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Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman
CIENCIA DE LOS MATERIALESCIENCIA DE LOS MATERIALES20102010
Ciencia de los MaterialesIngeniería Industrial
Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Buenos Aires
SIDERURGIASIDERURGIA
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MINERALES DE HIERROMINERALES DE HIERRO
• Principales Minerales de Hierro
Mineral de Hierro Fórmula Química Denominación
Hematita Fe2O3 Oxido Férrico
Magnetita Fe3O4 Oxido Ferroso-Férrico
Ilmenita FeTiO3 Oxido de Hierro- Titanio
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Limonita FeO Oxido Ferroso
Siderita FeCO3 Carbonato de Hierro
Pirita FeS2 Sulfuro de Hierro
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CICLO METALÚRGICOCICLO METALÚRGICO
DEPÓSITO
Mena
Minerales
+
TRATAMIENTO PREMETALÚRGICO
ACONDICIONAMIENTO
ENRIQUECIMIENTO
REDUCCIÓN
ALTO HORNO
•Fundentes•Coque•Mineral de Hierro•Arrabio•C = 3.0 a 4.0 %
ACERACIÓN
CONVERSIÓN (Inyección aire)
•Bessemer y Thomas
INYECCIÓN OXÍGENO
LD LD AC K ld
COLADA
LINGOTERA
Lingotes
COLADA CONTINUA
DEFORMACIÓN PLÁSTICA
DESBASTE
SEMIPRODUCTO
Pl h ó
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Ganga
AGLOMERACIÓN
REDUCCIÓN DIRECTA
•Hierro Esponja•C = 0.5 a 0.9 %
LM Fe ≥ 90 %
•LD, LD-AC, Kaldo-Rotor
SOLERA
•Abierta•Siemens Martin
HORNO ELÉCTRICO
•Arco•Inducción
Semiproducto •Plano: chapón•No Plano: palanquilla
PRODUCTO FINAL
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Acondicionamiento
• Reducción y Selección de Tamaño de Partícula
• Trituración
• Molienda
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Trituradora de Mandíbulas Trituradora de Cilindros Trituradora a Rotación Excéntrica
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Acondicionamiento
• Selección de Tamaño de Partícula
• Trituración
• Molienda
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Molino de Bolas
Perfil de caída
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Enriquecimiento – Vía Mecánica
• Separación Magnética
• Se basa en la existencia de compuestos que pueden seratraídos por campos magnéticos y separados así, delresto del mineral
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Separador Rotativo Separador Magnético
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Enriquecimiento – Vía Térmica
• Calcinación
• Se realiza en minerales a base de Carbonatos
CO3Fe + ∅ → CO2 + FeO reacción endotérmica
56
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56LMCO3Fe =
(12 + 3 * 16 + 56)48 %=
56LMFeO =
56 + 1678 %=
Horno de Calcinación
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Enriquecimiento – Vía Térmica
• Tostación
• Se realiza en minerales a base de Sulfuros
SFe + 2 O2 → SO4Fe + ∅ reacción exotérmica
SO4Fe + ∅ → SO2 + ½ O2 + FeO
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SFe (Sulfuro Ferroso) es una impureza que desmejoralas propiedades mecánicas y tiende a la fragilización
56LMSFe =
32 + 5663 %=
56LMFeO =
56 + 1678 %=
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Enriquecimiento – Vía Térmica
• Tostación
El SO2 es contaminante ∴ hay que tratarlo
SO2 + ½ O2 → SO3 + H2O → H2SO4
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Horno de Soleras
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Sinterización
• Es un proceso en contracorriente entre gases y sólidos donde la mezcla deminerales de Hierro y Coque se cargan en una parrilla, haciéndolo pasarpor un quemador
• El Coque de la mezcla, se calienta e inflama consumiéndose totalmente
• El calor producido por la combustión del Coque, funde parcialmente elmaterial facilitando su aglomeración
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Dwight - Lloyd
g
• La combustión del Coque semantiene por intermedio de lasucción de aire, debajo de la parrilla
• El Sinter formado cae a través deuna tolva que va a una trituradora,que rompe la masa en trozos máspequeños
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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS
• Pelletización
• Es un proceso de cohesión de partículas (esferas ó pelotitas) que se realizaen Tambores de Aglomeración ó Discos de Aglomeración utilizandoBentonita
• El endurecimiento de las pelotitas se realiza por Trat. Térmico óincorporación de un aglomerante
Bentonita:
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Silicato Cálcico (SiO3Ca) ó Sódico (SiO3Na)
• Higroscópica
• Gran poder de hinchamiento
Disco de Aglomeración
Tambor de Aglomeración
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PROCESOS DE REDUCCIÓNPROCESOS DE REDUCCIÓN
• Esquema del Proceso de Reducción
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PROCESOS DE REDUCCIÓNPROCESOS DE REDUCCIÓN
• Combustibles Sólidos
Origen Tipo Poder Calorífico
Naturales
Madera 2000 a 3000 Kcal/Kg
Turba 3200 a 3800 Kcal/Kg
Lignito 1800 a 5200 Kcal/Kg
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Naturales
Carbones Bituminosos 7000 a 7500 Kcal/Kg
Antracita 7500 a 8200 Kcal/Kg
ArtificialesCarbón Vegetal 6000 a 7000 Kcal/kg
Coque 7000 a 7500 Kcal/kg
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COQUERÍACOQUERÍA
• ¿ Qué es la Coquización?
