Baixe metal cobre e material isolantes e outras Provas em PDF para Engenharia Informática, somente na Docsity!
Sumário
- Introdução.........................................................................................................................................
- Metal Cobre (Atps 1).....................................................................................................................
- Métodos de extração....................................................................................................................
- Processamento mineral e fabricação.................................................................................................
- Ligas do cobre e aplicações...............................................................................................................
- Mercado mundial do cobre.............................................................................................................
- Material Isolante (Atps 2)................................................................................................................
- Materiais isolantes de condutores elétricos...............................................................................
- Materiais Cerâmico no geral e usado em residências.................................................................
- Normas aplicadas aos condutores elétricos (Atps 3).....................................................................
- Normas de condutores elétricos...................................................................................................
- Máquinas e etapas da fabricação de condutores elétricos.........................................................
- 12.1 Trefilação...............................................................................................................................
- 12.2 Extrusão.................................................................................................................................
- NBR 5410 - instalação elétrica de baixa tensão.............................................................................
- Normas aplicadas ao meio ambiente (Atps 4)...............................................................................
- Norma ISO 14001..........................................................................................................................
- Reciclagem do cobre.....................................................................................................................
- Conclusão......................................................................................................................................
- Bibliografia....................................................................................................................................
Principais matérias-primas são o sulfeto de cobre e ferro (CuFeS2) e o sulfeto de cobre (Cu2S). O enxofre é removido por calcinação e o cobre obtido é transformado em cobre metalúrgico por meio de fornos ou cobre eletrolítico por eletrólise. Provavelmente, cobre foi o primeiro metal que o homem extraiu da natureza, o que deu início à Idade do Bronze. Na atualidade, a produção mundial de cobre está na faixa de 15,5 106 toneladas (dado de 2001). Estima-se que as reservas mundiais em forma de minerais sejam da ordem de 2600 106 toneladas. Cobre é um dos metais mais versáteis. A combinação de propriedades mecânicas, elétricas, térmicas e químicas entre outras dá ao metal uma extensa gama de aplicações, seja na forma pura, seja em ligas como bronze, latão e outras. Os pontos a seguir destacam algumas características. Neste relatório também apresentamos os tipos de materiais isolantes de condutores elétricos que são mais usados, em especial falaremos sobre a porcelana que pode ser considerado o melhor isolante elétrico e suas características e onde são mais aplicados. O fio de cobre é o condutor elétrico mais usado nas instalações elétricas e componentes, veremos sua fabricação, etapas e equipamentos, também as normas que rege em torno do fio cobre e o cobre no meio ambiente, pois a reciclagem é o melhor caminho para evitarmos a contaminação do meio ambiente, o cobre pode estar incluso num sistema de gestão ambiental no processo de fabricação do fio e derivados, como exmplo a ISSO
2. Metal Cobre (Atps 1)
3. Métodos de extração
Apesar de ser um dos metais menos abundantes da crosta terrestre, o cobre é de fácil obtenção apesar de laboriosa, devido a pobreza do metal nos minerais; se considera econômicamente viável extraí-lo de um mineral com quantidades superiores a 0,5% de cobre e muito rentável a partir de 2,5%.
O cobre nativo só acompanha seus minerais em bolsas que afloram na superfície podendo-se explorá-lo a céu aberto. Ainda que não tenham muita importância como minas, tem-se encontrado exemplares notáveis como pedras de cobre de 400 toneladas em Michigan (EUA). Geralmente na capa superficial são encontrados minerais oxidados (
- Cobre refinado: corresponde aos anodos e às soluções (no caso da lixiviação) que são refinados por processo de eletrólise, resultando nos catodos, com pureza de 99,9% de cobre.
Em relação ao cobre secundário, pode-se citar dois tipos principais de sucata:
- Sucata para refino - é a sucata industrial de processo, assim como a sucata comprada de terceiros no mercado, necessitando processamento de refino;
- Sucata para uso direto - direcionada aos transformadores, sem necessidade de refino.
O cobre tem extenso uso nas indústrias de fios e cabos elétricos, que absorve mais de 50% desse metal, sendo o restante utilizado em ligas especiais, tubos, laminados e extrudados.
