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Otimização de matérias-primas e custos de produção para siderúrgicas da rota RD-FEA

17 de May de 2021 Blog por Cassotis Consulting

 

A produção de aço utilizando Redução Direta e Forno Elétrico a Arco (RD-FEA) aumentou na última década e não mostra sinais de desaceleração. Esta tecnologia é a principal alternativa ao já consagrado mecanismo de Altos-Fornos - Convertedor LD (AF-LD).  A seu favor, o mecanismo RD-FEA reduz drasticamente o consumo de carvão e as emissões de CO2, mantendo a produtividade no mesmo ritmo do AF-LD. No entanto, independentemente da tecnologia utilizada, o aço produzido deve ser competitivo em um mercado multiplayer global.

 

As siderúrgicas enfrentam muitos desafios no que diz respeito ao processo de tomada de decisões estratégicas. São muitas as alavancas ao longo da cadeia produtiva, que têm consequências significativas no processo como um todo. Antes de agir, a empresa está constantemente tentando equilibrar o ritmo de produção e a qualidade do produto necessária, buscando uma forma de produzir aço com o menor custo de produção. Para encontrá-lo, existem 5 conceitos principais que os tomadores de decisão precisam considerar e são descritos nos tópicos a seguir.


 

Conceito 1 - Impacto das matérias-primas

 

Independentemente do desenho da planta siderúrgica, a proporção dos custos da matéria-prima no custo de produção do aço é enorme. Portanto, é fundamental selecionar corretamente fornecedores e consumos específicos para se manter competitivo. No entanto, a implementação de medidas de redução de custos focadas em encontrar novos fornecedores mais baratos pode rapidamente sair pela culatra.

 

O motivo é simples: a qualidade da matéria-prima impacta diretamente no processo. Insumos de alta qualidade podem aumentar a produtividade e reduzir o consumo de energia, o que pode compensar seu preço mais alto. Materiais de baixa qualidade são mais baratos, mas podem aumentar a presença de elementos químicos indesejáveis ​​na cadeia do processo e, como o aço tem especificações a serem atendidas, a planta terá custos adicionais para remover essa massa extra de material indesejado. A melhor estratégia de compra será, sem dúvida, uma combinação desses fornecedores em lados diametralmente opostos da caracterização de qualidade e custo.


 

Conceito 2 - Decisões entre departamentos

 

Como visto no conceito anterior, a produção de aço envolve uma grande variedade de matérias-primas. Alguns deles são tão importantes que as siderúrgicas decidiram incorporá-los à sua cadeia produtiva. A ideia por trás dessa centralização é coordenar melhor a geração e a qualidade dos produtos intermediários, visando menores custos de produção do seu aço. Por exemplo, em aciarias baseadas em fornos elétricos a arco, é comum haver reatores de redução direta, máquinas de briquetagem e até usinas de pelotização.

 

Dentro dessa longa cadeia de processos, uma única decisão sobre a qualidade de um produto intermediário pode afetar vários estágios. Um bom exemplo é o teor de carbono exigido pelo FEA. Este elemento desempenha um papel importante no equilíbrio térmico do forno e uma alta concentração de carbono no ferro esponja pode reduzir significativamente o consumo de eletricidade. No entanto, a planta de RD tem controle limitado sobre o teor de carbono do ferro esponja. Normalmente, ao diminuir a produtividade dos reatores, é possível aumentar o teor de carbono. Outra possibilidade é que as usinas de pelotização produzam pelotas com diferentes propriedades físicas, que são conhecidas por afetar a presença de carbono no ferro esponja.

 

Definitivamente, não é nada fácil saber onde fazer as mudanças necessárias para atualizar o teor de carbono. Deve ser no reator RD, na usina de pelotização ou em ambos? A planta deve reconsiderar as necessidades de carbono da FEA?


 

Conceito 3 - Especificações dinâmicas

 

Para evitar atritos entre os processos de produção, é comum adotar especificações de produtos para cada interface. Existem faixas acordadas de propriedades físicas e químicas para produtos intermediários, que servem como uma forma prática de coordenar decisões entre departamentos. Este sistema é ideal para contextos onde existem requisitos mínimos e máximos adequados para capacidades de processo e um fornecimento estável de matéria-prima.

 

Como a matéria-prima é o principal determinante da qualidade do produto e do desempenho do processo, a revisão das especificações deve variar de acordo com as condições de mercado; considerando não só a disponibilidade do material, mas também seu preço. As siderúrgicas devem considerar as alternativas de matérias-primas para se adaptarem a novos cenários. Por exemplo, se houver escassez do principal fornecedor de ferroligas de fósforo, a usina deve reconsiderar suas especificações sobre aço bruto, ferro-esponja e até mesmo em seu nível de pelotas.