• Es el proceso mediante el cual, se obtiene Coque, comoresultado de la combustión en ausencia de aire de uncarbón ó mezcla de carbones
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Baterías de Hornos de Coquización
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FUNCIONES DEL COQUE DENTRO DEL ALTO HORNO
Sostén de Carga
CombustibleFormador de Intersticios
SUSTITUIBLES
Reductor Carburante
INSUSTITUIBLES
Provee el calor necesario para la fusión de los ó id d hi
Permite generar el CO necesario para reducir i di t t l
Provee el C que está presente en el Arrabio
Permite soportar la mayor parte del peso de la
d l AH
Los intersticios son los canales por los que pasa l d t
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óxidos de hierro y fundentes
indirectamente el mineral (por debajo de los 1000 °C) y para reducir directamente (zona de toberas)
carga del AH el gas reductor hacia la parte superior del AH, es decir, el coque hace posible la permeabilidad en la zona donde comienza el ablandamiento de los minerales (zona pastosa)
El Coque se consume de la siguiente manera: • Pasa al Arrabio aumentando el % C al 3 – 4 %• Se transforma en CO2 y CO
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Material preparado por: Ing. Diego F. ZalcmanALTO HORNOALTO HORNO
• Partes Principales
m Temp.[°C]150
600
50
Cuba
Tragante
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2000
1400
80020
∅ 8 m
Cuba
Vientre
Etalaje
Crisol
Caja de Viento
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ALTO HORNOALTO HORNO
• Detalle del Tragante
Tragante de Doble Campana
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ALTO HORNOALTO HORNO
• Entradas y Salidas
Mineral de HierroPelletSinter
Fundente
Coque Metalúrgico
Gas de Alto HornoE Entrada
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Aire Caliente por las Toberas
Arrabio Líquido
Escorias Líquidas
S Salida
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Material preparado por: Ing. Diego F. ZalcmanALTO HORNOALTO HORNO
• Principales Reacciones
Cuba
Corriente gaseosa
ascendente de CO
Corriente sólida
descendente
Reacciones de Reducción
3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
FeO + CO → Fe + CO2
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Cuba
Vientre
Etalaje
Crisol
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ALTO HORNOALTO HORNO
1. Tubo de entrada de gas al AH2. Cámara de Combustión3. Material que absorbe el calor, formado
por conductos verticales de ladrillos refractarios
4. Entrada de aire frío5. Válvula reguladora del aire que activa
la combustión del gas6 Salida de aire caliente del AH
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6. Salida de aire caliente del AH
Torre de Cowper
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REDUCCIÓN DIRECTAREDUCCIÓN DIRECTA
• Horno de Cuba – Proceso MIDREX
Gas Reductor
Mineral de HierroPellets
Lavador de
Gas Natural
Reforming
Horno de Cuba
Gas de TopeLavador de Gases
Gas de Combustión
Sistema de Procesamiento de Gas
Ventilador de Aire Principal
Proceso de GasCompresores
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Hierro de Reducción Directa
Gas Natural
Lavador de Gases
Gas de EnfriamientoCompresor
Aire de Combustión
Gas Natural+ O2
Gas de Combustión
Gas de Alimentación
Gas Combustible
Recuperación de Calor
Chimenea
Principal
MIDREX
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ALTO HORNO ALTO HORNO –– MÓDULO DE REDUCCIÓN DIRECTAMÓDULO DE REDUCCIÓN DIRECTA
• Comparación entre los Productos Obtenidos
Característica Arrabio Hierro de Reducción Directa (HRD)
Estado de Obtención Líquido Sólido
Grado de Reducción 100 % 80 a 95 %
Contenido de C 3 a 4 % 1 % (máx 2 %)
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Contenido de C 3 a 4 % 1 % (máx. 2 %)
Ganga se separa vía escoria queda en el HRD
Elementos Indeseables
partición Arrabio - Escoria permanecen en el HRD
