Evolución reciente en la colada continua de planchones delgados y laminación en línea

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A medida que la tecnología progresa, se va ampliando el espectro de los aceros producidos por esta ruta. Así, además de las calidades comerciales y del reemplazo de chapa laminada en frío por chapa laminada en caliente equivalente, se están produciendo aceros para tubos, para carrocería de vehículos y línea blanca, chapa para uso eléctrico, aceros inoxidables y otros.

ACTUALIZACIÓN TECNOLÓGICA

Evolución reciente en la colada continua de planchones delgados y laminación en línea Por Jorge Madías, Gerente de empresa Metallon, Argentina

E

n 1989 se produjo la puesta en marcha de la primera instalación de colada continua de planchones delgados y laminación en línea. En el cuarto de siglo transcurrido desde entonces, este proceso ha ido creciendo en cuanto a su participación en la producción de planos; ha evolucionado notoriamente en muchos aspectos y se han desarrollado opciones tecnológicas que apuntan a ampliar la gama de productos cubiertos, aumentar la productividad y mejorar la calidad. Las razones para su penetración se relacionan con el menor costo de inversión y operación en comparación con las plantas convencionales.

PLANTAS EXISTENTES La capacidad de producción total por esta ruta se estimaba a fines de 2011 en 81,5 Mt/año. La producción se ha estimado en más de 50 Mt, alrededor del 10% de la producción de chapa laminada en caliente para ese año [1]. En la FIGURA 1 se muestran las localizaciones de las plantas, el tipo de proceso que adoptaron y el orden cronológico en que se produjo la puesta en marcha, incluyendo también la colocación de una segunda máquina de colada continua en los casos en que se produjo.

ACEROS PRODUCIDOS A medida que la tecnología evolucionó, que los operadores adquirieron experiencia en el manejo y que la demanda del mercado lo justificó, se fue ampliando el rango de los aceros producidos: • inicialmente, aceros al carbono para usos con relativa exigencia de calidad superficial (NucorCrawfordsville); • chapas finas, de hasta 0,8 mm de espesor, que compiten con la chapa laminada en frío (Ternium Guerrero, Thyssen Krupp Bruckhausen, Essar Steel Hazira, WISCO, Lysteel). En algunos casos para este producto se usa la laminación sin fin (Arvedi) o semi sin fin (Tata Steel IJmuiden, TISCO, Lysteel) [2];

DOSSIER TECNOLÓGICO

FIGURA 1. Localización de las plantas de colada continua de planchones delgados y laminación en línea [1]

• aceros libres de instersticiales, de ultrabajo carbono y con titanio, para uso automotriz (Steel Dynamics Columbus); • aceros peritécticos (Essar Steel Algoma); • chapa fina de límite de fluencia 500, 600 y 700 MPa mínimo, para contenedores y uso automotriz (WISCO); • chapa microaleada de límite de fluencia 700 MPa mínimo (Essar Steel Algoma); • aceros eléctricos de alto silicio (Tata Steel IJmuiden, Benxi Iron & Steel); • chapa para tubos soldados API X70 y API X80 uso ártico (OMK);

• chapa de acero inoxidable ferrítico y austenítico (AK Mansfield, OutokumpuStainless Avesta); • aceros bifásicos (Arvedi). Una parte de la chapa laminada en caliente producida por este proceso es laminada en frío; puede pasar también por procesos de galvanizado u otros revestimientos. No hay referencias de producción de hojalata. En la FIGURA 2 se presenta a título de ejemplo, la incorporación de nuevos tipos de acero según Danieli. Como ejemplo de los desafíos que se presentan al producir aceros nuevos por esta línea, es interesante el caso mencionado de WISCO. La

planta dispone de la posibilidad de incrementar en 100°C la temperatura de los planchones con respecto a la usada habitualmente, y el laminador tiene siete cajas. Se seleccionó una composición química con bajo carbono, para eludir la transformación peritéctica, incrementando el límite de fluencia a 500, 600 o 700 MPa a costa de tener silicio y manganeso altos y de la adición de titanio. Se utilizó la ruta DeS-BOF-LF-RH (desulfuración de arrabio - convertidor básico al oxígeno - horno de cuchara desgasificación por recirculación), al obtenerse mejores rendimientos de aleaciones que con la ruta DeS-BOFLF. Inicialmente no se podían hacer más de cuatro coladas en secuencia; luego de incorporar un tratamiento con calcio al finalizar el proceso en el RH se llegó a seis coladas.