Existem três processos básicos de produção de cobre primário: o processo pirometalúrgico, mais utilizado para os minérios sulfetados, o processo hidrometalúrgico, apropriado para a extração de cobre de minérios oxidados de baixo teor e o processo Processo SX-EW.
- Processo Pirometalúrgico: A indústria de transformação do cobre tem início a partir do minério, cuja extração se dá a céu aberto ou em galerias subterrâneas. Com um teor metálico que varia normalmente entre 0,7% e 2,5%, o minério é submetido à britagem, moagem, flotação e secagem, obtendo-se o concentrado cujo teor de cobre contido já alcança 30%.
O concentrado é então submetido ao forno flash, de onde sai o mate com teor de 45% a 60%, e este ao forno conversor de onde obtêm-se o blister com 98,5% de cobre. Dependendo da pureza desejável para o cobre, tendo em vista a sua utilização final, o blister pode ser submetido apenas ao refino a fogo, onde se obtém cobre com 99,7% (anodo) ou ser também refinado eletroliticamente, atingindo um grau de pureza de 99,9% (catodo).
Os catodos são submetidos ao processo de refusão para obtenção do cobre no formato de tarugos ou placas. A partir da trefilação destes tarugos, produz-se os semi-elaborados de cobre nas formas de barras, perfis e tubos e através da laminação das placas, são produzidos semi-elaborados nos formatos de tiras, chapas e arames. Se, entretanto, ao
invés da simples refusão o catodo for fundido e laminado em processo contínuo, obtêm-se o vergalhão, a partir do qual serão fabricados os fios e cabos.
- Processo Hidrometalúrgico: A hidrometalurgia é apropriada, principalmente, para a extração de cobre de minérios oxidados de baixo teor. A utilização deste processo para minérios sulfetados implica em uma etapa anterior de beneficiamento do minério para obtenção do concentrado sulfetado, o qual deve sofrer processo de ustulação para transformação em produto intermediário oxidado.
O processo hidrometalúrgico consiste, em linhas gerais, em lixiviar o minério moído com solventes adequados, sendo o mais utilizado o ácido sulfúrico, obtendo-se soluções ricas em cobre.
Segue-se a filtragem da solução e a precipitação do metal através de concentração (utilizando-se ferro), de aquecimento ou por eletrólise.
No caso da eletrólise, promove-se a eletrodeposição do cobre sob a forma de catodos com 99,9% de pureza a partir das soluções ricas. Trata-se do processo SX-EW (solvent extraction andeletrowinning).
- Processo SX-EW O processo SX-EW, ao contrário do processo pirometalúrgico que é utilizado há 6000 anos, foi desenvolvido há apenas cerca de 25 anos. Neste período, sua utilização vem crescendo largamente devido às facilidades de aproveitamento de depósitos oxidados de baixo teor, partindo-se diretamente do minério e obtendo-se o catodo com teor 99,9% de cobre, sem necessitar de fundição e refinaria.
Além do menor custo de produção do cobre obtido pelo processo SX-EW, podem ser citadas vantagens relativas ao meio ambiente, visto que não há emissão de gases poluentes. No processo pirometalúrgico, a etapa de fundição tem como subproduto gás com enxofre, sendo por este motivo necessária a existência de planta acoplada para produção de ácido sulfúrico a partir deste gás.
Outra vantagem do processo SX-EW é o reaproveitamento de minérios de baixo teor não aproveitados pelos processos tradicionais de concentração.
O investimento no processo SX-EW é cerca de 30% superior ao processo tradicional, porém a maior desvantagem refere-se à dificuldade do aproveitamento de subprodutos como ouro e prata, que também se apresentam em menores teores nos minérios oxidados.
Figura 1. Relação das ligas de cobre
A. Cobre e Zinco Esta combinação pertence ao grupo dos latões e o conteúdo de zinco varia de 5% a 45%. Esta liga é utilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel,
ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados e conformados etc.
B. Cobre e Estanho A combinação destes metais forma o grupo dos bronzes e o conteúdo de estanho pode chegar a 20%. É utilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas, engrenagens etc.
C. Cobre e Alumínio Esta liga normalmente contém mais de 10% de alumínio. É utilizada em peças para embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc.
