ES2605681T3 - Brazo portaelectrodo de un horno metalúrgico de fundición - Google Patents

Brazo portaelectrodo de un horno metalúrgico de fundición Download PDF

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Abstract

Brazo portaelectrodo (1) de un horno metalúrgico de fundición, en particular de un horno de arco eléctrico, donde el brazo portaelectrodo (1) se encuentra provisto de al menos un elemento de medición (2) para medir una variable física, caracterizado porque el elemento de medición (2) está diseñado para medir la temperatura y/o la dilatación mecánica del brazo portaelectrodo (1), donde el elemento de medición (2) comprende al menos un cable de fibra óptica (3) que se extiende al menos en secciones a lo largo de la extensión longitudinal (L) del brazo portaelectrodo (1).

Description

DESCRIPCION
Brazo portaelectrodo de un horno metalurgico de fundicion
La presente invencion hace referencia a un brazo portaelectrodo de un horno metalurgico de fundicion, en particular de un horno de arco electrico, donde el brazo portaelectrodo se encuentra provisto de al menos un elemento de 5 medicion para medir una variable flsica.
En la solicitud DE 198 56 765 se describe un metodo para detectar la reduction de aprovechamiento de componentes en hornos de arco electrico a los que se puede aplicar corriente o los cuales se pueden conectar a la corriente, convenientemente en cuanto a la eficiencia energetica, en los cuales, durante el funcionamiento, un arco electrico se encuentra encendido partiendo desde un electrodo.
10 Por la solicitud DE 27 50 271 A1 se conoce una disposition de electrodos con un brazo portaelectrodo conforme al genero. En los hornos metalurgicos de fundicion, en particular en los hornos de arco electrico, se utilizan dispositivos de retention para los electrodos necesarios. Dichos dispositivos se componen mayormente de una torre de soporte que soporta un brazo portaelectrodo, donde el brazo portaelectrodo se extiende en direction horizontal. En el extremo del brazo portaelectrodo que se encuentra apartado de la torre de soporte esta dispuesto un electrodo que 15 se extiende verticalmente hacia abajo, es decir, que el mismo cuelga en el extremo del brazo portaelectrodo. La conduction de corriente desde una conexion de corriente hacia el electrodo tiene lugar mayormente a traves de chapas de acero revestidas de cobre, de las cuales se compone el brazo soporte. De este modo, la chapa de acero se encarga esencialmente de la funcion de soporte mecanica, donde el cobre aplicado conduce la corriente.
En el documento mencionado ya se explica tambien que el brazo portaelectrodo puede estar provisto de elementos 20 sensores, donde se utilizan celulas de carga o galgas extensiometricas. Con los sensores mencionados se detecta la deformation del brazo soporte. De este modo, los datos determinados mediante sensores pueden ser comparados con valores deseados, para lo cual se utiliza un aparato para evaluar valores de medicion.
Disposiciones de electrodos similares se describen en las solicitudes DE 27 50 186 A1, DE 36 08 338 A1, EP 1 537 372 B1 y EP 0 094 378 B1.
25 En los sistemas conocidos - en tanto abordan la cuestion de la detection de valores de medicion en el brazo soporte de electrodos - se considera desventajoso el hecho de que a consecuencia de la elevada intensidad de corriente a traves del brazo soporte de electrodos se presentan campos interferentes electricos elevados que son perjudiciales de manera sensible tanto para los termoelementos como tambien para las galgas extensiometricas. Por consiguiente, es diflcil determinar de forma precisa los datos termicos (es decir, las temperaturas) y los datos 30 mecanicos (es decir, tensiones o dilataciones), lo cual sin embargo es la condition previa para conducir de forma optima el funcionamiento de los electrodos.
El objeto de la presente invencion consiste en perfeccionar un brazo portaelectrodo de la clase mencionada en la introduction, de manera que sea posible detectar del modo mas preciso posible cargas termicas y/o mecanicas del brazo portaelectrodo, controlando as! de forma mejorada el funcionamiento de la disposicion de electrodos. Debe 35 proporcionarse por tanto un control eficiente para el brazo portaelectrodo. De este modo, debe ser posible un control continuo y preciso de las temperaturas, as! como de las tensiones mecanicas del brazo portaelectrodo, el cual pueda realizarse de forma conveniente en cuanto a los costes.