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FIGURA 2. Incorporación de nuevos tipos de acero a las plantas de colada continua de planchones delgados y laminación en línea, según Danieli [3] Avanzados de alta resistencia API ártico Uso eléctrico Microaleados

A la salida de la máquina, los planchones se introducen en un túnel de entre 150 y 220 m de longitud para la igualación de temperatura. Suelen disponerse dos máquinas de una línea que alimentan un mismo laminador. Los planchones ingresan a un laminador de cinco, seis o siete cajas, y luego al enfriamiento laminar, cizalla y bobinadoras (FIGURA 3).

API

Peritécticos Aceros comunes 1989

1995

2000

2005

se pudo diseñar moldes de hasta 90 mm; los planchones obtenidos se pueden reducir en espesor hasta 60 mm, permitiendo así la obtención de una amplia gama de productos de diferente espesor sin cambios en la configuración de la máquina [5].

2010

Para producciones de hasta 1,6 Mt/ año, propone una máquina con el diseño inicial: vertical con doblado en estado sólido (VSB, por sus iniciales en inglés); para producciones mayores, se ha desarrollado el diseño con doblado en estado líquido (VLB, por sus iniciales en inglés). En estas máquinas, sea para aumentar la

Debieron superarse también problemas de perforaciones por grieta longitudinal al inicio de la secuencia y perforaciones por pegado, mediante cambios en el polvo colador y uso de una buza sumergida que favorecía la fusión del polvo. El acero se utiliza para contenedores y partes estructurales de automóviles [4].

Una de las tecnologías propone usualmente un molde tipo embudo, que finaliza con caras paralelas. Inicialmente estos moldes eran de 50 mm de espesor en su parte plana. Posteriormente con la incorporación de la reducción con núcleo líquido (LCR, por sus iniciales en inglés),

INGENIERÍA

FIGURA 3. Ejemplos de disposición de los equipos propuesta por SMS Siemag [4]

La ingeniería de las primeras plantas de colada continua de planchones delgados y laminación en línea, provenía de SMS SchlöemanSiemag (CSP); MannesmannDemag (ISP); VAI (Conroll); Sumitomo Metals Industries (SMI). Ya en 1999 se produjo la fusión entre SMS Schloëman-Siemag y el brazo metalúrgico de MannesmannDemag, bajo la denominación de SMS Demag, luego SMS Siemag; VAI pasó a ser Siemens VAI, luego de la absorción por la empresa alemana. En este campo se asoció con Arvedi para el mercadeo, ingeniería y construcción de plantas con la tecnología ESP. Sumitomo Metals y su brazo de ingeniería se fusionaron con Nippon Steel, pero en la actualidad no realizan una oferta explícita en esta materia. Danieli continúa en forma independiente ofreciendo estas plantas, bajo la denominación QSP.

Planta CSP estándar

Referencias: 26 Nucor, TKS, MaSteel, Tata

Planta CSP con una caja desbastadora Referencias: 1 Handan

Planta CSP con dos cajas desbastadoras

Coberturas térmicas, coilbox u horno túnel

Referencias: 1 Saldanha

DOSSIER TECNOLÓGICO

FIGURA 4. Ejemplo reciente de disposición de los equipos propuesta por Siemens VAI - Arvedi ESP [6]. No se utiliza el horno túnel Colada continua