D. Cobre e Níquel Esta liga é conhecida como cuproníquel e o conteúdo de níquel pode variar de 10% a 30%. É utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias, armações de lentes etc.
As ligas que normalmente contém entre 45% a 70% de cobre, e de 10% a 18% de níquel, sendo o restante constituído por zinco, recebem o nome de alpacas. Por sua
coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de telecomunicações, decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos etc.
E. Cobre e Ouro O ouro 18 quilates: mistura de 75% de ouro e 25% de cobre (a quantidade de ouro na liga é indicada em quilates: o ouro puro é o ouro 24 quilates, portanto, quanto mais baixo for o número de quilates, menor será a quantidade de ouro).
Principais aplicações do cobre na condução de energia: O cobre é o mais eficiente, resistente e confiável metal para ser utilizado em condutores elétricos. Veja o porquê:
- O Cobre é o Padrão de Condutibilidade Em 1913, a Comissão Internacional de Eletrotécnica adotou a condutibilidade do cobre como padrão, definindo-a como sendo 100% para cobre recozido (IACS). Isto significa que o cobre proporciona uma maior capacidade de conduzir corrente elétrica para um mesmo diâmetro de fio ou cabo do que qualquer outro metal de engenharia usualmente empregado como condutor elétrico. Cabos elétricos de cobre requerem menor isolação e eletrodutos de menor diâmetro quando comparados com cabos de alumínio. O alumínio possui menor condutibilidade elétrica, necessitando, portanto, de cabos de maior diâmetro quando comparados com o cobre para conduzir a mesma corrente. Este é o motivo pelo qual num dado eletroduto é possível instalar uma maior quantidade de fios ou cabos de cobre comparados com o alumínio. Além disso, o cobre também proporciona uma condutividade térmica superior (60% superior ao alumínio), o que leva a uma economia de energia e facilita a dissipação de calor.
- O Cobre é Compatível com Conectores e Outros Dispositivos Resistência mecânica, flexibilidade e resistência à corrosão tornam o cobre ideal para ligações a conectores, realização de soldas etc.
· capacidade de corrente superior com menos seções. · fácil instalação, não necessita de conectores especiais, ferramentas, procedimentos etc. · maior quantidade de fios por eletroduto. · elevada resistência ao estiramento, ao creep, à corrosão, à quebra e à diminuição de seção do condutor. · ausência de manutenção. · extra proteção contra possíveis problemas durante a operação do sistema.
6. Mercado mundial do cobre
A tendência da balança comercial do minério de cobre para os próximos anos é positiva devido a evolução da produção interna, ao aumento das exportações e à diminuição das importações. Em 2007, o Brasil exportou mais do que importou em quantidade, porém, em valor, a balança do minério de cobre apresentou um déficit de US$ 45 milhões. Tanto as exportações quanto as importações do setor cresceram cerca de 21% nos primeiros nove meses de 2007. As exportações do segmento de fios e cabos também continuam crescendo, tendo somado aproximadamente US$ 357,4 milhões de janeiro a setembro deste ano, um incremento de 25% comparado com o mesmo período de 2006. “É importante ressaltar que o real continua valorizado em relação ao dólar, uma dificuldade que tem sido compensada pela competitividade de nossa indústria”, explica Aredes. O estudo desenvolvido pelo Sindicato da Indústria de Condutores Elétricos, Trefilação e Laminação de Metais Não-Ferrosos do Estado de São Paulo (Sindicel) e da Associação Brasileira do Cobre (ABC) - entidades que, juntas, reúnem toda a cadeia produtiva do cobre no Brasil - mostra ainda um aumento significativo das importações na balança comercial do segmento. De janeiro a setembro de 2007, o setor importou cerca de US$ 434,4 milhões, contra US$ 358,6 milhões no mesmo período do ano anterior, o que significou um incremento de 21,1%.
- Exportação
O mercado mundial de cobre foi afetado em 2005 por escassez de matéria-prima, principalmente por causa da exaustão de jazidas e limitação das unidades produtivas. Com a elevação dos preços e o aquecimento do mercado, os exportadores brasileiros aceleram os embarques. Em 2005, as exportações subiram 105% (o quarto maior índice de crescimento registrado entre os 50 itens mais exportados pelo país).
