Optimization of the Shaft Furnace in the Secondary Copper Industry Sebastián Rivera Maldonado

Optimization of the Shaft Optimization of the Shaft Furnace in the Secondary Furnace in the Secondary

Copper IndustryCopper Industry

Sebastián Rivera MaldonadoSebastián Rivera Maldonado

Proyecto AlfaProyecto Alfa

Esta memoria de título fue Esta memoria de título fue desarrollada en el marco desarrollada en el marco del proyecto Alfa del proyecto Alfa “Tecnologías Limpias en la “Tecnologías Limpias en la Industria Minero-Industria Minero-Metalurgia”. Metalurgia”.

El desarrollo experimental El desarrollo experimental fue realizado en la industria fue realizado en la industria secundaria de Cobre secundaria de Cobre Montanwerke Brixlegg Montanwerke Brixlegg situada en Tirol, Austria.situada en Tirol, Austria.

Información GeneralInformación General

Con más de 250 Con más de 250 trabajadores trabajadores Montanwerke Montanwerke Brixlegg procesa Brixlegg procesa material material secundario con secundario con aproximadamente aproximadamente 100.000 toneladas 100.000 toneladas de cobre al año.de cobre al año.

Información GeneralInformación General

Los principales productos finales con valor Los principales productos finales con valor comercial producidos por Montanwerke Brixlegg comercial producidos por Montanwerke Brixlegg son:son:Cátodos de Cobre Cátodos de Cobre 20.000 20.000 tpatpaLingotes de CobreLingotes de Cobre 80.000 80.000 tpatpaMetales Preciosos (Ag, Au, Pd, Pt)Metales Preciosos (Ag, Au, Pd, Pt) 35 tpa 35 tpaPolvos (Alto Horno + Convertidor)Polvos (Alto Horno + Convertidor) 3.500 3.500 tpatpaEscoria FayalíticaEscoria Fayalítica 25.000 tpa25.000 tpa

Descripción General ProcesoDescripción General Proceso

Descripción Proceso Alto HornoDescripción Proceso Alto Horno

Carga Carga chatarra y residuos internos chatarra y residuos internos

Hierro Hierro Principal Reductor Principal Reductor

Coque + Aire Enriquecido Coque + Aire Enriquecido Energía Energía

Productos Principales Productos Principales Cobre negro, Cobre negro, escoria fayalítica, óxidos de zinc y plomo.escoria fayalítica, óxidos de zinc y plomo.

Datos HornoDatos Horno

Altura = 4,5 mAltura = 4,5 m

Área Transversal = 3,2 mÁrea Transversal = 3,2 m22

12 toberas12 toberas

Capacidad de procesamiento = 60.000 tpaCapacidad de procesamiento = 60.000 tpa

Cobre Negro = 22.000 tpaCobre Negro = 22.000 tpa

Escoria = 25.000 tpaEscoria = 25.000 tpa

Principales Reacciones QuímicasPrincipales Reacciones Químicas

C + OC + O22 = CO = CO22 (1)(1)

COCO22 + C = 2CO + C = 2CO (2)(2)

Fe + CuFe + Cu22O= FeO + 2 Cu O= FeO + 2 Cu (3)(3)

Fe + ½ SnOFe + ½ SnO22 = FeO + ½ Sn = FeO + ½ Sn (4)(4)

Fe + ZnO = FeO + Zn Fe + ZnO = FeO + Zn (5)(5)

Fe + PbO = FeO + Pb Fe + PbO = FeO + Pb (6)(6)

Productos Alto HornoProductos Alto Horno

Cobre Negro Cobre Negro 75 – 85 % Cu + (Fe, Ni, Sn, 75 – 85 % Cu + (Fe, Ni, Sn, Zn)Zn)

Escoria Escoria 50 % FeO + 20 % SiO 50 % FeO + 20 % SiO2 2 + ZnO + + ZnO +

CaO + MgO (~ 1 % Cu)CaO + MgO (~ 1 % Cu)

Polvos finos Polvos finos 40 % ZnO + 15 % PbO + 7 % 40 % ZnO + 15 % PbO + 7 % CuCu

