Aplicación del cobre
Industria eléctrica
Transmisión de potencia
La transmisión de energía requiere una gran cantidad de cobre con alta conductividad, que se utiliza principalmente para cables de alimentación, buses, transformadores, interruptores, componentes enchufables y conectores.
En el proceso de transmisión de energía de cables y alambres, se desperdicia energía eléctrica debido al calentamiento por resistencia. Desde la perspectiva del ahorro de energía y la economía, actualmente se está promoviendo en el mundo la norma de "sección transversal óptima del cable". Las normas populares en el pasado se basaban simplemente en la perspectiva de reducir la inversión en una instalación única. Para minimizar la sección transversal del cable, se determinó el tamaño mínimo permitido del cable para evitar un sobrecalentamiento peligroso por debajo de la corriente nominal requerida por el diseño. Aunque el costo de instalación del cable tendido de acuerdo con esta norma es bajo, el consumo de energía de resistencia es relativamente grande durante el uso a largo plazo. La norma de "sección transversal óptima del cable" tiene en cuenta tanto el costo de instalación única como el consumo de energía, y aumenta adecuadamente el tamaño del cable para lograr el propósito de ahorro de energía y los mejores beneficios económicos integrales. Según la nueva norma, la sección transversal del cable a menudo es más del doble que la norma anterior, lo que puede lograr un efecto de ahorro de energía de aproximadamente el 50%.
En el pasado, debido a la escasez de acero en mi país, se utilizó aluminio para reemplazar al cobre en líneas aéreas de transmisión de alta tensión con la esperanza de reducir el peso, considerando que la gravedad específica del aluminio es solo el 30% de la del cobre. Cables subterráneos. En este caso, el aluminio palidece en comparación con el cobre debido a su mala conductividad y al gran tamaño del cable.
Por la misma razón, también es una elección inteligente reemplazar el viejo transformador de bobinado de aluminio con un transformador de bobinado de cobre que ahorra energía y es eficiente.
Fabricación de motores
En la fabricación de motores, se utilizan ampliamente aleaciones de cobre de alta conductividad y alta resistencia. Las principales piezas de cobre son estatores, rotores y cabezales de ejes. En los motores grandes, los devanados se enfrían con agua o hidrógeno, lo que se denomina refrigeración interna con agua doble o motores con refrigeración por hidrógeno, que requieren una gran longitud de cable hueco.
Los motores son grandes consumidores de electricidad, ya que representan aproximadamente el 60% del suministro eléctrico total. La factura de electricidad acumulada por el funcionamiento de un motor es muy alta, generalmente alcanzando el costo del propio motor dentro de las primeras 500 horas de funcionamiento, equivalente a 4 a 16 veces el costo dentro de un año, y puede llegar a 200 veces el costo durante toda la vida útil. Un pequeño aumento en la eficiencia del motor no solo puede ahorrar energía, sino también lograr importantes beneficios económicos. El desarrollo y la aplicación de motores de alta eficiencia es un tema candente en el mundo actual. Dado que el consumo de energía dentro del motor proviene principalmente de la pérdida de resistencia del devanado, aumentar la sección transversal del cable de cobre es una medida clave para desarrollar motores de alta eficiencia. En comparación con los motores tradicionales, el uso de devanados de cobre en algunos de los primeros motores de alta eficiencia desarrollados ha aumentado entre un 25% y un 100%. El Departamento de Energía de EE. UU. está financiando un proyecto de desarrollo para producir rotores de motor utilizando tecnología de cobre fundido.
Cables de comunicación
Desde la década de 1980, debido a las ventajas de la gran capacidad de conducción de corriente de los cables de fibra óptica, estos han sido reemplazados rápidamente por cables de cobre en las líneas troncales de comunicación. Sin embargo, todavía se necesita una gran cantidad de cobre para convertir la energía eléctrica en energía luminosa y líneas de entrada a los usuarios. Con el desarrollo de la industria de las comunicaciones, las personas dependen cada vez más de las comunicaciones y la demanda de cables de fibra óptica y cables de cobre seguirá aumentando.
