curso diecasting smf

05/10/2013

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Introducción a la fusión de metales de inyección y manejo

de Metal Líquido

Ing. Salvador Tovar Fco

The Schaefer Group

Furnaces Div.

.

Fusión de metales de inyección (HPDC)

• El Proceso de HPDC involucra la solidificación de metales para crear productos.

• La condición del metal solidificado depende del control del proceso.

• El Proceso de HPDC inicia cuando el metal se encuentra dentro de especificación química, limpieza de metal, temperatura es vaciado dentro de la cámara de inyección.

• La preparación, cuidado y manejo antes de ser vaciado dentro de la cámara de inyección del metal, es crítico para obtener los parámetros deseados de la pieza.

• Es importante resaltar:• “Hasta que el proceso de fusión del metal sea

controlado, entonces el proceso de HPDC podra ser controlado”

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Fuentes de suministro

• La mayoría de las fundiciones de HPDC se proveen de metal bajo especificación en forma de lingote.

• Otras reciben su metal en forma líquida

• O manufacturan su aleación en planta

Requerimientos energéticos para fusión

• Los sistemas de fusión en el proceso HPDC tienen el objetivo de convertir y transferir la energía contenida en los combustibles (Gas Natural,

Propano, Combustóleo, etc.) al metal cargado al horno, para cambiarlo de fase sólida a fase líquida.

• El conocimiento de la fusión del aluminio comienza con la comprensión de cuanta energía deberá ser adicionada al horno al fin de convertir el metal sólido a líquido

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• A la temperatura a la que la convierte en un sólido líquido, se requiere de una gran cantidad de energía por el metal para realizar este cambio de fase .

• Esto se llama calor latente de fusión, y es aproximadamente 1/3 del calor total fundir una libra de aluminio.


• . El calor que se necesita para fundir el metal a temperatura ambiente, a una temperatura por encima del punto de fusión del metal es posible calcularlo con la siguiente ecuación:

• 1 1 76 CL• Donde.

• 1 CalorRequerido• CalorespecíficoestadoSólidoBtu/lb°F• t1= TemperaturadeSolidus °F• L CalorLatentedefusiónrequeridoBTU/lb• CL CalorespecíficoestadolíquidoBtu/lb°F• t Temperaturadelmetal°F• tL TemperaturadelLíquidus °F

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MetalDensidad

Lb/ in3

Calor específico

BTU/lb‐°F

Calor

Latente

de Fusión

L

BTU/lb

Temp.de

líquidus

tL°F

Temp.del

metal

t

°F

Calor

Total

requerido

H1

BTU/lb

Solido CS Líquido CL

Al 0.09 0.25 0.26 173 1220 1350 493

Zn 0.24 0.12 0.11 44 787 900 142

Mg 0.06 0.28 0.32 148 1204 1350 510

Zamak 3 0.10 43 780 113

Al (380 AA) 0.34 169 1250 475

Determinación de requerimientos energéticos para fusión

1 1 76 CL

EFICIENCIA DE FUSION

• La energía H 1 que es absorbida por el metal, usualmente es inferior a la Energía H 2 que debe generarse por el combustible.

• Esta diferencia es energía que se pierde debido a una variedad de razones.

• Esta proporción de energía utilizada contra la generada es conocida como la eficiencia en general, de fusión y se expresa como:

ƞ ⁄

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SEGURIDAD EN EL PROCESO DE FUSIÓN

SEGURIDAD DE PERSONAL

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Seguridad de operación

El uso de equipo de protección y seguridad, cuando se labora cerca de metal líquido es importantísimo, a fin de prever accidentes de trabajo a operarios. Esto puede representar la diferencia

entre la vida y la muerte.• Selección de Equipo• Establecimiento de programas de

seguridad.• Quemaduras

FORMULARIO DE EVALUACIÓN DE RIESGOS

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Requerimientos de uso de Equipo de Seguridad

• Requerimientos Mínimos– Lentes de Seguridad

– Calzado con casquillo de acero

– Accesorios resistentes a flama y a metal líquido:

• Guantes

• Chamarras antiflama

• Polainas “ durante la operación de vaciado”

– Protectores Faciales

• En algunas Plantas:– Casco de seguridad

– Polainas en pies y piernas

– Respiradores (Operación de Aplicación de fundente)

– Ropa aluminizada

SEGURIDAD• SIEMPRE, ………PERO SIEMPRE:• Asegurarse que el horno se mantenga

en fuego bajo antes de cualquier operación de limpieza o carga

• Asegurarse que las puertas permanezcan aseguradas antes de limpieza

• NUNCA,,,, PERO NUNCA, SE REALICE LA TOMA DEMUESTRAS POR LAS PUERTAS.

