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Siderurgia. (página 2)

Enviado por Estefania Gauto



Partes: 1, 2

En este trabajo tomaré como método de obtención de arrabio al método conocido como el del Alto Horno.

El esquema de obtención es el siguiente:

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A continuación, se detallan cada uno de los ítems del esquema:

  • Extracción del mineral de hierro.

El método de la extracción del mineral de hierro depende del yacimiento en que se encuentra. Si se encuentra en un yacimiento a cielo abierto la extracción es fácil, basta con fragmentar la capa de tierra que lo cubre, mediante explosivos y luego removerla para llegar al mineral de hierro, el cual se extrae con excavadoras, posteriormente se procede a transportarlos a las tolvas de almacenamiento.

Si se encuentra en un yacimiento profundo, la extracción se hace más compleja, pues se necesita construir túneles para llegar donde se encuentra el mineral y luego, a través de montacargas apropiados, transportarlos al exterior, donde se cargan en trenes, a veces, arrastrados por locomotoras electicas, para llevarlos a las tolvas. Cuando el terreno presenta baches pronunciados o es imposible transportar el mineral por el suelo, se procede mediante rieles aéreos y vagonetas.

  • Preparación del mineral de hierro.

El mineral de hierro extraído, trae consigo impurezas (tierra, restos fósiles), denominadas"ganga", además posee tamaños variables; y otros aspectos que hacen que el mineral no sea apto para ser introducido al Alto Horno. Para paliar esto, es necesario someterlo a una serie de procesos, los que se detallan a continuación:

  • Concentración: los minerales de hierro extraídos se concentran, eliminando parte de la ganga y obteniendo un mineral sobre más rico en hierro. La concentración se puede llevar a cabo mediante los siguientes métodos:

  • Por lavado: esta operación hace posible eliminar las sustancias terrosas que componen la ganga. Se lleva a cabo haciendo pasar el mineral sobre una cinta transportadora y una corriente de agua arrastra las sustancias terrosas.

  • Por separador rotativo magnético: este método hace posible clasificar el mineral en ricos, pobres y ganga, mediante un tambor giratorio imantado; el mineral cae en este, la parte más rica en hierro queda adherida al imán, la ganga cae y a medida q el tambor gira va cayendo luego el mineral más pobre que no queda bien adherido a él.

  • Reducción de tamaño: para ser introducido al Alto Horno, el mineral de hierro debe tener un tamaño adecuado, que depende de cada horno; para ello se lo tritura usando máquinas destinadas a tal uso, como ser cilindros trituradores, trituradores a rotación excéntrica, trituradores a mandíbula.

  • Aglomeración o briquetado: así también, el mineral no puede tener un tamaño menor del adecuado, por lo que si es muy pulverulento es necesario aglomerarlo o formar ladrillos o briquetas. Esto se puede hacer de tres formas: formando una pasta con un cemento, con cal y/o por absorción.

  • Calcinación: he dicho anteriormente que los minerales de hierro formado por carbonatos no son aptos para su utilización en la siderurgia; pero si tomamos en cuenta de que es el único mineral disponible, en el área a tratar, y prepararlo es más económico que importar óxidos de hierro, se lo puede utilizar. Para ello es condición necesaria calcinarlo, antes de su introducción al Alto Horno. La calcinación se realiza al aire libre, no muy utilizada actualmente, o en horno de cuba.

  • Fabricación del mineral de coque.

El coque se obtiene a través de la destilación de las hullas grasas. Para su obtención se utilizan hornos de diferentes tipos: hornos de coque, de colmena, de coquización modernos.

Su principio de trabajo consiste prácticamente en la combustión incompleta de la hulla en cámaras cerradas, aprovechando los gases (subproductos) para calentar aire.

Las condiciones que debe cumplir un buen coque metalúrgico son: 1º debe ser denso; 2º muy poroso; 3º libre de azufre; 4º resistente y poco quebradizo; 5º resistente a la compresión.

  • Extracción del mineral de caliza.

La caliza es muy importante, y en algunas regiones existen sierras formadas casi totalmente de este mineral.