 

Uma especificação fixada pode ser o ponto cego de um processo.


 

Conceito 4 - Otimização de processos

 

Os engenheiros de processo também devem considerar como operar suas máquinas para aumentar os beneficios de toda a planta. O impacto das decisões relacionadas ao processo é claro no que diz respeito ao tratamento de gases na planta de RD e a estratégia de carregamento no FEA.

 

O material carregado no reator RD interage quimicamente com o gás redutor, gerando o ferro esponja e o gás de exaustão que é recapturado. O sistema de gás é projetado para maximizar a recirculação e garantir sua capacidade de redução. Para atingir esse objetivo, o gás de exaustão é tratado para controlar sua composição química, principalmente no que se refere a: CO2, H2, CH4 e CO. A eficiência de remoção de CO2 está sujeita a uma determinada capacidade, enquanto o aumento de compostos de hidrocarbonetos requer a adição de gás reformado ou gás natural ao sistema. A composição do primeiro é uma alavanca de processo, que pode ser alterada considerando os fatores operacionais do reformador, como pressão e umidade. Além disso, o oxigênio é injetado antes de entrar no reator, resultando em reações de combustão parciais que aumentam a temperatura do gás e permitem maior produtividade.

 

Todas as decisões têm implicações importantes umas para as outras. A redução da demanda por matéria-prima, a remoção de CO2, o processo de reforma e a injeção de oxigênio têm um equilíbrio delicado, que cabe aos engenheiros definir o caminho a seguir.


 

Conceito 5 - É também uma questão de microeconomia

 

Outro aspecto importante da indústria do aço é a flexibilidade de produção. Existem muitos tipos de matérias-primas que podem ser utilizadas ao longo da cadeia produtiva. Nos reatores RD, os minérios granulados podem substituir as pelotas. No FEA, as sucatas podem substituir os ferros esponja. A parte complicada é saber quando mudar a mistura de entrada.

 

Para engenheiros de processo FEA, é natural determinar a mistura comparando o custo da produção de ferro esponja com o preço de mercado da sucata. Quando o mercado pode fornecer uma sucata com melhor custo-benefício, faz sentido mudar o mix. No entanto, devido à complexidade do processo, os tomadores de decisão costumam considerar o custo médio da produção de ferro esponja como seu indicador de ação. No entanto, este conceito econômico não se enquadra na análise a ser realizada. Ao invés disso, considere o custo marginal de produção, que determina o custo de produção da próxima tonelada de ferro esponja produzida.

 

Este conceito microeconômico é fundamental. Se a próxima tonelada de ferro esponja for muito mais cara do que a do fornecedor alternativo de sucata, é trivial comprar o material externo. No entanto, se esse conceito não for claro, a fábrica só terá um aumento no custo de produção. O custo extra é diluído no custo médio total de produção e podem ser necessárias muitas toneladas de ferro esponja para perceber que chegou a hora de começar a substituir a sucata por ferro-esponja.

 

Esta função delicada do custo marginal de produção é difícil de acompanhar nesta indústria. Cada processo tem suas próprias limitações operacionais, além das especificações do produto, e todas as mudanças no consumo de matéria-prima ou nos fatores operacionais podem afetar o custo marginal de produção. Além disso, sua complexidade aumenta porque gargalos em um processo podem afetar todos os outros.


 

Solução - Quantificação do processo de tomada de decisão

 

Finalmente, em um processo tão integrado, a única maneira de tomar as decisões certas considerando todos os equilíbrios e conceitos delicados é aplicando um modelo matemático. Ele considerará todos os balanços de massa, químicos, térmicos e energéticos enquanto rastreia as receitas e custos de cada solução possível. Além disso, algoritmos de otimização são adequados para encontrar a melhor solução entre todas as possibilidades, dado um determinado objetivo. Combinando-os, é possível saber o que a planta deve fazer para minimizar custos ou maximizar o lucro.

 

O modelo AF-LD já é utilizado em ambientes de produção na Gerdau, CSP, Usiminas, entre outros. Além destes, o modelo RD-FEA está em ambiente de testes nas fábricas da Ternium no México. 




 

Autor: Guilherme de Castro Martino - Consultor Sênior na Cassotis Consulting

                                      Coautores: Fabio Silva - Gerente Sênior na Cassotis Consulting

        Emmanuel Marchal - Managing Partner na Cassotis Consulting

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