taller hornos

7/24/2019 Taller Hornos

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UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOFACULTAD DE INGENIERA EN SISTEMAS, ELECTRNICA E INDUSTRIAL

PERODO ACADMICO: OCTUBRE 2014 - MARZO 2015

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

Facultad de Ingeniera en Sistemas, Electrnica e Industrial

Consulta

Ttulo:Diferentes tipos de hornos de fundicin de metalesY moldes empleados

Carrera:Ingeniera Industrial

rea Acadmica:Mecnica

Lnea de Investigacin:Industrial

Ciclo Acadmico y Paralelo:3ro A Industrial

Nombre:Morejon Snchez David Andrs

Mdulo y Docente:Tecnologa De MaterialesIng. Vctor Espn


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1.1Objetivos Analizar las caractersticas de los distintos hornos empleados para la fundicin de

metal Investigar las temperaturas y reacciones en el los dist intos hornos empleados para

la fundicin de metal

1.2Palabras clave:Metalurgia, siderurgia, arrabio, reverbero, tragante y ganga

1.3Introduccin

La fundicin es una forma de metalurgia extractiva. El proceso de fundicin implica calentar yreducir la mena mineral para obtener un metal puro, y separarlo de la ganga y otros posibleselementos. Generalmente se usa como agente reductor una fuente de carbono, como el coque,el carbn o el carbn vegetal en el pasado. El carbono (o el monxido de carbono generado apartir de l) saca el oxgeno de la mena de los xidos (o el azufre, carbonato, etc... en los demsminerales), dejando el metal en su forma elemental. Para el lo el carbono se oxida en dos etapas,primero producindose monxido de carbono y despus dixido de carbono. Como la mayorade las menas tienen impurezas, con frecuencia es necesario el uso de un fundente o castina,como la caliza, para ayudar a eliminar la ganga acompaante en forma de escoria.

El objetivo principal del horno para fabricacin de acero es quitar al hierro de primera fusin lamayor parte del carbono. Luego se agrega una cantidad medida de carbono al acero fundidopara darle las propiedades deseadas. Tambin se uti liza desperdicio de acero y se agregan otroselementos para mejorar las propiedades del acero. Un horno ya obsoleto en la actualidad, elconvertidor Bessemer, hizo posible la produccin de grandes tonelajes de acero hacia mediadosdel siglo XIX. Se construyeron grandes buques, ferrocarriles, puentes y grandes edificios con elproducto de esta nueva fuente de acero. Sin embargo, muchas de las impurezas quedaban en elacero y, desde que se us aire inyectado para quemar el carbono, el nitrgeno de la atmsferase convirti tambin en una impureza que debilitaba al acero.

El acero en bruto es adems algunas veces mejorado en hornos, crisoles, calderos y recipientespara ciertas aplicaciones. Se involucran pequeos pero crecientes tonelajes. [1]

1.4Materiales y metodologa

Horno de arco elctrico

Estos hornos tienen tapas removibles para cargarlos por arriba y el sangrado se realizainclinando el horno. Existen normalmente 3 electrodos de grafito en el horno quepueden ser de hasta 750 mm de dimetro y de 1.5 mts a 2.5 mts de longitud. Su alturadentro del horno se puede ajustar de acuerdo a la cantidad de metal presente y aldesgaste de los electrodos. [2]


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En el horno elctrico se introduce hierro y acero junto con los ingredientes aleantes(adecuadas para tal composicin deseada) y la piedra caliza (fundente) la tapa se cierray se bajan los electrodos. Se establece la conexin y dentro de un periodo deaproximadamente 2 horas el metal se funde (el tiempo vara de acuerdo a lasnecesidades), la corriente es desconectada, se elevan los electrodos, el horno esinclinado y el metal fundido es vaciado en un recipiente de traslado hacia moldes. Lacapacidad de los hornos elctricos va de 60 a 90 toneladas de acero. La temperatura enel interior de un horno de arco elctrico puede alcanzar los 3800 grados Celsius. [3]

Los hornos de induccin (sin ncleo) funcionan con corriente a una frecuencia de 500 a2000 Hz. El crisol refractario tiene un arrollamiento de tubo de cobre de seccinrectangular, por el que circula el agua de refrigeracin. Al pasar por este arrollamientouna corriente de alta frecuencia que es proporcionada por un generador especial, excitaen el metal corrientes parsitas que lo calientan hasta su total fusin.Esquema de horno elctrico de induccin.