Su extracción se realiza a cielo abierto, a través de excavadoras, luego de hacer algunas explosiones de dinamita para fragmentar el lugar.

  • Aire.

El aire se inyecta al alto horno, a través de toberas, para poder activar la combustión, para ello debe tener una temperatura de alrededor de 900ºC, una presión de un poco mas de 1 atm y un volumen adecuado a la cantidad de materia prima que entra.

  • Alto horno.

  • Descripción del aparato.

El Alto Horno es una instalación de eje vertical de, entre 30 hasta 80m. y sección circular de, entre 10 y 20m. Está revestido por ladrillos refractarios, llegando a medir, sus paredes, un diámetro variable a lo largo del horno y hasta 2m.; por cajas de refrigeración. Está forrado con una plancha de acero en sus partes más expuestas al calor, como el crisol y el etalaje. Posee una estructura metálica de sostén (13) para la cuba, lo que hace que se pueda rehacer todo el revestimiento del etalaje, en caso necesario. Es importante destacar que el Alto horno debe estar construido sobre una base de hormigón resistente.

El Alto Horno trabaja de forma continua durante varios años, y solo se apaga para realizar mantenimientos. Para calentar un Alto Horno por primera vez se necesita grandes cantidades de carbón y combustible.

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Figura Nº1 .Corte vertical de un Alto Horno acotando sus dimensiones.

Fuente: SIDERURGIA. P. A. Pezzano.

El Alto Horno consta de las siguientes partes:

  • Plataforma de carga: está situada en la parte superior del Alto Horno, en ella se encuentran:

  • Aparatos de carga: está constituido por los ascensores, que permiten elevar las materias primas, de las tolvas de almacenamiento, en de un vagonetas(12) por medio de un plano inclinado; por el dispositivo de carga o cierre de doble campana, en la cual se descarga de las vagonetas las materias primas que caen en una tolva que tiene como fondo una pequeña campana, la superior, la que luego se deja descender para que la materia prima baje a una cámara, entre la superior y la inferior, y cuando se haya reunido dos o más cargas de la materia prima, la campana inferior se dejas descender, abriendo paso a esta para que ingrese al Alto Horno(este dispositivo de doble campana permite que los gases no escapen al exterior del Alto Horno); y por los tubos de escape de gases(11), estos captan los gases emitidos por el Alto Horno, y lo conducen a depuradores, los cuales extraen el polvo que contiene; a recuperadores de calor, que aprovechan la energía calorífica para calentar el aire que va a ser introducido al Alto Horno.

  • Tragante (1): es la parte en la que ingresa la materia prima, después de haber pasado por el dispositivo de doble campana.

  • Cuba (2): de forma de tronco de cono, su diámetro asciende de arriba hacia abajo. Su forma se justifica por el aumento de volumen de las materias al reaccionar.

  • Vientre (3): es la parte de mayor diámetro, une a la cuba con el etalaje. En este sitio el hierro empieza a fundirse.

  • Etalaje (4): de forma de tronco de cono inversa, su diámetro desciende de arriba hacia abajo. Su forma permite que el hierro fundido se deslice sin depositarse en ningún lado. Colocado aproximadamente a 3m. del piso. Aquí, además, se encuentra la zona de maniobras relacionadas con el Alto Horno y se vigilan las toberas (9) de aire, la marcha de combustión, la colada de arrabio y de escoria.

  • Crisol (5): es la parte más baja del Alto Horno, es como un depósito de arrabio y escoria, esperando a ser descargados por la piquera (6) y la bigotera (7), respectivamente. El fondo de este debe estar construido en ladrillos refractarios de tierra refractaria o de carbón prensado y de gran tamaño.

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Referencias.

  • 1. Tragante.

  • 2. Cuba.

  • 3. Vientre.

  • 4. Etalaje.

  • 5. Crisol.

  • 6. Piquera.

  • 7. Bigotera.

  • 8. Manga de tobera.

  • 9. Tobera.

  • 10. Anillo de viento.

  • 11. Escape de gases.

  • 12. Vagoneta.

  • 13. Soporte metálico de sostén.

Figura Nº2 .Partes de un Alto Horno.

