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Cobre e suas LigasCésar Luiz Canata Júnior, UFPR

I. HISTÓRIA DO COBRE

O cobre foi o primeiro metal usado pelo homem. Acredita-se que por volta de 13.000 a.C. foi encontrado na superfícieda Terra em forma de "cobre nativo", o metal puro em seuestado metálico. Usado inicialmente como substituto dapedra como ferramenta de trabalho, armas e objeto dedecoração, o cobre tornou-se, pela sua resistência, umadescoberta fundamental na história da evolução humana.

Os historiadoresconcordam que as primeirasdescobertas importantes do cobrederam-se na área compreendidaentre os rios Tigre e Eufrates, aoNorte do Golfo Pérsico.Nesta área, considerada como o

lugar da primeira civilização do mundo, foram encontradosobjetos de cobre de mais de 6.500 anos. Os Romanosdesignaram o cobre com o nome de "Aes Cyprium", o Metalde Cyprus, já que a Ilha de Cyprus ( Chipre ) foi uma dasprimeiras fontes do metal. Com o tempo, o nome setransformou em Cyprium e depois em Cuprum, originando osímbolo químico "Cu".

Através dos séculos, o cobre foi identificado pelosímbolo, que é uma forma modificada do antigo hieróglifousado pêlos antigos egípcios para representar a vida eterna.O fato de se ter encontrado objetos de cobre tão antigos emdiversos lugares do mundo é prova das propriedades únicasdo metal: durabilidade, resistência à corrosão,maleabilidade, ductilidade e fácil manejo.

Apesar de sua antiguidade, o Cobre manteve, aliadoaos metais mais novos, um papel predominante na evoluçãoda humanidade, sendo utilizado em todas as fases dasrevoluções tecnológicas pelas quais o ser humano já passou. As minas de cobre mais importantes do mundo estãolocalizadas no Chile, Estados Unidos, Canadá, Rússia eZâmbia.

Em 1874, foi descoberta a mina Caraíba, no sertãoda Bahia. Somente após 70 anos é que foram iniciados ostrabalhos de prospecção. Em 1969, 25 anos mais tarde, oempresariado brasileiro, sob a liderança do Grupo Pignatari,estabeleceu uma planta de metalurgia em Dias D'Ávila,Bahia, para a produção de cobre eletrolítico. No início dadécada de 80, a Caraíba começou a produzir cobreeletrolítico e, no final da década, em 1988, ocorreu odesmembramento entre a mina e a planta de metalurgia, coma privatização desta última, que adotou o nome de CaraíbaMetais.

II. O CICLO INDUSTRIAL DO COBRE

As minas de cobre são classificadas de acordo como sistema de exploração: Minas à Céu Aberto são aquelascujo mineral se encontra próximo da superfície e Minas

Subterrâneas, aquelas em que o mineral se encontra emprofundidade, necessitando de explosivos para sua extração.

Da mina sai o minério contendo de 1% a 2% decobre. Depois de extraído, britado e moído, o minério passapor células de flotação que separam a sua parte rica emcobre do material inerte e converte-se num concentrado,cujo teor médio de cobre é de 30%. Este concentrado éfundido em um forno onde ocorre a oxidação do ferro e doenxofre, chegando-se a um produto intermediário chamadomatte, com 60% de cobre. O matte líquido passa por umconversor e, através de um processo de oxidação ( insuflaoxigênio para a purificação do metal ), é transformado emcobre blister, com 98,5% de cobre, que contém aindaimpurezas como resíduos de enxofre, ferro e metaispreciosos. O cobre blister, ainda no estado líquido, passa porprocesso de refino e, ao seu final, é moldado, chegando aoânodo com 99,5% de cobre.

Após resfriados, os ânodos são colocados emcélulas de eletrólise. São então intercalados por finas chapasde cobre eletrolítico, denominadas chapas de partida.Aplicando-se uma corrente elétrica, o cobre se separa doânodo e viaja através do eletrólito até depositar-se nas placasiniciadoras, constituindo-se o catodo de cobre, com purezasuperior a 99,99%.

Este cátodo é moldado em suas diferentes formascomerciais para, posteriormente, ser processado etransformado em fios, barras e perfis, chapas, tiras, tubos eoutras aplicações da indústria.

Figura 2. Ciclo de obtenção do cobre

Normalmente, o produto final originário dosprodutores de cobre (mineiros), são os catodos refinados eos vergalhões de cobre, cuja produção é vendida quase que

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inteiramente para a indústria de transformação do cobre. Jáesta indústria, processa o catodo ou o vergalhão e, através deprocessos de laminação, extrusão, forjagem, fundição emetalurgia do pó, obtém uma larga variedade de produtos

tais como fios e cabos elétricos,chapas, tiras, tubos e barras quesão usados principalmente naindústria da construção civil,

eletro-eletrônica,automobilística e outras.