La solution de dicho objeto a traves de la invencion se caracteriza porque el elemento de medicion esta disenado para medir la temperatura y/o la dilatation mecanica del brazo portaelectrodo, donde el elemento de medicion 40 comprende al menos un cable de fibra optica que se extiende al menos en secciones a lo largo de la extension longitudinal del brazo portaelectrodo.
El cable de fibra optcia puede estar dispuesto en un tubo que lo rodea.
El cable de fibra optica y el tubo que eventualmente lo rodea pueden estar dispuestos en una perforation en el brazo portaelectrodo.
45 De manera alternativa a ello tambien es posible que el cable de fibra optica y el tubo que eventualmente lo rodea se encuentren dispuestos en una ranura en el brazo portaelectrodo. La ranura puede estar cerrada por un elemento de cierre que sostiene en la base de la ranura el cable de fibra optica y el tubo que eventualmente lo rodea, donde el elemento de cierre es en particular una pieza metalica insertada o moldeada en la ranura. El elemento de cierre se encuentra unido a la ranura preferentemente a traves de soldadura por friction - agitation Durante la soldadura por 50 friccion - agitacion, de manera ventajosa, la temperatura de soldadura pude ser bien controlada, debido a lo cual puede impedirse que el cable de fibra optica se caliente demasiado en el interior de la ranura.
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En otra alternativa se preve que el cable de fibra optica y/o el tubo que eventualmente lo rodea se encuentren dispuestos en una capa, donde la capa se encuentra dispuesta en el brazo portaelectrodo o cerca del mismo. La capa puede estar compuesta por metal, o puede estar compuesta por un material no metalico resistente a la temperatura. El cable de fibra optica y el tubo que eventualmente lo rodea pueden estar rodeados completamente por el material de la capa. La capa puede estar aplicada de forma galvanica en el brazo portaelectrodo o cerca del mismo. Dicha capa puede ser de cobre, cromo o nlquel. La capa puede tratarse de un revestimiento por pulverization o de un revestimiento qulmico, tal como se conoce por ejemplo por la solicitud DE 10 2009 049479.0.
A traves de la introduction de cables de fibra optica en las paredes y de elementos portadores de los brazos de electrodo pueden medirse temperaturas y/o tensiones, as! como dilataciones en los componentes del brazo portaelectrodo como perfil de temperatura o perfil de tension sobre la superficie del brazo portaelectrodo. Se registran igualmente modificaciones dinamicas, condicionadas por corrientes en la masa fundida que se encuentra en la cuba debajo del brazo soporte. Debido a ello es posible una evaluation del estado de desgaste y de la situation de carga en la que se encuentra el brazo soporte, a traves de la temperatura y/o de la tension. El concepto sugerido posibilita una representation de la carga termica o mecanica de los componentes sobre la superficie, en el respectivo estado de funcionamiento.
Para poder realizar mediciones de temperatura precisas con el cable de fibra optica se considera ventajoso que el cable de fibra optica o el tubo de metal que rodea el cable de fibra optica se situe de forma adyacente en el componente o en el medio, dentro de lo posible sin abertura de aire, para que pueda tener lugar una buena transferencia de temperatura hacia el cable de fibra optica. No obstante, el cable de fibra optica no puede estar colocado apretado durante la medicion de temperatura, para que el mismo pueda extenderse o retraerse en el caso de una modification de la temperatura.
Por el contrario, para una medicion de la dilatation con el cable de fibra optica es necesario que el cable de fibra optica este conectado de forma fija al componente cuya dilatacion o desarrollo temporal de la dilatacion debe ser medida, para que la dilatacion mecanica del componente se transmita al cable de fibra optica.
Para que pueda medirse tambien una dilatacion (tension) de la pared del brazo portaelectrodo, se considera ventajoso que el cable de fibra optica, as! como el tubo que lo rodea, este conectado de forma fija a la base de la ranura.
