Applicazione del rame
Industria elettrica
Potenza di trasmissione
La trasmissione di energia elettrica richiede una grande quantità di rame ad alta conduttività, che viene utilizzato principalmente per cavi e fili di alimentazione, bus, trasformatori, interruttori, componenti plug-in e connettori.
Nel processo di trasmissione di potenza di fili e cavi, l'energia elettrica viene sprecata a causa del riscaldamento a resistenza. Dal punto di vista del risparmio energetico e dell'economia, lo standard "sezione trasversale ottimale del cavo" è attualmente promosso nel mondo. Gli standard popolari in passato si basavano semplicemente sulla prospettiva di ridurre l'investimento nell'installazione una tantum. Per ridurre al minimo la sezione trasversale del cavo, è stata determinata la dimensione minima consentita del cavo per prevenire un pericoloso surriscaldamento sotto la corrente nominale richiesta dalla progettazione. Sebbene il costo di installazione del cavo posato secondo questo standard sia basso, il consumo di energia di resistenza è relativamente elevato durante l'uso a lungo termine. Lo standard "sezione trasversale ottimale del cavo" tiene conto sia del costo di installazione una tantum che del consumo di energia e aumenta opportunamente le dimensioni del cavo per raggiungere lo scopo del risparmio energetico e i migliori vantaggi economici complessivi. Secondo il nuovo standard, la sezione trasversale del cavo è spesso più che raddoppiata rispetto al vecchio standard, il che può ottenere un effetto di risparmio energetico di circa il 50%.
In passato, a causa della carenza di acciaio nel mio Paese, l'alluminio veniva utilizzato per sostituire il rame nelle linee di trasmissione aeree ad alta tensione nella speranza di ridurre il peso, considerando che la gravità specifica dell'alluminio è solo il 30% di quella del rame. Cavi sotterranei. In questo caso, l'alluminio impallidisce rispetto al rame a causa della sua scarsa conduttività e delle grandi dimensioni dei cavi.
Per lo stesso motivo, è una scelta saggia sostituire il vecchio trasformatore con avvolgimento in alluminio con un trasformatore con avvolgimento in rame efficiente e a risparmio energetico.
Produzione di motori
Nella produzione di motori, le leghe di rame ad alta conduttività e alta resistenza sono ampiamente utilizzate. Le parti principali in rame sono statori, rotori e teste di albero. Nei motori di grandi dimensioni, gli avvolgimenti sono raffreddati con acqua o idrogeno, che è chiamato doppio raffreddamento interno ad acqua o motori a raffreddamento a idrogeno, che richiede una lunga lunghezza di filo cavo.
I motori sono grandi utilizzatori di elettricità, rappresentando circa il 60% della fornitura totale di elettricità. La bolletta elettrica cumulativa per il funzionamento di un motore è molto alta, generalmente raggiungendo il costo del motore stesso entro le prime 500 ore di funzionamento, equivalenti a 4-16 volte il costo in un anno e può raggiungere 200 volte il costo durante l'intera vita lavorativa. Un piccolo aumento dell'efficienza del motore può non solo far risparmiare energia, ma anche ottenere significativi benefici economici. Lo sviluppo e l'applicazione di motori ad alta efficienza è un argomento caldo nel mondo di oggi. Poiché il consumo di energia all'interno del motore deriva principalmente dalla perdita di resistenza dell'avvolgimento, aumentare la sezione trasversale del filo di rame è una misura fondamentale per sviluppare motori ad alta efficienza. Rispetto ai motori tradizionali, l'uso di avvolgimenti in rame in alcuni dei primi motori ad alta efficienza sviluppati è aumentato dal 25% al 100%. Il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti sta finanziando un progetto di sviluppo per produrre rotori di motori utilizzando la tecnologia del rame fuso.
Cavi di comunicazione
Dagli anni '80, grazie ai vantaggi della grande capacità di trasporto di corrente dei cavi in fibra ottica, questi sono stati rapidamente sostituiti da cavi in rame sulle linee principali di comunicazione. Tuttavia, è ancora necessaria una grande quantità di rame per convertire l'energia elettrica in energia luminosa e linee di ingresso per gli utenti. Con lo sviluppo del settore delle comunicazioni, le persone dipendono sempre di più dalle comunicazioni e la domanda di cavi in fibra ottica e fili in rame continuerà ad aumentare.