Líneas eléctricas residenciales
A medida que el nivel de vida de nuestra gente mejora, los electrodomésticos se popularizan rápidamente y las cargas de electricidad residenciales crecen rápidamente. Como se muestra en la Figura 6.6, en 1987, el consumo de electricidad residencial fue de 26,96 mil millones de kWh (1 kWh=1 kilovatio-hora), y diez años después, en 1996, se disparó a 113,1 mil millones de kWh, un aumento de 3,2 veces. A pesar de esto, todavía existe una gran brecha en comparación con los países desarrollados. Por ejemplo, en 1995, el consumo de electricidad per cápita en los Estados Unidos fue 14,6 veces el de mi país, y el de Japón fue 8,6 veces el de mi país. El consumo de electricidad residencial de mi país seguirá teniendo un gran desarrollo en el futuro. Se espera que aumente 1,4 veces entre 1996 y 2005.
Industria electrónica
La industria electrónica es una industria emergente. En su próspero proceso de desarrollo, ha desarrollado continuamente nuevos productos y nuevos campos de aplicación. Sus aplicaciones han evolucionado desde dispositivos de vacío y circuitos impresos hasta la microelectrónica y los circuitos integrados de semiconductores.
Dispositivos de vacío
Los dispositivos de vacío son principalmente tubos de transmisión de alta frecuencia y ultra alta frecuencia, guías de ondas, magnetrones, etc., que requieren cobre libre de oxígeno de alta pureza y cobre libre de oxígeno reforzado por dispersión.
Circuito impreso
El circuito impreso de cobre consiste en utilizar una lámina de cobre como superficie y pegarla sobre la placa de plástico como soporte; imprimir el diagrama de cableado del circuito en la placa de cobre mediante fotografía; eliminar la parte sobrante mediante grabado y dejar el circuito interconectado. Luego, perforar agujeros en la conexión con el exterior de la placa de circuito impreso, insertar los conectores de los componentes discretos u otras partes de los terminales y soldarlos en esta abertura, de modo que se ensamble un circuito completo. Si se utiliza el método de enchapado por inmersión, la soldadura de todos los conectores se puede completar a la vez. De esta manera, para aquellas ocasiones que requieren un diseño fino de los circuitos, como radio, televisión, computadora, etc., el uso de circuitos impresos puede ahorrar mucha mano de obra en el cableado y la fijación de circuitos; por lo tanto, es ampliamente utilizado y requiere una gran cantidad de lámina de cobre. Además, también se necesitan varios materiales de soldadura fuerte a base de cobre de bajo precio, bajo punto de fusión y alta fluidez en la conexión de circuitos.
Circuito integrado
El núcleo de la tecnología microelectrónica es el circuito integrado. El circuito integrado se refiere a un circuito miniaturizado que utiliza materiales de cristal semiconductor como sustratos (chips) y utiliza tecnologías de proceso especiales para integrar los componentes e interconexiones que forman el circuito en el interior, en la superficie o en el sustrato. Este microcircuito es miles de veces más pequeño en tamaño y peso que el circuito de componentes discretos más compacto en estructura. Su aparición ha provocado un gran cambio en las computadoras y se ha convertido en la base de la tecnología de la información moderna. Los circuitos integrados de escala ultragrande que se han desarrollado pueden producir más de 100,000 o incluso millones de transistores en un solo chip de área más pequeña que la uña de un pulgar. IBM (International Business Machines Corporation), una empresa de computadoras de renombre internacional, ha logrado un gran avance al utilizar cobre en lugar de aluminio en chips de silicio como interconexiones. Este nuevo tipo de microchip de cobre puede lograr una ganancia de rendimiento del 30%, el tamaño de línea del circuito se puede reducir a 0,12 micrones y la cantidad de transistores integrados en un solo chip puede llegar a 2 millones. Esto ha creado una nueva situación para la aplicación del antiguo metal cobre en el campo de la última tecnología de circuitos integrados de semiconductores.
