Monografía Mitelurgia.docx

pág. I
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería de Materiales y Metalurgia
Monografía para obtener el grado de:
Ingeniero de materiales y metalurgia
“ANÁLISIS DE LA FUNCIONALIDAD DE UN MODELO
MATEMÁTICO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS CAÍDAS DE
TEMPERATURA EN HORNOS DE FUNCIÓN DE METALES”
Por: Univ. Garcia Martínez Juan José
Docente Guía: Ing. Serna Claudia Patricia
Antioquia – Colombia
2021

[I]
AGRADECIMIENTOS
Al plantel académico de la facultad de ingeniería por la preparación constante y dedicada en el
aspecto académico y personal, a mi familia por el soporte moral a lo largo de mi preparación
académica.

[II]
DEDICATORIA
A mi familia y las personas que confiaron en mi desarrollo personal.

[III]
Índice General:
1. Resumen ..............................................................................................................................1
2. Introducción.........................................................................................................................2
3. Objetivos del Tema..............................................................................................................3
3.1. Objeto de estudio ..........................................................................................................3
3.2. Campo de acción...........................................................................................................3
3.3. Objetivo General...........................................................................................................3
3.4. Objetivos Específicos ...................................................................................................3
4. Justificación y/o Planteamiento del Problema.....................................................................4
4.1. Justificación ..................................................................................................................4
4.1.1. Técnica...................................................................................................................4
4.1.2. Económica .............................................................................................................5
4.2. Planteamiento del Problema .........................................................................................5
4.2.1. Diagrama de Causa y Efecto .................................................................................5
4.2.2. Identificación del Problema...................................................................................7
4.2.3. Formulación del Problema.....................................................................................7
4.3. Metodología de la Investigación...................................................................................7
4.3.1. Métodos teóricos ...................................................................................................8
4.3.2. Métodos empíricos ................................................................................................8
4.3.3. Técnicas e instrumentos.........................................................................................9
5. Marco Teórico Conceptual................................................................................................11
5.1. Conceptos generales ...................................................................................................11
5.1.1. Industria Metalúrgica...........................................................................................11
5.1.2. Cadena metalúrgica .............................................................................................11

[IV]
5.1.3. Minerales .................................................................................................................14
5.2. Marco referencial........................................................................................................17
5.2.1. Fundición de acero en Colombia.........................................................................17
5.2.2. Empresa Servimetales Frey S.A.S.......................................................................17
5.3. Tecnología existente ...................................................................................................19
5.3.1. Tipos de Hornos ..................................................................................................19
5.3.2. Mecanismo del Funcionamiento..............................................................................19
5.5. Marco legal .................................................................................................................26
6. Diagnóstico de la Situación...............................................................................................27
6.1. Marco Contextual .......................................................................................................27
7. Conclusiones y recomendaciones......................................................................................35
8. BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................................36
INDICE DE FIGURAS
FIG. 1: Extracción de minerales a cielo abierto ......................................................................12
FIG. 2: Extracción de minerales del subsuelo .........................................................................12
FIG. 3: Extracción de Minerales de los Ríos...........................................................................13
FIG. 4: Fundición de Minerales...............................................................................................14
FIG. 5: Minerales metálicos y sus características....................................................................15
FIG. 6: No metálicos y sus características...............................................................................16
FIG. 7: Catalogo de diámetros de venta ..................................................................................18
FIG. 8: Proceso de producción de acero en un horno de arco eléctrico ..................................20
FIG. 9: Vista de Corte del Horno ............................................................................................23
FIG. 10: Laminación de acero .................................................................................................25
FIG. 11: Oxidación de los diferentes compuestos en el acero.................................................26
FIG. 12: Thermal Tracking (Tht) .............................................................................................27
FIG. 13: Decaimiento de la Temperatura en función del tiempo (segundos)..........................29
FIG. 14: Decaimiento de la Temperatura en función del tiempo (cronológico) .....................30

[V]
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Productos que comercializa la empresa “Servimetales Frey S.A.S”..........................18
Tabla 2: Chatarra de alimentación............................................................................................20
Tabla 3: Resumen de datos experimentales para determinación del modelo...........................28
Tabla 4: Datos para verificación de pronóstico........................................................................30
Tabla 5: Resumen de pronósticos y parámetros para análisis..................................................31
Tabla 6: Resumen de datos pronosticados para la serie 1 y cálculo de indicadores ................32
Tabla 7: Resumen de datos pronosticados para la serie 2 y cálculo de indicadores ................33
Tabla 8: Resumen de resultados de indicadores para ambas series de datos ...........................33
Tabla 9: Prueba t para dos muestras suponiendo varianzas desiguales....................................34
INDICE DE ECUACIONES
Ec. 1: Ecuación general de la Temperatura Liquidus (Gonzales, 2013)....................................4
Ec. 2: Ecuación General del Modelo Matemático ....................................................................28
Ec. 3: Ecuación Simplificada del Modelo Matemático.............................................................29
Ec. 4: Ecuación general del parámetro MSE ............................................................................31
Ec. 5: Ecuación general del parámetro MAD ...........................................................................31
Ec. 6: Ecuación general del parámetro MAPE..........................................................................31