• SIEMPRE !!!!!!, Utilizar, el equipo de seguridad apropiado.

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Usando el equipo de protección y seguridad

• Vistiendo la ropa protectora y el equipo de seguridad apropiados, cuando se trabaja con aluminio líquido fundido es extremadamente importante a fin de prevenir lesión alguna a los operarios del área de fundición.

• Significando el uso de del equipo de seguridad, la diferencia entre la vida y la muerte.

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QUEMADURAS

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SISTEMAS DE FUSIÓN USADOS EN EL PROCESO DE HPDC

Hornos usados en HPDC

• En el proceso de HPDC se utilizan principalmente los siguientes tipos de hornos para fundir el metal:– Crisol– Reverbero

• Existen varios factores que han de considerarse para seleccionar el mejor tipo de horno de fusión para una aplicación determinada.

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HORNOS DE CRISOL

Hornos de Crisol

• El horno de crisol consta de un crisol de Carburo de silicio-grafito por lo general con capacidad de hasta 1500 lb de aluminio, insertado en una carcasa de acero con revestimiento interior de refractario.

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Hornos de Crisol• Se calientan por la combustión

de combustible (Gas ó líquido), ó por medio de resistencias eléctricas embebidas en el recubrimiento refractario.

• El calor se transfiere a la carga metálica a través de las paredes del crisol.

• El calor se transfiere a través superficie del crisol a razón de aproximadamente 20.000 Btu/m²-hr.

• Pérdida de Radiación superficie expuesta es de 13000 btu/pie cuadrado-hr.

Hornos de Crisol (Resistencias eléctricas)

• Las resistencias eléctricas también puede son usadas como elementos calefactores en hornos de crisol.

• Elementos de la resistencia eléctrica se disponen embebidas el revestimiento refractario.

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Tipos de Hornos de CrisolEFICIENCIA TERMICA

Hornos de Crisol (Ventajas y Desventajas)

• Crisol hornos tienen la ventaja de un bajo costo de inversión, mínima necesidad de espacio, la facilidad de cambio de aleación y la simplicidad de la reparación.

• La principal desventaja es el bajo índice de fusión.

• Entrada de calor está limitada por el espacio disponible para la combustión y el área disponible para transferencia de calor.

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HORNOS DE REVERBERO

Hornos de Reverbero

• Horno de reverbero es generalmente rectangular, cubierto por una bóveda de materiales refractarios y con chimenea, que refleja (o reverbera) el calor producido, por la combustión de combustibles sólidos, líquidos ógaseosos

• Tales hornos se usan en la producción de aleaciones de metales no ferrosos, especialmente en la producción de piezas dealuminio.

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Hornos de Reverbero

• Este tipo de hornos fueron empleados en el procesamiento de metales.

• La capacidad de los hornos de reverbero es muy variable y oscila entre los 45 Kg a los 100,000 Kg que tienen los empleados para la fusión de metales férreos y no férreos, inclusive para la para la fusión de la fundición de hierro.

Transferencia de Calor

• Radiación– Flama a la Carga– Refractario (mayor)

• B. Convección

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Transferencia de Calor

Diagrama Sankey

Calor TotalIngresado al

Horno Calor Disponible a carga

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Análisis térmico

2.541 MW 100%1.345 MW

0.111 MW

1.085 MW

Horno reverbero 63.6 Ton.

Calor Total Ingresado

Calo

r a C

him

enea

Calor a Paredes

Calor a Baño

metálico

Hornos de Reverbero

• Los hornos de reverbero son clasificados convencionalmente como:– Hornos de Cámara Seca– Hornos de Cámara Húmeda– Reverbero de Energía Eléctrica Radiante

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Hornos de Cámara Seca

• El horno de cámra seca consiste observa un área refractaria inclinada con una pendiente, donde se realiza la carga y se mantiene hasta su fusión.

• El metal líquido, se aloja en una cámara de retención secundaria.

Hornos de Cámara SecaEFICIENCIA

• La eficiencia en el consumo de combustible es muy bajo siendo entre el 18% al10 %

• El consumo de combustible por libra es de aproximadamente 3000 a 5000 BTU/lb de aluminio fundido.

• En cuanto a la merma metálica , es el más alto, en comparación con la de otros tipos de hornos. – La Flama calienta directamente la carga oxidándola

• Oscila entre 5 y 12% por cada libra de aluminio fundido.• Un potencial problema es la dificultad de limpieza de

este tipo de hornos, por la acumulación en el área de carga y en la cámara secundaria.