Linee elettriche residenziali
Man mano che gli standard di vita della nostra gente migliorano, gli elettrodomestici diventano rapidamente popolari e i carichi di elettricità residenziale crescono rapidamente. Come mostrato nella Figura 6.6, nel 1987, il consumo di elettricità residenziale era di 26,96 miliardi di kWh (1 kWh=1 kilowattora), e dieci anni dopo, nel 1996, è salito a 113,1 miliardi di kWh, con un aumento di 3,2 volte. Nonostante ciò, c'è ancora un grande divario rispetto ai paesi sviluppati. Ad esempio, nel 1995, il consumo di elettricità pro capite negli Stati Uniti era 14,6 volte quello del mio paese, e in Giappone era 8,6 volte quello del mio paese. Il consumo di elettricità residenziale del mio paese avrà ancora un grande sviluppo in futuro. Si prevede che aumenterà di 1,4 volte dal 1996 al 2005.
Industria elettronica
L'industria elettronica è un settore emergente. Nel suo fiorente processo di sviluppo, ha continuamente sviluppato nuovi prodotti e nuovi campi di applicazione. La sua applicazione si è sviluppata dai dispositivi a vuoto e dai circuiti stampati alla microelettronica e ai circuiti integrati semiconduttori.
Dispositivi a vuoto
I dispositivi a vuoto sono principalmente tubi di trasmissione ad alta e altissima frequenza, guide d'onda, magnetron, ecc., che richiedono rame privo di ossigeno ad elevata purezza e rame privo di ossigeno rinforzato con dispersione.
Circuito stampato
Il circuito stampato in rame consiste nell'utilizzare un foglio di rame come superficie e incollarlo sulla scheda di plastica come supporto; stampare lo schema elettrico del circuito sulla piastra di rame tramite fotografia; rimuovere la parte in eccesso tramite incisione e lasciare il circuito interconnesso. Quindi, praticare dei fori nella connessione con l'esterno della scheda del circuito stampato, inserire i connettori dei componenti discreti o altre parti dei terminali e saldarli su questa apertura, in modo da assemblare un circuito completo. Se si utilizza il metodo di placcatura a immersione, la saldatura di tutti i connettori può essere completata in una volta. In questo modo, per quelle occasioni che richiedono una disposizione precisa dei circuiti, come radio, televisione, computer, ecc., l'uso di circuiti stampati può far risparmiare molta manodopera nel cablaggio e nel fissaggio dei circuiti; pertanto, è ampiamente utilizzato e richiede una grande quantità di foglio di rame. Inoltre, sono necessari anche vari materiali di brasatura a base di rame a basso costo, a basso punto di fusione e ad alta fluidità nella connessione dei circuiti.
Circuito integrato
Il cuore della tecnologia microelettronica è il circuito integrato. Il circuito integrato si riferisce a un circuito miniaturizzato che utilizza materiali cristallini semiconduttori come substrati (chip) e utilizza speciali tecnologie di processo per integrare i componenti e le interconnessioni che compongono il circuito all'interno, sulla superficie o sul substrato. Questo microcircuito è migliaia di volte più piccolo in termini di dimensioni e peso rispetto al circuito a componenti discreti più compatto in termini di struttura. Il suo aspetto ha causato un enorme cambiamento nei computer ed è diventato il fondamento della moderna tecnologia informatica. I circuiti integrati su larga scala che sono stati sviluppati possono produrre più di 100,000 o persino milioni di transistor su un'area di un singolo chip più piccola di un'unghia del pollice. IBM (International Business Machines Corporation), un'azienda informatica di fama internazionale, ha fatto una svolta utilizzando il rame al posto dell'alluminio nei chip di silicio come interconnessioni. Questo nuovo tipo di microchip in rame può raggiungere un guadagno di prestazioni del 30%, la dimensione della linea del circuito può essere ridotta a 0,12 micron e il numero di transistor integrati su un singolo chip può raggiungere i 2 milioni. Ciò ha creato una nuova situazione per l'applicazione dell'antico metallo rame nel campo tecnologico più recente dei circuiti integrati a semiconduttore.