Laminador de alta Cizalla reducción pendular

90-110 mm 70-90 mm

10-20 mm

Calentador por Laminador inducción terminador

Mesa de enfriamiento

Cizalla rápida Bobinadoras

0,8-12,7 mm 180 m

productividad, sea para poder hacer productos con mayor espesor (por ejemplo, chapa para tubos API), se aumenta el espesor del molde y se prolonga la longitud metalúrgica (longitud hasta la cual el acero está líquido en el centro) [5]. En el molde denominado HD, las termocuplas son reemplazadas por un sistema de fibra óptica, que permite una medición más precisa. El segmento 1 y el molde se diseñan como una unidad de cambio rápido, ya que el 95% de las perforaciones de línea se limitan a afectar esta zona; esto permite recuperarse de una perforación en menos de una hora. Con respecto al enfriamiento secundario, en los diseños VSB se utiliza exclusivamente enfriamiento con agua, pero en los diseños VLB se hace necesario el enfriamiento con niebla de aire desde el segmento 2 en adelante, asegurando la temperatura de enderezado y la temperatura del planchón que va a ingresar en el túnel y al laminador. La barra rígida utilizada difiere en los conceptos VSB y VLB. En el primer caso, se introduce por abajo y tiene la forma de una simple placa. En el segundo caso, se introduce por arriba. Una tecnología alternativa se diferencia al no utilizar el túnel de igualación de temperaturas. Ofrece máquinas de colada continua con molde recto, de 90-110 mm de

ancho. El laminador consiste en tres cajas desbastadoras de alta reducción, inmediatamente después del último segmento de la máquina, aprovechando el calor remanente en el planchón. Luego hay una cizalla péndulo, un calentamiento por inducción y cinco cajas laminadoras, seguidas por la mesa de rodillos con enfriamiento laminar, una tijera de alta velocidad y las bobinadoras (FIGURA 4). La longitud del conjunto es de 180 m. Debe señalarse que este concepto incluye la laminación sin fin (6). Otra tecnología se diferencia de las propuestas anteriores por diseñar un molde, denominado H, en que el ensanchamiento inicial en la zona central, para permitir la introducción de la buza sumergida, continúa hasta el final del molde. Luego este ensanchamiento es eliminado mediante una reducción dinámica con núcleo líquido [7]. La máquina es vertical curva. En cuanto a la disposición de los equipos luego de la máquina, propone cuatro diseños básicos (FIGURA 5).

MODERNIZACIONES En las plantas iniciales el laminador estaba subutilizado; al agregar una segunda línea de colada continua se duplicó la utilización de los laminadores. Se tendió a agregar una o dos cajas laminadoras para hacer espesores más finos. En algunos casos se incorporó el calentamiento

intermedio por inducción, entre cajas desbastadoras y terminadoras. En las máquinas de colada continua, en particular, se ha tendido a aumentar el rango de espesores del planchón, incorporar la reducción con núcleo líquido, introducir el freno electromagnético, incrementar la longitud metalúrgica e incorporar enfriamiento con niebla de agua. Una constante ha sido actualizar los sistemas de control y automatización, tanto en la colada continua (control de nivel, prevención de perforaciones, cambio de ancho) como en el laminador. En general, estas modernizaciones han buscado aumentar la producción, expandir la oferta de productos, disminuir el costo operativo y mejorar la calidad. Dos plantas han cerrado por quiebra de sus propietarios (Hanbo Steel y Geneva Steel). En el marco de las fusiones y adquisiciones, muchas de las plantas han cambiado de propietario, pero en este caso prácticamente todas han continuado operando. De este proceso emerge Nucor Steel como un grupo especializado en la utilización de esta ruta, con cinco plantas.

DESARROLLOS RECIENTES EN LAS PLANTAS Se mencionan a continuación algunos ejemplos típicos de trabajos de

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FIGURA 5. Diferentes disposiciones de los equipos propuesta por Danieli [7] TSR

Canteador vertical

Desc. rot.

Terminador F1

F2

F3

F4

F6

F5

Enfriamiento laminar

F7

Desc.

Horno túnel

Oxicorte

Cizalla pendular

Bobinadoras Desc.

Cizalla rápida

fTSR Canteador vertical

Desc. rot.

Desc.

Horno túnel

Oxicorte

QSP Desc. rot.

Horno túnel

Canteador vertical R1 Desc.

R1

F1

R2

F3

F2

F4

Enfriamiento laminar

F5

Desc.

Desc.

Desbastador

Cizalla pendular

Terminador

Desbastador

Bobinadoras

Cizalla p/ despunte

Cizalla rápida

Terminador R2 Enfriamiento intermedio

F1

F3

F4

F5

F6

Enfriamiento laminar

Desc.

HTT

Cizalla pendular

F2

Bobinadoras Cizalla p/ despunte

ETR Desbastador Desc. R1 rot.