En tanto se proporcione una ranura en la cual se tienda el cable de fibra optica, as! como el tubo que lo rodea, de manera preferente, se preve que para cerrar la ranura se utilice una pieza de obturation que puede estar compuesta por metal. Dicha pieza puede estar realizada de modo que encaje de forma precisa en la ranura. Puede preverse tambien que la pieza de obturacion este producida en la ranura a traves de un moldeado o de una inyeccion del material de la pieza de obturacion. De manera correspondiente, por tanto, el material del que se compone la pieza de obturacion se hace vertible o inyectable, moldeandose o inyectandose despues en la ranura en donde fue introducido el cable de fibra optica, eventualmente junto con el tubo.
La variante sugerida ofrece por tanto la posibilidad de registrar estados de tension en el plano medido, registrando con ello la carga mecanica de los componentes.
La tecnologla de la medicion de temperaturas, dilataciones o tensiones y/o aceleraciones a partir de la distribution temporal de las dilataciones medidas es conocida (tambien bajo la denomination de "galgas de esfuerzo opticas"), de manera que a ese respecto se remite al estado del arte.
Preferentemente, el cable de fibra optica se encuentra conectado a una unidad de evaluacion, en donde la distribucion de la temperatura puede determinarse en el brazo portaelectrodo. De manera correspondiente, con esa unidad de evaluacion puede registrarse tambien la carga mecanica de la pared del brazo portaelectrodo.
En el dibujo se representa un ejemplo de ejecucion de la invention. Las figuras muestran:
Figura 1: de forma esquematica, en la vista lateral, una disposition de electrodos de un horno de arco electrico con un brazo portaelectrodo que se extiende de forma horizontal;
Figura 2: el detalle "X" segun la figura 1, en una representacion seccionada;
Figura 3: la section A-B segun la figura 1; y
Figura 4: el area de una perforation segun la figura 3, en una representacion ampliada.
En la figura 1 puede observarse una disposicion de electrodos 6 que se emplea en un horno de arco electrico. La disposicion de electrodos 6 posee una torre de soporte 8 que se extiende de forma vertical. En su extremo superior
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se encuentra dispuesto un brazo portaelectrodo 1 que se extiende de forma horizontal. En el extremo del brazo portaelectrodo 1 que se aparta de la torre de soporte 8 se encuentra dispuesto de forma suspendida un electrodo 7, mediante el cual se genera el arco electrico en el horno de arco electrico. El brazo portaelectrodo 1 se extiende en una extension longitudinal L, la cual en este caso corresponde a la direccion horizontal. El suministro de corriente del electrodo 7 tiene lugar mediante una toma de corriente 9.
El brazo portaelectrodo 1 se compone de chapa de acero, con la cual se alcanza una resistencia mecanica suficiente. Para la conduccion electrica de la corriente desde la toma de corriente 9 hacia el electrodo 7 se proporciona un revestimiento con cobre.
Tal como puede observarse en la representacion en seccion segun la figura 2 y segun la figura 3, el brazo portaelectrodo 1 es refrigerado con llquido. Para ello, el brazo portaelectrodo 1 presenta un canal de refrigeration 10 que es atravesado por un medio refrigerante. No se representan las llneas de suministro de medios requeridas para ello.
Tanto como para poder registrar de forma precisa la temperatura en el brazo portaelectrodo 1, como tambien las dilataciones mecanicas en el mismo, el brazo portaelectrodo 1, en su area superior y en su area inferior, presenta respectivamente una perforation 5 (veanse las figuras 2 y 3), en las cuales esta colocado un elemento de medicion 2, con el que pueden ser medidas la temperatura y la tension. En este caso se trata de un cable de fibra optica 3 que esta colocado en un tubo protector 4. En la figura 3 pueden observarse las dos perforaciones, aun vaclas; en dichas perforaciones se introduce el cable de fibra optica junto con el tubo 4, tal como puede observarse en la figura 4.
El cable de fibra optica 3 posee generalmente un diametro de por ejemplo 0,12 mm; con la vaina tubular 4 resulta mayormente un diametro dentro del rango de 0,8 mm a 2,0 mm.