Os minerais de cobrepodem dividir-se em três

grupos distintos. Os minerais primários, que estãodepositados a grande profundidade e têm origem ígnea, deque são exemplo a bornite (Cu5FeS4) , calcopirite(CuFeS2), enargite (Cu3As5S4) e outros. O segundo grupoé composto por minerais de cobre oxidado resultantes daerosão de sulfuretos de cobre. Neste grupo destacam-se osminerais cuprite (Cu2O), malaquite (CuCO3.Cu(OH)2),azurite (2CuCO3.Cu(OH)2) e crisocola (CuSiO3.2H2O). Oterceiro grupo é constituído por minerais resultantes daerosão de sulfuretos de cobre, tais como a calcocite (Cu2S) ea covelite (CuS).

Os minerais com maior interesse comercial são acalcocite (Cu2S), que possui 79,8 % de cobre, e a calcopirite(CuFeS2) com 34,5 %. Minerais como enargite ou outrossulfuretos podem viabilizar a exploração que usualmente sefaz em mina aberta. A minagem em profundidade é menoscomum, na extracção de cobre, devido aos seus elevadosencargos.

A seguir, temos um fluxograma geral do ciclo deextração e industrialização do cobre e uma tabela com osprincipais minerais:

TABELA IPRINCIPAIS MINERAIS PARA OBTENÇÃO DO COBRE

III. PROPRIEDADES BÁSICAS

O cobre é um elemento metálico com númeroatômico 29 e peso atômico de 63,57. O seu símbolo químicoé Cu, e suas valências são +1 e +2.Não é magnético e pode ser utilizado puro ou em ligas comoutros metais que lhe conferem excelentes propriedadesquímicas e físicas.

• Densidade: 8,96 g / cm3 ( 20°C )

• Ponto de fusão: 1083ºC• Ponto de ebulição: 2595°C• Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 x 10 -

6 cm/cm/°C ( 20°C)• Resistividade elétrica: 1,673 x 10 -6 ohm.cm

(20°C)• Pressão de vapor: 101 mm Hg à 20°C• Condutividade elétrica: 101 % IACS à 20 °C• Calor latente de fusão: 50,6 cal/g• Calor específico: 0,0912 cal/g/°C (20°C)• Forma cristalina: Cúbica de faces centradas

IV. O COBRE E SUAS LIGAS

O cobre é normalmente usado em sua forma pura,mas também pode ser combinado com outros metais paraproduzir uma enorme variedade de ligas. Cada elementoadicionado ao cobre permite obter ligas com diferentescaracterísticas tais como: maior dureza, resistência acorrosão, resistência mecânica, usinabilidade ou até paraobter uma cor especial para combinar com certas aplicações.

Veja o gráfico abaixo que relaciona as ligas docobre.

Figura 1. Relação das ligas de cobre

A. Cobre e Zinco

Esta combinação pertence ao grupo dos latões e oconteúdo de zinco varia de 5% a 45%. Esta liga é utilizadaem moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel,ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados econformados etc.

B. Cobre e Estanho

A combinação destes metais forma o grupo dosbronzes e o conteúdo de estanho pode chegar a 20%. Éutilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem,válvulas, buchas, engrenagens etc.

C. Cobre e Alumínio

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Esta liga normalmente contém mais de 10% dealumínio. É utilizada em peças para embarcações, trocadoresde calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc.

D. Cobre e Níquel

Esta liga é conhecida comocuproníquel e o conteúdo de níquelpode variar de 10% a 30%. É utilizadaem cultivos marinhos, moedas,bijuterias, armações de lentes etc.As ligas que normalmente contémentre 45% a 70% de cobre, e de 10% a18% de níquel, sendo o restante

constituído por zinco, recebem o nome de alpacas. Por suacoloração, estas ligas são facilmente confundidas com aprata. São utilizadas em chaves, equipamentos detelecomunicações, decoração, relojoaria, componentes deaparelhos 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 emquilates: o ouro puro é o ouro 24 quilates, portanto, quantomais baixo for o número de quilates, menor será aquantidade de ouro).

V. PRINCIPAIS ATRIBUTOS DO COBRE NACONDUÇÃO DE ENERGIA

O cobre é o mais eficiente, resistente e confiávelmetal para ser utilizado em condutores elétricos. Veja oporquê:

A . O Cobre é o Padrão de Condutibilidade

Em 1913, a Comissão Internacional deEletrotécnica adotou a condutibilidade do cobre comopadrão, definindo-a como sendo 100% para cobre recozido(IACS). Isto significa que o cobre proporciona uma maiorcapacidade de conduzir corrente elétrica para um mesmodiâmetro de fio ou cabo do que qualquer outro metal deengenharia usualmente empregado como condutor elétrico.