Segundo especialistas, a retomada de investimentos no setor e a alta demanda internacional poderão estimular produtores brasileiros a ampliarem sua participação no mercado. Há previsões de que o país consiga atingir a auto-suficiência e tornar-se exportador liquido do metal até 2010. Atualmente, os países que mais compram do Brasil são: Canadá, China e Estados Unidos. E tem como principais concorrentes o Chile, a China, os Estados Unidos e o Japão.
As exportações de cobre concentrado representam entre 20 e 30% da sua produção anual. Os maiores exportadores são o Chile e a Indonésia, que, em conjunto, representam 56% das exportações mundiais de concentrado que se destinam em grande parte ao mercado asiático, destacando-se Japão e China. O Japão, que não possui reservas de cobre, é o maior importador mundial de concentrado, o que possibilita a este país ser o maior produtor mundial de cobre refinado.
- Importação No período de 1988 a 1994, as importações nacionais de concentrado de cobre cresceram cerca de 30%, oriundas principalmente do Chile, do Peru, do México, do Canadá e dos Estados Unidos.
Entre 1995-1996, houve redução de 7,4% nas importações brasileiras de concentrado de cobre, provenientes basicamente do Chile, do Peru e da Indonésia, afetadas pela alta dos preços internacionais do cobre.
De 1996 a 1999, ocorreu um aumento de 61,3% nas importações do concentrado de cobre, procedentes do Chile, do Peru, da Indonésia, da Argentina e dos Estados Unidos, motivadas pela queda dos preços internacionais do cobre, recessão e crises econômicas externas e pela insuficiência de oferta doméstica. No biênio 1999-2000, as importações de concentrado de cobre, oriundas do Chile e do Peru, tiveram uma queda de 16,4%, justificada pela alta dos preços internacionais do cobre. O país mais recente a entrar para o grupo de países importadores foi a China.
Tabela 1. Consumo Mundial de Cobre refinado entre 1996 e 2000 (em mil t) REGIÕES 1996 1997 1998 1999 2000
7. Material Isolante (Atps 2)
8. Materiais isolantes de condutores elétricos.
Conforme a aplicação, alguns isolantes apresentam, em certos casos, nítida superioridade sobre outros, sendo inteiramente inadequados em casos diferentes.
O exemplo da porcelana é típico: sendo material excelente para isolamento de linhas aéreas, pelas suas propriedades dielétricas, químicas e mecânicas, é inteiramente inadequada aos cabos isolados, pela falta de flexibilidade. A borracha apresenta excelentes qualidades químicas, mecânicas e elétricas, de modo que é geralmente utilizada nos fios e cabos, mas não é completamente a prova de água, não resiste a temperaturas elevadas, é atacável pelos óleos e pelo ozona.
O fato de um material apresentar propriedades elétricas muito superiores a outros ( alta rigidez dielétrica, alta resistividade, baixas perdas) não é suficiente para determinar o seu emprego se as qualidades mencionadas não forem acompanhadas de propriedades químicas e mecânicas adequadas. Assim, às boas propriedades elétricas pode corresponder uma redução de espessura do isolante a empregar nos condutores das máquinas elétricas; é porém necessário que o material seja suficientemente forte para resistir aos esforços mecânicos durante a construção e o funcionamento.
Muitas das substâncias industrialmente empregadas como isolantes não são inteiramente homogêneas - especialmente as de origem orgânica como o algodão, seda, madeira, óleos, etc - sendo além disto em geral deterioráveis.
Uma primeira classificação dos isolantes pode ser feita de acordo com o seu estado:
I - Gases: Ar, anidrido carbônico, azoto, hidrogênio, gases raros, hexafluoreto de enxofre.
II - Líquídos: A - Óleos minerais: óleos para transformadores, interruptores e cabos. B - Dielétricos líquidos à prova de fogo: Askarel. C - Óleos vegetais: Tung, linhaça.
D - Solventes: (empregados nos vernizes e compostos isolantes) Álcool, tolueno, benzeno, benzina, terebentina, petróleo, nafta, acetatos amílicos e butílicos, tetracloreto de carbono, acetona.