Fuente: SIDERURGIA. P. A. Pezzano.

La carga (mineral de hierro, caliza y coque) acondicionada se introduce por el tragante, el aire a la temperatura adecuada (900-1000ºC) se introduce por la tobera. Mientras la carga desciende a través del Alto Horno reacciona gracias al calor proporcionado por el aire, que asciende (las reacciones se explican más abajo); formándose arrabio (hierro fundido) y escoria (material indeseable) que se extraen por la piquera y la bigotera.

La extracción del arrabio por la piquera se denomina colada o sangría, se practica a intervalos regulares, en unos grandes recipientes, llamados cucharas de colada.

En cuanto a la extracción de la escoria, ésta llega al nivel de la bigotera cuando la cantidad de arrabio presente en crisol asciende y las eleva hasta allí, alcanzando el nivel de salida. El escurrimiento de la escoria sigue regularmente, hasta que por efecto de una sangría, este nivel desciende.

  • Zonas y reacciones.

En el proceso de un Alto Horno se pueden diferenciar seis zonas con sus respectivas reacciones cada una:

  • Zona I (150º a 400ºC).

En esta etapa, se produce la eliminación del agua higroscópica, y quizás los óxidos hidratados de transforman en anhidros.

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  • Zona II (400º a 700ºC).

  • Reducción indirecta de los óxidos de hierro.

Se realiza por la acción del monóxido de carbono en los óxidos de hierro, obteniéndose oxido ferroso y hierro libre:

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El silicio presente en la ganga y en el mineral, forma con los distintos óxidos, silicatos:

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  • Zona VI (1300º a 1550ºC)

En esta zona se separa por diferencia de densidad la escoria y el arrabio, quedando el primero (menos denso) arriba y el segundo (más denso) abajo. Se retiran del alto horno por la bigotera y la piquera respectivamente.

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Figura Nº3. Zonas de reacciones de un Alto Horno.

Fuente: SIDERURGIA. P. A. Pezzano.

  • Escoria.

La escoria está formada por sílice, alúmina y cal, con pequeñas cantidades de otros elementos provenientes de la ganga y las cenizas.

La escoria es un subproducto del alto horno, que se obtiene en grandes cantidades y es necesario aprovecharla. Para ello, se puede recoger en vagonetas para llevar al lugar de utilización, osino, se la trata inmediatamente para convertirla en escoria granulada, haciendo pasar u chorro de agua líquida fría por ella, para hacer así más fácil su transporte y utilización.

Utilización.

La escoria es utilizada en la fabricación de cementos, vidrio, fertilizantes, lana mineral, materiales de construcción, balastro de rutas y vías férreas y construcción de pavimentos.

  • Arrabio.

El arrabio es el principal producto y objeto de la construcción del Alto Horno, está formado por hierro y carbono, y en menores proporciones por silicio, manganeso, fósforo y azufre.

La colada del arrabio se realiza utilizando las cucharas de colada, que se desplazan en vagonetas sobre rieles, ya sea, a los mezcladores (maquinas que homogeneízan el contenido de arrabio), o a los convertidores o a unos dispositivos especiales que permiten el colado del arrabio en lingoteras, donde se enfrían para solidificarlos y trasladarlos a otro lugar.

  • Obtención de acero (afino del arrabio).

El arrabio extraído del Alto Horno, contiene exceso de carbono y vestigios de otras impurezas indeseadas (como azufre, manganeso, fosforo, silicio), que lo hacen inservible para fines comerciales; por lo tanto debe ser depurado, obteniendo así Acero (hierro con un porcentaje de carbono máximo de 1,7%).

Los procedimientos de afino del arrabio se pueden clasificar según el estado del arrabio que va a ser depurado: pastoso, líquido o sólido; como se observa en la tabla Nº 2 . Para el afino se requiere de hornos que son denominados convertidores. El principio de trabajo de los convertidores es oxidar el exceso carbono, ya sea, por la inyección de aire u oxigeno a presión, por una serie de reacciones o a través del paso de electricidad.

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Tabla Nº 2. Clasificación de los procedimientos de afino del arrabio según estado de éste.

Fuente: Elaboración propia.