Porta telaio
Per proteggere il normale funzionamento del circuito integrato o del circuito ibrido, è necessario confezionarlo; e durante il confezionamento, un gran numero di connettori nel circuito vengono fatti uscire dal corpo sigillato. Questi cavi devono avere una certa resistenza e costituire lo scheletro di supporto del circuito del package integrato, che è chiamato lead frame. Nella produzione effettiva, per la produzione di massa ad alta velocità, i lead frame sono solitamente stampati in modo continuo su una striscia di metallo in una disposizione specifica. I materiali del frame rappresentano da 1/3 a 1/4 del costo totale dei circuiti integrati e sono utilizzati in grandi quantità; pertanto, devono avere costi bassi.
Le leghe di rame sono economiche, hanno elevata resistenza, conduttività elettrica e conduttività termica, eccellenti prestazioni di lavorazione, saldatura ad ago e resistenza alla corrosione e possono controllare le loro prestazioni in un'ampia gamma tramite la lega. Possono soddisfare meglio i requisiti di prestazioni dei telai portanti e sono diventati un materiale importante per i telai portanti. Attualmente è il materiale di rame più utilizzato nei dispositivi microelettronici.
Settore dei trasporti
Costruzione navale
Grazie alla loro buona resistenza alla corrosione dell'acqua di mare, molte leghe di rame, come il bronzo di alluminio, il bronzo al manganese, l'ottone di alluminio, il bronzo di canna di fucile (bronzo di stagno-zinco), l'acciaio bianco e la lega di nichel-rame (lega di monel), sono diventate materiali standard per la costruzione navale. In genere, il rame e le leghe di rame rappresentano dal 2 al 3% del peso morto delle navi da guerra e delle navi mercantili.
Le eliche delle navi da guerra e della maggior parte delle grandi navi mercantili sono realizzate in bronzo di alluminio o ottone. Ogni elica di una grande nave pesa dalle 20 alle 25 tonnellate. Le eliche delle portaerei Queen Elizabeth e Queen Mary pesano 35 tonnellate ciascuna. Gli alberi di coda pesanti delle grandi navi sono spesso realizzati in "Admiral" gunmetal e anche i bulloni conici dei timoni e delle eliche sono realizzati con lo stesso materiale. Anche l'acciaio e le leghe di rame sono utilizzati in grandi quantità nelle sale macchine e caldaie. La prima nave mercantile a propulsione nucleare al mondo ha utilizzato un condensatore di rame bianco da 30- tonnellate. I tubi di ottone di alluminio sono utilizzati come grandi serpentine di riscaldamento per i serbatoi di petrolio. Ci sono 12 di questi serbatoi di stoccaggio del petrolio su una nave da 100,000- tonnellate e il corrispondente sistema di riscaldamento è piuttosto grande. Anche l'apparecchiatura elettrica sulla nave è molto complessa. Il motore, il motore, il sistema di comunicazione, ecc. dipendono quasi interamente dal rame e dalle leghe di rame per funzionare. Le cabine delle navi grandi e piccole sono spesso decorate con leghe di acciaio e rame. Anche le barche di legno sono meglio fissate con viti e chiodi in lega di acciaio (solitamente bronzo al silicio), che possono essere prodotti in serie tramite laminazione.
Per evitare che lo scafo venga contaminato da organismi marini e comprometta la navigazione, spesso si ricorre a un rivestimento protettivo in rame; in alternativa, si può ricorrere all'applicazione di vernice contenente rame.
Nella seconda guerra mondiale, per difendersi dalle mine magnetiche tedesche, fu sviluppato un dispositivo anti-mina magnetico. Una cintura di rame fu attaccata attorno allo scafo in acciaio e una corrente elettrica fu fatta passare per neutralizzare il campo magnetico della nave, in modo che la mina non esplodesse. Dal 1944, tutte le navi alleate, per un totale di circa 18,000 navi, sono state equipaggiate con questo dispositivo di smagnetizzazione e protette. Alcune grandi corazzate richiedono molto rame per questo scopo. Ad esempio, una di esse ha un filo di rame lungo 28 miglia e pesa circa 30 tonnellate.
