Part I: Design Pattern Basics
Chapter 1. Introduction
1.6 What Is a Design Pattern?
La empresa Fundición, S. A., se encarga, principalmente, de producir estaño (del latín
stannun, y , por su símbolo químico) metálico, el cual es empleado como materia prima para otros procesos industriales fuera del país. En este sentido, la empresa es capaz de fabricar productos de estaño de alta pureza, los cuales pueden llegar a tener un contenido mínimo de 99.94% en y máximo de 0.01% en plomo ( ) (Minsur 2011a). Para lograrlo, se sigue el proceso de producción diagramado en la figura 3.1.
Como se puede apreciar en la figura 3.1, los procesos principales que realiza la empresa Fundición, S. A., son la fundición y la refinación. En relación con la operación de fundición, la mayoría de los ingredientes utilizados son transportados en camiones a la planta, mientras que otros, en menor proporción, se generan a nivel interno como sub-productos para recirculación. Luego, los ingredientes son trasladados, por medio de fajas transportadoras, a ocho tolvas, desde donde quedan listos para su empleo.
De los ingredientes utilizados, el más importante es el concentrado de estaño, que existe en dos clases: gravimétrico y de flotación, y se trata de óxido de estaño ( ) con un contenido de estaño metálico en peso aproximado de 60% (considerando ambas clases), mientras que el 40% restante se trata de otras especies minerales acompañantes. El concentrado es recibido diariamente en bolsas de 1.5 toneladas. La empresa cuenta con un almacén que administra un
stock de 11 000 t de concentrado y 12 000 t de carbón en la actualidad. Además, existe una zona de descarga específica donde se registra el peso de los ingredientes ingresantes y se controla su calidad.
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CONTROL HORNO EN US O HORNO EN ESPERA PISCI NA DE GRANU LACIÓN COLECTOR D E P OLV O S OLLAS PAR A MO L DEO OLLAS PAR A REFIN ACIÓN MOLDES INGRED IENTES TOLVAS ALMAC ÉN ALMAC ÉN FUND ICIÓN REFIN ACIÓN PLANTA DE PASTA EN MIN A PLANTA DE MOLIENDA CONC E N T R ADO CARBÓ N FUN DENTESFigura 3.1 Diagrama de flujo general de los procesos de fundición y refinación de estaño Elaboración propia. Fuente primaria: Visita a planta.
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El carbón empleado en la planta es 100% nacional14 y proviene de Trujillo, principalmente, y se agrega al horno en dos momentos distintos: inicialmente durante la etapa de fusión y, luego, durante la etapa de reducción, para la producción de un lote de metal crudo líquido, tal como se explica más adelante. Por otro lado, desde un centro de control se definen las cantidades a utilizar de cada ingrediente para el trabajo de cada lote, además de controlarse los diversos parámetros termodinámicos (temperaturas, presiones, etc.).
En la planta se cuenta con dos hornos Ausmelt para evitar tiempos muertos en lo posible. Es decir, después de utilizar un horno para producir una determinada cantidad de lotes de metal crudo, este debe recibir un mantenimiento apropiado antes de volver a ser usado. Así, cuando llega el momento de mantener el primer horno y se requiere el uso del segundo horno, éste ya se encuentra disponible para su empleo. Ambos hornos cuentan con la tecnología de fundición de baño sumergido según la patente Sirosmelt de la empresa australiana Ausmelt (Minsur 2011b; Pajar 2009: 8). Este tipo de horno se caracteriza por la inyección de aire, oxígeno y combustible (líquido o gaseoso) a través de una lanza sumergida en el baño, de manera que la reacción química es más eficiente por la alta turbulencia localizada. En la planta de la empresa Fundición, S. A., ambos hornos funcionan a gas natural.
Veamos ahora lo que es una campaña y un batch–o lote, como le hemos venido llamando–. El proceso de fundición se divide en campañas que se identifican por letras (A, B, C, etc.). Estas, a su vez, se dividen en lotes que se identifican por la letra de la campaña y el número ordinal específico (A001, A002, etc.). La duración de una campaña va desde el inicio del funcionamiento de un horno hasta que es detenido para su respectivo mantenimiento, que consiste principalmente en el cambio de sus ladrillos refractarios. Por otro lado, un lote individual abarca las etapas de fusión, reducción, granulación y limpieza. En promedio, en un día se trabajan, aproximadamente, 3.9 lotes en total, lo cual redondeamos a 4. Así, la notación del modelo matemático sería igual a 4.
En relación con la fusión, es importante citar algunos aspectos de la obra de Schey (2002). En primer lugar, “por economía de operación, es muy importante que se agregue tanta
chatarracomo sea posible”, y es que “el objetivo es producir una fusión de la composición
especificada por normas relevantes, mientras que se mantiene los contaminantes por debajo de los niveles máximos permitidos, y lograr todo esto al mínimo costo posible” (2002: 207).
Claramente, Schey vuelve a confirmar que, en fundición, la optimización se encuentra en la
14 En el trabajo de Cano (2005) se presentan pruebas realizadas que demuestran que se conseguía una
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minimización de costos por un uso eficiente de los ingredientes para la mezcla. Incluso, agrega que los programas de computadora están disponibles para facilitar estas tareas.