[1]
1. Resumen
De acuerdo a la problemática que representa en la fundición de acero la perdida de energía de
un metal, en el presente trabajo se pretende corroborar el modelo matemático que pronostica el
decaimiento de la temperatura del acero líquido en una cuchara, por los cual se consideró la
temperatura en la parte final del proceso de fundición o también denominados las coladas de
producción, una segunda toma de temperatura después del escoriado, antes de vaciar al horno
de mantenimiento, así mismo se procedió a la toma de tiempo de entre el periodo de toma de
temperatura, considerando como parte central la transferencia energética en forma de calor de
una etapa a otra, proceso en el cual de acuerdo a la termodinámica aplicada en la fundición de
metales se tiene conocimiento pleno de la sensibilidad al cambio de estado bajo condiciones de
presión y temperatura críticas.
Posteriormente la data obtenida se analizó de que manera se puede llegar a conocer la taza de
variación de temperatura (∆T/t), motivo por el cual se procedió con una investigación orientada
hasta encontrar el modelo matemático coherente, mismo que para obtener los parámetros del
modelo particular (K y To), la deducción del modelo a ser corroborado fue obtenido a partir de
una Ecuación Diferencial Ordinaria homogénea, y los resultados obtenidos fueron comparados
con el los nuevos valores de temperatura medida.
Por tal motivo este modelo permite la implementación de este modelo empírico para evaluar la
estabilidad del parámetro K mediante la prueba de t-student para los datos obtenidos, dando
como conclusión principal el correcto funcionamiento de este modelo que se asemeja a un
resultado real con errores de pronóstico y material, variables que dentro de la teoría del error se
expresan como mínimos y dentro de la ciencias aplicadas como un error de índole humano y no
así de características internas del planteamiento o la ejecución del modelo.

[2]
2. Introducción
La industria de la metalurgia está situado como una de los grandes pilares de desarrollo nacional,
al ser una actividad recurrente en la ciudad de Antioquia y presentar a su vez una falencia
ingenieril debido a su consideración empírica, el presente trabajo enfocado en la investigación
pretende dar una idea general respecto a la existencia o no de modelos matemáticos que permitan
a través de la ciencia identificar el problema de la perdida de energía en forma de temperatura;
mi persona actualmente desarrolla labores de control y monitoreo técnico de hornos de fundición
de la empresa “Servimetales Frey S.A.S” ubicada en Antioquía , empresa que ha logrado
posicionarse entre las primeras empresas en la fundición de materiales. Actualmente la empresa
tiene presencia en ocho departamentos del territorio nacional, llegando a un total de 23
sucursales; Debido a esta experiencia y los conocimiento adquiridos a lo largo de mi formación
académica, puedo declarar sin temor a equivocarme la identificación de un problema recurrente
en cuanto a manejo de temperatura se refiere, impactando directamente en el vaciado y la calidad
del producto final que es buscado, en función a esa problemática identificada y la visión
prospectiva y de investigación desarrollado en la carrera de Ing. De Materiales y Metalurgia
pretendo a lo largo del documento demostrar, analizar y aclarar si un modelo matemático
empírico tiene el potencial de ser útil en el día a día del proceso, para lograr dicha meta se
propone un paso a paso desarrollado en los objetivos específicos.
Culminado el desarrollo se concluye que efectivamente, que los conceptos empíricos bien
aplicados pueden ir de la mano con las demostraciones matemáticas permitiéndonos contar a la
fecha con un modelo cuasi perfecto con porcentajes de error mínimos, de esta manera se sugiere
que el mismo pueda ser utilizado en centro de fundición que trabajen bajo las condiciones de
experimento detallados en el desarrollo del trabajo.

[3]
3. Objetivos del Tema
3.1. Objeto de estudio
Perdida de temperatura en el horno de fundición de minerales pesados.
3.2. Campo de acción
Fundición de Minerales mediante proceso termodinámico
3.3. Objetivo General
Analizar la funcionalidad de un modelo matemático para la determinación de las caídas de
temperatura en un horno de fundición.
3.4. Objetivos Específicos
 Realizar la fundamentación teórica relacionada a la temática del trabajo de investigación.
 Diagnosticar la problemática del trabajo de investigación.
 Realizar el análisis del modelo matemático en la determinación correcta de la perdida de
temperatura.
 Concluir y recomendar en base académica al trabajo realizado.

[4]
4. Justificación y/o Planteamiento del Problema
4.1. Justificación
4.1.1. Técnica
Debido a la importancia de contar con una correcta temperatura de fundición, se tiene la
necesidad de contar con temperaturas uniformes y que tengan el mismo potencial calorífico de
entrega, como es explicado en el siguiente texto:
“Es imprescindible evitar que la temperatura del acero líquido caiga por debajo de la temperatura
liquidus (es decir, la temperatura en la que el acero comienza a solidificarse). La temperatura
liquidus, Tliq, depende mucho de la composición y puede calcularse a partir de la siguiente
ecuación” (Gonzales, 2013):
TLiq = 1537 − 78%C − 7,6%Si − 4,9%Mn − 34,4%P − 38%S
Ec. 1: Ecuación general de la Temperatura Liquidus (Gonzales, 2013)
Donde:
% = Porcentaje
C = Carbono
Si = Silicio
Mn = Manganeso
P = Fosforo
S = Azufre
En la práctica es necesario mantener la temperatura del acero ligeramente por encima de la
temperatura líquidos, debido a las variaciones de temperatura dentro del acero (es decir, los
bordes y las esquinas tienden a alcanzar una temperatura menor).
“La diferencia entre la temperatura liquidus y la temperatura real se denomina
sobrecalentamiento. Asegúrese que el sobrecalentamiento siempre sea superior a los 10 °C para
evitar el congelamiento.” (Spiridonov & Lopatkin, 1973)

[5]
De esta manera al conocer la orientación del tema en cuestión podemos establecer que la parte
técnica referido en este documento de investigación será de gran utilidad en el desarrollo del
documento en general.
4.1.2. Económica
Con respecto a lo económico, es de conocimiento laboral que una disminución de la temperatura
respecto al tiempo provoca directamente un vaciado incompleto, por la cantidad de escoria y
residuos de fondo solidificados, en este sentido el material quedado queda como material
perdido que de manera directa impacta en los planes económicos de rentabilidad y de retribución
en cualquier empresa dedicada a la fundición de material o transformación de cualquier tipo de
materia.
4.2. Planteamiento del Problema
En esta sección, se pretende dar a conocer a todo el populo el problema identificado a causa de
una reducción sistema en la temperatura de un material a ser fundido, motivo por el cual para
una mayor compresión de su redacción se presenta lo siguiente:
4.2.1. Diagrama de Causa y Efecto
El diagrama a ser empleado en esta sección refiere por sobre todo a identificar las causas y el
efecto que conlleva el objeto de estudio, por lo tanto, se procederá al desarrollo del diagrama
mediante la metodología de Ishikawa, la cual identifica que una causa mínima puede ramificarse
de acuerdo a su frecuencia en el tiempo y llegar a ser una causa directamente impactante en el
efecto adverso de una situación, como se muestra a continuación:

[7]
4.2.2. Identificación del Problema
De acuerdo al diagrama anteriormente presentado se considera que un factor de gran
significancia dentro el proceso llega a ser la presencia constante de los 3 actores del triángulo
de fuego como son el comburente, combustible y oxígeno, los cuales se encargan de llevar a su
punto crítico a la temperatura de colada condición que en caso no cumplirse el material puede
ser rechazado en su transformación a un producto final, de la misma manera, el cambio de estado
exitoso de solido a liquido conocido como “fundición” y el intercambio de temperatura
adecuado para contar con un óptimo producto final, se refleja como condición superior a la
composición química del acero en sus ápices de temperatura.
De acuerdo al objeto de estudio y el campo de acción se muestra claramente el impacto negativo
que tienen las pérdidas de energía en el proceso, motivo por el cual se puede señalar como
principal foco del problema a un precoz enfriamiento de la materia prima al contar con una
constante de conductividad relativamente baja, lo cual se corrobora en su cabio de fase de
líquido a solido en tiempos cortos así mismo, la corriente de aire repercute de manera
significativa en el tiempo de fundido de un material y la calidad de entrega de energía.
Al haberse considerado todas las implicancias que conllevan a la perdida de energía en un
proceso que no pueden ser identificados de manera remota se formula la problemática de la
siguiente manera.
4.2.3. Formulación del Problema
¿Es funcional la aplicación de un modelo matemático para identificar las pérdidas de
temperatura en el tramo recorrido de la entrada a la salida del horno fundidor?
4.3. Metodología de la Investigación
De acuerdo a los objetivos planteados y en orden tanto al campo de acción, como al objeto de
estudio, se tomó la decisión de usar la siguiente metodología de manera general:

[8]
4.3.1. Métodos teóricos
Analítico
Método que descompone al objeto de estudio para estudiarlas de manera individual, este método
viene a ser aplicado dentro el marco Teórico del presente Trabajo.
Sintético
Procedimiento mental que tiene como meta la comprensión cabal de la esencia de lo que ya
conocemos en todas sus partes, este método contribuye a la contextualización del trabajo de
investigación.
Inductivo
“Orientación que va de casos o hechos particulares aceptados como válidos para llegar a
conclusiones generales, cuya aplicación sea de carácter general. Es decir que, de los datos o
elementos individuales, por semejanza se sintetizan y se llega a un enunciado general; que
explica a esos casos particulares”.(Ing. Miranda, 2018)
Se pretende contribuir al diagnóstico de la situación, para un mejor entendimiento del entorno.
Deductivo
Va de las cosas en su forma general a hechos específicos, de manera que es de gran ayuda a la
hora de poder realizar las interpretaciones técnicas a partir de la experiencia laboral. Este método
se aplica en las conclusiones y recomendaciones del trabajo de investigación.
Concreción
El concepto indica, se parte de las ideas para terminar en algo concreto, en este entendido se
tiene idea de una perdida de energía y en forma de temperatura, por lo tanto, se aplica también
en el desarrollo del presente documento.
4.3.2. Métodos empíricos
De observación científica
Metodología que debe ser sistemática, planificada, integrado, activo u oculto, el cual será
aplicado en el desarrollo del presente documento.

[9]
Bibliográfico
Búsqueda de información, si bien se detalla en el contexto del trabajo, el mismo nace de una
búsqueda bibliográfica que facilite la obtención de datos a interpretar, los cuales sean útiles y
fieles a la realidad comparativa y deductiva que se pretende realizar para corroborar el éxito o
trabajo del modelo empírico.
Descriptivo
“Estudia los fenómenos tal y como aparecen en el presente.” (PhD. Ing. Palma, 2010). La
necesidad del uso de este tipo de investigación se ve en algunos puntos, marco, en vista a que el
problema y la solución deben ser descritos de la mejor manera.
Explicativo
“Busca dar respuesta a problemas concretos para la toma de decisiones” (PhD. Ing. Palma, 2010)
se decidió por este tipo de investigación en vista que el resultado y las condiciones previas del
problema son de dominio general, motivo por el cual se debe ser investigar y difundir de la
manera más ejecutiva posible para un entendimiento general. Es decir, se lo aplica en las
conclusiones y recomendaciones.
Cuantitativo
Es el conjunto de estrategias de obtención y procesamiento de información que emplean
magnitudes numéricas y técnicas formales y/o estadísticas para llevar a cabo su análisis, siempre
enmarcado en una relación de causa y efecto, que intenta aproximarse al conocimiento de la
realidad social a través de la extensión, alcance y significado de los hechos analizados, esta
metodología viene a ser aplicada en la cuantificación de la pérdida de temperatura en un proceso
iso térmico y de intercambio calorífico.
4.3.3. Técnicas e instrumentos
El presente trabajo se enfocará en un análisis de la propuesta de un modelo matemático empírico
referente a la perdida de temperatura en los hornos de función, problemática que fue descrita
con anterioridad, de manera que se pretende hacer uso de las siguientes herramientas:

[10]
 Bibliografía de gran veracidad científica.
 Libros de la biblioteca de la facultad politécnica.
 Investigación online acerca de los procesos de fundición.
 Identificación empírica de práctica profesional sobre las pérdidas de calor en un sistema
que tienen por objeto la fundición de acero.
 Libros y revistas referentes a la fundición de acero.
Y toda aquella información útil que contribuya con el desarrollo efectivo del proyecto.

