Een overzicht van een fabrikant van de kabelindustrie

Vandaag gaan we verkennenkoper, het meest gebruikte kernmateriaal in de draad- en kabelindustrie.

I. Grondbeginselen van koper

Koper is een van de vroegste metalen die door de mensheid worden gebruikt. Al in de prehistorie waren mensen bezig met het winnen van koperafzettingen in open mijnen om wapens, gereedschappen en schepen te produceren. Het gebruik van koper had een diepgaande invloed op de vooruitgang van de vroege menselijke beschaving.

Koper komt van nature voor in de aardkorst en oceanen. De gemiddelde overvloed aan aardkorst bedraagt ​​ongeveer0,01%, terwijl in sommige koperertsafzettingen concentraties kunnen worden bereikt3–5%. In de natuur komt koper meestal in samengestelde vorm voor als kopererts. Deze ertsen worden samengevoegd met andere mineralen, vervolgens gedolven en geconcentreerdkoperconcentratenmet hoog kopergehalte.

1. Eigenschappen

Koper bezit uitstekende fysische en chemische eigenschappen, waaronder een hoge elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid, corrosieweerstand en ductiliteit.

Zuiver koper staat op de tweede plaats na zilver wat betreft elektrische en thermische geleidbaarheid. Het kan tot uiterst fijne draden worden getrokken of tot dunne folies worden gerold. Vers gebroken puur koper verschijntrozerood, maar vormt een roodpaarse oxidefilm op het oppervlak, vandaar dat het gewoonlijk wordt genoemdrood koper​ (paars koper).

Naast puur koper kan koper worden gelegeerd met tin, zink of nikkel om legeringen te creëren met verschillende kenmerken:

Legering verbetert de sterkte en corrosieweerstand aanzienlijk in vergelijking met puur koper. Sommige legeringen bieden ook superieure slijtvastheid of gietprestaties.

2. Toepassingen

Vanwege zijn uitstekende eigenschappen wordt koper op grote schaal gebruikt in industrieën, waaronder de elektriciteitssector, machines, transport en bouw.

• Elektriciteit en elektronica (≈ 50% van de industriële vraag):​

  Productie van stroomkabels, communicatiekabels, motoren, generatoren, rotors, elektronische instrumenten en meters. Koper en koperlegeringen spelen een cruciale rol in computerchips, IC's, transistors en PCB's. Chroom-zirkonium-koperlegeringen worden bijvoorbeeld gebruikt voor transistorleidingen vanwege de hoge geleidbaarheid en hittebestendigheid. IBM's toepassing van koper in plaats van aluminium in siliciumchips betekende een grote doorbraak in de metallisering van halfgeleiders.

• Bouw:​

  In de VS, Japan en West-Europa is de elektriciteitssector sinds het midden van de jaren tachtig de grootste verbruiker van geraffineerd koper; China volgde een vergelijkbare trend. Na de jaren negentig verschoof de buitenlandse consumptie echter aanzienlijk naar de bouwsector. Volgens de Copper Development Association (CDA) bleef de bouw in 1997 de grootste eindgebruiksmarkt voor koperproducten in de VS. De corrosieweerstand van koper maakt het ideaal voor waterleidingen, dakbedekking en afvoersystemen, terwijl de esthetische aantrekkingskracht architectonische decoratie ondersteunt. De bouwsector neemt het grootste deel van de koperconsumptie in de VS voor zijn rekening

• Opkomende velden:​

  Met de technologische vooruitgang strekken kopertoepassingen zich nu uit tot de geneeskunde, biologie, supergeleiding en milieubescherming. Polyurethaanschuim dat koper of koperoxide bevat, vermindert bijvoorbeeld drastisch de uitstoot van giftig waterstofcyanide (HCN) tijdens de verbranding. Talrijke onderzoeken bevestigen dat de bacteriedodende eigenschappen van koper de verspreiding van longontsteking veroorzakende bacteriën helpen verminderen, de bacteriegroei remmen en de zuiverheid van het drinkwater in stand houden. Bijgevolg blijven de vooruitzichten voor koperen leidingen in de woningbouw zeer veelbelovend.

II. Mondiale koperreserves

Koperbronnen zijn wereldwijd overvloedig aanwezig. Volgens het Amerikaanse Bureau of Mines (1995) bedroegen de mondiale kopervoorraden310 miljoen ton, met een reservebasis van590 miljoen ton. Chili en de Verenigde Staten beschikken over de grootste reserves23,7%en15,3%van de mondiale reservebasis, gevolgd door Polen, Zambia, Rusland, Zaïre, Peru, Canada en Australië.

Er zijn negen belangrijke industriële soorten koperafzettingen:

1. Porfier

2. Zandsteen/schalie-gehost

3. Cu-Ni-sulfide

4. Pyriet-type

5. Cu-U-Au-type

6. Inheems koper

7. Ader-type

8. Carbonaat-type

9. Skarn-type

De eerste vier typen domineren en vertegenwoordigen96%​ van de mondiale reserves, waarbij porfier- en zandsteen-/schalieafzettingen verantwoordelijk zijn55%en29%respectievelijk. Ongeveer60 gigantische kopermijnen​ (elk >5 miljoen ton Cu) bestaat wereldwijd, waaronder 38 soorten porfier en 15 schaliesoorten, die samen88%van gigantische stortingen.

