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LABORATORIO DE FUNDICIÓN FUNDICIÓNDE ACERO 1020: HORNO ELECTRICO DE ARCO

ING. RAFAEL ESAU BOTIA Docente de ingeniería

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA METALURGIA TUNJA 2017

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………..

3

1. OBJETIVOS……………………………………………………………………..

4

1.1 OBJETIVO GENERAL……………………………………………………….

4

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………………………………………………

4

2. PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO………………………………………

5

3. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………..

6

3.1 GENERALIDADES…………..………………………………………………

6

3.2 PROCESO DE FUNDICIÓN…………………………………………………

6

3.3 ACERO 1020…………………………………………………………………...

7

3.4 HORNO DE CRISOL…………………………………………………………

8

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS…………………………………………………..

9

4.1 RESULTADOS ……………………………………………………………….

9

4.2 ANÁLISIS………………………………………………………..…………….

10

5. CUESTIONARIO…………………………………………………..…………..

13

6. CONCLUSIONES………………………………………………………………

15

7. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………..………………..

16

8. ANEXOS…………………………………………………………………………

17

INTRODUCCIÓN

Uno de los procesos industriales más aplicados en la industria es la fundición, ya que gracias a esta se fabrican diferentes productos, de diferentes tamaños y según las características requeridas por estos. La fundición es un proceso que se basa en llevar los metales hasta el punto de fusión, por medio de un horno, para que el metal adopte la forma deseada a través de un molde.

Los hornos de fusión más comunes son los de tipo de arco eléctrico. En este tipo de hornos, el arco pasa entre los electrodos a través de la chatarra. La corriente se suministra a los electrodos por medio de un transformador que regula el voltaje y los parámetros de la corriente de cada estadio de fusión.

Este laboratorio nos permite conocer el proceso de fusión en el horno eléctrico de arco, además de lograr obtener la respectiva composición del acero 1020.

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL Realizar la fusión de un metal ferroso (acero 1020) en el horno eléctrico de arco, llevando a la práctica los conocimientos adquiridos teóricamente.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

    



Adquirir pleno conocimiento en cuanto manejo, operación y funcionamiento del horno eléctrico de arco, el cual es el tipo de horno más utilizado para la producción de aceros y ferroaleaciones de alta calidad. Conocer la operación y manejo del horno eléctrico de arco para la obtención de los aceros. Conocer los insumos utilizados en el horno eléctrico de arco. Conocer los circuitos eléctricos que se manejan en el horno eléctrico de arco. Conocer los equipos auxiliares del horno eléctrico de arco. Aplicar técnicas de control de proceso de fusión, realizando ajustes y correcciones en la composición del acero fundido, con base a los requerimientos específicas. Aplicar las normas de seguridad y salud en el trabajo, así como ambiental.

2. PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO

Para llevar a término esta práctica y realizar la fusión de material ferroso (acero 1020), se escogieron en primer lugar, los modelos para las piezas a colar, con el fin de hacer el cálculo de cuanta masa es necesaria para colar cada pieza, junto con los canales de colada y algún exceso previniendo pérdidas durante el proceso. Una vez obtenida la masa necesaria para colar las piezas en su totalidad, se preparó teniendo en cuenta este dato, la chatarra de acero. Posteriormente, se preparó el molde a usar, poniendo en práctica los conocimientos adquiridos en la materia procesos de moldeo. Una vez listo el molde, el cual se preparó en el laboratorio de fundición, se llevó al laboratorio de siderurgia, donde se encuentra el horno eléctrico de arco. Allí se secaron con soplete vara eliminar la humedad y evitar salpicaduras durante la colada. Para llevar a cabo la fusión de la chatarra de acero, se realizaron varias actividades primero. En primer lugar, se reparcho el horno con magnesita y bentonita, se reparcho también la cuchara donde se iba a colar, esta se reparcho utilizando una mezcla de arena silicio y silicato de sodio. Una vez listo el horno, se cargó con la chatarra de acero y con cal, la cual consistía en cinco por ciento de la carga preparada. Mientras se fundía la chatarra, se procedió calentó la cuchara con el soplete, durante todo el tiempo de fusión. Una vez acaba la segunda etapa, se procedió a agregar las ferroaleaciones de silicio y manganeso, previamente preparados y pesados, según cálculos realizados, junto con el grafito para ajustar la composición. Una vez terminado el proceso de fusión se procedió a colar el metal en cada molde, utilizando todos los equipos de protección personal, para evitar accidentes. Una vez frías las piezas, estas fueron desmoldadas y pesadas para los respectivos cálculos requeridos en este informe.