[11]
5. Marco Teórico Conceptual
5.1. Conceptos generales
Para el presente trabajo se procedió al análisis de todos los conceptos descritos a continuación
en vista que, el tema de pérdidas de temperatura en la fundición es una problemática que radica
en análisis del intercambio energético en circuito cerrado, a su la identificación y corroboración
por experiencia situacional acerca a la actividad diaria, en resumen, la realidad difiere de la
expectativa conceptual.
5.1.1. Industria Metalúrgica
La industria metalúrgica en la actualidad representa un elevado porcentaje del esquema o
sustento mundial, lo cual lo cataloga como la industria transformadora y de empleo con gran
importancia, si bien esta industria es una parte final de la transformación de materiales para la
obtención de un producto final, la misma se sustenta y desarrolla año tras año con la innovación
tecnológica, este desarrollo va de la mano y acorde a las exigencias de mercado y la demanda
humana de contar con una mayor cantidad de productos para ser usados, en construcción, aporte
a las nuevas tecnológicas, enseres, servicios, entre otros…. A continuación, se definirá la cadena
metalúrgica.
5.1.2. Cadena metalúrgica
De acuerdo al desarrollo de la industria de metalurgia mundial se vio conveniente clasificar las
actividades y/o operaciones que llevan a la obtención de un producto final; clasificación que se
la realiza de acuerdo a su ubicación en el proceso industrial, de manera que se cuenta con tres
(3) grandes actores principales, las cuales se detallas a continuación:
i) Extracción de minerales:
Se considera a la Extracción de minerales como el proceso en el cual se desarrollan actividades
de extraer del subsuelo los minerales, cuya composición química, pureza y cantidad de reservas
probadas a ser recuperadas, son extraídas de acuerdo a dos métodos muy bien conocidos como
son la extracción a cielo abierto y extracción mediante bocaminas:

[12]
Minería a cielo abierto
La minería a cielo abierto o también denominada de superficie se realiza mediante la eliminación
de la vegetación y de las capas superiores de roca, para poder llegar a los yacimientos enterrados.
FIG. 1: Extracción de minerales a cielo abierto
La minería subterránea:
Puede subdividirse en minería de roca blanda y minería de roca dura. Los ingenieros de minas
hablan de roca 'blanda' cuando no exige el empleo de explosivos en el proceso de extracción.
En otras palabras, las rocas blandas pueden cortarse con las herramientas que proporciona la
tecnología moderna.
FIG. 2: Extracción de minerales del subsuelo

[13]
Minería aluvial
Comprenden actividades y operaciones mineras realizadas en riberas o cauces de los ríos;
también se emplean métodos de minería aluvial para la extracción de minerales y materiales en
terrazas aluviales, que constituyen pequeñas plataformas sedimentarias o mesas construidas en
un valle fluvial por los propios sedimentos del río.
FIG. 3: Extracción de Minerales de los Ríos
ii) Concentración de Minerales:
También conocido como el medio clasificador entre el producto residual sin valor monetario
especifico (Ganga) y el mineral (Mena); actividad que se puede realizar mediante procesos de
lixiviación y flotación de minerales, en los cuales se debe forzar a la mezcla de ganga y mena a
separarse, mediante procesos de trituración secos y húmedos, así mismo la intervención de
agentes externos los cuales provoquen una reacción que permita romper los enlaces químicos
que los adhiera.
En este sentido, como producto final se contará con un producto concentrado con una Ley de
pureza relativamente mayor a lo ingresa, dándole el valor agregado suficiente para ser rentable
y así mismo tener lista la materia prima para su posterior proceso de transformación.

[14]
iii) Fundición de Minerales:
Proceso en el cual se pretende dar un valor agregado y obtener un producto final de lo que era
la materia prima, este proceso de transformación de la materia principalmente obedece a la
necesidad humana y la demanda del mercado, puesto que en este punto se visualiza la nueva
estrategia mercantil y las cualidades específicas que los derivamos de los materiales tiene al
diario vivir y su contribución para un desarrollo de la humanidad.
FIG. 4: Fundición de Minerales
5.1.3. Minerales
“Son cuerpo producido por procesos de naturaleza inorgánica, con una composición química
característica y una estructura cristalina, que por lo general suele presentarse en formas o
contornos geométricos. Estos elementos naturales se encuentran en la superficie o profundidad
de la tierra, conformando sistemas irregulares de yacimientos que se crearon mediante
erupciones volcánicas y se las encuentra gracias a, movimiento de suelos, desgaste de suelos
socavados por ríos, o explosiones provocadas y excavaciones estas últimas controladas y bajo
estudios, aflorándolos minerales existentes, se encuentran siempre como materia sólida.”
(Calderón, 2010)

[15]
5.1.3.1. Tipos de Minerales
Los minerales provenientes de explotaciones a cielo abierto o cielo cerrado se dividen de
acuerdo a su presencia de componentes pesados los cuales son:
Metálicos
Se explotan con el fin de extraer el elemento metálico que contienen, entre los que se considera
los metales preciosos como (el oro, la plata y los metales del grupo del platino), los metales
siderúrgicos como (Hierro, Níquel, Cobalto, Titanio, Vanadio y Cromo), los metales básicos
(cobre, Plomo, Estaño y Zinc), los metales ligeros (Magnesio y Aluminio y los metales
especiales (Litio, Germanio, Galio y Arsénico).
FIG. 5: Minerales metálicos y sus características
No metálicos
Son los que se aprovechan con finalidad distinta a la de extraer metales, a pesar de que los
contengan, entre los que se encuentran los minerales industriales que incluyen los de potasio y
azufre, el cuarzo, la trona, la sal común, el amianto, el talco, el feldespato y los fosfatos. Los
materiales de construcción, entre ellos la arena, la grava, las arcillas, la caliza y los esquistos
materia prima del cemento, las piedras pulidas, como el granito, el mármol, etc. Las Gemas o
piedras preciosas, entre las que se incluyen las esmeraldas, los diamantes, los rubíes y zafiros;
y, las gemas o piedras semipreciosas como: turquesa, cuarzo, perla, jade, zircón, ámbar,
malaquita, etc. Los Combustibles, entre ellos el carbón, el lignito, el petróleo y el gas.