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PROCESOS DE ACERACIÓNPROCESOS DE ACERACIÓN
CONVERSIÓN
BESSEMER
THOMAS
LD
LD - AC
INYECCIÓN DE AIRE
INYECCIÓN DE OXÍGENO
ÁCIDO
BÁSICO
BÁSICO
Aceros Comunes, especialmente de
Bajo Carbono
(el oxígeno entra en contacto directo con
el baño metálico)
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SOLERA
KALDO - ROTOR
SIEMENS - MARTIN
ARCO
INDUCCIÓN DE AF
ABIERTA
HORNO ELÉCTRICO
Aceros de Medio ó Alto Carbono y de Baja Aleación
Aceros de Alta Aleación
(el medio de aporte térmico es la energía eléctrica ∴ no hay
influencia de oxígeno)
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Convertidor Bessemer – Año 1850
• Proceso de Afino
• Carga con arrabio líquido (posición inclinada)
• Inyección de aire por el fondo (posición vertical)
• Vaciado de acero líquido (bruto)
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• Características
• Convertidor basculante
• Revest. refractario ácido (SiO2)
• Proceso de oxidación efectivo para eliminar Si, Mn y C
• El arrabio utilizado debe contener bajos porcentajes deP y S
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Convertidor Thomas – Año 1879
• Proceso similar al Bessemer con introducción de mejoras
• Incorporación de un fundente de carácter básico (CaO)que permite el afino de arrabios fundidos a partir deminerales con alto porcentaje de Fósforo (> 1,20 %)
• Características
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• Convertidor basculante
• Revest. refractario básico, dolomítico, (Ca,Mg)CO3
• Proceso de oxidación efectivo para defosforar
• La oxidación del Fósforo es la principal fuente de calordel proceso, por este motivo, el porcentaje de este,debe ser relativamente elevado
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Convertidor al Oxígeno Básico (COB) - Año 1952
• Objetivo
• Afinar el arrabio producido en el Alto Horno, en acerolíquido bruto, que posteriormente podrá ser refinadonuevamente por Metalurgia Secundaria
• Principales Funciones
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Principales Funciones
• Decarburación
• Eliminación de Fósforo del arrabio
• Optimización de la temperatura del acero
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Convertidor al Oxígeno Básico – LD (Linz – Donawitz / Austria)
• Características
• Convertidor basculante
• Revestimiento refractario básico
• Inyección de Oxígeno puro sobre la superficie del bañolíquido mediante una lanza
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líquido mediante una lanza
• El ambiente oxidante y la escoria básica favorecen laeliminación de Fósforo
• Las reacciones exotérmicas de oxidación que ocurrendurante el proceso, generan una cantidad importante deenergía térmica adicional, que se utiliza para fundir lachatarra y/ó adiciones de mineral de hierro
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Convertidor al Oxígeno Básico - LD
Lanza de Oxígeno
Cuchara de Carga de Arrabio
Chatarra y Fundente
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Convertidorde Arrabio
Cuchara de Escoria
Cuchara
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Convertidor al Oxígeno Básico – LD
• Principales Reacciones
C + ½ O2 → CO
Si + O2 → SiO2
2 P + 5/2 O2 → P2O5
Superficie de intercambio Gas - Metal
Escoria
Proyecciones de Metal
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Mn + ½ O2 → MnO
Fe + ½ O2 → FeO
CaOIB =
SiO2
> 1 ∴ Escoria Básica= 1 ∴ Escoria Neutra< 1 ∴ Escoria Acida
Corte de un Convertidor LD
GasesMetal
Proyecciones de Metal - Escoria
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Convertidor LD – AC
• Es una variante del Convertidor LD
Lanza de OxígenoLanza de
CaO
• Características
• Inyección simultánea de Oxígenopuro y CaO pulverizado parafavorecer la cinética del proceso
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favorecer la cinética del proceso
• Producción: 160 Tn/25 min.