III - Sólidos aplicados em estado líquido ou pastoso: A - Resinas e plásticos naturais: resinas fósseis e vegetais, materiais asfálticos, goma laca.
B - Ceras: cera de abelhas de minerais, parafina. C - Vernizes e lacas: preparados de resinas e óleos naturais, produtos sintéticos, esmaltes para fios, vernizes solventes, lacas.
D - Resinas sintéticas: (plásticos moldados e laminados) resinas fenólicas, caseína, borracha sintética, silicones.
E - Compostos de celulose: (termoplásticos) acetato de celulose, nitrocelulose. F - Plásticos moldados a frio: cimento portland empregado com resinas ou asfaltos.
IV - Sólidos: A - Minerais: quartzo, pedra sabão, mica, mármore, ardósia, asbesto. B - Cerâmicos: porcelana, vidro, micalex. C - Materiais da classe da borracha: borracha natural, guta-percha, neoprene, buna. D - Materiais fibrosos (tratados e não tratados): algodão, seda, linha, papel, vidro, asbesto, madeira, celofane, rayon, nylon.
Além desta classificação cujo critério é a natureza dos materiais isolantes, estes podem ser classificados visando a sua aplicação, especialmente na construção de máquinas e aparelhos elétricos, cuja temperatura é limitada não pelos materiais condutores ou magnéticos (que são metálicos) e sim pelos isolantes. A durabilidade destes depende de fatores diversos, entre os quais predomina a temperatura, como mostrado na tabela a seguir.
A duração dos materiais utilizados para isolamento de máquinas e aparelhos elétricos depende de vários fatores, tais como a temperatura, os esforços elétricos e mecânicos, as vibrações, a exposição a produtos químicos, umidade e a sujeira de qualquer espécie.
composição de granito e feldspato, devido à ação da água, ácido carbônico e outros gases ácidos.
Em circuitos residenciais , é mais usado como conectores para unir fios e cabos existem três opções: a tradicional fita isolante, que deve ser de alta qualidade; os pequenos conectores em plástico por fora e metal internamente que seguram os fios por meio de pressão; ou ainda os conectores maiores, em formato de cubo ou barra, produzidos em plásticos ABS, cerâmica ou polietileno, que seguram os fios através de pequenos parafusos.
Materiais cerâmicos se caracterizam geralmente pelo preço baixo, por um processo de fabricação relativamente simples, e devido às características elétricas, térmicas e físicas vantajosas que podem apresentar, quando o processo de fabricação é bem cuidado.
Os componentes básicos mencionados têm, cada um, sua influência predominante no aspecto térmico, mecânico ou dielétrico. Assim, fazendo-se a análise em termos gerais, tem-se:
a) aspecto térmico - o componente que influi termicamente é o quartzo; portanto, quanto maior sua porcentagem, maior é a temperatura suportada por essa porcelana;
b) aspecto dielétrico - é o feldspato o componente que define o comportamento isolante, ou seja, os valores de rigidez dielétrica, o fator de perdas, etc;
c) aspecto mecânico - a exemplo da grande maioria dos demais materiais isolantes, os esforços melhor suportados pelos mesmos, são os de compressão, apresentando perante essas solicitações, valores dez vezes superiores aos de tração. Esses valores são conseqüência da porcentagem de argila e caolim presentes na massa cerâmica.
Os três grupos mencionados compõem basicamente uma porcelana, sem prejuízo de acréscimos outros bastante importantes mas de porcentagem menor. Portanto, para o preparo da massa a ser trabalhada, deve-se estabelecer primeiramente a aplicação que a porcelana terá, para então, em função das condições elétricas ou dielétricas, mecânicas e térmicas que o material deve suportar, estabelecer a porcentagem de cada um.
Essa composição é representada graficamente no triângulo de composição, indicado na Fig. (2).