ObjetivosObjetivos

Los principales objetivos del Los principales objetivos del proyecto son:proyecto son:Aumentar la capacidad de Aumentar la capacidad de procesamiento del hornoprocesamiento del hornoRecuperar metales de valor Recuperar metales de valor comercialcomercialDisminuir los costos de producciónDisminuir los costos de producción

ExperimentosExperimentos

Transporte de polvosTransporte de polvos

Enriquecimiento de OxígenoEnriquecimiento de Oxígeno

Distribución de Aire InyectadoDistribución de Aire Inyectado

Cargas Especiales al HornoCargas Especiales al Horno

Transporte de PolvosTransporte de Polvos

Los polvos de salida del Los polvos de salida del Alto Horno son dos: Alto Horno son dos: Polvos finosPolvos finosPolvos GruesosPolvos GruesosLos polvos gruesos son Los polvos gruesos son transportados por la transportados por la corriente de gases de corriente de gases de salida. salida. Actualmente estos polvos Actualmente estos polvos son reciclados son reciclados directamente al horno sin directamente al horno sin previo tratamiento. previo tratamiento.

Efectos Transporte de PolvosEfectos Transporte de Polvos

22,3 mAo

ov AA

veff AA

ExperimentosExperimentos

Toma de muestras diarias del polvo Toma de muestras diarias del polvo grueso transportadogrueso transportado

Tamizaje del polvo para determinar la Tamizaje del polvo para determinar la distribución de tamañodistribución de tamaño

Determinación de la frecuencia de Determinación de la frecuencia de acumulación de los polvos gruesosacumulación de los polvos gruesos

Resultados Transporte de PolvosResultados Transporte de Polvos

Carry Over Coarse Dust Second Journey Left Bin

0

0,5

1

1,5

2

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3

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Ac

cu

mu

lati

on

Ra

te (

Kg

/min

)W

eig

ht

(to

ns

)

AccRate

Weight

Resultados TamizajeResultados Tamizaje

Coarse Dust Size < 0,5 mm

0

10

20

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100

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ay

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aver

age

Fra

cti

on

(%

)

Left Bin

Right Bin

Resultados Composición QuímicaResultados Composición Química

Composition Filter Dust

0

10

20

30

40

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.05

.20

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22

.05

.20

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.05

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.05

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01

.06

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.06

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5

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.07

.20

05

07

.07

.20

05

Co

nte

nt

(%)

Pb

Zn

Cu

Resultados Composición QuímicaResultados Composición Química

Composition Coarse Dust

0

5

10

15

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25

30

35

40

45

50

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n <0

,25

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n <0

,25

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n <0

,25

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n <0

,25

22.Ju

n <0

,25

25.Ju

n <0

,25

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25

06.Ju

l <0,

25

03.Ju

n 0,

25

06.Ju

n 0,

25

09.Ju

n 0,

25

10.Ju

n 0,

25

22.Ju

n 0,

25

25.Ju

n 0,

25

05.Ju

l 0,2

5

06.Ju

l 0,2

5

03.Ju

n 0,

5

06.Ju

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5

09.Ju

n 0,

5

10.Ju

n 0,

5

Co

nte

nt

(%)

Pb

Zn

Cu


Normalmente se inyectan 120 mNormalmente se inyectan 120 m33/h /h oxígeno que representa un 23 % de oxígeno que representa un 23 % de enriquecimientoenriquecimiento

Se desea determinar el óptimo Se desea determinar el óptimo enriquecimiento de oxígeno para enriquecimiento de oxígeno para aumentar la capacidad de procesamiento aumentar la capacidad de procesamiento del hornodel horno


Al aumentar el contenido de oxígeno en el Al aumentar el contenido de oxígeno en el aire inyectado menos la concentración de aire inyectado menos la concentración de nitrógeno disminuye el cual no ayuda a la nitrógeno disminuye el cual no ayuda a la combustión y consume calorcombustión y consume calor

Aumenta la capacidad de procesamiento Aumenta la capacidad de procesamiento del hornodel horno

Aumentan las pérdidas de metal en la Aumentan las pérdidas de metal en la escoria al existir mayor oxidaciónescoria al existir mayor oxidación