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Horno Siemens - Martin – Año 1840
• Características
• Horno de Solera con ladrillos refractarios (Reverbero)
• Sistema de recuperación de calor que permite que el aire y losgases empleados para la combustión sean precalentados
• Las reacciones son menos
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• Las reacciones son menosenérgicas, dado que elaire no atraviesa la masalíquida
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Horno Siemens - Martin
• Entradas
• Arrabio proveniente del Alto Horno
• Chatarra y Mineral de Hierro
• Caliza
• Salidas
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Salidas
• Acero líquido
• Escoria
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Horno Eléctrico de Arco
• Características
• Posee electrodos de grafito
• Utiliza energía eléctrica para generar un arco eléctrico yfundir la carga
I i T ló i
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• Innovaciones Tecnológicas
• Desarrollo de nuevos métodos de fusión, como el de laescoria espumosa
• Reemplazo de materiales refractarios básicos porpaneles refrigerados por agua
• Paredes metálicas y bóvedas refrigeradas por agua
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Horno Eléctrico de Arco
• Adición de Carbón pulverizado y Oxígeno mediante unalanza
• El insuflado de Oxígeno, permite:
• Una rápida oxidación de los elementos indeseables, condisminución del contenido de Carbono
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• Formación de una escoria espumosa
• Elevar la temperatura del proceso
• Reducir el consumo de energía eléctrica
• Disminuir el tiempo de operación
• Colada excéntrica por el fondo
Material preparado por: Ing. Diego F. ZalcmanACERACIÓNACERACIÓN• Horno Eléctrico de Arco
Entrada
• Chatarra• DRI ó HRD• Cal para la formación de la escoria básica
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Temp. Arco ≅ 3000 °CPotencia del
Tranformador
100 a 700 KVA/t
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Horno Eléctrico de Arco
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Colada Excéntrica por el Fondo Colada por Piquera
• Tap to Tap: 45 a 60 min.
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ACERACIÓNACERACIÓN
• Horno Eléctrico
• Principales Reacciones
• Formación de la Escoria
2 (CaO) + [Si] + 2 [O] → (2CaO.SiO2)
[Mn] + [O] → (MnO)
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• Decarburación
[C] + [O] → CO
• Defosforación
2 [P] + 5 [O] + 3 (CaO) → (3CaO.P2O5)
(Escoria) ; [Baño Metálico]
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METALURGIA DE CUCHARAMETALURGIA DE CUCHARA
• Desoxidación con Al y Si
• Desulfuración con Mn
• Trat. de inclusiones con Ca
• Aleación y ajuste de composición química
• Desgasificación con A B
COB
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burbujeo de gas inerte (Ar)
• Homogeneización química y térmica
• Ajuste de temp. finalHorno de Cuchara
Acero Base
HE
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METALURGIA DE CUCHARAMETALURGIA DE CUCHARA
• Horno de Cuchara
• Principales Reacciones
• Desoxidación
Ferrosilicio [Si] + 2 [O] → (SiO2)
Aluminio 2 [Al] + 3 [O] → (Al2O3)
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• Desulfuración
Ferromanganeso [S] + [Mn] → (MnS)
Cal [S] + [CaO] → (CaS) + [O]
(Escoria) ; [Baño Metálico]
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COLADACOLADA
• Colada convencional para producción de Lingotes
Lingote en proceso de
Colada Directa
Colada Indirecta
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Placa de Base
Lingotera
psolidificación
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COLADACOLADA
• Colada convencional para producción de Lingotes
Abi t i T C T ó Abierta sin Tapa Cerrada en el Con Tapón en
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Representación esquemática de diversos tipos de formatos de secciones longitudinales y transversales de lingoteras
Paredes Lisas
Abierta sin Tapa
Lingotera Directa Lingotera Invertida
Con Tapón Abierta sin Tapa
Paredes Cóncavas Paredes Corrugadas Paredes Acanaladas
Cerrada en el Fondo
Con Tapón en el Fondo
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COLADACOLADA
• Colada Continua
Cuchara
Distribuidor
Colada Continua Vertical - Curva
Colada Continua Curva
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Molde
Sist. de Corte
Enfriamiento con Rociadores de
Agua
Rodillos Soporte
Tren de Enderezado
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DEFORMACIÓN PLÁSTICADEFORMACIÓN PLÁSTICA
• Laminación
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