De winbare bronnen van koperconcentraat in China zijn relatief beperkt. Grote binnenlandse mijnen zijn onder meer:

• Dexing-kopermijn (Jiangxi)

• Yulong-kopermijn (Tibet)

• Ashele-kopermijn (Xinjiang)

III. Kopersmeltprocessen

Koperertsen die uit de aarde worden gewonnen, worden geconcentreerd inkoperconcentraten​ of hoogwaardige ertsen voordat ze worden gesmolten tot geraffineerd koper en downstream-producten.

Twee primaire smeltmethoden domineren wereldwijd:

1. Pyrometallurgie (brandraffinage)

• Produceertkathode koper​ (elektrolytisch koper) via smelten en elektrolytische raffinage.

• Geschikt voor hoogwaardige sulfide-ertsen.

• Koperschroot is een andere belangrijke grondstof, gecategoriseerd als:

  • Oud schroot:​ Van verouderde apparatuur, gebouwen, ondergrondse pijpleidingen.

  • Nieuw schroot:​ Van productieafval (~50% van de koperproductieopbrengst).

• Schrootclassificatie:

  • Blank gemengd koper:>90% zuiverheid

  • Messing / draadschroot:​ Bevat kopermaterialen (motoren, printplaten)

  • Secundair koper:Geproduceerd uit schroot en soortgelijke materialen

2. Hydrometallurgie (SX-EW)

• Geschikt voor laagwaardige geoxideerde ertsen.

• Produceertelectrowon koper​ (kathodekoper via oplosmiddelextractie – elektrowinning).

3. Vergelijking van pyro- en hydrometallurgie

Hydrometallurgie biedt aanzienlijke kostenvoordelen, maar is beperkt in de toepassing. Niet alle koperertsen zijn geschikt. Technologische verbeteringen sinds de jaren negentig hebben echter een bredere acceptatie mogelijk gemaakt in de VS, Chili, Canada, Australië, Mexico en Peru. Deze expansie verhoogde het mondiale koperaanbod, wat bijdroeg tot een prijsdaling ten opzichte van de piek in 19962,600/T∗∗TOArouND∗∗1.600/teind 1998.

De gemiddelde productiekosten eind jaren negentig waren dat wel1,400–1.600/t(64-73 ¢/lb). De laagste geregistreerde hydrometallurgische kosten waren20 ¢/lb​ (450/T),wiThanavehAGeBelOw∗∗50 ¢/lB∗∗(1.100/t). De kosten stijgen tot boven de 50 ¢/lb bij het verwerken van sulfide-ertsen, hoogwaardige ertsen of het werken in koude klimaten.

Chinese hydrometallurgische ontwikkeling

Sinds de jaren zeventig doet China onderzoek naar de koperwinning uit laagwaardige ertsen. De eerste hydrometallurgische fabriek (120 ton/jaar) werd in 1983 gebouwd. De afgelopen decennia zijn er tientallen kleine fabrieken (capaciteit: honderden tot 2.000 ton) ontstaan, maar de totale productie blijft slechts ~15.000 ton/jaar – onvoldoende vergeleken met China's ~1 miljoen ton/jaar geraffineerde koperproductie. De binnenlandse koperproductiekosten (~¥18.500/ton) liggen ver boven het mondiale gemiddelde (~$1.477/ton of 67 ¢/lb). Tijdens deNegende vijfjarenplanwerd hydrometallurgie tot nationale prioriteit benoemd, met demonstratiefabrieken gebouwd in de mijnen van Dexing, Yulong en Tonglüshan. Tegen 2000 werd verwacht dat de Chinese hydrometallurgische capaciteit groter zou zijn dan die van China50.000 ton/jaar.

Wereldwijd steeg het hydrometallurgisch geraffineerd koper2,5%(1980) tot10%(1994) en18%​ (1997), waarbij projecties wijzen op uiteindelijke aandelen van25–35%.

IV. Verschillen tussen zuurstofvrije koperen staaf en zuurstofarme koperen staaf

1. Zuurstofopname/-desorptie en bestaanstoestand

• Kathodekoper bevat doorgaans koper10–50 ppm zuurstof; de oplosbaarheid van vaste stoffen bij kamertemperatuur is ~2 ppm.

• Zuurstofarme koperen staaf:​ 200–400 ppm zuurstof (soms tot 450 ppm), geabsorbeerd in vloeibare toestand.

• Opwaarts gegoten zuurstofvrije koperen staaf:​ Meestal <10–50 ppm zuurstof, soms zo laag als1–2 ppm.