3. MARCO TEÓRICO

3.1 GENERALIDADES DEL HORNO ELÉCTRICO DE ARCO: El calentamiento de materiales por arco eléctrico se realiza básicamente por el paso de la corriente eléctrica entre dos electrodos uno de los cuales puede ser la propia carga. Los campos principales de aplicación industrial del calentamiento por arco son: - la soldadura - los hornos de fusión de metales - los hornos de reducción de minerales En la soldadura se utiliza una varilla de aportación de material que, en la mayoría de los casos, hace de electrodo y el arco se establece entre la varilla y la pieza o piezas a soldar. En algunos casos se utiliza un electrodo de grafito y la energía del arco, que se establece entre el electrodo y la pieza, funde una varilla adicional que aporta el material de soldadura. En los hornos de arco de fusión se coloca la carga en el interior de la cuba y se establece el arco entre los electrodos o entre los electrodos y la carga. Pueden disponerse un solo electrodo (hornos de corriente continua), dos electrodos dispuestos horizontalmente (calentamiento indirecto por radiación del arco al interior de la cuba) o tres electrodos (hornos de corriente alterna). En los hornos de arco de reducción, utilizados en la fabricación de ferroaleaciones, carburo de calcio, silicio metal, etc., los electrodos están sumergidos en el baño de material fundido y el calentamiento se realiza realmente por resistencia directa del material, aunque pueden producirse pequeños arcos entre los electrodos y la superficie de la carga o incluso dentro de la carga. En la figura se representan esquemáticamente los tres tipos de hornos de arco:

(a).- De arco radiante. (b).- De fusión en corriente alterna (b1) y en corriente continua (b2). (c).- De reducción de minerales.

3.2 PROCESO DE FUNDICIÓN La fundición comprende el proceso de fabricación de piezas principalmente de naturaleza metálica, esta consiste en fundir el material e introducirlo en el molde, en el cual se solidifica. El proceso comienza con la elaboración del modelo que es la pieza que se desea reproducir, usualmente es hecha en madera o yeso, pero cuando la producción es en masa se la maquina en metales “blandos “como el aluminio, es evidente que debe ser ligeramente más grande que la pieza que se desea fabricar ya que existe contracciones del metal cuando se enfría, son necesarias las previsiones para evacuación de gases, usualmente conocidos como venteos. teniendo el molde listo se procede a la realización del molde. Los procesos de fundición del metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de moldes : 1) Moldes desechables: En las operaciones de fundición con molde desechable, éste se destruye para remover la parte fundida, como se requiere un nuevo molde por cada nueva fundición, las velocidades de producción son limitadas, ya que se requiere más tiempo para hacer el molde que para la fundición en sí, sin embargo, para ciertas partes se pueden producir moldes y fundiciones a velocidades de 400 partes por hora o mayores. 2) Moldes permanentes: En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal (u otro material durable) que permite usarlos en repetidas operaciones de fundición. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural para mayores velocidades de producción Teniendo el molde requerido se procede a la fusión y a la colada del metal.

3.3 ACERO 1020

Acero de bajo carbono, blando, responde bien al trabajo en frío y al tratamiento térmico de cementación. Tiene un alto índice de soldabilidad, y por su alta tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para elementos de maquinaria y usos convencionales de baja exigencia.

Aplicaciones Bases de matrices, soportes, engranajes, flanges, pernos de anclaje, ejes, cadenas, bujes, tornillería corriente y pasadores de baja resistencia Composición Química %C %Mn 0,18-0,23 0,30-0,60 Propiedades Típicos)

%Si 0,15- 0,35

Mecánicas

Acero

Esfuerzo Dureza Esfuerzo Fluencia Tracción (HB) (mín.)(Kg/mm²) (Kg/mm²) 110-130 27 40-45

%P ≤ 0,04

%S ≤ 0,05

Laminado (Valores Elongación (mín.)% 20

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1 RESULTADOS Durante la práctica se realizó la colada de una pieza en forma de pesa, la cual fue la pieza escogida para el desarrollo de la práctica. Después de concluida la colada, y fría la pieza, se realizó la toma de la masa de la misma, obteniendo la siguiente masa: 7.6 kg, esta masa corresponde a la masa de la pieza junto con los canales de colada.