Marco del plomo
Para proteger el funcionamiento normal del circuito integrado o circuito híbrido, es necesario encapsularlo; y durante el encapsulado, una gran cantidad de conectores del circuito se sacan del cuerpo sellado. Estos cables deben tener una cierta resistencia y constituir el esqueleto de soporte del circuito encapsulado integrado, que se denomina marco de cables. En la producción real, para la producción en masa a alta velocidad, los marcos de cables suelen estamparse de forma continua sobre una tira de metal en una disposición específica. Los materiales del marco representan entre 1/3 y 1/4 del coste total de los circuitos integrados y se utilizan en grandes cantidades; por lo tanto, deben tener un coste bajo.
Las aleaciones de cobre son económicas, tienen alta resistencia, conductividad eléctrica y conductividad térmica, excelente rendimiento de procesamiento, resistencia a la soldadura por agujas y a la corrosión, y pueden controlar su rendimiento en un amplio rango mediante la aleación. Pueden cumplir mejor con los requisitos de rendimiento de los marcos de conductores y se han convertido en un material importante para los marcos de conductores. Actualmente es el material de cobre más utilizado en dispositivos microelectrónicos.
Industria del transporte
Construcción naval
Debido a su buena resistencia a la corrosión del agua de mar, muchas aleaciones de cobre, como el bronce de aluminio, el bronce de manganeso, el latón de aluminio, el bronce de cañón (bronce de estaño y zinc), el acero blanco y la aleación de níquel y cobre (aleación de monel), se han convertido en materiales estándar para la construcción naval. En general, el cobre y las aleaciones de cobre representan entre el 2 y el 3% del peso muerto de los buques de guerra y los buques mercantes.
Las hélices de los buques de guerra y de la mayoría de los grandes buques mercantes están hechas de bronce de aluminio o latón. Cada hélice de un gran buque pesa entre 20 y 25 toneladas. Las hélices de los portaaviones Queen Elizabeth y Queen Mary pesan 35 toneladas cada una. Los pesados ejes de cola de los grandes buques suelen estar hechos de bronce de cañón "Admiral", y los pernos cónicos de los timones y las hélices también están hechos del mismo material. También se utilizan en grandes cantidades aleaciones de acero y cobre en las salas de máquinas y calderas. El primer buque mercante de propulsión nuclear del mundo utilizó un condensador de cobre blanco de 4 toneladas. Los tubos de latón de aluminio se utilizan como grandes serpentines de calefacción para los tanques de petróleo. Hay 12 de estos tanques de almacenamiento de petróleo en un buque de 100,7 toneladas, y el sistema de calefacción correspondiente es bastante grande. El equipo eléctrico del buque también es muy complejo. El motor, el sistema de comunicación, etc. dependen casi por completo del cobre y de las aleaciones de cobre para funcionar. Las cabinas de los barcos grandes y pequeños suelen estar decoradas con aleaciones de acero y cobre. Incluso los barcos de madera se fijan mejor con tornillos y clavos de aleación de acero (normalmente bronce al silicio), que se pueden fabricar en serie mediante laminación.
Para evitar que el casco se ensucie con organismos marinos y afecte la navegación, a menudo se utiliza un recubrimiento de cobre para su protección; o la solución es aplicar con un pincel pintura que contenga cobre.
En la Segunda Guerra Mundial, para defenderse de las minas magnéticas alemanas, se desarrolló un dispositivo antiminas magnético. Se colocó una correa de cobre alrededor del casco de acero y se hizo pasar una corriente eléctrica para neutralizar el campo magnético del barco, de modo que la mina no explotara. Desde 1944, todos los barcos aliados, en total unos 18.300 barcos, han sido equipados con este dispositivo de desmagnetización y protegidos. Algunos acorazados de gran tamaño requieren una gran cantidad de cobre para este propósito. Por ejemplo, uno de ellos tiene una longitud de cable de cobre de 45 kilómetros y pesa unas 30 toneladas.