Cabos elétricos de cobre requerem menor isolaçãoe eletrodutos de menor diâmetro quando comparados comcabos de alumínio. O alumínio possui menorcondutibilidade elétrica, necessitando, portanto, de cabos demaior diâmetro quando comparados com o cobre paraconduzir a mesma corrente. Este é o motivo pelo qual numdado eletroduto é possível instalar uma maior quantidade defios ou cabos de cobre comparados com o alumínio. Alémdisso, o cobre também proporciona uma condutividadetérmica superior (60% superior ao alumínio), o que leva auma economia de energia e facilita a dissipação de calor.

B. O Cobre é Compatível com Conectores e OutrosDispositivos

Resistência mecânica, flexibilidade e resistência àcorrosão tornam o cobre ideal para ligações a conectores,realização de soldas etc.

C. O Cobre Possui Resistência e Ductilidade

Esta única combinação faz do cobre o metal idealpara condutores. Normalmente quanto mais resistente é ummetal, menos flexibilidade ele terá. Isto não ocorre com ocobre. Assim você terá as vantagens de durabilidade eductilidade quando especificar o cobre como materialcondutor.

D. O Cobre é Fácil de Instalar

A resistência, dureza e flexibilidade do condutor decobre assegura ao mesmo tempo facilidade de manuseio einstalação, reduzindo assim os custos de mão de obraassociados. Quando você puxa um condutor de cobre atravésde um eletroduto, ele resiste ao estiramento e não quebra.

Podemos dobrá-lo ou torcê-lo, e ele ainda resiste àquebra.

E. O Cobre Resiste á Corrosão

O cobre puro (>99,9% de cobre), usado emcondutores elétricos, é um metal nobre que quando emcontato com outros metais (ferro, aço etc.) não está sujeito àcorrosão galvânica. Os fios de cobre também resistem àcorrosão por umidade, poluição industrial e outrasinfluências atmosféricas que possam causar danos aosistema.

F. O Cobre Atende ás Especificações

Anos de confiabilidade e performance fazem docobre o padrão para o uso em condutores elétricos,atendendo a todas às especificações praticadas nos maisdiferentes países.

G. O Cobre é Econômico

Numa primeira avaliação, o condutor de alumínio éalgumas vezes mais barato que o condutor de cobre, maseconomia não é medida somente pelo custo inicial deaquisição. O custo ao longo do tempo, que incluiferramentas extras de instalação, procedimentos, materiais,serviços, reparos e potencial para expansão do sistema, deveser também avaliado. Estes custos normalmente sãoesquecidos numa primeira avaliação. Então considere todasas questões envolvidas e você descobrirá que o cobre é ocondutor mais econômico.

Com fios e cabos de cobre você obtém:

• 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.

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VI. RECICLAGEM

A . Introdução

Durante milhares de anos, o cobre e suas ligasforam reciclados. Isto tem sido uma prática econômicanormal. Dizia-se que uma as maravilhas do mundo, oColosso de Rhodes, uma estátua que se estendia ao longo daentrada do porto de Rhodes, era feita de cobre. Não restounenhum vestígio do monumento, uma vez que ele foireciclado para a confecção de outros objetos.

Na Idade Média, após o término da guerra eracomum a fusão de canhões de bronze para a manufatura deobjetos mais úteis, e, em tempos de combate, até os sinosdas igrejas eram utilizados na manufatura de canhões

.Toda a indústria do cobre e de suas ligas dependeda reciclagem econômica de sucata e refugos. Existe umalinha extensa de produtos à base de cobre que se destina auma grande variedade de aplicações.

B. Sucata de Cobre

O uso comercial habitual para o cobre puro serefere a aplicações mais delicadas, tais como a produção defios destinados aaplicações elétricas. É essencial que apureza seja mantida para garantir a alta condutividade,capacidade de recozimento consistente e que não hajaquebras durante a produção do vergalhão e subseqüentemanufatura do fio. As superfícies não podem ter falhas,conseqüentemente, o fio de cobre deve ter uma qualidade desuperfície excelente. Cobre primário da melhor qualidade éutilizado na produção do vergalhão para essa finalidade.

A sucata obtida em processos de reciclagem não-contaminados e outros tipos de sucata que foramrecuperadas eletroliticamente também podem ser utilizadas.

Além do uso na eletricidade, o cobre também éutilizado para fabricar uma grande quantidade de tubos,chapas para cobertura de telhado, trocadores de calor etc.