[16]
FIG. 6: No metálicos y sus características
5.1.3.2. Características de minerales
Las características de un mineral que se encuentra en la naturaleza. Son definidas mediante: la
estructura cristalina y el hábito, la dureza, el lustre, la diafanidad, el color, el rayado, la
tenacidad, la exfoliación, la fractura, la partición y la densidad; estas propiedades físicas nos
pueden ayudar a poder conocer a simple vista el tipo de mineral y la presunta concentración.

[17]
5.2. Marco referencial
5.2.1. Fundición de acero en Colombia
La fundición como actividad industrial fue desarrollada en el país desde la época post colonial,
donde se fusionaron los conocimientos europeos con la mano de obra Colombiana, esta industria
llevo a una gran cantidad de nuevos productos, teniendo su auge conjuntamente con la
revolución industrial, en la actualidad existe un compromiso férreo por parte de las autoridades
nacionales y regionales con el incentivo a la industrialización y transformación de materiales,
permitiendo desarrollar esta actividad de manera artesanal o industrial.
Conjuntamente al incentivo se espera un poco más de apoyo en capacitación e importación de
máquinas de última generación, los cuales aún no llegan al país, quedándonos así rezagados en
lo que refiere a la última tecnología en fundición de materiales, pero esto no es impedimento
para continuar siendo una de las economías de sustento nacional conjunta a la agricultura,
minería e hidrocarburos.
5.2.2. Empresa Servimetales Frey S.A.S
Empresa Servimetales Frey S.A.S, fue fundada en el año 2001, con presencia en el mercado de
comercio de Acero de la Construcción, y derivados del; es pionera en este rubro; ha logrado
posicionarse entre las primeras empresas en la importación de este tipo de materiales. Entre los
principales materiales que comercializa Servimetales Frey S.A.S se encuentra el Acero
Corrugado, Planchas, Calaminas, Fierro Liso, Cañerías, Perfiles, Alambres, Mallas
Electrosoldadas, entre otras relacionadas con materiales y sus derivados del Acero.
“Servimetales Frey S.A.S actualmente es líder en el mercado de nuestro país en todo lo que es
La demanda actual estimada es de aproximadamente de 60 MW consumo de energía anual:
260,000 MWh / tensión primaria de alimentación: 230 KV.
La empresa Siderúrgica Servimetales Frey S.A.S comercializa los siguientes productos:

[18]
Tabla 1: Productos que comercializa la empresa “Servimetales Frey S.A.S”
PRODUCTOS
1. Fierro Corrugado
2. Fierro Liso
3. Ángulos
4. Cañerías
5. Perfiles Abiertos
6. Mallas Electro soldadas
7. Cordones
8. Planchas Negras
9. Calaminas
10. Fierro Redondo
11. Fierro Perfilado
12. Alambre para amarre
13. Alambres diversos
14. Clavos y Grampas
15. Tuberías
Fuente: Catalogo de venta de acero y sus derivados (SERVIMETALES FREY S.A.S, 2022)
Actualmente en la siderúrgica se está produciendo fierro corrugada de la siguiente medida
FIG. 7: Catalogo de diámetros de venta

[19]
5.3. Tecnología existente
5.3.1. Tipos de Hornos
El acero es uno de los productos más usados en el mundo gracias a sus propiedades y variedad
de aplicaciones, la fabricación del acero se realiza en acerías al oxígeno y eléctricas, por medio
de altos hornos y hornos de arco eléctrico (EAF) respectivamente. El funcionamiento del EAF
es más flexible y genera un impacto ambiental menor la competitividad mundial en la
producción de acero conlleva al desarrollo continuo con el fin de tener mayor control y
eficiencia de las materias primas e insumos, la escoria es una mezcla no metálica formada por
óxidos, fluoratos, sulfatos y fosfatos, líquidas o parcialmente sólidas a la temperatura de
fundición, presente en las etapas de producción del acero, afectando las características del
producto y el desgaste de los equipos, con adecuado control desde su clasificación y limpieza
desde la misma chatarra generara un impactó importante a la hora de su fundición de esta misma
y con la adecuada proporción de adictivos tanto de EAF Y ELF se obtendrá palanquillas de
muy buena calidad.
5.3.2. Mecanismo del Funcionamiento
Los hornos de fundición funciona bajo el principio termodinámico de intercambio de calor
donde se conoce que la migración de calor es de un cuerpo caliente a uno frio, así mismo el
tiempo en el que tarda un material en calentarse es directamente proporcional a la constante K
de admisión de calor , en este sentido en el presente grafico se detalla el circuito del calor, mismo
que como se pudo establecer en puntos anteriores denota la perdida de temperatura del material
fundido en un tramo determinado, cuyo tiempo debe ser considerado para un mejor vaciado.

[20]
FIG. 8: Proceso de producción de acero en un horno de arco eléctrico
Tabla 2: Chatarra de alimentación
Tipo de chatarra Densidad (T/M3)
Mixta 0,42
Menuda 0,73
Retorno interno 1,09
Paquete 0,62
Pesada 1,34
Oxicorte 0,65
Hierro fundido 2,67
Fuente: Alimentación a hornos en Servimetales Frey S.A.S (SERVIMETALES FREY S.A.S
exp-imp, 2022)
Cuando se carga el EAF con una mezcla de diferentes grados de materiales ferrosos, la densidad
de la carga varía de acuerdo con la mezcla. Por lo tanto, la carga del EAF tiene una densidad
promedio que puede variar entre 0.75 ton/m3 y 1.30 ton/m3. A la mezcla requerida de chatarra
en la primera cesta es adicionado cal cálcica, cal dolomítica, antracita gruesa, La cal cálcica y
dolomítica son los principales formadores de escoria ya que dentro de sus funciones está la de
retener las impurezas que se liberan durante el proceso (como por ejemplo los óxidos) y protege