Automóvil
Cada automóvil utiliza entre 10 y 21 kilogramos de cobre, dependiendo del tipo y tamaño del vehículo. En el caso de un automóvil, representa aproximadamente entre el 6 y el 9% de su propio peso. El cobre y las aleaciones de cobre se utilizan principalmente para radiadores, tuberías del sistema de frenos, dispositivos hidráulicos, engranajes, cojinetes, pastillas de freno, sistemas de distribución y potencia, juntas y diversas juntas, accesorios y accesorios. Entre ellos, el radiador utiliza una cantidad relativamente grande de acero. Los radiadores modernos de correa tubular se sueldan a los tubos del radiador con tiras de latón y se doblan en disipadores de calor con tiras finas de cobre.
Para mejorar aún más el rendimiento de los radiadores de cobre y mejorar su competitividad frente a los radiadores de aluminio, se han realizado muchas mejoras. En términos de materiales, se añaden oligoelementos al cobre para mejorar su resistencia y punto de ablandamiento sin perder conductividad térmica, reduciendo así el espesor de la tira y ahorrando acero; en términos de tecnología de fabricación, se adopta la soldadura de alta frecuencia o láser de tubos de cobre, y se utiliza soldadura fuerte de acero en lugar de soldadura blanda que es susceptible a la contaminación por plomo para ensamblar el núcleo del radiador. Los resultados de estos esfuerzos se muestran en la Tabla 6.2. En comparación con los radiadores de aluminio soldados, en las mismas condiciones de disipación de calor, es decir, en la misma caída de presión de aire y refrigerante, el nuevo radiador de cobre es más ligero y significativamente más pequeño en tamaño; junto con la buena resistencia a la corrosión y la larga vida útil del acero, las ventajas de los radiadores de cobre son más obvias. Además, para la protección del medio ambiente, promover y desarrollar vigorosamente los vehículos eléctricos, y la cantidad de acero utilizado en cada automóvil aumentará exponencialmente.
Vias ferreas
La electrificación de los ferrocarriles requiere una gran cantidad de cobre y aleaciones de cobre. Por cada kilómetro de catenaria se necesitan más de 2 toneladas de cables de cobre de formas especiales. Para mejorar su resistencia, a menudo se añade una pequeña cantidad de cobre (alrededor del 1%) o plata (alrededor del 2%). Además, los motores, rectificadores y sistemas de control, frenado, eléctricos y de señalización del tren dependen del cobre y de las aleaciones de cobre para funcionar.
Aeronave
La navegación aérea también es inseparable del cobre. Por ejemplo, el cableado, los sistemas hidráulicos, de refrigeración y neumáticos de los aviones requieren materiales de cobre, los soportes de los cojinetes y los rodamientos del tren de aterrizaje utilizan tubos de bronce y aluminio, los instrumentos de navegación utilizan aleaciones de acero antimagnético y muchos instrumentos utilizan elementos elásticos de cobre roto.
Industria de la luz
Los productos de la industria ligera están estrechamente relacionados con la vida de las personas y son muy diversos. El cobre, por sus buenas propiedades integrales, se puede ver en todas partes. A continuación, se muestran algunos ejemplos:
Aires acondicionados y refrigeradores
La función de control de temperatura de los acondicionadores de aire y refrigeradores se logra principalmente a través de la evaporación y condensación de los tubos de cobre del intercambiador de calor. El tamaño y el rendimiento de transferencia de calor del tubo de transferencia de calor del intercambiador de calor determinan en gran medida la eficiencia y la miniaturización de todo el acondicionador de aire y el dispositivo de refrigeración. En estas máquinas se utilizan tubos de cobre de forma especial con alta conductividad térmica. Aprovechando las buenas propiedades de procesamiento del acero, se han desarrollado y producido tubos de calor con ranuras internas y aletas altas para la fabricación de intercambiadores de calor en acondicionadores de aire, refrigeradores, dispositivos de recolección de calor químico y residual. El coeficiente de transferencia de calor total del nuevo intercambiador de calor se puede aumentar a 2 a 3 veces el de los tubos ordinarios y 1,2 a 1,3 veces el de los tubos ordinarios de aletas bajas. Se ha utilizado en China, ahorrando un 40% de cobre y reduciendo el volumen del intercambiador de calor en más de 1/3.