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Hornos de Cámara Húmeda

• Los hornos de reverbero de cámara húmeda son los sistemas más utilizados para la fundición de aluminio de Die Casting.

• Consiste esencialmente en una poza de carga exterior, separada de la cámara principal , esta posa es conectada por medio de un arco sumergido.

• Comúnmente se observa en el extremo opuesta de la posa de carga, una posa donde se alojan las piqueras para vaciar el metal hacia las ollas de transferencia.

Hornos de Cámara Húmeda

• Este tipo de hornos han sido optimizados a fin obtener una mayor eficiencia de fusión, tales como la distancia del techo a la línea de metal y quemadores de gas radiantes (flama plana) instalados en el cobertizo.

• Estas innovaciones han incrementado la eficiencia de consumo de combustible y reducción de mermas metálicas, generación óxidos y problemas.

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Hornos de Cámara HúmedaEFICIENCIA

• El horno de reverbero de cámara húmeda no se utiliza normalmente para carga por lotes.

• Está diseñado para procesos continuos de producción de alto volumen.

• Con quemadores a gas tipo radiantes, el horno utiliza aproximadamente 3.000 BTU por libra de metal.

• El diseño del horno ofrece una baja pérdida metálica por fusión en relación a otros diseños de unidades de fusión. – La pérdida metálica de metal por fusión se estima de 3 a

5% en una práctica normal. Estas cifras se basan en carga fría

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HORNOS REVERBEROS DE ENERGÍA ELÉCTRICA RADIANTE

Hornos Reverberos de Energía Eléctrica Radiante

• Este tipo de Hornos es relativamente un nuevo concepto en hornos. • La radiación eléctrica en un horno de reverbero es similar a los hornos de

reverbero a combustóleo o gas. • Tiene un área de carga remota, separados por un arco sumergido (o una

puerta), de una cámara térmica aislada donde se incorporan elementos de calefacción de carburo de silicio que radian el calor al metal líquido.

• Este horno utiliza aproximadamente 820 BTU por libra de metal fundido. Basado en una operación de carga fría eficiencia la eficiencia de fusión es de aproximadamente 70 a 75 %.

• Este horno seno inicia su operación un arranque en frío, es necesario cargar metal líquido para iniciar su operación .

• La merma metálica es aproximadamente 1% por cada libra de aluminio fundido; porque no existe ningún proceso de combustión, observando una recuperación térmica más lenta, al agregar metal frío, que en un horno alimentado por combustible fósil.

• La cámara del metal permanece tranquila, sin agitación, sin generar formación de escorias.

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Hornos Reverberos de Energía Eléctrica Radiante

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Características positivas de los hornos dereverbero eléctricos

• No se requiere obtener permisos para gases efluentes y se requiere

• menos energía para la operación.• Operación silenciosa, Inclusive nunca se sabe si el horno está en

operación.• Alta calidad de metal.• Las emisiones se reducen de 148.1 lb/hr de CO2 a “CERO”• Características en contra:• Los Hornos reverbero eléctricos, no tienen una buena rapidez de

recuperación energética.• El horno siempre deberá estar conectado a la línea de energía, ó

perderá temperatura, su recuperación energética es lenta.• Los Hornos reverbero eléctricos presentan el mismo problema que

los de gas, la generación de óxidos en sus paredes interiores.• Usualmente mantienen 9 veces más que lo que funden.

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HORNOS DE MANTENIMIENTO


Todos pensamos que los hornos de mantenimiento realizar la tarea demantener la temperatura del metal a una temperatura predeterminada.

En teoría es correcto, hasta que metal frio es adicionado al mantenedor.

Desde este momento la temperatura el baño entero deberá de incrementarsevarios grados. Para realizar este incremento el sistema, deberá tenersuficiente energía (BTU, o KW) para superar la pérdida de calor y elevar latemperatura del metal "X" número de grados a la brevedad posible, a fin de noafectar el proceso. (presentándose coladas frías, rechupes, porosidad).

En la mayoría de las plantas de USA, los hornos mantenedores son consistema de calentamiento eléctrico, con sistemas de calefacción con capacidadde calentamiento mínimo, en función de mantenimiento requerido. Si un hornomantiene 2400 lb (~ 1000 kg)el horno tiene una potencia de solo 15-18 KW,requiriendo un diagnóstico de problemas potenciales. Para empeorar aún máslas cosas, algunos de estos con los hornos no tienen control proporcionalcompleto.