R2

Cizalla volante

R3

Desc. rot. = Descascarador rotativo Desc. = Descascarador HTT = Mesa caliente de transferencia

Cizalla pendular

Terminador

Calesita con mandriles

F1

F2

F3

F4

F5

Enfriamiento laminar

Desc.

Calentador

Bobinadoras Cizalla p/ despunte

mejora continua que se realizaron recientemente.

favorecen la fusión del polvo colador [9].

Rediseño de la buza sumergida

Polvos coladores

Esto ha sido motivo de trabajo en diversas plantas. Por ejemplo, Tata Steel IJmuiden utilizaba dos buzas de diferente tamaño, ambas con dos salidas, en forma de cola de pescado, dependiendo del ancho del planchón a colar. Esto implicaba algunas limitaciones a la hora de planificar la producción. Se hizo un desarrollo para utilizar una sola buza. Para ello se modificó en primer lugar el molde, ampliando el embudo para dar más espacio a la buza y facilitar la fusión del polvo colador en el espacio entre ambos. Luego se hizo el rediseño de la buza utilizando modelos físicos y matemáticos, y mediciones de la velocidad del acero líquido en el menisco. Se optó por un diseño de cuatro salidas; las dos superiores

La velocidad de colada, con su alta transferencia de calor y turbulencia asociada, es el problema dominante en el uso del polvo colador en estas operaciones. Los polvos coladores difieren en sus propiedades de los utilizados en máquinas convencionales. A título de ejemplo, en el CUADRO 1 se presentan las características principales de los polvos coladores que dieron los mejores resultados en una planta china, para el colado de aceros de bajo carbono y peritécticos [10].

Optimización de la extracción de laminilla Esta operación presenta desafíos específicos que han debido ser

Cizalla rápida

superados en las diversas plantas. La conexión directa entre la máquina de colada continua y el laminador afecta la cascarilla a lo largo de los planchones de diversas formas (CUADRO 2). En Tata Steel IJmuiden se desarrolló una metodología para monitorear, mantener y mejorar la práctica de descascarrillado, basada en ensayos estáticos de erosión de una plancha de aluminio, en la planta y el laboratorio [11].

Predicción de propiedades Se desarrolló un modelo matemático híbrido, basado en algoritmos de metalurgia física, para calcular la evolución de la austenita, los cambios de fase y la precipitación hasta la microestructura final. Para determinar las propiedades de la chapa a la tracción, se usó una red neuronal.

DOSSIER TECNOLÓGICO

Esto se aplicó al sistema de control de procesos del laminador de Arvedi. Corre en tiempo real al finalizar el bobinado de cada rollo. Calcula, en función de los datos medidos durante el proceso de laminación, las propiedades metalúrgicas y mecánicas en varias posiciones a los largo de la chapa. Se provee la evaluación de aceros carbonomanganeso, microaleados y bifásicos. La particularidad de este modelo está relacionada con los rasgos específicos del laminador, con el desbastado directo del planchón a la salida de la máquina de colada continua, seguido por un calentamiento en línea mediante inducción, y luego la laminación de terminación, el enfriamiento y el bobinado [12].

INVESTIGACIONES RECIENTES Entre los temas que están siendo investigados en los últimos cinco años cabe mencionar el molde de colada continua y la evolución de la microestructura, incluyendo los precipitados. El molde, corazón de estos equipos, donde se define la productividad y buena parte de la calidad superficial de los productos, es motivo de numerosas investigaciones recientes (CUADRO 3). La microestructura (austenita, precipitados) del planchón que ingresa al laminador, su evolución en este proceso y su influencia sobre las propiedades mecánicas de la chapa son motivo de investigación por la Universidad de Leoben, Siemens y Arvedi[28] y la Universidad de Navarra [29].

CONCLUSIONES La colada continua de planchones delgados cumple 30 años de aplicación industrial continuada, produciendo más de 50 Mt/año y ocupando un espacio del 10% en los productos planos. La oferta de tecnología se ha consolidado en cuanto a los proveedores (tres empresas), pero se ha diversificado en la oferta de cada una de ellas.