[21]
los refractarios pues al contener MgO evita su inclusión excesiva en la escoria. Las cuales se
clasifican en dolomítica si contiene entre el 5% al 30% de MgO y en cálcica si el contenido de
MgO es inferior al 5%.
la cal es el agente formador de escoria más importante en la fabricación de acero en HEA y su
tamaño de partícula debe ser de 3 a 15 mm y con la mínima cantidad de piezas finas (menores
a 3 mm) ya que estas absorben el calor más rápido por tener un área superficial mayor causando
la incineración del material. Esta debe contener más del 90 % de óxido de calcio para impedir
que se gaste energía extra en la incineración de la cal. Otros factores a tener en cuenta al
momento de escoger una buena cal para el HEA son el contenido de azufre el cual debe ser
mínimo para evitar perjuicios en la calidad del acero, y la perdida por ignición en donde se
elimina el dióxido de carbono remanente en el material y el agua que absorbe el material del
ambiente
Los agentes carbonáceos tienen como función formar la escoria espumosa mediante la
producción de CO que se da en la reacción entre el oxígeno y el carbono. Para este propósito se
suele cargar a la cesta carbón antracita gruesa la cual es la que más facilita la espumación de la
escoria ya que las burbujas emergen desde el acero líquido.
Por otro lado, durante el afino en el HEA se inyecta junto al oxígeno antracita fina por medio
de unas lanzas que se apuntan manualmente encima de la escoria. Entre mayor contenido de
carbono en la materia prima habrá mayor cantidad de carbono que reaccione con el oxígeno, La
antracita contiene entre (75 – 78 %) de C y de azufre (0.2 – 0.5%).
Agregar carbono al proceso ayuda incluso a disminuir el consumo de energía ya que su reacción
aporta energía química a la mezcla. Durante el proceso de fundición de la chatarra a fase liquida
se da en dos etapas conocidas como fusión y afino.
Fusión. En esta etapa ocurren fases como la oxidación, Desfosforación y formación de la escoria
por lo que al finalizar se obtiene acero líquido y escoria.
Oxidación: Se produce la oxidación del hierro contenido en la chatarra y el óxido de hierro a su
vez oxida compuestos como el silicio y el magnesio, dando lugar a fuertes reacciones
exotérmicas, donde se tiene un gran aporte de energía química; se alcanzan temperaturas de

[22]
1600°C. Se adiciona carbón con el fin de reducir el óxido de hierro presente en la escoria para
lograr el paso del monóxido de carbono para formar la escoria espumosa.
Desfosforación: El fósforo disuelto en la fundición provoca gran fragilidad en el acero sólido,
por lo cual se le adiciona óxido de calcio removiéndolo de la fundición y pasándolo a la escoria.
Esta es la etapa en la que la chatarra pasa de estado sólido a líquido. El ciclo tap-to-tap inicia
con la carga de la chatarra la cual debe ser la más densa posible con el fin de evitar varias cargas
en el proceso, estar lo más limpia y libre de impurezas (Cu, Ni, Cr, Sn, Mo, P, S), pinturas y
aceites pues afectan fuertemente las propiedades mecánicas del acero, pero materiales como el
magnesio y el silicio son bienvenidos ya que ayudan a la formación de escoria y determinan la
cantidad de reacciones que ocurrirán en el proceso. Para cargar el material, la bóveda y los
electrodos del horno se levantan para vaciar la cesta por la parte inferior, luego se cierra la
bóveda y los electrodos bajan y se encienden para formar un arco eléctrico con la carga metálica
cediendo la energía calórica suficiente para alcanzar la temperatura de fusión del acero, Se suele
dejar un sobrante de acero líquido de la colada anterior conocido como fondo húmedo con el fin
de disminuir el tiempo de operación, el periodo de fusión es el que más consumo de energía
presenta pues los electrodos están en su máximo y por lo tanto es el más costoso de todo el
proceso, por lo cual se suele utilizar inyección de oxígeno y gas natural añadiendo energía
química a través de las reacciones de combustión calentando los puntos fríos que no alcanza los
electrodos de grafito. Los inyectores de oxígeno también tienen el propósito de cortar trozos de
chatarra.
Refino: Luego de que la chatarra es fundida se inyecta oxígeno y antracita por lanzas
supersónicas con el fin de formar la escoria espumosa la cual captura las impurezas con la
oxidación de fósforo, silicio magnesio y otros elementos. Después se da la descarburación entre
el carbono y el oxígeno inyectado con el de la atmósfera. En la última fase en el horno de arco
eléctrico, se toma una muestra por medio del CELOX para determinar los ajustes de
ferroaleaciones para obtener la composición química adecuada de la escoria y del acero, el cual
debe contener un máximo de 0.05% de carbono y 200 ppm de oxígeno. la composición química
se controla variando la cantidad de cal, oxígeno y carbón, Por otra parte, se eleva la temperatura
del acero hasta 1630 °C para que este no se solidifique en el proceso de vaciado a la cuchara

[23]
FIG. 9: Vista de Corte del Horno
9.3. Horno cuchara
En esta fase el acero en bruto debe afinarse ya que no se alcanzó los parámetros requeridos de
su composición y temperatura. Las operaciones que se llevan a cabo en esta fase son
• Ajuste de la composición: se le añade elementos de aleación necesario para alcanzar la
composición requerida
• Desulfuración: el azufre confiere gran fragilidad al acero, para eliminarlo se añade un
agente desulfuran té mientras se sopla un gas inerte como el argón para homogenizar el baño
metálico
• Eliminación de gases: la presencia de gases pueda dar lugar a sopladuras o huecos en la
masa, para extraerlo se introduce en la cuchara una campana conectada al vacío
Posteriormente con el afino y la temperatura necesaria se lo envía a ccm para darle su debido
lingotamiento.

