarra. Por lo anterior, se definen 7 mix de carga y se realizar pruebas establecer el mix que favorece el peso. 5.2.1.6 Arranque de convertidor. Las coladas de arranque tienen mayor probabilidad de salir pequeñas debido a la falta de encharque térmico en el convertidor, lo cual genera que parte del material quede adherido a la pared y un aumento en las perdidas de material por proyección. Cuadro 2. Factores que afectan el peso promedio de las coladas FACTOR DESCRIPCIÓN Proyecciones durante el soplo Un aumento en la cantidad de proyecciones genera que parte del material sea expulsado fuera del convertidor durante la etapa de soplo generando una disminución del peso promedio y reducción del IRM. Paso de acero a las cubas Teniendo en cuenta que la operación de desescoriado es manual y que la diferenciación acero-escoria depende totalmente de la experiencia del operador, se observa que cuando las temperaturas del baño se encuentran por encima de 1700°C existe mayor probabilidad de aumentar el paso de acero hacia las cubas. Caída de material Caída de material (Chatarra o arrabio) durante el cargue. Falta de capacidad en cucharas Las cucharas que presentan bancos de escoria pueden perder hasta 6 toneladas de capacidad. Mix de chatarra Se observa diferencia entre el peso obtenido para calidades sismo resistentes y bajo carbono. Arranque de convertidor Las coladas de arranque tienen mayor probabilidad de salir pequeñas debido a la falta de encharque térmico en el convertidor, lo cual genera que parte del material quede adherido a la superficie. Fuente. Autor 44 5.2.2 Set up Los datos presentados a continuación se obtienen mediante el seguimiento a 20 SET UP. Cuadro 3. Variables que impactan el tiempo de ejecución y frecuencia del SET UP TAREA CAUSA DESCRIPCIÓN Limpieza de chimenea Tamaño de bloque El tamaño del bloque depende de la cantidad de material proyectado durante el soplo y de la frecuencia en su limpieza. Limpieza de plataforma Material adherido a la superficie El material proyectado cae sobre la superficie y debido a la temperatura se adhiere y dificulta su evacuación. Medición de toberas Protección Demora en el accionamiento de la protección Medición poco confiable Falta de conocimiento de las medidas de la última medición. Demora en instalación de tapones Los tapones no se ubican en orden durante la medición, generando que al tapar las toberas el tapón no coincide por lo que se requiere probar uno a uno. Limpieza de boca Tamaño de corona Altas proyecciones de material durante el soplo Frecuencia en fundir corona No se realiza limpieza de la boca y por lo tanto se aumenta la frecuencia en fundir. Parcheo de babero Alineación Alineación del babero respecto a la boca del convertidor Consistencia del material La relación material proyectable – agua define la consistencia del material y la adherencia del mismo. Limpieza de Línea Caída de chatarra Caída de chatarra durante el cargue Caída de arrabio Caída de arrabio durante el cargue Derrame de escoria Se genera debido a un exceso en el llenado de las cubas Proyecciones Exceso de proyecciones durante soplo y desescoriado. 45 Adicionalmente, se realizó un seguimiento de tiempos a cada una de las tareas para establecer los tiempos mínimo, promedio y máximo en la ejecución de cada actividad e identificación de tiempos muertos. Cuadro 4. Tiempos de ejecución del SET UP por actividad. TAREA TIEMPO (Min) Máximo Mínimo Promedio Limpieza de chimenea 13:10 8:30 10:50 Limpieza de plataforma 5:10 3:51 4:30 Medición de toberas 15:30 8:40 12:05 Limpieza de boca 8:50 7:38 8:14 Parcheo de babero 5:34 3:38 4:36 Limpieza de Línea 12:05 5:40 8:52 Fuente. Autor. 5.3 Análisis de la información 5.3.1 Peso promedio Teniendo en cuenta la información recolectada en la etapa anterior, se decide realizar pruebas para verificar y cuantificar la influencia de mix de chatarra, relación de carga, etc., en la cantidad de acero obtenido. Para lo anterior, se procesan 20 coladas por cada mix de chatarra identificado, donde se busca que el arrabio líquido cargado se encuentre dentro del siguiente rango de composición a fin de reducir una variable dentro de las pruebas. Cuadro 5. Rango de composición de arrabio liquido empleado en coladas de prueba. % C % Mn % P % S %Si 3,5 - 3,9 1,2 -1,6 1,4 - 1,7 0,05 - 0,08 0,6 - 0,9 Fuente. Autor. 5.3.2 Set Up Teniendo en cuenta la información recolectada en la etapa anterior, se decide realizar modificaciones en la organización y distribución del personal mediante la asignación de responsabilidades previo y durante la ejecución del SET UP con el fin de reducir los tiempos muertos y evaluar la efectividad de la tarea. 46 A continuación, se presentan las modificaciones realizadas: - El operador líder convertidores debe solicitar con anterioridad la maquinaria y está se debe encontrar en el área de trabajo antes de finalizar la colada previa al SET UP. - Se debe contar mínimo con 5 personas durante el desarrollo de la actividad. - La persona encargada de realizar la medición de las toberas debe conocer con anterioridad los valores obtenidos en la última medición. - Una vez retirados los tapones de las toberas, estos deben ser ubicados en orden para evitar confusión de los mismos. - Mientras una persona realiza la medición de las toberas dos personas simultáneamente se encargarán de realizar el alistamiento y ubicación del equipo empleado para el parcheo del babero. Posteriormente, se realizaron nuevamente las mediciones para determinar el impacto de las acciones tomadas en el tiempo de ejecución de cada tarea, lo cual permitió establecer el tiempo requerido para cada actividad. 5.4 DEFINICIÓN DE INDICADORES Y SEGUIMIENTO 5.4.1 Indicador peso promedio Es el promedio del peso de acero líquido obtenido para las coladas procesadas en un día de operación del convertidor siendo el peso objetivo igual a 38,5 toneladas. 5.4.2 Indicador Set Up Es el tiempo invertido en el Set Up por número de coladas procesadas en un día de operación, es decir, si en un día operación invierto 63 minutos en Set Up y proceso 24 coladas el indicador obtenido será igual 2,62 min/col. El indicador es acumulativo, de manera que al final del mes el tiempo total de Set Up dividido en el total de coladas procesadas genera como resultado el indicador mensual, el cual debe ser menor a 2,9 min/col. Se define como meta mensual inicial 2,9 min/col teniendo en cuenta el promedio acumulado obtenido para el año 2018, esto significa una inversión aproximada de 79 minutos diarios en las tareas del Set Up, lo cual deja disponibles 1361 minutos para operar y satisface el cumplimiento de producción establecido por la compañía (27 col/día). Adicionalmente, se proyecta una disminución del 80% del tiempo invertido en el Set Up durante la operación con dos convertidores. A continuación, se presenta el comportamiento del peso promedio e indicador de set up para el mes de enero del 2019. 47 Figura 19. Comportamiento peso promedio enero. Figura 20. Comportamiento indicador SET UP enero. 48 6. RESULTADOS 6.1 PESO PROMEDIO
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