En estos hornos se procesan materias primas de gran calidad, y debido a la velocidaddel proceso, el metal no se oxida mucho, aunque al final del proceso se aadencantidades de adiciones y desoxidantes. Los hornos de alta frecuencia tienen unacapacidad que no rebasa las 8 t, usndose para producir aceros perfi lados y aleacionesde alta calidad, como aceros resistentes a altas temperaturas, inoxidables, etc.

Partes principales:

El armazn, que consiste en las paredes refractarias y la cimentacin.El hogar, que consiste en el lecho refractario que bordea la cimentacin.La bveda o cubierta, de aspecto esfrico o de frustrum (de seccin cnica), cubre el

horno con material refractario. Puede estar refrigerada con agua. La bveda estconstruida con materiales de alta resistencia giroscpica (generalmente hormignrefractario) para soportar grandes choques trmicos y en la que se encuentran loselectrodos de grafito que producen el arco elctrico.


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Producir una tonelada de aceroen un horno de arco elctricorequiere aproximadamente de

400 kWh de electricidad portonelada corta, o alrededor de440 kWh por tonelada mtrica.La cantidad mnima terica deenerga requerida para fundiruna tonelada de chatarra deacero es de 300 kWh (punto defusin 1520C/2768F). Por lotanto, dicho horno de arcoelctrico de 300 toneladas y 300MVA requerira

aproximadamente de 132 MWhde energa para fundir el acero, yun "tiempo de encendido" (el

tiempo que el acero se funde con un arco) de aproximadamente 37 minutos. Lafabricacin de acero con arco elctrico es slo rentable donde hay electricidadabundante, con una red elctrica bien desarrollada.

Horno cubilote

El horno cubilote posee una eficiencia de fusin alta en comparacin con los demshornos empleados con el mismo fin. Esto se explica, porque en este tipo de horno la

carga metlica a fundir (arrabio, chatarra de acero, ferroaleaciones, rechazos de laproduccin, etc.), est en contacto directo con el combustible slido (coque), que seemplea para su fusin. Esta eficiencia de fusin se entiende como la relacin que existeentre el calor potencial que hay en el hierro fundido que sale del cubilote y el total delcalor que entra al proceso (combustin de coque, procesos de oxidacin de ndoleexotrmica y calor sensible en el aire que se sopla dentro del horno). As, por ejemplo,en condiciones favorables de eficiencia (empleando soplo caliente), se pueden alcanzarvalores algo superiores al 40 %. En cambio, en condiciones muy desfavorables (soplofro, revestimiento del horno en mal estado, mala operacin del horno, etc.), es te valorpuede descender hasta 30 % o ms. Sin embargo, la eficiencia de la combustin en estetipo de horno no sobrepasa el 60 al 70 %, lo cual es un valor bajo en comparacin con

los dems hornos que queman combustible. Esto se debe, principalmente, a qu e no sepuede hacer un uso total del contenido calrico del coque sin interferir en losrequerimientos metalrgicos del proceso, en tanto, el coque y sus gases de combustinson elementos activos en dicho proceso. [4]


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Por todo lo expresado hastaaqu, es que se ha afirmadoque operar bien un cubilote

no es tanto controlar unproceso metalrgico, comodirigir una combustin. Porese motivo, todo loconcerniente a lascaractersticas delcombustible empleado, ascomo el volumen y presindel aire que se introduce enel horno (sin olvidar lahumedad relativa), posee

una importancia primordialpara la buena marcha delmismo. Paralelo a esto, el horno debe poseer determinadas relaciones entre susparmetros de diseo, de manera tal que el proceso de combustin que se produzcadentro de l permita obtener un hierro fundido a la temperatura requerida. [5]

