Una panoramica da un produttore del settore dei cavi

Oggi esploreremorame, il materiale d'anima più utilizzato nell'industria dei fili e dei cavi.

I. Fondamenti di rame

Il rame è uno dei primi metalli utilizzati dall'umanità. Fin dalla preistoria, le persone estraevano depositi di rame a cielo aperto per produrre armi, strumenti e vasi. L'uso del rame ha avuto un profondo impatto sul progresso della prima civiltà umana.

Il rame esiste naturalmente nella crosta terrestre e negli oceani. La sua abbondanza crostale media è di circa0,01%, mentre in alcuni depositi di minerale di rame le concentrazioni possono raggiungere3–5%. In natura, il rame si presenta principalmente in forma composta come minerali di rame. Questi minerali vengono aggregati con altri minerali, quindi estratti e concentraticoncentrati di rame​ con alto contenuto di rame.

1. Proprietà

Il rame possiede eccellenti proprietà fisiche e chimiche, tra cui elevata conduttività elettrica, conduttività termica, resistenza alla corrosione e duttilità.

Il rame puro è secondo solo all'argento per conduttività elettrica e termica. Può essere trafilato in fili estremamente sottili o arrotolato in fogli sottili. Appare il rame puro appena fratturatorosa-rosso, ma forma sulla sua superficie una pellicola di ossido rosso-porpora, da qui il nome comunerame rosso​ (rame viola).

Oltre al rame puro, il rame può essere legato con stagno, zinco o nichel per creare leghe con caratteristiche distinte:

La lega migliora significativamente la robustezza e la resistenza alla corrosione rispetto al rame puro. Alcune leghe offrono anche una resistenza all'usura o prestazioni di fusione superiori.

2. Applicazioni

Grazie alle sue eccezionali proprietà, il rame è ampiamente utilizzato in tutti i settori, tra cui quello elettrico, dei macchinari, dei trasporti e dell'edilizia.

• Elettrico ed elettronico (≈ 50% della domanda industriale):​

  Produzione di cavi elettrici, cavi di comunicazione, motori, generatori, rotori, strumenti elettronici e contatori. Il rame e le leghe di rame svolgono un ruolo fondamentale nei chip dei computer, nei circuiti integrati, nei transistor e nei PCB. Ad esempio, le leghe di rame cromo-zirconio vengono utilizzate per i conduttori dei transistor a causa dell'elevata conduttività e resistenza al calore. L'adozione da parte di IBM del rame anziché dell'alluminio nei chip di silicio ha segnato un importante passo avanti nella metallizzazione dei semiconduttori.

• Costruzione:​

  Negli Stati Uniti, in Giappone e in Europa occidentale dalla metà degli anni ’80, il settore elettrico è stato il maggiore consumatore di rame raffinato; la Cina ha seguito una tendenza simile. Tuttavia, dopo gli anni ’90, i consumi esteri si sono spostati in modo significativo verso i servizi edilizi. Secondo la Copper Development Association (CDA), nel 1997 l'edilizia è rimasta il più grande mercato di utilizzo finale dei prodotti in rame negli Stati Uniti. La resistenza alla corrosione del rame lo rende ideale per condutture dell'acqua, coperture e sistemi di drenaggio, mentre il suo fascino estetico supporta la decorazione architettonica. L’edilizia rappresenta la quota maggiore del consumo di rame negli Stati Uniti

• Campi emergenti:​

  Con il progresso tecnologico, le applicazioni del rame si estendono ora alla medicina, alla biologia, alla superconduttività e alla protezione ambientale. Ad esempio, la schiuma di poliuretano contenente rame o ossido di rame riduce drasticamente il rilascio di acido cianidrico tossico (HCN) durante la combustione. Numerosi studi confermano che le proprietà battericide del rame aiutano a ridurre la diffusione dei batteri che causano la polmonite, inibiscono la crescita batterica e mantengono pulita l’acqua potabile. Di conseguenza, le prospettive per le tubazioni in rame nell’edilizia nazionale rimangono molto promettenti.

II. Riserve globali di rame

Le risorse di rame sono abbondanti in tutto il mondo. Secondo il Bureau of Mines degli Stati Uniti (1995), le riserve globali di rame erano pari a310 milioni di tonnellate, con una base di riserva di590 milioni di tonnellate. Il Cile e gli Stati Uniti detengono le maggiori riserve, che rappresentano23,7%​ e15,3%​ rispettivamente della base di riserva mondiale, seguita da Polonia, Zambia, Russia, Zaire, Perù, Canada e Australia.