Nesses casos, não é necessário um alto grau decondutibilidade elétrica e os outros requisitos de qualidadenão são tão onerosos. O cobre secundário pode ser utilizadona produção desses materiais, embora dentro de um limiteestipulado para impurezas. Cobre de boa qualidade e com alta condutibilidadepode ser reciclado pela simples fusão e inspeção antes dafundição,seja para o formato final ou para fabricaçãoposterior. Entretanto, esse processo só é válido para sucatasobtidas em ambientes de manuseio exclusivo de cobre.Quando o cobre se contaminar e for necessário o seu novorefino, normalmente será necessário derretê-lo e fundí-lo noformato de anodo para que seja purificado eletroliticamente.

Se, no entanto, o nível de impurezas no anodo forsignificativo, é pouco provável que o catodo produzido váatender aos altos padrões exigidos para o cobre 'A', utilizadona fabricação de fios e cabos elétricos.

C. Sucata de Latão

A reciclagem da sucata de latão é essencial para aindústria. O latão para extrusão eestampagem a quente é normalmente obtido a partir da fusãode sucata com composição similar e corrigido pela adição de

cobre virgem ou zinco, conforme o caso, para atender àsespecificações antes de vertê-lo.

A presença de outros materiais no latão, como ochumbo,é freqüentemente necessária para melhorar a suausinagem,de forma que esses elementos são em geralaceitáveis. A sucata de latão, originada nas operações deusinagem, pode ser fundida economicamente mas deve serisenta de excesso de lubrificantes, especialmente daquelesque contêm compostos orgânicos que causam fumaça,inaceitável durante o processo de fusão. Quando o latão é fundido de novo, existenormalmente alguma evaporação do zinco mais volátil. Issoé compensado no líquido para corrigir a especificação.

O latão que será manufaturado no formato dechapas e tiras deve ser consideravelmente livre de impurezasa fim de manter a ductibilidade quando resfriado. Ele podeser enrolado, repuxado, estampado, rebitado ou sofrerqualquer outra forma de moldagem a frio. É normal,portanto, fabricá-lo a partir do cobre virgem ou zinco,preponderantemente em conjunto com sucata processada apartir de um método limpo, cuidadosamente triado eidentificado.

D. Sucata de Bronze

Ligas de cobre como bronzes fosforosos, bronzesduros, bronzes com chumbo e bronzes com alumínio sãonormalmente elaboradas segundo padrões rígidos, a fim degarantir a qualidade para aplicações específicas. Elas sãofeitas a partir de lingotes de composição garantida emconjunto com sucata de composição idêntica, obtida emprocesso de separação criteriosa. Nos casos em que a sucatafor misturada ou tiver composição indefinida, ela éprimeiramente dissolvida por um fabricante de lingotes eanalisada a fim de que a composição seja corrigida para ospadrões da liga.

Quando o cobre e sucatas de ligas de cobreestiverem muito contaminados e impróprios para a simplesfusão, eles podem ser reciclados por outros meios para arecuperação do cobre, seja como metal ou para obtenção dosvários compostos essenciais para aplicações industriais e naagricultura.

E. Considerações Ambientais

O cobre é um micro elemento essencial, necessárioao desenvolvimento saudável da maioria das plantas,animais e seres humanos.

Outros metais associados às ligas de cobre não sãoencontrados geralmente em estados considerados perigosos.No entanto, quando ocorrer geração de fumaça, por exemplono derretimento ou soldagem, pode ser necessária autilização de equipamentos de extração de fumaça.

O berílio é utilizado, algumas vezes, como oelemento para se fazer uma das ligas mais resistentes que seconhece, de valor inestimável na produção de molas parausos pesados. Quando em liga com cobre e em estadosólido, ele não apresenta risco à saúde. No entanto, quandopresente na atmosfera, o berílio pode ocasionar males àsaúde e deve ser controlado.

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F. Valor do produto

Um produto de alta qualidade pode ser obtido se asucata for de cobre puro e não estiver contaminada por nadaindesejável. Da mesma forma, se a sucata for proveniente desomente uma formulação de liga, é mais fácil derretê-la eobter um produto de boa qualidade, embora possa havernecessidade de alguma correção na composição durante afusão.

Neste processo, se a sucata for misturada,contaminada ou tiver outros elementos, como solda, serámais difícil ajustar a composição para dentro dos limitesespecificados. Nos casos em que o chumbo ou estanhoestiverem presentes, normalmente será possível corrigir acomposição com a adição de mais chumbo ou estanho parafazer bronze com chumbo. No caso de sucatas contaminadascom elementos indesejáveis, estes podem ser diluídosdurante a fusão, de forma que o nível de impurezas fiquedentro das especificações. Todas essas técnicas preservambastante o valor da sucata.

VII . REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Site da Internet:[1] Procobre – Instituto Brasileiro do Cobre –www.procobrebrasil.org