Experimentos Enriquecimiento de Experimentos Enriquecimiento de OxígenoOxígeno

Variar el enriquecimiento de oxígeno Variar el enriquecimiento de oxígeno hasta 300 mhasta 300 m33/h aproximadamente (26 /h aproximadamente (26 %)%)

Medidas de temperatura de material Medidas de temperatura de material de salida del hornode salida del horno

Cálculo de la cantidad de material Cálculo de la cantidad de material procesado en el díaprocesado en el día

Resultados Enriquecimiento de OxígenoResultados Enriquecimiento de Oxígeno

Metal Tapping Temperature

1234

1328

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

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un

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un

23-J

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un

27-J

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Ave

rage

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ul

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ul

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ul

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ul

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ul

07-J

ul

07-J

ul

Ave

rage

Tem

per

atu

re (

°C)

25 - 27 % Oxygen Enrichment

23 - 24 % Oxygen Enrichment


Throughput of the furnace

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

30-M

ay

31-M

ay

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un

Th

rou

gh

pu

t (K

g/h

)

0

50

100

150

200

250

300

Ox

yg

en

En

ric

hm

en

t (m

3/h

)

Input

Oxygen


Specific Value Throughput

y = 9,659x + 5600,8

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Oxygen Enrichment (m3/h)

Th

rou

gh

pu

t (K

g/h

)


La ecuación obtenida esLa ecuación obtenida es::

Y = X*9,659 + 5600,8Y = X*9,659 + 5600,8Y: Capacidad de procesar material (Kg/h)Y: Capacidad de procesar material (Kg/h)

X: Enriquecimiento de Oxígeno (mX: Enriquecimiento de Oxígeno (m33/h)/h)

120 m120 m33/h /h 6760 Kg/h = 162 ton/día 6760 Kg/h = 162 ton/día

300 m300 m33/h /h 8499 Kg/h = 204 ton/día 8499 Kg/h = 204 ton/día

1% Oxígeno = 60 m1% Oxígeno = 60 m33/h /h 600 Kg/h 600 Kg/h


Metal Losses in Slag

0

0,5

1

1,5

2

20

-Ma

y

22

-Ma

y

23

-Ma

y

24

-Ma

y

26

-Ma

y

29

-Ma

y

30

-Ma

y

31

-Ma

y

01

-Ju

n

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n

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n

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n

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n

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n

09

-Ju

n

11

-Ju

n

Co

nte

nt

(%)

Cu

Pb300 (m3/h) Oxygen Enrichment 300 (m3/h)

Oxygen Enrichment

Distribución del Aire InyectadoDistribución del Aire Inyectado

El aire inyectado se El aire inyectado se distribuye en 12 toberas distribuye en 12 toberas de igual diámetrode igual diámetro

Es importante una Es importante una homogénea distribución homogénea distribución del aire inyectado para del aire inyectado para producir iguales producir iguales condiciones térmicas en condiciones térmicas en el hornoel horno

Distribución del Aire InyectadoDistribución del Aire Inyectado

Caso Ideal Caso Real

Experimentos Distribución Aire Experimentos Distribución Aire InyectadoInyectado

Medidas de la Medidas de la velocidad de aire velocidad de aire inyectado en las inyectado en las toberas toberas seleccionadasseleccionadas

Medidas de Medidas de temperatura del agua temperatura del agua de enfriamiento en de enfriamiento en ambos lados del ambos lados del hornohorno

Resultados Distribución Aire InyectadoResultados Distribución Aire Inyectado

Wind Velocity

0

10

20

30

40

50

60

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un

27-J

un

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28-J

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28-J

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28-J

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28-J

un

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un

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un

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30-J

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Ve

loc

ity

(m

/se

c)

Tuyere 6 Left

Tuyere 4 Left

Tuyere 1 Left

Tuyere 1 Right

BlastCleaned

BlastCleaned

BlastCleaned

Resultados Distribución Aire InyectadoResultados Distribución Aire Inyectado

Cargas Especiales al HornoCargas Especiales al Horno

Actualmente en cada “pila” se cargan:Actualmente en cada “pila” se cargan:30 toneladas de material fino (polvos, 30 toneladas de material fino (polvos, cenizas, etc.)cenizas, etc.)una mezcla de escoria proveniente del una mezcla de escoria proveniente del convertidor y horno de refinoconvertidor y horno de refinoPesos de carga metálica (cada 30 Pesos de carga metálica (cada 30 minutos) de aproximadamente 5 minutos) de aproximadamente 5 toneladas toneladas