Otro aspecto importante que señala Schey es la presencia de una atmósfera durante la fusión:
Un factor inevitable es la presencia de una atmósfera. Ésta puede ser aire que, con su humedad y contaminantes varios, es una fuente de absorción de gases como el [nitrógeno], [hidrógeno] y [oxígeno]; una atmósfera protectora (como el gas argón), o incluso el vacío, producidas a un costo determinado. Los productos de combustión, incluidos [agua] y , también están presentes en los hornos calentados con petróleo y gas. Cuando la carga se mezcla
con combustible […], las reacciones de éste y de sus productos de combustión con la fusión
son inevitables. Así, las interacciones con la atmósfera varían de una simple disolución de gases en la fusión hasta reacciones como la oxidación o, en la presencia de gases reductores, reducción e incluso enriquecimiento con carbono. (2002: 209)
Finalmente, hemos seleccionado otro de los aspectos de la obra de Schey:
La carga se cubre o mezcla con fundentes, que son compuestos varios (usualmente inorgánicos) que se pueden extender sobre la superficie o mezclar en el metal para reaccionar con la fusión. A menudo tienen formulaciones sofisticadas para realizar funciones específicas: reaccionar con los contaminantes y elementos no metálicos, agrupar inclusiones15, aislar la fusión de la
atmósfera, y reducir las pérdidas de vapor de los metales de baja presión de vapor. La escoria resultante flota hacia la superficie de la fusión. La pérdida de metal en la escoria y las pérdidas debidas a la oxidación o evaporación [las cursivas son nuestras16] representan una
merma financiera y el objetivo es minimizarla, excepto cuando se desea la pérdida selectiva de los contaminantes. (2002: 209)
De acuerdo con Schey, “muchas operaciones de fundición generan humos, gases y polvo”
(2002: 209). Este es el caso de la empresa Fundición, S. A., la cual cuenta con un sistema de refrigeración de gases (o gas cooler) y un sistema colector de polvos (o baghouse): en el primer caso, se refrigera los polvos y gases generados en la fundición y, luego, se elimina los gases refrigerados por la chimenea; en el segundo, se filtra y almacena los polvos para su uso posterior (Cano 2005: 5), debido a que su contenido metálico de estaño es relevante para el proceso (cerca de 60%).
15Según Schey, “el término inclusión se usa para describir partículas extrañas en una estructura
metálica. Éstas encuentran su camino hacia la aleación usualmente desde la mena, durante la fusión
[…] o el vaciado” (2002: 171).
16 Quisimos resaltar estas pérdidas porque están directamente relacionadas con la variable
ℎ del modelo matemático, que representa el ratio de recuperación del elemento químico ℎ.
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Ahora, siguiendo nuevamente las palabras de Schey, “cuando la fusión alcanza la
temperatura y composición deseadas, se sangra. Un horno estacionario se sangra abriendo paso a través de un tapón refractario colocado en un agujero cerca del fondo del horno”
(2002: 209). Así, de una manera más específica, en la figura 3.2 se aprecia un diagrama esquemático del funcionamiento del horno Ausmelt.
Polvos
Zona poscombustión Escoria sólida que
protege la lanza Zona de fusión y reducción Orificio de colada de metal Zona de combustión y oxidación Zona de sedimentación Orificio de sangrado de escoria Concentrado, carbón y fundentes Gas natural, oxígeno y aire
Figura 3.2 Esquema del funcionamiento del horno Ausmelt Fuente: Cano (2005: 7). Edición y actualización propias.
Terminada la fundición, el metal líquido colado, que cuenta con un tenor de de 98% aproximadamente, es trasladado a las instalaciones de la refinería, mientras que la escoria, la cual se enfría bruscamente con una salida de agua a presión a medida que va saliendo del horno (Cano 2005: 5), se dirige hacia una piscina y reposa allí hasta finalizada la granulación. La escoria granulada es transportada a la planta de molienda para su respectivo tratamiento antes de ser enviada a la mina con la cual la empresa Fundición, S. A., está asociada, para lo cual se emplean los mismos camiones con que se trajo el concentrado de estaño hasta la planta.
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A partir de la refinación, el objetivo es lograr un producto final de alta pureza, lo cual se refleja en un contenido de en el metal de 99.94% como mínimo y un máximo de 0.01% de , como ya lo indicamos anteriormente. La secuencia seguida en la refinación es la siguiente: remoción de fierro ( ), remoción de cobre ( �), remoción de arsénico ( ) y antimonio ( ), remoción de aluminio ( ) y, por último, remoción de plomo ( ) y bismuto ( ). La remoción se realiza en ollas de refinación a las cuales se agregan ingredientes específicos de acuerdo con el elemento que se desee remover, excepto en el caso del plomo y bismuto, para los cuales se utilizan cristalizadores electro-térmicos.
A medida que las temperaturas de las ollas son controladas de acuerdo con determinados parámetros y su contenido es agitado, se va formando lo que se conoce como dross, que es un desecho o substancia inservible17 (aparentemente). El dross es retirado y procesado antes de utilizarse nuevamente en la fundición dado su contenido relevante de estaño. Por ejemplo, el dross de fierro contiene, aproximadamente, 70% de y 15% de , como elementos principales.
Finalmente, el metal líquido de estaño refinado se traslada a ollas de moldeo para, luego, ser vertido en los moldes respectivos con el fin de formar y obtener los productos finales.