Relojes
La mayoría de las piezas de los relojes, temporizadores y dispositivos con mecanismos de relojería están hechas de "latón para relojes". Esta aleación contiene un 1,1% de plomo, tiene buenas propiedades de procesamiento y es adecuada para la producción a gran escala. Por ejemplo, los engranajes se cortan a partir de barras largas de latón extruido, las ruedas planas se perforan a partir de tiras del espesor correspondiente y el latón u otras aleaciones de cobre se utilizan para hacer superficies de reloj grabadas, tornillos y juntas, etc. Una gran cantidad de relojes baratos están hechos de bronce de cañón (bronce de estaño y zinc) o chapados en alpaca (cobre blanco). Algunos relojes famosos están hechos de acero y aleaciones de cobre. La manecilla de las horas del "Big Ben" británico está hecha de barras de bronce de cañón macizo y el minutero está hecho de tubos de cobre de 4 pies de largo.
Una fábrica de relojes moderna, que utiliza aleación de cobre como material principal, prensas y moldes precisos, puede producir entre 10.000 y 30.000 relojes al día a un coste muy bajo.
Fabricación de papel
En la cambiante sociedad de la información actual, el consumo de papel es muy elevado. El papel parece simple a primera vista, pero el proceso de fabricación es muy complicado y requiere muchos pasos y la aplicación de muchas máquinas, incluidos enfriadores, evaporadores, batidores, máquinas de papel, etc. Muchos de los componentes, como diversos tubos de intercambio de calor, rodillos, batidores, bombas de semilíquidos y tamices, están hechos principalmente de aleaciones de acero.
Por ejemplo, la máquina de fabricación de papel de malla larga utilizada rocía la pulpa preparada sobre una malla de rápido movimiento con una malla fina (malla 40-60). La malla está tejida con alambre de bronce fosforoso y latón. Es muy ancha, generalmente más de 20 pies (6 metros), y se requiere que permanezca completamente recta. La malla se mueve sobre una serie de pequeños rodillos de latón o cobre y, a medida que pasa a través de la pulpa rociada sobre ella, se succiona la humedad del aire de abajo. La malla también vibra para unir las pequeñas fibras de la pulpa. El tamaño de la malla de las grandes máquinas de papel es muy grande, hasta 26 pies 8 pulgadas (8,1 metros) de ancho y 100 pies (30,5 metros) de largo. La pulpa húmeda no solo contiene agua, sino también productos químicos utilizados en el proceso de fabricación de papel, que son muy corrosivos. Para garantizar la calidad del papel, el material de la malla es muy exigente. No solo debe tener alta resistencia y elasticidad; sino también ser resistente a la corrosión de la pulpa. Las aleaciones de cobre son totalmente capaces de hacer esto.
Impresión
En la impresión, las placas de cobre se utilizan para la fotolitografía. La placa de cobre pulida se sensibiliza con una emulsión fotosensible y luego se fotografía sobre ella. La placa de cobre sensibilizada debe calentarse para endurecer el pegamento. Para evitar que se ablande debido al calor, el cobre a menudo contiene una pequeña cantidad de plata o arsénico para aumentar la temperatura de ablandamiento. Luego, la placa se graba para formar una superficie de impresión con un patrón de puntos cóncavos y convexos.
En la máquina de composición automática, los tipos se crean mediante la disposición de bloques de latón, que es otro uso importante del cobre en la impresión. Los bloques de latón suelen estar hechos de latón con plomo, a veces de cobre o bronce.
Medicamento
En la industria farmacéutica, todo tipo de dispositivos de cocción al vapor, hervidos y al vacío están hechos de cobre puro. El cobre blanco de zinc se usa ampliamente en equipos médicos. Las aleaciones de cobre también son materiales comúnmente utilizados para marcos de anteojos, etc.