El cable de fibra optica 3 se compone de una fibra de base que se encuentra introducida en las perforaciones 5, en canales similares o en ranuras, en el brazo portaelectrodo 1. El cable de fibra optica 3 puede soportar de este modo temperaturas de hasta 800 °C. El tubo 4 se proporciona de forma opcional, no de forma obligatoria. De este modo, el cable de fibra optica 3 sin tubo 4, a traves de la fijacion en el material base del brazo portaelectrodo 1, muestra dilataciones de forma especialmente conveniente; lo mismo aplica para las temperaturas que tambien pueden registrarse sin problemas desde el cable de fibra optica 3 en la vaina tubular 4.
En la figura 3 se muestra que respectivamente una perforacion 5 se proporciona en el area superior y en el area inferior del brazo portaelectrodo 1, en donde respectivamente se introduce un cable de fibra optica 3. Tambien es posible realizar perforaciones en las cuatro areas laterales del perfil, tal como se muestra en la figura 3, y posicionar los cables de fibra optica 3.
Para aumentar la robustez de la transmision de serial en el cable de fibra optica 3 hacia aparatos de evaluation no representados, las ondas luminosas son guiadas mediante conectores de expansion de haces, desde el brazo portaelectrodo 1 en la respectiva position de reposo, hacia la unidad de evaluacion.
Junto con la posibilidad representada de la colocation del cable de fibra optica 3 en perforaciones 5 existe tambien la posibilidad preferente de realizar una ranura en el brazo portaelectrodo 1, tendiendo el cable de fibra optica 3 - eventualmente con el tubo 4 - en la ranura base. La ranura entonces puede ser cerrada nuevamente, para lo cual pueden implementarse las medidas mencionadas anteriormente.
Igualmente es posible la introduction del cable de fibra optica 3 - eventualmente junto con el tubo 4 - en una capa de material metalico o de material no metalico resistente a la temperatura, el cual se aplica sobre el brazo portaelectrodo 1.
De manera alternativa, los cables de fibra optica estan cercados en modulos, es decir, en unidades de construction prefabricadas. Para una medicion de la temperatura, los cables de fibra optica estan tendidos mas sueltos en los modulos, de manera que una modification de la longitud del cable de fibra optica, condicionada por la temperatura, es posible sin tension dentro del modulo. Por el contario, para una medicion de la dilatation, de manera preferente, los cables de fibra optica estan conectados de forma fija con el material del modulo o con la carcasa del modulo, de manera que una dilatacion del modulo o de su carcasa se transmite al cable de fibra optica. Los modulos con los cables de fibra optica estan adheridos al brazo portaelectrodo o se encuentran soldados, en tanto se encuentran en una conexion operativa. Una dilatacion o una modificacion de la temperatura del brazo portaelectrodo se transmite por tanto mediante al modulo, hacia el cable de fibra optica. Los modulos, as! como los cables de fibra optica en los modulos, son adecuados para registrar con tecnicas de medicion la temperatura, la tension o la dilatacion mecanica y/o - mediante el desarrollo temporal de la dilatacion - tambien el comportamiento de aceleracion del componente, aqul en particular del brazo portaelectrodo. Para la medicion de la aceleracion puede ser necesario un dispositivo especial de medicion que puede estar integrado en el modulo. En particular los valores de medicion de dilatacion o
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de aceleracion pueden utilizarse para atenuar con tecnicas de regulacion vibraciones no deseadas del componente, es decir para compensarlas.
La capa (en el caso del metal) puede ser galvanizada, donde el cable de fibra optica 3 junto con el tubo 4 es recubierto completamente. La capa galvanica puede estar compuesta por ejemplo por cobre, cromo o nlquel.
El cable de fibra optica 3 se encuentra conectado a un sistema de registro de temperatura no representado, as! como a un sistema de registro para tensiones o dilataciones mecanicas. Mediante el sistema de registro se produce luz laser que es suministrada al cable de fibra optica 3. Los datos recolectados por el cable de fibra optica 3 son convertidos en temperaturas o tensiones mediante el sistema de registro, y son asociados a los diferentes lugares de medicion.
