Optimización en la reparación y mantenimiento de hornos de fabricación de cemento

Abstract

Esta tesis doctoral está concebida como la confluencia de los estudios realizados sobre optimización, de abundantísima literatura científica que se recoge en la bibliografía, y los estudios relativos a la importancia del material refractario en la industria del cemento, mucho menos abundantes aunque de gran interés. A partir de estos antecedentes, pretende ser innovadora tanto en su planteamiento como en su desarrollo pues requiere, como se ha dicho, la confluencia de los estudios sobre optimización con los del microcosmos industrial que significa el horno de fabricación de cemento y, en especial, su reparación. De ahí que se pueda decir que existen unos antecedentes de carácter general, que serían los estudios sobre la optimización y sobre los materiales refractarios, pero ahora se trata de que confluyan. De esta confluencia no se conocen antecedentes, no hay literatura científica de un proyecto de investigación como éste y, si se está llevando a cabo, todavía no se han publicado los resultados, por lo que ha sido necesario acudir a investigaciones y experiencias llevadas a cabo por el propio doctorando en la industria a la hora de reparar los hornos de fabricación de cemento. De lo dicho se deduce que esta tesis se ha realizado investigando un ámbito industrial muy específico, como es el de la problemática de la reparación del horno en las fábricas de cemento mediante instalación de hormigón por vía húmeda y otras técnicas afines. La optimización de los procesos implicados en el objetivo de reducir el tiempo necesario para completar una instalación de material refractario, complementado con la mejora de la calidad y el incremento de la seguridad en el trabajo, tiene dos ámbitos de estudio muy concretos: 1. Aquellos factores que son externos a una fábrica de cemento (factores exógenos). 2. Aquellos factores que son propios de una fábrica de cemento (factores endógenos). Deben comentarse brevemente los antecedentes teóricos que motivaron al doctorando Bruno Martínez Reyna Optimización en la reparación y mantenimiento de hornos de fabricación de cemento a adentrarse en esta temática, y que se han desarrollado ampliamente en los capítulos 7 y 10. Desde la década de 1950, la industria automotriz Toyota Motor Company ha implementado con éxito el “pensamiento LEAN”. Este pensamiento define técnicas recientes para eliminar actividades que no generan valor en la línea de producción. Unos años después Lauri Koskela, con sus teorías del management, trataba de combinarlas con las prácticas de Toyota. El Lean Construction surge en agosto de 1992, cuando este investigador publicó en la Universidad de Stanford un artículo de referencia titulado “Application of the New Production Philosophy to Construction”1. Un año más tarde, el Dr. Koskela invitó a un grupo de especialistas en construcción al primer workshop de esta materia en Finlandia, dando origen al International Group for Lean Construction (IGLC) lo que ha permitido extender la filosofía LEAN y consolidar el European Chapter of the International Group for Lean Construction2. Estos antecedentes han llevado a proponer una investigación en la que lo primero que se pretende es, conforme exige el sistema LEAN, una acotación lo más delimitada posible para conseguir unos estudios comparativos y unos análisis agregados de un muestreo significativo de fábricas de cemento. En ellas, el doctorando va a aplicar una serie de técnicas cuya mejora propone a través del logro de una optimización adecuada. Ésta pretende abarcar todo el proceso que ha sido acotado desde la preparación (en la fábrica matriz) y salida de las herramientas necesarias para la instalación de los refractarios, hasta su instalación en las fábricas del muestreo realizado para esta investigación. En las 4.200 cementeras que hay en el mundo se utilizan procesos parecidos de fabricación: se obtiene materia prima de la cantera, introduciéndola en la línea de producción de clinker, se calienta la línea de producción, se calcina la materia prima y se obtiene el clinker que posteriormente es homogeneizado con otras materias primas para obtener el cemento que se utiliza en la obra civil. Estas fábricas han de reparar el refractario del horno, dañado durante sus periodos de producción, lo que se suele llevar a cabo una vez al año. Esta investigación se centra en los procesos industriales necesarios para instalar material refractario sea en ladrillo o en hormigón proyectado por vía húmeda, con aplicación en cualquier lugar del mundo. La clave del éxito de esta investigación consiste en que los resultados en cuanto a la optimización se puedan aplicar en cualquier fábrica de cemento. Dado que la filosofía LEAN pretende eliminar todo aquello que no da valor en el proceso productivo, se ha de procurar eliminar las “pérdidas del sistema” y para ello es preciso estandarizar la secuencia de acciones de tal modo que cualquier trabajador implicado en la obra sepa, en cada momento, en qué paso del proceso se encuentra el proyecto, dónde puede revisarlo en caso de duda y qué acciones deberá evitar para no dañarse y no entrar en ‘muda’ (término japonés para definir un desperdicio dentro de un proceso industrial). En relación con la muestra estadística de esta investigación, hay que tener en cuenta que todos los países utilizan cemento y si no tienen una fábrica en su territorio (los menos) importan cemento o clínker, por lo que aleatoriamente se ha trabajado en fábricas de 42 países, ya que se dan grandes diferencias entre unos y otros. En algunos lugares del mundo, durante las épocas de invierno, no es posible edificar debido a que, a causa de las bajas temperaturas, el hormigón tarda más en fraguar o en ocasiones no fragua. En zonas tropicales, durante la época de lluvias, la demanda de cemento también disminuye. Por diversas razones, las fábricas situadas en la misma región realizan la parada anual de reparación en la misma época del año, con lo que es de vital importancia ejecutar el trabajo de forma rápida y eficiente para poder prestar el servicio de reparación en varias fábricas de la misma región. A esta circunstancia se le ha de añadir la situación de las fábricas que tienen toda su producción vendida porque el mercado en el que están situadas tiene mucha demanda de cemento y, por