Figura 2 - Triângulo de composição da porcelana Caolim + argila: propriedade mecânicas. feldspato: propriedades elétricas quartzo: propriedades térmicas Exemplo: Ponto A: 20% caolim + argila 40% feldspato 40% quartzo. A porcelana, até aqui referida, é apenas um exemplo de produto cerâmico, apesar de que, em tese, o processo de fabricação dos demais é semelhante, variando apenas a composição. Condensado na Tab. (3), podemos destacar os produtos relacionados a seguir:
- Porcelana de isoladores: Destinada a fabricação de isoladores de baixa, média e alta- tensão, para redes elétricas, dispositivos de comando, transformadores, etc. Deve apresentar comportamentos elétrico e mecânico adequado.
- Cerâmica de capacitores: Distingue-se pela elevada constante dielétrica, aplicando-se em capacitores de baixa e alta-tensão. Não são solicitados por esforços mecânicos elevados.
- Cerâmica porosa: Próprios para receber fios resistivos destinados à fabricação de resistores de fornos elétricos e de câmaras de extinção.
NBR 5471:1997 - Condutores elétricos - Terminologia
NBR 6148:1997 - Condutores isolados com isolação extrudada de cloreto de polivinila (PVC) para tensões até 750 V - Sem cobertura – Especificação
NBR 6238:1988 - Fios e cabos elétricos - Envelhecimento térmico acelerado – Método de ensaio
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NBR 6812:1995 - Fios e cabos elétricos - Queima vertical (fogueira) – Método de ensaio
NBR 6813:1981 - Fios e cabos elétricos - Ensaio de resistência de isolamento – Método de ensaio
NBR 6814:1985 - Fios e cabos elétricos - Ensaio de resistência elétrica – Método de ensaio
NBR 6880:1997 - Condutores de cobre mole para fios e cabos isolados – Características
NBR 6881:1981 - Fios e cabos elétricos de potência ou controle - Ensaio de tensão elétrica –Método de ensaio.
A norma NBR 6814, que diz respeito ao ensaio de resistência elétrica, estabelece que a resistência deve ser medida por meio de um potênciometro caso o valor seja inferior a 1 ohm ou por meio de uma ponte de wheatstone caso tenha valor maior que 1 ohm. Cito aqui mais alguns pontos desta norma:
- estabelece que a temperatura ambiente tem que ser levada em conta
- quando cabos de potencial são utilizados, a distância entre cada contato de potencial e seu correspondente contato de corrente deve ser igaul ou superior a 1,5 vezes o perímetro da seção transversal do condutor.
- ao medir a resistência do condutor, cuidados devem ser observados para manter a corrente de medição baixa, e de curta duração, para assegurar que a resistência a medir não seja modificada.
- a superfície do condutor deve estar limpa para assegurar um bom contato elétrico dos contatos de potencial e corrente com o condutor. a resistência do condutor medida a uma determinada temperatura deve ser corrigida à temperatura especificada, utilizando a seguinte fórmula: Rto = Rt / [ 1+ F 10 3 to (t - to ) ] (3) onde: Rto = resistência corrigida à temperatura to Rt = resistencia medida à temperatura t F 10 3
- to = coeficiente de temperatura da resistencia à temperatura to. Já a norma NBR 6242 prescreve os métodos para verificação dimensional de condutores. A norma estabelece a medição de diâmetro de fios, do passo e da massa. Considera-se como diâmetro do fio em um determinado ponto, a média aritmética das medidas efetuadas segundo duas direções, perpendiculares entre si, sendo que a primeira medida deve ser considerada na direção onde o diâmetro do fio seja mínimo. Na medição deve ser empregado micrômetro milesimal para diâmetros inferiores a 1mm, e centesimal para diâmetros superiores ou iguais a 1mm. Considera-se como uma medição de passo de um condutor encordoado, o comprimento medido entre iguais posições relativas de N+ segmentos consecutivos da Figura 4, sendo N o número de fios da coroa em questão.
Figura 4. Passo de um condutor encordoado
O passo também pode ser medido como o comprimento medido entre as marcas conforme Figura 5.
Figura 5. Passo de torcimento, encordoamento ou reunião de condutores encordoados
A área da seção transversal do condutor é calculada pela fórmula (1) abaixo: S = 0,7854 x d2 x n (1) onde, S = área da seção transversal do condutor em mm d = diâmetro do fio componente em mm