Funcionamiento

La primera operacin al preparar el cubilote consiste en limpiarlo de escoria y de losdesechos que quedan en el refractario en torno a las toberas, de las coladas anteriores.A continuacin se repara cualquier zona daada con arcilla fina y arena silica refractaria

para recubrimiento de hornos. Despus de limpiarlo y repararlo se giran las puertas delfondo a posicin de cerrado y se coloca la estaca debajo de ellas. En el piso de la solerase coloca una capa de arena negra de moldeo, la cual se apisona y se le da una pendientehacia el vertedero. La altura no debe ser menor a 10 cms., en el punto ms bajo, se ledeja un pequeo agujero para la sangra de aproximadamente 25 mm., de dimetro.

El encendido del cubilote se hace de 2 a 3 horas para que alcance una temperatura entrelos 1200 y 1500 grados centgrados, antes de que se deba tener el primer metal fundido,deber utilizarse la suficiente cantidad de lea para quemar la primera cama de coque.

Cuando se inicia un tipo natural, se aade coque poco a poco hasta que la cama crece a

una altura conveniente. La altura de la cama de coque es importante, ya que determinala altura de la zona de fundicin y afecta tanto a la temperatura como a la oxidacin delmetal.

Cuando la cama del coque est encendida completamente se carga arrabio y la chatarracon una proporcin de una parte de coque por 10 de hierro, esta relacin es en masa.Adems se suministra alrededor de 34 Kg., de fundente por tonelada de hierro, por logeneral es piedra caliza, cuyo objetivo es eliminar impurezas en el hierro, protegerlo dela oxidacin y hacer la escoria ms fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote.

Tanto los cubilotes de aire fro como los de aire caliente estn en uso. En estos ltimos,

el aire de entrada se precalienta en alguna forma de recuperador, utilizando los gasescalientes del cubilote. El recuperador puede ser una unidad externa o por tubosverticales construidos en el propio cubilote. El aire de entrada pasa por estos tubos,calentndose as antes de llegar a las toberas.


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Horno Siemens Martin

Los procesos de afino son una serie de operaciones que tienen como objeto la

eliminacin de impurezas y as purificar el arrabio obtenido en el alto horno y obtenerun acero con las especificaciones deseadas en cuanto a composicin.Para llevar a cabo estos procesos es necesaria la utilizacin de diversos hornos, loscuales se han ido modificando y modernizando a lo largo de los aos. En este casoecharemos un vistazo al pasado y nos si tuaremos alrededor del ao 1864, fecha en lacual se crea el horno Martin Siemens. [6]

Los hornos Martin-Siemens son hornos de reverbero y se utili zan principalmente parala fusin y afino del acero destinado a la fabricacin de lingotes, y representaron laforma de fabricacin de acero ms extendido en Gran Bretaa y Estados Unidos. Sucapacidad puede variar entre 25 y 500 toneladas. Hace aos se empleaban hornos mspequeos, de 15 a 30 toneladas, sin embargo existen todava en funcionamiento

algunos hornos para fabricar piezas coladas grandes, con pesos de 50 toneladas o ms.El horno Martin-Siemens es calentado con aceite, gas de coquera, gas de gasgenos ouna mezcla da gas de alto horno y de coquera, si se dispone de ella. Cuando se empleaun gas de poco poder calorfico, como el gas de gasgeno o la mezcla citada, esfundamental precalentar el gas en un regenerador. El aire se recalienta siempre paraconseguir la mxima economa trmica y lograr una elevada temperatura de l lama. [7]

El horno propiamente dicho comprende tres partes principales:

La solera recoge los materiales que se han de afinar y es una especie de cubetarectangular, cuyo fondo est inclinado hacia el agujero de colada.

El laboratorio es la parte comprendida entre la soleraLa bveda, donde se producen las reacciones de afino.


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Cierto nmero de aberturas colocadas en la parte anterior del horno, permiten efectuarla carga, y una de el las est dispuesta de modo que permite la l impieza. La bveda es deladrillos silceos y su misin es dirigir el calor por radiacin sobre la solera.