  • Procedimientos de afino del arrabio.

  • Arrabio pastoso.

  • Pudelado.

Es un método de descarburación del arrabio, que utiliza un horno de reverbero, un horno en el cual el calor se produce en una cámara independiente a la que contiene el arrabio, y el techo de este refleja el calor sobre él; poniéndose, así en contacto con el aire caliente y no con el combustible utilizado, impidiendo el aporte de impurezas. El carbono se oxida, y la temperatura aumenta, el arrabio funde y adquiere el estado pastoso; la masa se remueve con unas varillas para q se mezcle con las escorias ayudando así a las reacciones de descarburación. La masa, cada vez más pastosa, se retira y se la somete al martilleo, para liberarla de la escoria.

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Figura Nº 4. Vista transversal de un horno de reverbero.

Fuente: http://inspeccionumvi10.iespana.es/ind11834.pdf

Actualmente, existen hornos perfeccionados que reemplazan al de reverbero, como los hornos Dank, el de Pernot o el de Aston-Byers; cuyo hierro obtenido es usado como alimentación para los hornos Siemens-Martin.

  • Arrabio liquido.

El principio de este método es fundir el arrabio en crisoles, liberando impurezas al llevarlo a su temperatura de fusión durante una hora o más. El afino se debe a que se forma monóxido de carbono y se quema, al igual que otras impurezas como: silicio, manganeso otros; reduciéndose así el nivel de estas y obteniendo un acero de buena calidad, pero de un costo muy elevado. Luego se cuela en los moldes respectivos.

Este procedimiento de obtención de aceros ya no es muy empleado en la actualidad, debido al costo elevado de producción; pero conviene cuando se necesitan obtener piezas que exijan condiciones de resistencia y contextura homogénea tales que superen esta desventaja.

  • Bessemer (ácido).

La base del procedimiento Bessemer, para la obtención de acero, a partir de arrabio salido del Alto Horno pasado por mezcladores, a 1300ºC; y sin el aporte de calor proveniente de un combustible, es hacer pasar aire a través de la fundición, consiguiendo los siguientes efectos:

  • Mezcla la fundición, mediante las burbujas de aire. Evitando así, la operación de remover la fundición.

  • Oxida las impurezas contenidas en el arrabio, las que forman la escoria luego de su combustión.

  • Eleva la temperatura del arrabio, llevándolo a la temperatura de fusión.

Convertidores.

El proceso Bessemer utiliza convertidores como los que se muestra en la figura Nº . El revestimiento de los convertidores Bessemer deben de ser ácidos, es decir, estar compuesto mayoritariamente por sílice. Esto limita la composición de la fundición empleada, la cual debe ser rica en sílice y manganeso y pobre en azufre y fósforo.

  • Thomas (básico).

El principio del procedimiento Thomas es exactamente el mismo que el de Bessemer, con la única diferencia en el revestimiento del convertidor utilizado.

El revestimiento del convertidor Thomas debe ser básico, es decir, debe estar compuesto mayoritariamente por cal y magnesia. Entonces la fundición empleada debe ser rica en fósforo y pobre en azufre.

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Figura Nº 5: Vista de un Horno Bessemer y Thomas.

Fuente: http://www.hiru.com/es/historia/ondarea/siderometalurgikoa.

  • Martin-Siemens.

Este proceso consta de un horno de reverbero, rectangular y con techo abovedado, con un revestimiento acido, básico o neutro, según sea la composición de la carga, la cual consta de chatarra, arrabio y mineral de hierro.

El principio del proceso es oxidar el carbono y las impurezas de la carga, con oxigeno proveniente del óxido de hierro (mineral de hierro), gracias a la elevada temperatura producida por la insuflación de aire precalentado en unos recuperadores y a la llama producida por un quemador.

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Figura Nº 6 : Vista de un horno Martin-Siemens.

Fuente: http://tecnologiafuentenueva.wikispaces.com/file/view/Acero.pdf.

  • Hornos eléctricos.

Los hornos eléctricos, como su nombre lo dice, aprovechan la energía eléctrica para obtener muy elevadas temperaturas para producir un acero de alta calidad, a un precio relativamente bajo.