La evaluacion puede tener lugar por ejemplo segun el as! llamado metodo de redes de Bragg en fibra optica (metodo FBG). Se utilizan de este modo cables de fibra optica adecuados que poseen los puntos de medicion con una variacion periodica del Indice de refraccion, as! como de la red, marcados con esas variaciones. La variation periodica mencionada del Indice de refraccion conduce a que el cable de fibra optica, en funcion de la periodicidad para determinadas longitudes de onda en los puntos de medicion, represente un espejo dielectrico. A traves de una variacion de la temperatura en un punto se modifica la longitud de ondas de las redes de Bragg, donde precisamente la misma es reflectada. La luz que no cumple con la condition de Bragg no es influenciada esencialmente por las redes de Bragg. Las diferentes senales de los diferentes puntos de medicion pueden entonces diferenciarse unos de otros debido a diferencias en el tiempo de paso. La estructura detallada de las redes de Bragg en fibra de esa clase, as! como las unidades de evaluacion correspondientes, en general son conocidas. La exactitud de la resolution espacial se da a traves de la cantidad de puntos de medicion marcados. El tamano de un punto de medicion puede ubicarse por ejemplo en el rango de 1 mm a 5 mm.
De manera alternativa con respecto a la medicion de la temperatura puede utilizarse tambien el metodo de "reflectometrla optica en el dominio de la frecuencia" (Optical-Frequency-Domain-Reflectometry - metodo OFDR) o el metodo de "reflectometrla de dominio de tiempo" (Optical-Time- Domain-Reflectometry - metodo OTDR). Los metodos mencionados se basan en el principio de la retrodispersion Raman, donde se aprovecha el hecho de que una variacion de la temperatura en el punto de un gulaondas provoca una modification de la retrodispersion Raman del material del cable de fibra optica. Mediante la unidad de evaluacion (por ejemplo un reflectometro Raman) pueden determinarse con resolucion espacial los valores de temperatura a lo largo de una fibra, donde en el caso de ese metodo se determinan sobre una longitud determinada del cable. Esa longitud asciende aproximadamente a algunos centlmetros. Los diferentes puntos de medicion a su vez se separan unos de otros a traves de diferencias en el tiempo de paso. La estructura de los sistemas de esa clase para la evaluacion segun los metodos mencionados es en general conocida, al igual que los laseres necesarios que generan la luz laser dentro del cable de fibra optica 3.
Con el equipamiento del brazo portaelectrodo 1 en la forma mencionada es posible un control de temperaturas y/o de dilataciones, lo cual puede ser aprovechado del siguiente modo en el funcionamiento de la disposition de electrodos:
1. El conductor de cobre que conduce la corriente del brazo portaelectrodo modifica su conductividad con la temperatura. A traves de los valores de medicion de la temperatura determinados y del conocimiento de la conductividad correspondiente del cobre puede regularse o controlarse un flujo de corriente continuo.
2. Ademas es posible una auto-proteccion del brazo portaelectrodo a traves del conocimiento de la temperatura y la dilatation. Esos datos determinados pueden ser comparados con valores admisibles en un controlador o regulador; el control puede predeterminar correcciones para el flujo de corriente y el posicionamiento del brazo soporte, de manera que pueden observarse los valores admisibles.
3. Otra aplicacion muy ventajosa es la evitacion de vibraciones en la disposicion de electrodos. Las vibraciones en el brazo portaelectrodo, tambien ciclos llmite, pueden ser detectados a traves de la medicion de la dilatacion. Como consecuencia pueden evitarse puntos de trabajo crlticos, donde particularmente los valores de regulacion para la corriente y la tension pueden adaptarse o la senal puede modularse, de manera que se contrarresta la vibration o la misma resulta compensada.
Como elemento de ajuste mayor para la compensation de las vibraciones se utiliza principalmente la regulacion del cilindro de ajuste de la regulacion de la altura del brazo soporte (vease para ello en particular la solicitud DE 36 08 338 A1 antes mencionada). Dicha regulacion de la altura puede utilizarse para compensar las vibraciones y deformaciones identificadas a traves de la medicion de la dilatacion. Con respecto a ese procedimiento conocido se remite al aporte del profesor, doctor e ingeniero, Klaus Kruger "Anforderungen an eine moderne Elektrodenregelung fur Drehstrom-Lichtbogenofen" en "elektrowarme international" 4/2007, de la editorial Vulkan-Verlag GmbH, Essen, ISSN 0340-3521-K 5548 F.