Como evidencia fotográfica se presenta la siguiente ilustración, donde figura la pieza obtenida y la masa de la misma.

Ilustración 1: Pieza en acero 1020 a) pieza colada y b) masa de la pieza colada

a)

b)

Para realizar la fundición del material (acero 1020) correspondiente a todos los grupos del laboratorio, se utilizaron 47.8 kg de chatarra de acero como materia prima. Se utilizó 2.39 kg de cal como fundente.

4.2 ANÁLISIS 

La preparación de la carga se llevó a cabo, teniendo en cuenta la densidad del acero y el volumen de cada una de las piezas a colar, tomando la precaución de aumentar un 50% de masa de chatarra de acero a fundir, para garantizar que las piezas se pudieran colar en su totalidad.

Para nuestro caso, al tratarse de una pesa, con diferentes secciones, los cálculos para la masa de chatarra necesaria para colar la pieza fueron los siguientes:  Volumen de la pieza: por tratarse de una pieza con 5 secciones iguales a un cilindro, calculamos el volumen para cada sección y el volumen total de la pieza será la sumatoria de los volúmenes, para ello utilizamos la siguiente ecuación: 𝑣 = 𝜋𝑟 2 ℎ (1) En la siguiente tabla, se muestran los datos de radio y altura para cada una de las secciones del modelo. Tabla 1: Dimensiones del modelo N° de sección 1 2 3 4 5

Radio (cm) 1.85 4.475 3 4.475 1.85

Altura (cm) 2.9 1.7 10.8 1.7 2.9

Reemplazando por los datos correspondientes para cada sección en la ecuación (1), tenemos: 𝑣1 = 𝜋 ∗ (1.85 𝑐𝑚)2 ∗ 2.9𝑐𝑚 = 31.18 𝑐𝑚3 𝑣2 = 𝜋 ∗ (4.475 𝑐𝑚)2 ∗ 1.7𝑐𝑚 = 106.95 𝑐𝑚3 𝑣3 = 𝜋 ∗ (3)2 ∗ 10.8𝑐𝑚 = 305.36 𝑐𝑚3 𝑣4 = 𝜋 ∗ (4.475 𝑐𝑚)2 ∗ 1.7𝑐𝑚 = 106.95 𝑐𝑚3 𝑣5 = 𝜋 ∗ (1.85 𝑐𝑚)2 ∗ 2.9𝑐𝑚 = 31.18 𝑐𝑚3 Por tanto, el volumen total de la pieza será: 𝑣 = 𝟓𝟖𝟏. 𝟔𝟐𝒄𝒎𝟑

 Masa carga de chatarra de acero: 𝑚𝑎𝑠𝑎 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 (2) La densidad de la chatarra, la cual es de acero es de 7.8 g/cm3, este dato se tomó de bibliografías, entonces

𝑚𝑎𝑠𝑎 = 7.8

𝑔 𝑥581.62𝑐𝑚3 = 4536.64 𝑔 𝑐𝑚3

Se suma a este valor, la masa necesaria para colar los sistemas de colada (tres bebederos), el cual corresponde a 3000g aproximadamente:  Exceso en la carga de chatarra de acero (50%) 50 = 3768.32𝑔 7536.64𝑔 ∗ 100 7536.64𝑔 + 3768.32𝑔 = 𝟏𝟏𝟑𝟎𝟒. 𝟗𝟔𝒈 Con el dato obtenido de los cálculos anteriores, se realizó la preparación de 11.3 kg de chatarra de acero, a fin de obtener nuestra pieza. La masa anterior de chatarra se juntó con la chatarra correspondiente a de los demás grupos, para un total de 47.8 kg.