CUADRO 1. Propiedades de los polvos que dieron buenos resultados para el colado de acero de bajo carbono (polvo D) y de aceros de medio carbono (polvo F) Propiedad

Polvo D

Polvo F

Basicidad

1,32

1,84

Flúor (%)

8,5

6,2

Temperatura de fluidez (°C)

1.120

1.160

Carbono libre (%)

6

6,7

Viscosidad (d Pa s)

0,4

0,2

Temperatura de break (°C)

1.260

1.250

CUADRO 2. Influencia de la laminación directa sobre la formación de cascarilla [11] Se procesan planchones muy largos, cuya superficie pudo estar sometida a las condiciones del horno túnel durante tiempos diferentes; esto da como resultados diferencias en el espesor de la cascarilla en las diferentes bobinas producidas a partir de ese planchón. La configuración del laminador permite temperaturas superficiales inferiores en el horno, lo que lleva a una cascarilla más compacta y delgada en comparación con un laminador normal. Hay un aspecto positivo, que es evitar la formación de óxidos líquidos en algunos aceros. Los planchones delgados y las barras delgadas son más susceptibles al impacto de los descascarilladores; por ello los requerimientos de caudal son una limitación en el diseño y se usa un solo cabezal en cada localización. En algunas plantas existe un área de buffer entre las cajas desbastadoras y las terminadoras, diseñada para tener más flexibilidad en el procesamiento, enfriando o calentando la barra. Se forma cascarilla, en función de la temperatura y la velocidad.

Las plantas han ido aumentando su producción y el rango de productos, incorporando una segunda máquina de colada continua para el mismo laminador y aplicando extensivamente tecnologías como el freno electromagnético y la reducción con núcleo líquido, junto con una ampliación hacia arriba del rango de espesores de los planchones a la salida del molde. También se han adicionado cajas de laminación aguas abajo y tecnologías para mejorar la planitud. El esfuerzo de investigación y desarrollo de universidades, proveedores de tecnología y empresas siderúrgicas se ha concentrado recientemente en aspectos como el

complejo buza sumergida-moldepolvo colador-freno electromagnético y la evolución de la microestructura a lo largo del proceso (incluyendo los precipitados), esencial para la producción de nuevos grados de acero por este sistema. La contribución latinoamericana a estos avances está concentrada en la planta Guerrero de Ternium México, que fue una de las primeras en incorporar el proceso y jugó un rol pionero en la fabricación de chapa de bajo espesor. A lo largo del tiempo fue modificando su equipamiento y en los últimos años ha aumentado su producción en base a diversos planes de mejora continua. ••

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APORTES LATINOAMERICANOS En América Latina están operando únicamente las dos máquinas CSP de Ternium Guerrero. En esta planta la primera máquina se incorporó en 1995, cuando era propiedad de HYLSA. Se debía modernizar una acería basada en colado en lingotes, y la colada continua de planchones delgados era una opción para disminuir el costo de inversión. A la vez era un desafío, ya que esta empresa producía aceros para la industria automotriz, con sus exigencias dimensionales y de calidad superficial. El desafío fue superado y en 1998 se incorporó la segunda máquina. Posteriormente se incrementó la longitud metalúrgica de 6 a 6,4 m, sumando un tercer segmento al enfriamiento secundario y se introdujo el enfriamiento aire-agua. En el año 2000 se hizo una modificación del espesor de los planchones, de 50 a 54 mm. En el laminador se introdujo una segunda bobinadora. En el año 2008, ya bajo la administración de Ternium, se incorporó la reducción con núcleo líquido y se aumentó el espesor del planchón en el molde, pudiendo colarse con hasta 64 mm y una longitud metalúrgica de hasta 7 m. En la FIGURA A se presenta la evolución tecnológica de las máquinas.

Con diversos planes de mejora continua la producción de la planta creció hasta superar los 2 Mt/año [30]. Esta planta ha sido pionera en el mundo en la obtención de chapa de muy bajo espesor (hasta 0,9 mm), en condiciones de reemplazar chapa laminada en frío. A lo largo de los 30 años de producción, se han publicado numerosos trabajos de mejora continua por parte de personal de operación, y estudios básicos junto a investigadores de la Universidad Autónoma de Nuevo León y el Instituto Tecnológico de Saltillo. También investigadores del Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Michoacana, el Instituto Tecnológico de Morelia y la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo han realizado aportes en el tema. A título de ejemplo, enumeramos algunas de las más recientes: • Caracterización de las buzas sumergidas, para incrementar su vida útil [31]. • Mejoras de calidad superficial e interna [32]. • Posicionamiento de transportador de planchones [33]. • Lubricación de rodillos de apoyo [34].