Usualmente estos hornos operan siempre al 100%.

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• Si el horno requiere de 10 KW para mantener temperatura en el mantenedor en condiciones normales, y se adiciona un ventilador que sopla en la carcasa del horno o en la poza,(para refrescar el área), y el horno es vaciado 5 pulgadas y se adiciona 500 lb de metal 10 grados más frío que el metal del interior, el horno requerirá más de una hora para recuperarse a su temperatura de operación.

• Obviamente esto una operación deficiente.

• Algunos instrumentos no controlan la temperatura con la suficiente frecuencia, para saber cuándo la temperatura del metal comienza a bajar, a fin de compensar la caída de la temperatura mediante el aumento de potencia energía a los elementos calefactores de manera gradual y con la rapidez suficiente para hacer un mantenimiento adecuado.

• Los hornos mantenedores de Gas tienden a recuperarse más rápido que los hornos eléctricos.

• Pero si los hornos son diseñados o, con suficiente potencia (KW) instalada y controles totalmente proporcionales, pueden ser más eficientes.


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HORNOS DE MANTENIMIENTO(Consideraciones Generales)

• La evaluación del tamaño de los hornos de mantenimiento y ollas de transferencia, la frecuencia de alimentación a hornos de mantenimiento, el manejo de temperatura del metal líquido hacia las máquinas de inyección es una consideración crítica.

• Para cada aleación y molde, la temperatura del horno de mantenimiento deberá de ser mantenido dentro de un rango de ±15°C.

• El fundidor depende de la potencia del horno de mantenimiento o los controles de suministro de combustible para mantener temperatura requerida.

• Debido a que el horno, se vacía de manera continua, es necesario, el suministro de metal fundido de la central de fusión.

• Al momento es vaciado el nuevo metal, la temperatura del horno mantenedor, cambia, casi instantáneamente.


• Este cambio de temperatura dependerá de la cantidad yla temperatura del material transferido horno demantenimiento, si el metal agregado a un horno es mascaliente que el metal del horno el cambio de temperaturase puede calcular de la forma siguiente:

∆

• Si el metal está más frío que el metal del mantenedor el cambio de la temperatura se puede determinar:

∆

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• Donde:∆ Cambio de la Temperatura en el horno mantenedor, °F

Peso del material en horno, libra.

Peso del material líquido vaciado en el mantenedor, libras.

Temperatura de fusión horno el mantenedor, °F

Temperatura del metal vaciado en el mantenedor,°F


• Si = F donde F es una fracción de (0.10, 0.20, 0.30, etc.) la expresión se reduce a:

∆ 1

• Los corchetes indican el valor absoluto de la diferencia de temperatura.

• Esta expresión ser utilizada para estimar la desviación máxima de temperatura admisible entre la olla y el horno mantenedor para un rango permisible determinado de temperatura en el horno para que un determinado temperatura en olla de transferencia.

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• Por ejemplo: si el mantenedor es de 500 libras capacidad, el factor F en la ecuación 0.25 y la temperatura de fusión debe mantenerse dentro de un margen de ± 10 grados °F, la diferencia de temperatura máxima permitida entre la olla de transferencia y el horno mantenedor sería:

∆ 1

F= 0.25

∆ 10°

1 0.250.25

10°

= 50°F (10°C)


• Y para F= 0.15 (85% de capacidad del horno mantenedor)

1 0.150.15

10°

= 76°F (25°C)• Lo que significa que el material fundido en olla puede

desviarse ±50 °F de la temperatura deseada de horno si nunca se vacía más de un 25%

• Si la temperatura de la olla esta de más de 50 °F por encima de la temperatura deseada, la temperatura del material fundido en el mantenedor se elevará por encima del máximo permitido: ±10°F

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TIPOS DE HORNOS DE MANTENIMIENTO

• Usualmente en México los mantenedores son de tipo crisol.

• En virtud del tamaño de las operaciones establecidas en México.

• Pero recientemente las operaciones se han convertido en operaciones de clase mundial.

• Es importante reconsiderar cual es el crecimiento esperado de nuestra planta para substituir y seleccionar el horno adecuado al crecimiento de nuestra empresa.

HORNO MANTENEDOR DE ALEACIONES DE ZINC

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Hornos reverberos de elementos calefactores radiantes

Mantenedores con elementoscalefactores inmersos

• Equipos de última tecnología, utilizados como fusores ó mantenedores. Origen: Japón desde 15 años.