[24]
9.4. Colada continua
Se vierte el acero líquido sobre un molde cuya sección transversal tiene la forma geométrica de
la palanquilla sin ninguna interrupción, la palanquilla sale continuamente hasta que la cuchara
ha vaciado todo el acero líquido.
La solidificación inicia en el exterior y no es completa en el interior, esta solidificación se
completa por la acción de chorros de agua a presión y suele terminar poco antes que todo el
acero se solidifique y termina con enfriamiento al aire.
9.5. Laminación
La laminación es el último paso en la fabricación del acero y consiste en la deformación plástica
de los lingotes o semiproductos de acero. Se lleva a cabo en los denominado trenes de
laminación, mediante la acción mecánica de dos rodillos que, girando a la misma velocidad y
en sentidos contrarios, ejercen una presión que consigue una reducción de la sección transversal
del material. La ductilidad del acero es mayor cuanto más elevada es su temperatura,
distinguiéndose en consecuencia dos procesos:
• Laminación en caliente (temperaturas 1250˚ C y 800 ˚C): Los desbastes procedentes de la
colada continua son introducidos en un horno y posteriormente llevados a un tren de cilindros
laminadores que irán reduciendo su espesor y lo conformarán a un perfil determinado.
• Laminación en frío (temperatura ambiente): Se parte de las bobinas de bandas provenientes
del laminado en caliente, las cuales, tras su paso por una línea de decapado con ácido sulfúrico
para desprender el óxido formado y un lavado posterior, son introducidas en un tren laminador
que reducirá su espesor de forma drástica, obteniendo chapas de hasta 0,1mm. El acero obtenido
por laminación en frío puede venderse con recubrimiento o sin él. Si éste es a base de estaño, el
producto final se conoce como hojalata, si el recubrimiento es a base de zinc, el producto final
será acero galvanizado

[25]
FIG. 10: Laminación de acero
La barra no se pone en contacto con el mecanismo de arrastre formado por rodillos hasta que la
solidificación en el interior es completa. Después, el semiproducto se corta a la longitud prevista
y se traslada a los lugares de almacenamiento.
ESCORIA
En la producción de acero es indispensable conocer las propiedades físicas y químicas de la
escoria, así como las reacciones y los mecanismos que conlleva a su formación pues cumple un
papel importante a la hora de disminuir los costos del proceso. En la industria siderúrgica hay
un dicho muy famoso “cuida la escoria y el metal se cuidara solo” ya que esta, según Vieira23
permite una transferencia térmica uniforme al baño líquido disminuyendo los tiempos de
operación, proteger al refractario del arco y disminuir su desgaste por su compatibilidad,
mantener controlado los niveles de óxidos evitando perdidas excesivas, desfosforar el acero, y
proteger al acero de la absorción del hidrógeno y el nitrógeno los cuales disminuyen la tenacidad
del acero y son difíciles de remover del acero
Producción de la escoria. Al momento de inyectar oxígeno a la carga reacciona con Fe, Mn, Cr,
Si, Al y otros compuestos en la carga, que de acuerdo con Unamuno25 forman los
correspondientes óxidos de cada elemento como se muestra a continuación:
Si (l)+O2 (g)→SiO2 (l) ……… 1
Fe(l)+ 1 2 ⁄ O2 (g)→FeO(l) ….. 2

[26]
Mn(l)+ 1 2 ⁄ O2 (g)→MnO(l) … 3
2Cr(l)+3 1 2 ⁄ O2 (g)→Cr2O3 (l) … 4
2Al(l)+3 1 2 ⁄ O2 (g)→Al2O3 (l) … 5
La cantidad de estos óxidos depende de la cantidad de los elementos químicos en el baño y la
existencia de oxígeno. Al ser los óxidos menos densos que el hierro fundido, suben y son
absorbidos por la escoria abriendo camino a que más hierro se oxide con la condición de que
haya abastecimiento de oxígeno, lo suficientemente caliente para disolverse. Por ejemplo, “a
1600°C el acero puede disolver un máximo de 0.23% de O2” 26. El acero también contiene
carbono el cual también se oxida produciendo burbujas de monóxido de carbono. Otros óxidos
que forman la escoria son agregados como el CaO y el MgO en forma de Cal cálcica y Cal
dolomítica (o proveniente del desgaste de los refractarios básicos compuestos principalmente
de MgO) respectivamente, otros están mezclados con la chatarra como la herrumbre (FeO) y
tierra rica en SiO2.
FIG. 11: Oxidación de los diferentes compuestos en el acero
5.5. Marco legal
La minería y metalurgia en Colombia se rige de acuerdo al marco normativo y ley de minería
y metalurgia para el funcionamiento y trabajo adecuado y todas las practicas recomendadas
según API, ASME y OSHA”

[27]
6. Diagnóstico de la Situación
6.1. Marco Contextual
De acuerdo al documento base del cual se hace uso para el presente trabajo se debe considerar
que para la elaboración de del modelo matemático a ser analizado se basó en un modelo
realizado por la empresa Gerdau, quien enfocó sus esfuerzos en el control de la temperatura
perdida en los hornos de fundición, brindándonos de esta manera un esquema general de las
variables y constantes que intervienen en el modelo.
FIG. 12: Thermal Tracking (Tht)
Como se expresa claramente en el model Thermal Trackin se cuenta con la intención de 3 actores
principales como es el GR donde descansa un modelo ETR que expuesto a un tiempo de 30 min
se consolida como un modelo real, así mismo el modelo artesa considera variables específicas

[28]
de colada y su calentamiento, reposando de esta manera en el w/q y la calidad del acero cumple
su función de proporcionar la temperatura adecuada que será registrada por el modelo estático.
Para la obtención de este modelo se realizó la experimentación a través de la ecuación resultante
𝑇𝑡 = 𝐶 ∗ 𝑒𝑘𝑡
Ec. 2: Ecuación General del Modelo Matemático
Donde se pretence despejar y calcular C y k, por lo cual sobre una base de datos fija sobre
pruebas en laboratorio se tiene la siguiente tabla:
Tabla 3: Resumen de datos experimentales para determinación del modelo
Fuente: Modelo empírico de enfriamiento de líquidos (Gonzales, 2013)