Durante el proceso de fusión y colada de aluminio, se realizó el siguiente balance de masa, teniendo en cuenta la carga en su totalidad. 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑎 + 𝑝è𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 + 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑒𝑎 (3)

La masa de chatarra de acero que se agregó al horno eléctrico de arco (correspondiente a la carga de todos los grupos) y se fundió fue de 47.8 kg. Se agregó también al horno la cantidad suficiente de ferroaleaciones de silicio y magnesio como también de grafito para arreglar la composición y obtener un acero 1020, el cual tiene respectivamente 0.25 y 0.45 de Si y Mn, y tiene 0.2 de carbono. Suponiendo que el silicio y el manganeso se encuentran en proporciones igual a cero dentro de la chatarra, y que las proporciones deseadas para obtener acero 1020 son respectivamente 0.25 y 0.45, tenemos: 𝑆𝑖 =

0.25% ∗ 47.8 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 0.1195 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑆𝑖 100

∴ 𝐹𝑒𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜 = 0.1195 𝑘𝑔 𝑆𝑖 ∗ 𝑀𝑛 =

100 𝑘𝑔 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜 = 𝟎. 𝟏𝟓𝟗𝟑𝒌𝒈 75 𝑘𝑔 𝑆𝑖

0.45% ∗ 47.8 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 0.2151 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑀𝑛 100

∴ 𝐹𝑒𝑟𝑟𝑜𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑒𝑠𝑜 = 0.2151 𝑘𝑔𝑀𝑛 ∗

100 𝑘𝑔 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑒𝑠𝑜 = 𝟎. 𝟐𝟖𝟔𝟖 𝒌𝒈 75 𝑘𝑔 𝑀𝑛

Teniendo en cuenta que las ferroaleaciones tienen cada una 3% de carbono, y suponiendo que el balo de acero tiene 0.015% de carbono después de concluida la segunda etapa, tenemos:

%𝐶 = 0.20 − 0.015 = 0.185% 𝐶 = 47.8 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗

0.185% = 0.088 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑜 100

𝐶 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜 = 0.1593 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜 ∗ 0.03 = 0.0048 𝑘𝑔 𝐶 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑒𝑠𝑜 = 0.2868 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛𝑒𝑠𝑜 ∗ 0.03 = 0.0086 𝑘𝑔 𝐶 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑟 = 0.088𝑘𝑔 − (0.0048 + 0.0086)𝑘𝑔 = 𝟎. 𝟎𝟕𝟒𝟔 𝒌𝒈 𝒅𝒆 𝒈𝒓𝒂𝒇𝒊𝒕𝒐

Por tanto, se agregó al baño 159.3 g de ferrosilicio, 268.8 g de ferromanganeso y 74.6 g de grafito, con el fin de arreglar la composición para obtener acero 1020. Teniendo en cuenta los datos anteriores de masa, tenemos que la masa total fundida fue de 48.3027 kg.

Por otro lado, la masa de acero colado, se reparte en la masa de las piezas de cada uno de los grupos, más unas pérdidas que se generaron a la hora de colar. Estas pérdidas corresponden al material que se pierde a la hora de colar, como también el material que se queda en las paredes o fondo del horno, y la escoria sacada. Las piezas coladas tuvieron en conjunto una masa igual a 43.18 kg. Las pérdidas junto con la escoria tuvieron un valor igual a 5.12 kg. 48.3027 𝑘𝑔 = 43.18 𝑘𝑔 + 5.12𝑘𝑔 48.3027𝑘𝑔 ≅ 48.3 𝑘𝑔



Rendimiento metálico: 1. rendimiento metálico del proceso: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑐𝑜 =

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(𝐴𝑙)

𝑥100 (5)

Reemplazando por los valores correspondientes a la masa total de todas las piezas, y a la carga total que se fundió. Tenemos: %𝑅𝑒𝑛𝑑. 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑐𝑜 =

43.18 𝑘𝑔 48.3027 𝑘𝑔

𝑥100 = 𝟖𝟗. 𝟒 %

2. por medio de la masa de la pieza que obtuvimos y la masa calculada para poder fundir esta pieza (11.3 kg), podemos obtener un rendimiento metálico utilizando la ecuación (5). %𝑅𝑒𝑛𝑑. 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑐𝑜 =

7.6 𝑘𝑔 11.3 𝑘𝑔

𝑥100

%𝑅𝑒𝑛𝑑. 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑐𝑜 = 67.3 % De los datos obtenidos para el rendimiento metálico, podemos inferir que el rendimiento de todo el proceso está por encima del 65%, lo que representa un rendimiento aceptable, teniendo presente que el material utilizado fue chatarra de acero. Para mejorar el rendimiento metálico se debe utilizar una mezcla de chatarra de acero con materia pura de acero, teniendo en cuenta el costo de los materiales.