Cargas Especiales al HornoCargas Especiales al Hornoarea (m2) Peso (Kg)

0,66 181 - 363

0,89 363 - 544

1,17 544 - 680

1,48 680 - 907

1,82 907 - 1361

2,63 1587 - 2268

3,58 2494 - 3402

4,67 3628 - 4535

5,91 4535 - 6350

Compound Converter Anode Furnace

Cu2O 37,91 39,89

NiO 9,00 2,85

PbO 4,63 2,31

SnO2 10,03 3,38

ZnO 1,70 6,46

FeO 25,73 9,31

SiO2 5,91 14,51

Al2O3 2,34 6,11

CaO 0,58 1,79

Experimentos Cargas Especiales al HornoExperimentos Cargas Especiales al Horno

Carga de 50 % menos de material fino (15 Carga de 50 % menos de material fino (15 toneladas)toneladas)

Carga de escoria proveniente del Carga de escoria proveniente del convertidor solamenteconvertidor solamente

Carga total de 4000 Kg máximo de Carga total de 4000 Kg máximo de material secundario (cada 30 minutos)material secundario (cada 30 minutos)

Resultados Cargas Especiales al HornoResultados Cargas Especiales al Horno

Elements Black Copper

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

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Co

nte

nt

(%)

Ni

Pb

Sn

Zn

Heap with only converter slag


Al cargar solamente escoria proveniente del Al cargar solamente escoria proveniente del convertidor, en promedio:convertidor, en promedio:

Cu en Cobre Negro Cu en Cobre Negro disminuyó de 75 % a 73,3 % disminuyó de 75 % a 73,3 %Sn en Cobre Negro Sn en Cobre Negro aumentó de 7,2 % a 8,2 % aumentó de 7,2 % a 8,2 %Ni en Cobre Negro Ni en Cobre Negro aumentó de 4,5 % a 5,6 % aumentó de 4,5 % a 5,6 %Pb en Polvo Fino Pb en Polvo Fino aumentó de 14,0 % a 15,4 % aumentó de 14,0 % a 15,4 %Zn en Polvo Fino Zn en Polvo Fino se mantuvo constante se mantuvo constante


Throughput Second Journey

7183

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

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10000

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ul

Aver

age

Thro

ughp

ut (K

g/h)

Low Weight per Charge (4000 Kg) Converter

Slag


Accumulation Rate of Coarse Dusts

0

0,5

1

1,5

2

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3

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Acc

um

ula

tio

n R

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(Kg

/min

)W

eig

ht

(To

ns)

AccRate

Weight

Less fine material

Correlaciones en MODDECorrelaciones en MODDE

Contenido Normal Chatarra de Hierro

Alto Contenido Chatarra de Hierro

Pérdidas de cobre en la escoria

Correlaciones en MODDECorrelaciones en MODDE

Capacidad de Procesamiento (toneladas/día)

Correlaciones v/s ExperimentosCorrelaciones v/s Experimentos

Las pérdidas de cobre en la escoria según Las pérdidas de cobre en la escoria según MODDE son alrededor de 1.7 % al igual que los MODDE son alrededor de 1.7 % al igual que los resultados observados durantes los experimentosresultados observados durantes los experimentos

MODDE indica que utilizando 225 mMODDE indica que utilizando 225 m33/h de /h de enriquecimiento de oxígeno, la capacidad de enriquecimiento de oxígeno, la capacidad de procesamiento del horno es 7563 Kg/hprocesamiento del horno es 7563 Kg/h

Según la ecuación obtenida experimentalmente:Según la ecuación obtenida experimentalmente:Capacidad de procesamiento = Enriquecimiento Oxígeno*9,659 + 5600,8Capacidad de procesamiento = Enriquecimiento Oxígeno*9,659 + 5600,8