Esistono nove principali tipi industriali di depositi di rame:

1. Porfido

2. Ospitato in arenaria/scisto

3. Solfuro di Cu-Ni

4. Tipo pirite

5. Tipo Cu-U-Au

6. Rame nativo

7. Tipo venoso

8. Di tipo carbonatico

9. Tipo Skarn

Dominano i primi quattro tipi, che rappresentano96%​ delle riserve globali, di cui sono responsabili i depositi di porfido e arenaria/scisto55%​ e29%rispettivamente. Circa60 gigantesche miniere di rame​ (ciascuno >5 milioni di tonnellate di Cu) esistono a livello globale, compresi 38 tipi di porfido e 15 di scisto, che insieme costituiscono88%​ di giacimenti giganteschi.

Le risorse recuperabili di concentrato di rame della Cina sono relativamente limitate. Le principali miniere domestiche includono:

• Miniera di rame di Dexing (Jiangxi)

• Miniera di rame di Yulong (Tibet)

• Miniera di rame di Ashele (Xinjiang)

III. Processi di fusione del rame

I minerali di rame estratti dalla terra sono concentrati inconcentrati di rameo minerali di alta qualità prima di essere fusi in rame raffinato e prodotti a valle.

Due metodi di fusione primari dominano a livello globale:

1. Pirometallurgia (raffinazione del fuoco)

• Producerame catodico​ (rame elettrolitico) tramite fusione e raffinazione elettrolitica.

• Adatto per minerali solforati di alta qualità.

• Il rame di scarto è un'altra materia prima chiave, classificata come:

  • Vecchio rottame:​ Da apparecchiature obsolete, edifici, condotte sotterranee.

  • Nuovo rottame:​ Da scarti di lavorazione (~50% della resa di produzione del rame).

• Classificazione dei rottami:

  • Rame misto nudo:​ >90% di purezza

  • Rottami di ottone/fili:​ Contiene materiali in rame (motori, PCB)

  • Rame secondario:​ Prodotto da rottami e materiali simili

2. Idrometallurgia (SX-EW)

• Adatto per minerali ossidati di basso grado.

• Producerame elettrolitico​ (rame catodico tramite estrazione con solvente – elettroestrazione).

3. Confronto tra pirometallurgia e idrometallurgia

L’idrometallurgia offre notevoli vantaggi in termini di costi ma ha un’applicazione limitata. Non tutti i minerali di rame sono adatti. Tuttavia, i miglioramenti tecnologici a partire dagli anni ’90 hanno consentito una più ampia adozione negli Stati Uniti, Cile, Canada, Australia, Messico e Perù. Questa espansione ha aumentato l’offerta globale di rame, contribuendo a un calo dei prezzi rispetto al picco del 19962,600/T∗∗ToUNrotuND∗∗1.600/t​ alla fine del 1998.

I costi di produzione medi alla fine degli anni ’90 erano1,400–1.600/t​ (64–73 ¢/libbra). Il costo idrometallurgico più basso registrato è stato20 ¢/libbra​ (450/T),wioThanavehmUNGeBelow∗∗50¢/lB∗∗(1.100/t). I costi superano i 50 ¢/lb durante la lavorazione di minerali di solfuro, minerali di alta qualità o quando si opera in climi freddi.

Lo sviluppo idrometallurgico della Cina

Dagli anni ’70, la Cina ha studiato l’estrazione del rame da minerali di bassa qualità. Il primo impianto idrometallurgico (120 t/anno) è stato costruito nel 1983. Negli ultimi decenni sono sorti dozzine di piccoli impianti (capacità: da centinaia a 2.000 tonnellate), ma la produzione totale rimane solo circa 15.000 t/anno, insufficiente rispetto alla produzione cinese di rame raffinato di circa 1 milione di t/anno. I costi di produzione nazionale del rame (~¥ 18.500/t) superano di gran lunga la media globale (~$ 1.477/t o 67 ¢/lb). Durante ilNono piano quinquennale, l'idrometallurgia è stata designata come priorità nazionale, con impianti dimostrativi costruiti nelle miniere di Dexing, Yulong e Tonglüshan. Entro il 2000, si prevedeva che la capacità idrometallurgica della Cina avrebbe superato50.000 t/anno.

A livello globale, il rame raffinato idrometallurgico è cresciuto da2,5%​ (1980) a10%(1994) e18%​ (1997), con proiezioni che suggeriscono eventuali quote di25–35%.

IV. Differenze tra barra di rame priva di ossigeno e barra di rame a basso contenuto di ossigeno

1. Assorbimento/desorbimento di ossigeno e stato di esistenza

• Il rame catodico contiene tipicamente10–50 ppm di ossigeno; la solubilità solida a temperatura ambiente è ~2 ppm.

• Barra di rame a basso contenuto di ossigeno:​ 200–400 ppm di ossigeno (a volte fino a 450 ppm), assorbito allo stato liquido.

• Barra di rame priva di ossigeno colata verso l'alto:​ Di solito <10–50 ppm di ossigeno, a volte fino a1–2 ppm.