Automobile
Ogni auto utilizza da 10 a 21 chilogrammi di rame, a seconda del tipo e delle dimensioni dell'auto. Per un'auto, rappresenta circa il 6-9% del suo peso. Il rame e le leghe di rame sono utilizzati principalmente per radiatori, tubazioni dell'impianto frenante, dispositivi idraulici, ingranaggi, cuscinetti, pastiglie di attrito dei freni, distribuzione di potenza e sistemi di alimentazione, guarnizioni e vari giunti, accessori e accessori. Tra questi, il radiatore utilizza una quantità relativamente grande di acciaio. I moderni radiatori a cinghia tubolare sono saldati in tubi del radiatore con strisce di ottone e piegati in dissipatori di calore con sottili strisce di rame.
Per migliorare ulteriormente le prestazioni dei radiatori in rame e accrescere la loro competitività rispetto ai radiatori in alluminio, sono stati apportati molti miglioramenti. In termini di materiali, vengono aggiunti oligoelementi al rame per migliorarne la resistenza e il punto di rammollimento senza perdere conduttività termica, riducendo così lo spessore della striscia e risparmiando acciaio; in termini di tecnologia di produzione, viene adottata la saldatura ad alta frequenza o laser dei tubi in rame e viene utilizzata la brasatura in acciaio al posto della saldatura dolce che è suscettibile alla contaminazione da piombo per assemblare il nucleo del radiatore. I risultati di questi sforzi sono mostrati nella Tabella 6.2. Rispetto ai radiatori in alluminio brasati, nelle stesse condizioni di dissipazione del calore, ovvero nella stessa caduta di pressione dell'aria e del refrigerante, il nuovo radiatore in rame è più leggero e significativamente più piccolo; insieme alla buona resistenza alla corrosione e alla lunga durata dell'acciaio, i vantaggi dei radiatori in rame sono più evidenti. Inoltre, per la protezione ambientale, promuovere e sviluppare vigorosamente veicoli elettrici e la quantità di acciaio utilizzata in ogni auto aumenterà esponenzialmente.
Linee ferroviarie
L'elettrificazione delle ferrovie richiede una grande quantità di rame e leghe di rame. Sono necessarie più di 2 tonnellate di fili di rame di forma speciale per ogni chilometro di cavi aerei. Per migliorarne la resistenza, spesso viene aggiunta una piccola quantità di rame (circa l'1%) o argento (circa il 0%). Inoltre, i motori, i raddrizzatori e i sistemi di controllo, frenatura, elettrici e di segnalazione sul treno si basano tutti sul rame e leghe di rame per funzionare.
Aereo
Anche la navigazione aerea è inseparabile dal rame. Ad esempio: i sistemi di cablaggio, idraulici, di raffreddamento e pneumatici nell'aereo richiedono materiali in rame, i fermi dei cuscinetti e i cuscinetti del carrello di atterraggio utilizzano tubi in bronzo di alluminio, gli strumenti di navigazione utilizzano leghe di acciaio antimagnetiche e molti strumenti utilizzano elementi elastici in rame rotto.
Industria leggera
I prodotti dell'industria leggera sono strettamente correlati alla vita delle persone, con un'ampia varietà di varietà. Poiché il rame ha buone proprietà complete, può essere visto ovunque. Ecco solo alcuni esempi:
Condizionatori e frigoriferi
La funzione di controllo della temperatura di condizionatori d'aria e frigoriferi è ottenuta principalmente tramite l'evaporazione e la condensazione dei tubi di rame dello scambiatore di calore. Le dimensioni e le prestazioni di trasferimento del calore del tubo di trasferimento del calore dello scambiatore di calore determinano in larga misura l'efficienza e la miniaturizzazione dell'intero condizionatore d'aria e del dispositivo di refrigerazione. In queste macchine vengono utilizzati tubi di rame di forma speciale con elevata conduttività termica. Sfruttando le buone proprietà di lavorazione dell'acciaio, sono stati sviluppati e prodotti tubi di calore con scanalature interne e alette alte per la fabbricazione di scambiatori di calore in condizionatori d'aria, frigoriferi, dispositivi chimici e di raccolta del calore di scarto. Il coefficiente di trasferimento del calore totale del nuovo scambiatore di calore può essere aumentato da 2 a 3 volte rispetto a quello dei tubi ordinari e da 1,2 a 1,3 volte rispetto a quello dei normali tubi a bassa alettatura. È stato utilizzato in Cina, risparmiando il 40% di rame e riducendo il volume dello scambiatore di calore di oltre 1/3.