lo tanto, quieren que el horno esté parado y sin producir lo menos posible. Por este motivo, la rapidez en los trabajos de instalación de refractario es vital para estas fábricas. En líneas generales, una fábrica de cemento puede producir 5.800 toneladas/día. Si de media (teniendo en cuenta el muestreo de las que se tienen datos, el 1 % del universo estadístico) las paradas anuales de reparación duran un mes, reduciéndose esa cifra unos días puede mejorarse sustancialmente su productividad. Esto puede suponer a la fábrica de cemento una ganancia aproximada de cien mil toneladas más producidas, con un beneficio importante por la venta de cemento, que habría que cuantificar por zonas económicas, al ser diferentes los costes entre unas y otras. Para comprender los métodos que permitirán reducir los tiempos de una instalación sin comprometer la calidad de los hormigones que hay disponibles actualmente, ni la seguridad e higiene en el trabajo, es preciso recordar también como antecedentes, no teóricos sino tecnológicos, de los últimos años lo que se plasma en los capítulos correspondientes (4,5 y 6). A partir de estos antecedentes históricos del sistema LEAN y de las mejoras tecnológicas recientes, se ha observado la existencia de una serie de problemas cuya posibilidad de solución se constituyó en la hipótesis de la presente investigación: 1. A la hora de reparar los hornos se comprobó la necesidad de reducir al mínimo los días en los que la línea de producción de clínker está parada por reparación de refractario. 2. Tanto la colocación de ladrillos refractarios en el horno como los hormigones proyectados por vía húmeda podían ver reducido el tiempo requerido para su instalación, por lo que se estudiaron en profundidad los procesos industriales necesarios para conseguir una instalación más rápida, con adecuada calidad en el resultado y seguridad en el trabajo. 3. Había que sentar las bases para la optimización de la reparación, desde su preparación hasta su ejecución, para responder a diferentes tamaños de proyectos, pautar los pasos hasta lograr una correcta aplicación del hormigón y minimizar el posible error en la obra a partir del establecimiento de protocolos. Esta investigación se ha desarrollado en 42 países, en una fábrica por país, lo que supone el 1 % del universo estadístico. A partir de las teorías de optimización del sistema LEAN, muestra con un estudio objetivo y con datos cuantificables, los procesos industriales relacionados con la instalación de material refractario propensos a ser estandarizados para que se puedan repetir con la máxima eficiencia en cualquiera de las 4.200 cementeras del mundo. En otras palabras, el análisis del proceso de reparación “in situ” permite diagnosticar los problemas y proponer recomendaciones que contribuyen a desarrollar los planes de acción para su solución. La selección de la muestra de las fábricas de cemento ha sido aleatoria, lo que permite afirmar que la información recogida “in situ” durante las instalaciones de material refractario es objetiva y medible. Se proponen 42 variables de 42 países del mundo diferentes para tener un conocimiento más amplio de los detalles meramente técnicos. El doctorando ha visitado muchas más fábricas que la muestra pero éstas se han considerado como las más representativas. El motivo de la elección de 42 cementeras es porque, antes y durante la realización de la tesis, es el número de obras en las cuales el doctorando ha podido extraer los datos necesarios para su posterior análisis, habiendo trabajado sobre el terreno. La elección de 42 variables es acorde con las características comunes de todas las instalaciones. Según el Cement Directory de 2021 hay 4.200 cementeras en el mundo, con lo cual la muestra de 42 fábricas representa el 1% del total mundial. La metodología empleada permite establecer un ranking objetivo de países pues su puntuación es verificable (se puntúan los 42 indicadores del 1 al 5 en función de si afecta en mayor o menor grado a la calidad de la ejecución de la obra en el menor tiempo posible, y con la máxima seguridad e higiene en el trabajo). Los recursos necesarios para poder hacer esta investigación han sido los adecuados porque el doctorando trabaja como ingeniero en una empresa productora de materiales refractarios. Esta empresa exige, como garantía de calidad, que en toda instalación de su material debe estar presente un ingeniero-supervisor, trabajo que realiza el doctorando. Al estar presente durante la instalación de estos materiales en todas las partes del mundo le ha permitido observar constantemente la instalación de material refractario en hornos de producción de cemento. La estancia en la Universidad Politécnica de Valencia, durante los seis primeros meses del año 2021, ha sido un complemento necesario para dotar de mayor cientificidad al trabajo realizado gracias tanto a los recursos bibliográficos como al acompañamiento de profesorado experto en optimización. En el tratamiento de la información se ha tenido en cuenta que muchos datos, por tener carácter de confidenciales, se plasman dando un número a cada país, que corresponde a cada una de las fábricas productoras sin que esta confidencialidad afecte ni al análisis ni a los resultados. En cualquier caso, no se ha comenzado directamente con una optimización abstracta, sino concreta. Y la concreción ha sido en relación con el cemento y la reparación y mantenimiento del horno en el que se produce. De ahí que la investigación comience con la introducción histórica del capítulo 1, en la que se valora la gran transformación que ha supuesto el cemento en la construcción que ha llevado a la reducción del uso del ladrillo, lo que resulta paradójico ya que para producir el cemento que reduce el uso de ladrillos en la construcción actual, el ladrillo refractario sigue siendo necesario. Seguidamente la concreción continúa al exponer los elementos básicos de una fábrica de cemento (capítulos 2 y 3). También se han incluido tres capítulos sobre el material refractario que se instala en la reparación del horno (capítulo 4,5 y 6) para, finalmente, alcanzar la parte decisiva de la tesis que trata de la optimización de los 42 factores, lo que ha permitido establecer un ranking mundial de fábricas de cemento, además de proponer las conclusiones y recomendaciones finales que pueden ser útiles a todas ellas.