Las dimensiones de este horno suelen ser de unos 10m de largo por 5 m de ancho y deuna altura de 35-50 m. Son de placas de acero remachadas sobre traviesas metlicas.A los dos lados de la solera se encuentran los tubos que conducen el gas y el aire, quedesembocan en el laboratorio por aberturas conocidas como quemadores, a la salida delos cuales arde el gas. Las cmaras de recuperacin colocadas debajo, y que en generalson cuatro para cada horno, calientan el aire y el gas de la combustin mediante elaprovechamiento del calor perdido en el horno, al salir al ambiente los gases calientesdel laboratorio. Cada media hora se invierte el paso de la mezcla gaseosa combustibles,de modo que cada pareja de cmaras actan alternativamente como recuperadores yprecalentadores, es decir, los precalentadores se convierten en recuperadores de calor

al invertir el paso de la mezcla gas-aire, y viceversa. Los hornos ms empleados, por losde mayores dimensiones, son los de gasgeno separado.La particularidad del mtodo Martin-Siemens de poder util izar despuntes de chatarrapara fabricar acero es de gran importancia en la industria siderrgica. [8]

Dependiendo del revestimiento del horno, ya sea cido o bsico, tendremos dosprocesos distintos:

Procedimiento Martin-Simens cido: la solera es a base de slice. La carga estconstituida en su mayor parte de chatarra con pequesimas proporciones de azufre yfsforo, ya que no es posible la desulfuracin ni la desfosforacin en contacto con

refractarios cidos. El afino en este mtodo se limita principalmente a la eliminacin delcarbono, sil icio y manganeso por accin directa del xido frrico en la escoria que aportael oxgeno a la carga. La separacin de estos elementos, como se puede observar en elgrfico siguiente, se hace casi simultneamente, pero a diferentes velocidades. El xidodel metal acta sobre el silicio y el manganeso y el revestimiento de slice retarda laeliminacin del silicio y favorece la del manganeso. Por otra parte el manganeso retardala descarburacin y protege al bao de la oxidacin, por reducir el xido ferroso disuelto.Desde el principio de la fusin hasta la desaparicin de una parte importante de l sil icioy del manganeso, el bao permanece en calma y despus empieza la descarburacin. Laeliminacin del carbono se realiza principalmente por reaccin con el xido ferrosodisuelto en el bao, ya que la elevada temperatura favorece la reaccin endotrmica.

Esto aparece reflejado en las siguientes reacciones:

Si + 2FeO SiO2 + 2Fe

Mn + FeO MnO + Fe

C+ FeO CO + Fe

Procedimiento Martin-Siemens bsico: gracias al revestimiento magnesiano del hornose puede emplear una escoria bsica que permite la desfosforacin y en cierto grado ladesulfuracin. El silicio se elimina ms rpidamente que en la marcha cida, porque laslice formada se fija en seguida en la cal de la escoria. Tambin la presencia de la calhace que la proporcin de xido frrico en la escoria sea algo mayor que en las escorias

cidas. El manganeso se elimina lentamente, y cuanto ms se eleva la temperatura, msse intensifica la reduccin parcial del xido manganoso por el carbono. Ladescarburacin se efecta por intermedio del xido ferroso disuelto en el bao, y elcontenido de carbono es bastante elevado porque slo pasa en pequea proporcin ala escoria bsica. La desfosforacin comienza desde el principio del afino; en general, la


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proporcin de fsforo en el metal es tanto menor cuanto ms bsica es la escoria. Ladesulfuracin del hierro se origina mediante el manganeso, que tiene una tensin desulfuro menor que el hierro: FeS + Mn MnS + Fe. Tambin se puede transformar el

azufre en una forma que sea estable en la escoria y no soluble en el metal. Esta formaes la de sulfuro clcico, y la eliminacin del azufre se puede expresar as:FeS+CaO FeO + CaS.[9]

Estos hornos pueden ser fijos o basculables, prefirindose los ltimos para el afino dearrabios con alto contenido en fsforo. Para fabricar aceros de calidad se empleangeneralmente los hornos Martin-Siemens con revestimiento bsico, aunque an seutilizan en algunos lugares los que tienen revestimiento cido para obtener aceros demuy buena calidad partiendo de materias primas muy selectas.