Orologi
La maggior parte delle parti funzionanti degli orologi, dei timer e dei dispositivi con meccanismi di orologi sono realizzati in "ottone per orologi". La lega contiene l'1,5-2% di piombo, ha buone proprietà di lavorazione ed è adatta alla produzione su larga scala. Ad esempio, gli ingranaggi sono tagliati da lunghe barre di ottone estruse, le ruote piatte sono punzonate da strisce di spessore corrispondente e l'ottone o altre leghe di rame sono utilizzate per realizzare superfici di orologi incise, viti e giunti, ecc. Un gran numero di orologi economici sono realizzati in bronzo (bronzo stagno-zinco) o placcati con argentone (rame bianco). Alcuni orologi famosi sono realizzati in acciaio e leghe di rame. La lancetta delle ore del "Big Ben" britannico è realizzata con aste di bronzo massiccio e la lancetta dei minuti è realizzata con tubi di rame lunghi 14- piedi.
Una moderna fabbrica di orologi, utilizzando la lega di rame come materiale principale, presse e stampi precisi, può produrre da 10,000 a 30,000 orologi al giorno a costi molto bassi.
Fabbricazione della carta
Nella società dell'informazione in continua evoluzione di oggi, il consumo di carta è molto elevato. La carta sembra semplice in superficie, ma il processo di fabbricazione della carta è molto complicato, richiede molti passaggi e l'applicazione di molte macchine, tra cui refrigeratori, evaporatori, battitori, macchine per la carta, ecc. Molti dei componenti, come vari tubi di scambio termico, rulli, battitori, pompe semiliquide e schermi, sono per lo più realizzati in leghe di acciaio.
Ad esempio, la macchina per la fabbricazione della carta a rete lunga utilizzata spruzza la polpa preparata su una maglia a movimento rapido con maglie fini (maglie 40-60). La maglia è intrecciata con filo di ottone e bronzo fosforoso. È molto larga, generalmente più di 20 piedi (6 metri), e deve rimanere completamente dritta. La maglia si muove su una serie di piccoli rulli di ottone o rame e, mentre passa attraverso la polpa spruzzata su di essa, l'umidità viene aspirata dall'aria sottostante. La maglia vibra anche per legare insieme le piccole fibre nella polpa. La dimensione della maglia delle grandi macchine per la carta è molto grande, fino a 26 piedi e 8 pollici (8,1 metri) di larghezza e 100 piedi (30,5 metri) di lunghezza. La polpa bagnata non contiene solo acqua, ma contiene anche sostanze chimiche utilizzate nel processo di fabbricazione della carta, che sono molto corrosive. Per garantire la qualità della carta, il materiale della maglia è molto esigente. Non deve solo avere elevata resistenza ed elasticità; ma deve anche essere resistente alla corrosione della polpa. Le leghe di rame sono perfettamente in grado di farlo.
Stampa
Nella stampa, le lastre di rame vengono utilizzate per la fotolitografia. La lastra di rame lucidata viene sensibilizzata con emulsione fotosensibile e poi fotografata su di essa. La lastra di rame sensibilizzata deve essere riscaldata per indurire la colla. Per evitare che si ammorbidisca a causa del calore, il rame spesso contiene una piccola quantità di argento o arsenico per aumentare la temperatura di ammorbidimento. Quindi, la lastra viene incisa per formare una superficie di stampa con un motivo di punti concavi e convessi.
Nella macchina di composizione automatica, il carattere viene creato disponendo blocchi di caratteri in ottone, che è un altro importante utilizzo del rame nella stampa. I blocchi di caratteri sono solitamente realizzati in ottone al piombo, a volte in rame o bronzo.
Medicinale
Nell'industria farmaceutica, tutti i tipi di dispositivi per la vaporizzazione, l'ebollizione e il vuoto sono realizzati in rame puro. Il rame bianco di zinco è ampiamente utilizzato nelle apparecchiature mediche. Le leghe di rame sono anche materiali comunemente utilizzati per le montature degli occhiali, ecc.