[29]
Como se puede ver en la gráfica presentada se cuenta con una constante C = 1644,2 valor
establecido a partir de un promedio aritmético, de la misma manera en el experimento se obtuvo
un valor de -3,6685 E-05 para la constante k.
Concluido la experimentación se tiene que el rigor numérico expresado en ecuación que seguirá
la variación de la temperatura respecto del tiempo es la siguiente
𝑇𝑡 = 1644 ∗ 𝑒−3,6685𝐸−05 (𝑡)
Ec. 3: Ecuación Simplificada del Modelo Matemático
Esta función es graficada en una hoja semilogarítmica obteniendo de esta manera lo siguiente:
FIG. 13: Decaimiento de la Temperatura en función del tiempo (segundos)
Con la satisfactoria obtención de esta ecuación que permite conocer la caída de la temperatura
en segundos podemos conocer con un poco más de certeza en cuanto tiempo será la reducción
de la temperatura de un punto a otro punto. Como se puede observar se cuenta con un
comportamiento logarítmico debido a la variación infinitesimal, ahora bien, en la siguiente
figura se puede ver la caída de la temperatura respecto a una unidad de tiempo mayor, de manera
que se reajusta la gráfica a un decaimiento lineal y constante, si bien existe una mayor
probabilidad humana por parte del lector lo que se pretende es dar a conocer al lector sobre la
exactitud decimal.

[30]
FIG. 14: Decaimiento de la Temperatura en función del tiempo (cronológico)
Ahora bien, en la ejecución del experimento se contó con los siguientes resultados:
Tabla 4: Datos para verificación de pronóstico

[31]
Tabla 5: Resumen de pronósticos y parámetros para análisis
Para la discusión y evaluación del experimento se realizó el estudio de indicadore como son
MSE, MAD y MAPE que ratifiquen o nieguen la utilidad del mismo en medidas de laboratorio.
Estos indicadores cuentan con ecuaciones pre establecidas las cuales se detallan a continuación.
MSE = ∑
(yj − gt,j)2
r
t+r
j=t+1
Ec. 4: Ecuación general del parámetro MSE
MAD = ∑
(yj − gt,j)
r
t+r
j=t+1
Ec. 5: Ecuación general del parámetro MAD
MAPE =
∑ |
yj − gt,j
gt,j
|
t+r
j=t+1
𝑟
∗ 100
Ec. 6: Ecuación general del parámetro MAPE

[32]
Donde:
yj = Valor observado de los datos
gt,j = Valor pronosticado por la ecuación
r = Número de periodo
Para la determinación mediante los indicadores se estudian los distintos valores que se muestran
en las siguientes tablas.
Tabla 6: Resumen de datos pronosticados para la serie 1 y cálculo de indicadores

[33]
Tabla 7: Resumen de datos pronosticados para la serie 2 y cálculo de indicadores
Teniendo como resumen la siguiente tabla
Tabla 8: Resumen de resultados de indicadores para ambas series de datos

[34]
Como se puede ver con claridad de acuerdo a los cálculos y variables de temperatura usadas
para las comparaciones anteriores, los valores de cada indicador en la serie 2 son los más bajos,
por lo cual se sugiere hacer uso del modelo para la constante C igual al valor de escoriado.
Con respecto al valor de K se realizó la prueba t – student en la cual se suponían varianzas
desiguales dando como resultado una igualdad entre los valores medios de K construcción y
verificación, por lo cual no se cambian la K.
Tabla 9: Prueba t para dos muestras suponiendo varianzas desiguales
Finalmente, con el análisis minucioso del error obtenido mediante este modelo se puede ver que
la exactitud con la que se contó en laboratorio es razonable para trabajarla en la vida real.
Se conoce bien que el método de laboratorio no debería diferir mucho con la realidad en ese
sentido con la experiencia en campo que se tiene se puede declarar que los valores conseguidos
mediante el cálculo respecto al tiempo y perdida de energía son similares, en la presente tabla
se muestran los valores analizados en la Empresa Servimetales Frey S.A.S.

[35]
7. Conclusiones y recomendaciones
Finalizado el trabajo de investigación se concluye y recomienda lo siguiente:
 Realizar las tomas de temperatura con equipos de alta precisión para hacer uso del
modelo.
 Poner en práctica el modelo como medida de contención de perdidas, de manera que
permita conocer con mayor exactitud el cálculo de material perdido.
 Desarrollar un software propio de la Empresa “Servimetales Frey S.A.S” para el
cálculo de las pérdidas de temperatura con condicionadores que operación que
permitan una mejor automatización futura.
 Continuar con la investigación de métodos numéricos que reflejen que su capacidad de
laboratorio puede ser útil en la vida laboral.
De la misma manera se recomienda:
 Ejecutar a la brevedad posible el uso de este método empírico.
 Invertir un mayor porcentaje en nuevos métodos empíricos.
 Desarrollar un método numérico propio.

[36]
8. BIBLIOGRAFÍA
Calderón, I. (2010). MINERIA SIGLO XXI. 58.
Gonzales, S. M. (2013). Modelo empírico del enfriamiento del acero líquido en cuchara de 15
TM : una perspectiva industrial. 15, 85–91.
Ing.Miranda. (2018). Metodologia De Proyectos.
PhD. Ing. Palma, M. E. (2010). Paradigmas y Enfoques De La Investigación Científica (Issue
1990). http://www2.minedu.gob.pe/digesutp/formacioninicial/wp-
content/uploads/2010/09/Material_dia_1.pdf
Servimetales Frey. (2022). FLUJOGRAMA DE LA SIDERURGIA LAS LOMAS.
Servimetales Frey S.A.S. (2022). CATALOGO DE VENTA LAS LOMAS.
Spiridonov, V. P., & Lopatkin, A. A. (1973). Tratamiento Matemático de datos Físico -
Químicos. 72.

Monografía Mitelurgia.docx

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a Monografía Mitelurgia.docx

Similar a Monografía Mitelurgia.docx (20)

Último

Último (20)

Monografía Mitelurgia.docx