Lista de referencias:
1 brazo portaelectrodo
2 elemento de medicion
3 cable de fibra optica
5 4 tubo
5 perforation
6 disposition de electrodos
7 electrodo
8 torre de soporte
10 9 toma de corriente
10 canal de refrigeration L extension de longitud

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. Brazo portaelectrodo (1) de un horno metalurgico de fundicion, en particular de un horno de arco electrico, donde el brazo portaelectrodo (1) se encuentra provisto de al menos un elemento de medicion (2) para medir una variable flsica, caracterizado porque el elemento de medicion (2) esta disenado para medir la temperatura y/o la dilatacion mecanica del brazo portaelectrodo (1), donde el elemento de medicion (2) comprende al menos un cable de fibra optica (3) que se extiende al menos en secciones a lo largo de la extension longitudinal (L) del brazo portaelectrodo (1).
  2. 2. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el elemento de medicion en forma del cable de fibra optica (3), con el fin de medir la temperatura, se encuentra dispuesto libre de tension y sin movimiento en o cerca del brazo portaelectrodo o, con el fin de la medicion de la dilatacion - preferentemente sobre toda su longitud - se encuentra dispuesto en conexion operativa con el material del brazo portaelectrodo para alojar sus dilataciones.
  3. 3. Brazo portaelectrodo segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un dispositivo de medicion para detectar el desarrollo temporal de las dilataciones del brazo portaelectrodo y para determinar el comportamiento de aceleracion del brazo portaelectrodo a partir del desarrollo temporal de las dilataciones detectadas.
  4. 4. Brazo portaelectrodo segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el cable de fibra optica
    (3) se encuentra dispuesto en un modulo que se encuentra conectado de forma fija en conexion operativa con el brazo portaelectrodo, donde el cable de fibra optica, con el fin de la medicion de temperatura, se encuentra dispuesto sin tension y sin movimiento o, con el fin de la medicion de la dilatacion, se encuentra empotrado de forma fija en el modulo.
  5. 5. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 3 y 4, caracterizado porque el dispositivo de medicion para determinar el comportamiento de aceleracion del brazo portaelectrodo se encuentra integrado en el modulo para la medicion de la dilatacion.
  6. 6. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 1, 2 o 3, caracterizado porque el cable de fibra optica (3), y/o un tubo
    (4) que eventualmente lo rodea, se encuentran dispuestos en una perforation (5) en el brazo portaelectrodo (1).
  7. 7. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 1, 2 o 3, caracterizado porque el cable de fibra optica (3) y un tubo (4) que eventualmente lo rodea, se encuentran dispuestos en una ranura en el brazo portaelectrodo (1).
  8. 8. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 7, caracterizado porque la ranura esta cerrada por un elemento de cierre que sostiene en la base de la ranura el cable de fibra optica (3) y el tubo (4) que eventualmente lo rodea, donde el elemento de cierre es en particular una pieza metalica insertada o moldeada en la ranura, el cual preferentemente se encuentra unido a la ranura a traves de soldadura por friction - agitation.
  9. 9. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 1, 2 o 3, caracterizado porque el cable de fibra optica (3), y/o el tubo (4) que eventualmente lo rodea, se encuentran dispuestos en una capa, donde la capa se encuentra dispuesta en el brazo portaelectrodo (1) o cerca del mismo.
  10. 10. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 9, caracterizado porque la capa se compone de metal, preferentemente de cobre, cromo o nlquel, o se compone de un material no metalico resistente a la temperatura.
  11. 11. Brazo portaelectrodo segun la reivindicacion 9 o 10, caracterizado porque el cable de fibra optica (3) y el tubo (4) que eventualmente lo rodea estan rodeados completamente por el material de la capa.
  12. 12. Brazo portaelectrodo segun una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque la capa esta aplicada galvanicamente en el bazo portaelectrodo (1) o cerca del mismo.
  13. 13. Brazo portaelectrodo segun una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque la capa esta aplicada en forma de un revestimiento por pulverization o en forma de un revestimiento qulmico en el brazo portaelectrodo (1) o cerca del mismo.
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