• Nuevo diseño mejorado: Refractarios de alta densidad en cara de trabajo , aislantes materiales de sílica micro porosa.

• Excelentes resultados en ahorro de energía. La temperatura de vaciado es de 1250°F siendo 105°F menos que los mantenedores de gas normales, siendo posible optimizar esta hasta un 76% por la utilización de equipos de circulación de metal líquido en las operaciones de fusión.

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• El horno utiliza elementos eléctricos cubiertos con fundas de Sialon, localizados en baño de aluminio.

• Produciendo una menor estratificación térmica.

• Produce menos pérdida de metal por oxidación, acumulación de escorias.

• Temperatura de carcasa de 45 a 50°C.

• Temperatura de operación 675‐680°C .

– Uso de Energía mínima:• Menos de 15 BTU /lb con Tapas

en posas• Menos de 22 BTU's /lb durante

Producción.


• La vida en los elementos reportada es en promedio de 2 años y más de 5 años la vida de las mangas protectoras

• Es posible cambiar los elementos calefactores durante la operación y puede permanecer en operación con un solo de los elementos

• Las capacidades oscilan desde 2000 lb con una unidad de potencia de 30KW y hasta 9000 lb con una unidad de potencia de 90 KW.

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Ollas de tranferencia• Dependiendo del tamaño de la

operación del nuestra empresa, es común el uso de las ollas de transferencia, Como todos sabemos es el método más común para transferir el metal a los hornos mantenedores, mismas que son transportadas por montacargas adaptados, ógrúas viajeras.

• Se observa la desventaja de generar turbulencia en el metal cuando se vacía el metal, pero ofrece la ventaja de realizar tratamientos de preparatorios del metal en la misma olla. (desgasificación, refinación, etc,).

Pérdida de calor en ollas de transferencia

• El manejo del metal comúnmente genera pérdidas de calor, consecuentemente de temperatura, estas pérdidas de calor de la olla de transferencia puede ser estimadas.

• La olla se muestra en la figura tiene una capacidad de 2,000 libras de aluminio líquido.

• La mayor pérdida de calor de la superficie superior al aire por convección y radiación

Para aluminio la práctica normal es usar 13,000 Btu/ft² por hora como la pérdida de calor de la superficie del material fundido expuesto al aire.

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Pérdida de calor en ollas de transferencia

La pérdida en la carcasa se puede estimar en función a la superficie expuesta de la olla al medio y su temperatura.

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Sistema de transferencia de metal por canalones

• En operaciones donde las máquinas de inyecciónestán dispuestas en línea, en un mismo nivel y lamisma aleación, los canalones eléctricos ofrecenreales beneficios, utilizando energía limpia.

• Es posible mantener el metal en su interior con menos de 1KW/ Ft de canalón. Proveyendo de una transferencia de aluminio silenciosa, auxiliando a la calidad y a la pérdida de metal.

• Reduciendo las mermas por transferencia por formación de dross al transferir el metal a las ollas de transferencia.


• Usualmente se pierde de 0.5% al 1.0% de metaldurante la transferencia, por generación de dross.

• Generación de Dross:– Transferencia del horno fusor a la olla de

transferencia• No obstante si se utiliza; una piquera o una bomba de

transferencia, la operación es turbulenta.

– Vaciado de metal al horno de mantenimiento.– Al momento de transferir el metal del mantenedor

al cilindro de disparo de la máquina.

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• La transferencia por canalones, minimiza la turbulencia y la generación de óxidos en el metal líquido.

• El metal fluye en un flujo laminar hacia el horno• mantenedor.• Elimina el trabajo de transferencia por ollas.• Entregando automáticamente la cantidad exacta

de metal necesario, a tiempo a una temperatura constante.

• La energía necesaria para la operación es mínima.


• Solo menos 0.5% de pérdida de metal por oxidación.

• Flujo de metal Laminar

• Temperatura consistente

• No se requiere combustibles fósiles

• Mantenimiento mínimo

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• Recientemente se ha instalado un sistema de canalones para la Transfe-rencia de metal con longitud de más de 10 m a fin de conectar hornos de fusión, mantenimiento y filtración desgasificación.

UNA NUEVA FUNDICIÓN VERDE

• Esta planta se localiza en Francia su lay out observa:– 3 hornos de Inducción– 22 m Sistema de canalón con calentamiento

eléctrico. – Horno Eléctrico con mantenedor doble poza

de descarga.– 2 Hornos Eléctrico con filtro y estación de

desgasificado.– No se utiliza combustibles fósiles..

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Sistemas de canalón en el mundo

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