Alto horno

Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusin de los minerales dehierro y la transformacin qumica en un metal rico en hierro llamado arrabio. Estconstituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de

20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de dimetro; su capacidad de produccin puedevariar entre 500 y 1500 toneladas diarias.

Temperaturas

Zona superior (300c): en esta parte se encuentra el tragante, por el que se introducenlas materias primas, y un sistema de escape de los gases generados durante el proceso.Los materiales que se vierten por el tragante son:

la ganga, o mineral de hierro resultante del proceso de concentracin; el carbn de coque que acta como combustible y se combina con el hierro;

el fundente (piedra caliza), que tiene como funcin elevar la temperatura delproceso y formar una mezcla con toda la escoria. [10]

Zona de fusin (1500c): llamada tambin vientre, es la zona ms ancha del horno, y seencuentra a 1500C. Aqu se funde el hierro y se combina con el carbono para formar el


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arrabio, aleacin que posee un alto porcentaje de carbono e impurezas y que serutilizada en procesos posteriores para la obtencin de fundiciones o aceros.

Zona de crisol (1600c): es la parte msbaja del alto horno, donde se depositan elarrabio y la escoria. Esta ltima, por serms liviana, flota sobre el arrabio y serecoge por la piquera de escoria. Msabajo est la piquera de arrabio, por dondees conducido hasta las cucharas derecoleccin.

Zona de reduccin de xidos (200 - 400 C):en la parte superior de la cuba tiene lugar

la reduccin y la el iminacin de los xidosdel material introducido, tras lo cual seobtiene el hierro puro. Su temperaturaest comprendida entre 200 y 400 C.

Zona de absorcin de calor (400 - 1.200 C):denominada tambin cuba, en esta zonase funde la escoria; la temperatura oscilaentre 400 y 1.200 C.

Zona de etalajes (700 C): se encuentra

debajo de la zona de fusin; se introduce en ella aire caliente (700 C) a travs de lastoberas. El oxgeno del aire se combina con el carbn de coque y forma monxido de


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carbono, que asciende y sirve para la reduccin del mineral de hierro en la parte superiordel horno. [11] [12]


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REACCIONESC + OCOCO+ C2 CO

Gas activo para la reduccin.La carga (mineral, fundente y combustible) se seca, va descendiendo y en contracorriente ascienden los gases ricos en CO. En la parte superior de la cuba reaccionanreduciendo al mineral.

REDUCCION INDIRECTA

3FeO(Hematita) + CO2 FeO(Magnetita)+ COFeO(Magnetita) + CO3 FeO (Wustite) + COFeO (Wustite) + COFe + COPor debajo de 983 C solo el CO reduce el FeO; a temperaturas superiores a 983C, el C

reduce al FeO. Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayoratraccin por el oxgeno presente en el mineral de hierro (FeO) que el hierro mismo,de modo que reaccionar con l para liberarlo. Qumicamente entonces, el hierro se hareducido en el mineral.

REDUCCION DIRECTA (Parte baja de la cuba)FeO+ 3 CO2 Fe + 3 CO o 2 FeO+ 3 C4 Fe + 3 COFe O + COFe + CO o 2 Fe O + C2 Fe + COLa piedra caliza se disocia por el calor:COCaCa O + COlos xidos de calcio y manganeso reaccionan con la slice para formarla escoria. SiO+ CaOSiOCa, SiO+ MnOSiOMn

En la zona del vientre, el hierro se encuentra en estado pastoso, en el etalaje, se producela fusin final y el hierro absorbe carbono. El Alto Horno es virtualmente una plantaqumica que reduce continuamente el hierro del mineral. Qumicamente desprende eloxgeno del xido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. [13]

ZONAS DE TEMPERATURASProcesos entre 150 a 400 C (zona 1).Procesos entre 400 y 700 C (zona 2).Procesos entre 700 y 1350 C (zona 3).Procesos entre los 1350 y 1550 C (zona 4).Procesos entre 1550 a 1800 C. Zona de combustin (zona 5).