Existen 3 tipos de hornos eléctricos:

  • De arco.

El horno, como se ve en la figura Nº , está formado por varias capas de revestimiento y consta de un cierre hermético para evitar el escape de calor; los electrodos, que pueden ser dos o tres, y de diferentes materiales, siendo el más utilizado el de grafito.

El proceso se basa en aumentar la temperatura del baño metálico haciendo pasar un arco eléctrico desde un electrodo hasta el baño y desde aquí al otro electrodo. Además e inyecta oxigeno puro, para conseguir la oxidación del carbono excedente y demás impurezas. El horno puede tener un revestimiento básico, ácido o neutro según sea la composición de la carga.

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Estos hornos funcionan de la misma manera que los de arco eléctrico, con la diferencia de la forma de introducir el calor. Estos lo hacen con corriente inducida en el metal formando una espira cerrada única. Son de baja frecuencia porque son alimentados por una corriente alterna de frecuencia entre 25 a 50 periodos por segundo.

  • De inducción de alta frecuencia.

Estos hornos son los mismos que el anterior, se diferencian solo en que son alimentados por una corriente alterna de frecuencia de 500 a 2000 periodos por segundo.

  • Tratamientos para mejorar las propiedades del acero.

Los tratamientos para mejorar las propiedades del acero se pueden clasificar según sea lo que se quiere mejorar:

  • Tratamientos térmicos.

Los tratamientos térmicos se basan el calentamiento y enfriamiento del acero, sin cambiar su composición, en cambio sí su estructura.

  • Recocido.

El recocido se trata de calentar al acero por debajo de punto de fusión y luego enfriarlo lentamente.

Con el recocido se logra un acero más homogéneo, con mayor plasticidad, alargamiento y resistencia.

  • Temple.

El temple es una operación térmica que consiste en calentar el acero a una determinada temperatura, y luego enfriarlo más o menos bruscamente.

Con el temple se logra conseguir un acero con mayor dureza y menor alargamiento.

  • Revenido.

El revenido se aplica a aceros que han pasado por el proceso de temple, ya que con este último se obtiene, a veces, tensiones internas exageradas que dan lugar a rayaduras en el acero, lo cual se debe mejorar, precisamente con el revenido. Además, con el revenido se logra una menor dureza.

  • Tratamientos termoquímicos.

Los tratamientos termoquímicos se basan en el calentamiento y enfriamiento del acero, agregando, además, otros elementos en su composición superficial.

  • Cementación.

La cementación es un tratamiento termoquímico que realiza una carburación superficial en el acero, hasta determinado espesor. Para ello hay que elevar la temperatura de la superficie del acero hasta unos 900ºC, poner en contacto éste con un cemento carburante como: carbón de leña, negro de humo y carbón de madera.

Con la cementación se logra una mayor dureza superficial.

  • Nitruración.

La nitruración se trata de una absorción de nitrógeno por la superficie del acero a una determinada temperatura.

Con la nitruración se logra una mayor dureza y resistencia superficial a la corrosión.

  • Cianuración.

La cianuración consiste en la absorción de nitrógeno y carbono por contacto, a una determinada temperatura.

Con la cianuración se logra una mayor resistencia.

  • Carbonitruración.

La carbonitruración consiste en la absorción de nitrógeno y carbono mediante gases.

  • Sulfinización.

La sulfinización se trata de una absorción de azufre por la superficie del acero.

Con la sulfinización se logra una mayor resistencia al desgaste.

  • Tratamientos mecánicos.

Los tratamientos mecánicos consisten en la deformación mecánica del acero.

  • Tratamientos mecánicos en caliente.

Se trata de golpear el acero, a una determinada temperatura, para deformarlo. Este proceso se denomina también forja.

Con esto se logra mejorar su estructura interna.

  • Tratamientos mecánicos en frío.

Se trata de deformar el acero a temperatura ambiente.

Con este tratamiento se logra una mayor dureza y resistencia mecanica; y una menor plasticidad.

  • Tratamientos superficiales.

  • Metalización.

La metalización consiste en rociar un metal determinado fundido sobre la superficie del acero.