L'ossigeno precipita comeCu₂O​ ai bordi del grano nel rame a basso contenuto di ossigeno, con effetti negativi sulla tenacità. Il rame privo di ossigeno presenta una struttura monofase omogenea con meno inclusioni e quasi senza pori, mentre la porosità è comune nelle barre a basso contenuto di ossigeno.

2. Microstruttura: laminazione a caldo e fusione

• Barra a basso contenuto di ossigeno: laminata a caldo → struttura ricristallizzata (8 mm), dendriti fusi rotti.

• Barra priva di ossigeno: grani fusi grossolani, a volte di diversi mm di dimensione → area di confine dei grani più piccola → richiedetemperature di ricottura più elevate.

Per una ricottura riuscita, la prima ricottura dopo la trafilatura deve essere10-15% in più​ in potenza rispetto all'asta a basso contenuto di ossigeno in condizioni equivalenti. La successiva trafilatura continua richiede un margine di ricottura sufficiente per garantire la morbidezza del prodotto finale.

3. Inclusioni, variabilità dell'ossigeno, ossidi superficiali e difetti di rotolamento

Il rame privo di ossigeno generalmente mostra:

• Meno inclusioni

• Contenuto di ossigeno stabile

• Nessun difetto di laminazione a caldo

• Film di ossido superficiale sottili quanto≤15Å

Al contrario, le bacchette a basso contenuto di ossigeno possono soffrire di ossidi sotterranei formati durante la fusione e la laminazione, che portano alla rottura del filo. Per mitigare questo, alcuni produttori ricorrono apeelingo anchedoppio peeling​ l'asta.

4. Robustezza

È possibile attrarre entrambe le aste0,015 mm, ma la spaziatura interfilamento del filo superconduttore ultrafine può raggiungere0,001 mm, dove il rame privo di ossigeno eccelle.

5. Considerazioni economiche

Il rame privo di ossigeno richiede materie prime di qualità superiore. Per diametri di filo>1 millimetro, l'asta a basso contenuto di ossigeno è più economica; per il filo più sottile, l'asta priva di ossigeno è il vantaggio.

6. Differenze di elaborazione

I processi di trafilatura e ricottura non possono essere identici. La morbidezza del filo dipende dalla composizione, dalla produzione della barra, dal disegno e dai parametri di ricottura.nessuno dei due tipi è universalmente “più morbido”.

V. Identificazione dei materiali in rame per cavi

Il mercato dei cavi deve affrontare sfide in particolare nel distinguere il rame autentico dai prodotti contraffattialluminio rivestito di rame (CCA)​ ealluminio-magnesio rivestito in rame (CCAM), emersi negli ultimi anni.

Confronto prezzi (circa):

• Rame privo di ossigeno:¥ 50.000/tonnellata​

• ACC:¥ 25.000/tonnellata​

  (Gravità specifica: Cu = 8,9, Al = 2,7)

Cinque metodi di identificazione

1. Ispezione visiva

Appaiono veri nuclei di ramerosso porpora, lucido e morbido. I nuclei falsi sembrano viola scuro, giallastri o biancastri, con scarsa resistenza meccanica. Lo sfregamento del nucleo esposto su carta bianca può lasciare segni neri se sono presenti impurità.

2. Esame trasversale

CCA e CCAM sono solitamente fili sottili intrecciati. Tagliando la sezione trasversale si rivelanuclei in alluminio biancosotto un sottile strato di rame.

3. Prova della fiamma

• CCA/CCAM: Il conduttore si incurva, non si accende facilmente; dopo la combustione diventa grigio/scuro; fragile e si rompe in segmenti se attorcigliato.

• Rame privo di ossigeno: forma perle fuse; il comportamento varia in base al diametro del filo (il filo sottile si scioglie, il filo spesso mantiene la forma).

4. Prova di graffiatura

• Rame stagnato: graffio giallo

• Rame nudo privo di ossigeno: graffio rossastro

• CCA / CCAM: motivo antigraffio bianco fiocco di neve

• Acciaio rivestito di rame: l'attrazione magnetica conferma il nucleo d'acciaio

5. Test dello strumento

I conduttori devono attenersiGB/T3953-2009​ (Filo di rame tondo per scopi elettrici). Metrica chiave:Resistività DC a 20 °C.

Norma di prova:GB/T3048.2-2007​ (modifica la norma IEC 60468:1974)

Limiti di resistività (max):

• Filo di rame tondo duro (Ty3,0 mm):≤ 0,01777 Ω·mm²/m​

• Filo di rame tondo morbido (TR):≤ 0,017241 Ω·mm²/m

La misurazione viene generalmente eseguita utilizzando un ponte Kelvin o uno strumento di precisione simile, convertendo la resistenza in resistività in base all'area della sezione trasversale.

Fornito da Minfeng Cable Group, una fabbrica diretta e fornitore di soluzioni one-stop per l'industria dei fili e dei cavi.