Zuurstof slaat neer alsCu₂O​ bij korrelgrenzen in zuurstofarm koper, wat de taaiheid negatief beïnvloedt. Zuurstofvrij koper vertoont een homogene eenfasige structuur met minder insluitsels en vrijwel geen poriën, terwijl porositeit gebruikelijk is bij zuurstofarme staven.

2. Microstructuur: warmgewalst versus gegoten

• Zuurstofarme staaf: warmgewalst → herkristalliseerde structuur (8 mm), gebroken gegoten dendrieten.

• Zuurstofvrije staaf: Grof gegoten korrels, soms enkele mm groot → kleiner korrelgrensgebied → vereisthogere gloeitemperaturen.

Voor succesvol gloeien moet het eerste gloeien na het trekken plaatsvinden10-15% hoger​ in kracht dan voor een staaf met laag zuurstofgehalte onder gelijkwaardige omstandigheden. Daaropvolgend continu trekken vereist voldoende gloeimarge om de zachtheid van het eindproduct te garanderen.

3. Insluitsels, zuurstofvariabiliteit, oppervlakteoxiden en roldefecten

Zuurstofvrij koper vertoont over het algemeen:

• Minder insluitsels

• Stabiel zuurstofgehalte

• Geen warmwalsfouten

• Oppervlakteoxidefilms zo dun als≤15Å

Staven met een laag zuurstofgehalte kunnen daarentegen last hebben van ondergrondse oxiden die worden gevormd tijdens het gieten en walsen, wat leidt tot draadbreuk. Om dit te verzachten, nemen sommige producenten hun toevluchtpeelingof zelfsdubbele peelingde stang.

4. Taaiheid

Aan beide hengels kan getrokken worden0,015 mm, maar de afstand tussen de filamenten van ultrafijne supergeleidende draden kan groter zijn0,001 mm, waar zuurstofvrij koper uitblinkt.

5. Economische overwegingen

Zuurstofvrij koper vereist grondstoffen van hogere kwaliteit. Voor draaddiameters>1 mm, zuurstofarme staaf is zuiniger; voor fijnere draad heeft zuurstofvrije staaf het voordeel.

6. Verschillen verwerken

Trek- en gloeiprocessen kunnen niet identiek zijn. De zachtheid van de draad hangt af van de samenstelling, de staafproductie, het trekken en de gloeiparameters.geen van beide typen is universeel ‘zachter’.

V. Identificatie van kopermaterialen voor kabels

Vooral de kabelmarkt wordt geconfronteerd met uitdagingen om echt koper te onderscheiden van namaakproductenmet koper bekleed aluminium (CCA)enmet koper bekleed aluminium-magnesium (CCAM), die de afgelopen jaren zijn ontstaan.

Prijsvergelijking (ca.):

• Zuurstofvrij koper:¥ 50.000/t​

• CCA:¥ 25.000/t​

  (Specifiek gewicht: Cu = 8,9, Al = 2,7)

Vijf identificatiemethoden

1. Visuele inspectie

Er verschijnen echte koperen kernenpaarsrood, glanzend en zacht. Valse kernen zien er donkerpaars, geelachtig of witachtig uit en hebben een slechte mechanische sterkte. Als u de blootliggende kern over wit papier wrijft, kunnen er zwarte vlekken achterblijven als er onzuiverheden aanwezig zijn.

2. Onderzoek in dwarsdoorsnede

CCA en CCAM zijn meestal gestrande fijne draden. Het doorsnijden van de dwarsdoorsnede onthultwitte aluminium kernenonder een dunne koperlaag.

3. Vlamtest

• CCA / CCAM: Geleider zakt door, ontsteekt niet gemakkelijk; kleurt na verbranding grijs/donker; bros en breekt in segmenten wanneer het wordt gedraaid.

• Zuurstofvrij koper: Vormt gesmolten kralen; het gedrag varieert met de draaddiameter (fijne draad smelt, dikke draad behoudt zijn vorm).

4. Krastest

• Vertind koper: Geel krasje

• Kaal zuurstofvrij koper: roodachtige kras

• CCA / CCAM: Sneeuwvlokwit kraspatroon

• Met koper bekleed staal: magnetische aantrekkingskracht bevestigt de stalen kern

5. Instrumenttesten

Geleiders moeten hieraan voldoenGB/T 3953-2009(Ronde koperdraad voor elektrische doeleinden). Belangrijkste statistiek:DC-weerstand bij 20 °C.

Teststandaard:GB/T 3048.2-2007​ (wijzigt IEC 60468:1974)

Weerstandslimieten (max):

• Hard rond koperdraad (Ty3,0 mm):≤ 0,01777 Ω·mm²/m​

• Zachte ronde koperdraad (TR):≤ 0,017241 Ω·mm²/m

De meting wordt doorgaans uitgevoerd met behulp van een Kelvin-brug of een soortgelijk precisie-instrument, waarbij de weerstand wordt omgezet in soortelijke weerstand op basis van het dwarsdoorsnedeoppervlak.

Geleverd door Minfeng Cable Group, een directe fabrieks- en totaalleverancier voor de draad- en kabelindustrie.