Con la metalización se logra transferir al acero las características del metal utilizado.

  • Cromado.

El cromado consiste en, a través de la electrólisis, adherir cromo a la superficie del acero.

Con el cromado se logra una mayor resistencia al desgaste.

  • Clasificación del acero.

El acero se clasifica según su contenido de carbono y de otros elementos, que se agregan para transmitirle ciertas propiedades, en:

  • Aceros comunes al carbono.

Los aceros comunes al carbono son aleaciones de hierro-carbono, con un porcentaje menor a 1,7% de carbono. Este acero contiene otros elementos que son impurezas como azufre, silicio, manganeso, y fosforo, en mínimas cantidades, que no pudieron ser eliminadas en la fabricación. En los aceros comunes se admite una cantidad menor a 0,03% de azufre y fósforo; y menor a 0,06% de silicio y manganeso.

  • Aceros especiales.

Los aceros especiales son aleaciones hierro-carbono, donde se incorpora otro/s elemento/s para transmitirle propiedades de este al acero.

  • Aceros al cromo.

Son aleaciones hierro-carbono-cromo. El cromo confiere dureza al acero, y mejora los efectos del temple.

  • Aceros al níquel.

Son aleaciones hierro-carbono-níquel. El níquel ayuda a aumentar la magnitud del límite de elasticidad, la resistencia por tracción y la dureza.

  • Aceros al manganeso.

Son aleaciones hierro-carbono-manganeso. El manganeso, en cantidades mayores a 0,06%, aumenta la resistencia y ayuda a aumentar los efectos del temple del acero.

  • Aceros al silicio.

Son aleaciones hierro-carbono-silicio. El silicio, en cantidades mayores a 1,5%, le confiere al acero una mayor resistencia por tracción, y ayuda a la templabilidad.

  • Aceros al molibdeno.

Son aleaciones fierro-carbono-molibdeno. El molibdeno ayuda a aumentar los efectos del temple, aumenta la resistencia mecánica en caliente y la resistencia por tracción.

  • Aceros al cromo-níquel.

Son aleaciones hierro-carbono-cromo-níquel. En conjunto, el cromo y el niquel, aumentan la elasticidad, dureza, resistencia y el alargamiento.

  • Aceros al tungsteno.

Son aleaciones hierro-carbono-tungsteno. El tungsteno aumenta el limite elástico, la dureza.

Conclusión

De lo citado anteriormente podemos resumir que no hay un solo tipo de acero, es más, el acero se divide en varias clases, de acuerdo a las propiedades que han adquirido luego de la introducción de ciertos elementos en él. La producción del acero no es muy compleja, sin embargo necesita mucho calor para poder llegar a la temperatura de fusión del óxido de hierro (su principal materia prima), y así poder, primero, reducir éste y luego, oxidar el carbono (adquirido en la primera fase), hasta dejarlo con un contenido de carbono no mayor a 1,7%.

También he comprobado que la producción, si no de acero, de productos siderúrgicos más carburados, se realiza desde tiempos muy remotos, y fue desarrollándose y mejorando a través del tiempo, hasta llegar a complejas tecnologías de producción que cuidan hasta el menor detalle mediante dispositivos automáticos.

Bibliografía

Pacual A. Pezzano.(1976). Siderurgia. Librería y editorial Alsina. Buenos Aires. Argentina.

(acceso: 04/05/2009).

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/080/htm/sec_7.htm (acceso: 04/05/2009).

http://www.escuelaraggio.edu.ar/MECA/archivos/TECNOLOGIA/2.doc (acceso:12/05/2009).

http://www.sapiensman.com (acceso: 04/05/2009).

http://www.fisicanet.com.ar (acceso: 4/05/2009).

http://www.infoacero.cl/acero/hornos.htm (acceso: 16/07/2009).

http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_III.html#diez (acceso: 16/07/2009).

http://www.tecnologiaindustrial.info/ (acceso: 06/05/2009).

http://picasa.google.com/ (acceso: 6/01/2010)

 

 

Autor:

Estefanía Gauto

Ingeniería Química

Partes: 1, 2


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