Procesos entre 1300 a 1550 c. Separacin metal -escoria (zona 6).

Moldes

Fundicin con molde desechableEl molde donde se solidifica el metal debe ser destruido para mover la fundicin. Estosmoldes se hacen de arena, yeso o materiales similares que tienen su forma, usandoaglomerantes de varias clases. La fundicin en arena es el ejemplo ms prominente. Enla fundicin de arena se vaca metal lquido dentro del molde hecho de arena. Despusde que el metal se endurece, se sacrifica el molde a fin de recuperar la fundicin.


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Fundicin con molde permanenteLa fundicin en molde permanente usa un molde metlico construido en dos seccionesque estn diseadas para cerrar y abrir con precisin y facil idad. Los moldes se hacencomnmente de acero o hierro fundido.

La cavidad junto con el sistema de vaciado se forma por maquinado en las dos mitadesdel molde a fin de lograr una alta precisin dimensional y un buen acabado superficial.Los metales que se funden comnmente en molde permanente son: aluminio,magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido.

Pude usarse muchas veces para producir fundiciones en cantidad, es decir, tienen ciertas

ventajas econmicas en operaciones de alta produccin. Est hecho de un metal oalgunas veces de un refractario cermico, que puede soportar las altas temperaturas delas operaciones de fundicin. En este caso, el molde permanente consta de dos o mssecciones que pueden abrirse para permitir la remocin de la parte terminada. Lafundicin en dados es el proceso ms conocido de este grupo (Cuando se inyecta elmetal fundido en la cavidad del molde a alta presin, las ms comunes son de 7-350MPa, la presin se mantiene durante la solidificacin, posteriormente se abre el moldepara remover la pieza).


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Fundicin con molde semipermanenteTambin dentro de esta categora existe el llamado fundicin en molde semipermanente(Ya que si quitar el corazn metlico es imposible o muy difcil se puede utilizar un

corazn de arena)

1.5Conclusiones

Se denomina fundicin al proceso de fabricar objetos con metales fundidos mediantemoldes, que suele ser la etapa siguiente a la fundicin extractiva, que es de la que trata esteartculo. Las plantas para la reduccin electroltica del aluminio generalmente tambin sedenominan fundiciones, aunque se basan en un proceso fsico completamente diferente. Enellas no se funde el xido de aluminio, sino que se disuelve en fluoruro de aluminio paraproducir la electrlisis de la mena. Normalmente se util izan e lectrodos de carbono, pero enlas plantas de diseo ms moderno se usan electrodos que no se consuman. El productofinal es aluminio fundido.

La fundicin es una forma de metalurgia extractiva para esto usamos diferentes tipos dehornos los cuales utilizan distintos medio y proceso para llegar fundir el material . El proceso

de fundicin implica calentar y reducir la mena mineral para obtener un metal puro, ysepararlo de la ganga y otros posibles elementos. Generalmente se usa como agentereductor una fuente de carbono, como el coque, el carbn o el carbn vegetal en el pasado.El carbono (o el monxido de carbono generado a partir de l) saca el oxgeno de la menade los xidos (o el azufre, carbonato, etc... en los dems minerales), dejando el metal en suforma elemental. Para ello el carbono se oxida en dos etapas, primero producindosemonxido de carbono y despus dixido de carbono. Como la mayora de las menas tienenimpurezas, con frecuencia es necesario el uso de un fundente o castina, como la caliza, paraayudar a eliminar la ganga acompaante en forma de escoria.

1.6Referencias bibliogrficas

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Hornos.html. [ltimo acceso: 2 febrero 2015].


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[2] Weebly, processefundsion1111.weebly.com, processefundsion1111.weebly.com, 24

10 2015. [En lnea]. Available: http://processefundsion1111.weebly.com/. [ltimo

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[3] A. y. c. Malishev, www.ecured.cu, www.ecured.cu, 25 10 2015. [En lnea]. Available:

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[11

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[12

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[13] I. V. Gmez, Alto Horno, UTN Facultad Regional Tucuman, Argentina, 2012.

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