Rendimiento económico: para realizar el rendimiento económico se debe tener en cuenta los siguiente ítems:  Valor de la materia prima: para nuestro caso, al tratarse de chatarra de acero la materia prima, vale 800 USD por tonelada de chatarra. Este valor representado en pesos colombianos corresponde a $ 2330.12 por kilogramo de chatarra.  Valor de la maquinaria: para realizar este procedimiento usamos un horno basculante, el cual en el mercado tiene un costo de alrededor de $29’000000, este valor se tomó de los valores ofrecidos por Alibaba.com.  Valor mano de obra: para realizar el proceso de fundición se requiere en promedio de 4 a 5 personas para bascular el horno, escoriar y colar el material. Teniendo en cuenta que es salario mínimo mensual vigente en Colombia es de: $737717, el subsidio de transporte es de $83140, y que el empleador debe realizar los siguientes aportes:

Ilustración 2: Planilla de porcentajes de cotización.

Fuente: compensarmiplanilla.com

El valor total por empleado que debe pagar el empleador es de aproximadamente: $1’070717. Por tratarse de cinco empleados el costo de la mano de obra del proceso seria de: $5’353585.

Por tanto el rendimiento económico se calcula de la siguiente forma: % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑐𝑜 =

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑥100 (5) 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠

Reemplazando los valores en la ecuación (5), tenemos:

% 𝑅𝑒𝑛𝑑. 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑐𝑜 =

$ (2330.12 𝐾𝑔 𝑥 43.18 𝐾𝑔 ) $ 2330.12 𝐾𝑔 𝑥47.8𝑔 + $29′ 000000 + $5′ 353585

𝑥100

% 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑐𝑜 = 𝟎. 𝟐𝟗% El anterior dato revela que la eficiencia del proceso es demasiada baja, pero esto es aceptable pues se trata de un proceso a nivel de laboratorio, donde no se hace producción en serie. Es necesario tener en cuenta que el cálculo del rendimiento económico se realizó suponiendo que no se tenían los equipos y por ende tocaba adquirirlos.

CUESTIONARIO Calcular la capacidad por colada del horno eléctrico de arco del Laboratorio de Siderurgia. Para poder realizar este cálculo partimos de que la forma del horno eléctrico de arco es un cilindro el cual presenta las siguientes dimensiones:



h: altura den interior del horno: 24cm r: radio del interior del horno: 30cm Por medio de la fórmula del volumen de un cilindro obtuvimos que el volumen interno del horno el: V = hπr2. V= (24cm)* π*(30cm)2 V= 67858.40cm3 V=6,78584m3 Por medio de este volumen se puede obtener la capacidad de colada del horno, teniendo en cuenta la densidad del material que se desee fundir. Además hay que tener en cuenta que al ingresar los electrodos, estos provocaran un desplazamiento de volumen por tanto será necesario no cargar el horno completamente.  En un esquema de horno eléctrico de arco identificar las diferentes partes. Teniendo en cuenta la teoría, se encontró el siguiente esquema

Ilustración 3 horno eléctrico de arco y sus partes Fuente: http://tecnologiautrillas.ftp.catedu.es

1. CRISOL: Puede variar la capacidad desde pocos quintales métricos a 100 toneladas. En las fundiciones se instalan generalmente pequeños hornos de 1 a 10 toneladas-. El crisol está constituido por un recipiente de plancha soldada o remachada con dos aberturas, una para la carga y otra para la colada (piquera), de altura y de diámetro variable. La inversión se obtiene con un dispositivo electromecánico (torno) o bien hidráulicamente con una electrobomba que acciona uno o más cilindros hidráulicos. 2. BOVEDA: está construida con un material refractario, normalmente sílice, porque es más económico, y dejando tres aberturas para el paso de los electrodos. Actualmente se está difundiendo mucho el empleo de la mullita o la magnesita especial. Su duración varía de 50 a 150 coladas, según las condiciones de trabajo. 3. ELECTRODOS: en los hornos de arco y en los de resistencia no metálica, la energía eléctrica es llevada a la plaza, donde se realiza la fusión, por medio de conductores llamados electrodos. estos deben soportar temperaturas elevadísimas y resistir también la acción corrosiva de las escorias, por lo que son fabricados con antracita calcinada, de coque y de grafito. C...