225 m225 m33/h O/h O22 7774 Kg/h 7774 Kg/h

ConclusionesConclusiones

La acumulación de material en las paredes del La acumulación de material en las paredes del horno produce una reducción del área horno produce una reducción del área transversal aumentando la velocidad de los transversal aumentando la velocidad de los gases de salida y mayor transporte de polvosgases de salida y mayor transporte de polvos

La razón de acumulación de polvos en el cajón La razón de acumulación de polvos en el cajón izquierdo es entre 1 – 3 Kg/min y en el cajón izquierdo es entre 1 – 3 Kg/min y en el cajón derecho entre 0,3 – 0,8 Kg/minderecho entre 0,3 – 0,8 Kg/min


El contenido de los principales elementos en los El contenido de los principales elementos en los polvos de salida del horno son:polvos de salida del horno son:

La disminución de material fino ayuda a disminuir el La disminución de material fino ayuda a disminuir el transporte de polvo gruesotransporte de polvo grueso

Los polvos gruesos con alto contenido de cobre Los polvos gruesos con alto contenido de cobre son arrastrados por el flujo de los gases de salidason arrastrados por el flujo de los gases de salida

Coarse Dust Filter Dust%Cu 20 - 40 < 10%Zn ~ 10 30 - 40%Pb < 5 10 - 16


Al aumentar en un 1 % el enriquecimiento Al aumentar en un 1 % el enriquecimiento de oxígeno en el aire inyectado:de oxígeno en el aire inyectado:La temperatura del metal aumenta en La temperatura del metal aumenta en 50°C aproximadamente50°C aproximadamenteLa capacidad de procesamiento del horno La capacidad de procesamiento del horno aumenta en 580 Kg/haumenta en 580 Kg/hLas pérdidas de cobre en la escoria Las pérdidas de cobre en la escoria alcanzan 1,7 % con un enriquecimiento de alcanzan 1,7 % con un enriquecimiento de 300 m300 m33/h/h


Una heterogénea distribución de tamaño de Una heterogénea distribución de tamaño de partículas en el horno produce una desigual partículas en el horno produce una desigual distribución del aire inyectado y diferentes distribución del aire inyectado y diferentes condiciones térmicas en distintos puntos del condiciones térmicas en distintos puntos del hornohornoLa capacidad de procesamiento del horno La capacidad de procesamiento del horno aumenta al reducir de 5000 Kg a 4000 Kg la aumenta al reducir de 5000 Kg a 4000 Kg la carga de material metálicocarga de material metálicoLa carga exclusiva de escoria proveniente del La carga exclusiva de escoria proveniente del convertidor no tiene un efecto marcado en los convertidor no tiene un efecto marcado en los productos finales del alto hornoproductos finales del alto horno

RecomendacionesRecomendaciones

El polvo grueso debe ser aglomerado antes de ser El polvo grueso debe ser aglomerado antes de ser reciclado al hornoreciclado al hornoDuplicar el enriquecimiento de oxígeno (~250 mDuplicar el enriquecimiento de oxígeno (~250 m33/h) /h) capacidad de procesamiento 8000 Kg/h capacidad de procesamiento 8000 Kg/hHomogeneizar la distribución de tamaño de la carga Homogeneizar la distribución de tamaño de la carga al hornoal hornoCargar solo escoria proveniente del convertidor Cargar solo escoria proveniente del convertidor durante una jornada (20 días) para cuantificar los durante una jornada (20 días) para cuantificar los efectos en toda la fundiciónefectos en toda la fundiciónReducir el peso de carga de material metálico a 4 Reducir el peso de carga de material metálico a 4 toneladas y realizar pruebas con pesos aún toneladas y realizar pruebas con pesos aún menoresmenores

EL COBRE PUEDE SER RECICLADO EL COBRE PUEDE SER RECICLADO CUANTAS VECES SEA NECESARIO CUANTAS VECES SEA NECESARIO SIN ALTERAR SUS PROPIEDADESSIN ALTERAR SUS PROPIEDADES

GraciasGracias

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Optimization of the Shaft Furnace in the Secondary Copper Industry Sebastián Rivera Maldonado