FIGURA A. Evolución tecnológica de la colada continua de planchones delgados en Ternium Guerrero [45]

• Colada Continua de Planchón Delgado, 1995 espesor de planchón 50 mm Arranque • Segunda Colada Continua de Planchón Delgado, 1998 espesor de planchón 50 mm 2da Estapa

2000

• Incremento espesor de planchón a 54 mm • Cambio de enfriamiento secundario (aire/agua)

2008

• Proyecto LCR espesor de planchón 64-54 mm • Longitud metalúrgica 7 m

DOSSIER TECNOLÓGICO

CUADRO 3. Investigaciones recientes sobre temas relacionados con el molde Tema

Herramientas empleadas

Institución / empresa

Ref.

Flujo de acero líquido / Diseño de buza

Modelo físico y FLUENT

RWTH Aachen - Andritz

13

Modelos matemático y físico y prueba en planta

Chosun Refractories

14

Distorsión térmica del molde

ABAQUS y mediciones en planta

Universidad de Illinois - Tata Steel Ijmuiden

15-16

Solidificación en el molde

ANSYS y ThermoCalc

OMK Vyksa

17

OpenFOAM

Universidad de Leoben - RHI

18-19

Temperatura en el molde de cobre

Modelo matemático

Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín - JISCO

20

Predicción de grietas longitudinales

ABAQUS

Universidad de Illinois - Tata Steel Ijmuiden

21

Medición 3D del espesor de cajas de perforaciones

Digitalizador 3D ATOS y máquina de medición por coordenadas ópticas

Universidad de Illinois - Tata Steel Ijmuiden

22

Freno electromagnético

ANSYS y FLUENT

Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín

23

Modelo físico con metal líquido; modelo fluidodinámico y electromagnético

Danieli ROTELEC

24

Predicción de la transferencia de calor en el molde

Datos industriales, MATLAB, modelo empírico

Universidad de Illinois y Nucor Steel Decatur

25

Infiltración de polvo colador en molde ranurado

Ensayos en planta; estudio de películas de escoria; modelización

POSCO

26

Atrape de polvo colador

Modelo físico

Universidad del Nordeste (China)

27

¿POR QUÉ SE CONTINÚAN INSTALANDO PLANTAS CONVENCIONALES? Si los progresos que ha hecho la tecnología de colada continua de planchones delgados y laminación en línea a lo largo de tres décadas, y las ventajas que ofrece desde el punto de vista de costo de capital y operativo son importantes, surge la pregunta: ¿por qué se siguen instalando plantas convencionales? En primer lugar, esta tecnología de planchones delgados y laminación en línea se ha aplicado en casos en que han sido necesarias inversiones para nueva capacidad de producción (o sustitución de instalaciones obsoletas de colado vía lingote), y no para sustituir instalaciones de colada de planchones convencionales existentes. Por otra parte, la diferencia inicial en inversión probablemente no sea ya tan grande, porque actualmente muchas de las instalaciones de planchones delgados cuentan con freno electromagnético, reducción con núcleo líquido, y seis o siete cajas de laminación, incluyendo en algunos casos cajas desbastadores y enfriamiento/calentamiento por inducción intermedio.

Aquellas plantas que se proponen proveer planchones a otras plantas del mismo grupo o a terceros, en forma circunstancial o permanente, no lo pueden hacer por esta vía. Las plantas que tuvieran un exceso de capacidad de laminación en laminadores convencionales, y que desearan equilibrarlo incorporando capacidad adicional de producción de planchones, tampoco optarían por una planta de planchones delgados. Finalmente, hay que tener en cuenta que algunos productos no pueden ser producidos por esta ruta de proceso. Por ejemplo, chapa gruesa. Otros están aún en la etapa inicial de desarrollo, como la mayor parte de los aceros avanzados de alta resistencia para industria automotriz. Los aceros inoxidables se producen sin inconvenientes en plantas especializadas como AK Mansfield o Outokumpu Avesta, pero en otras plantas que hacen pequeñas cantidades ha habido algunas dificultades, particularmente con los grados austeníticos.

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REFERENCIAS 1. 2. 3.

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