Aplicações de cobre - procobre.org · O manual de tecnologia de aplicações do cobre continuará...

Aplicações de cobreManual de tecnologiaOutubro de 2012, v. 3.0

copperalliance.org | 2

ÍndicePrioridades de pesquisa e desenvolvimento............3Resumo executivo..........................................................4Levando à inovação: Propriedades fundamentais do cobre:......................8Prioridades do Manual................................................12Oportunidades existentes/em evolução.................14Oportunidades Emergentes.......................................17Potenciais Aplicações Futuras..................................23Execução........................................................................25Apêndice A: A Evolução do motor com rotor com cobre fundido............................................28Apêndice B: Propriedades fundamentais do cobre.....................32Apêndice C: Tendências e desafios Influência da utilização de cobre.................................................33Apêndice D: Cobre e sociedade................................35Apêndice E: Ciclo de vida do cobre.........................36Apêndice F: Cobre atualmente.................................37Apêndice G: Contribuintes.........................................38Apêndice H: Referências.............................................39

copperalliance.org | Prioridades de pesquisa e desenvolvimento 3

Prioridades de pesquisa e desenvolvimento

Semi-Fabricated Products

Fundamental Properties of Copper:Electrical Conductivity | Formability | Color/Aesthetic Appearance | Alloyability

Aquaculture

Automotive Electrical Propulsion

Seismic Energy Dissipation

Thermal Energy Storage

Ultraconductive Copper Components

Exploration of Potential Future Applications

Engineered/Manufactured System Components and

Finished Products

Trends and Challenges:

• Reducing processing cost• Maximizing value-added

use of copper• Increasing competitive

pressure from other materials• Changing regulations,

codes and standards

• Assuring performance of engineered copper products

• Increasing use of complementary engineered materials

• Designing for recovery and reuse

• Preparing for climate change

Material Selection and Sourcing

Engineered Design

Product and Process Development

Cátodos acabados

Pesquisa e produçãoPós-produção

Aplicações emergentesAplicações existentes/em evolução

Sucata de cobre (limpa)

Tendências e desafios:

Componentes do sistema fabricados e produtos acabados

Seleção de materiais e compra

Projeto de engenharia Produto e processo de desenvolvimento

Gestão de fim de vida útil

Componente e uso de produto acabado

Aquicultura

Propulsão elétrica automotiva

Dissipação de energia sísmica

Armazenamento de energia térmica

Ultracondutor

Componentes de cobre

Exploração do potencialAplicações futuras

Ar condicionado e sistemas de refrigeração

Transmissão de dados/sinais

Superfícies antimicrobianas*

Fiação automotiva

Combustão de gás

Transmissão de energia elétrica

Interconexão de eletrônicos

Gerenciamento térmico e eletrônico

Sistemas motorizados

Energia renovável

Sucata de cobre (material secundário)

Propriedades fundamentais do cobre:Condutividade elétrica | Formabilidade | Cor/aparência estética | Possibilidade de formar liga

Condutividade térmica | Resistência à corrosão | Efeito antimicrobiano | Infinitamente reciclável

Necessidades sociais em longo prazo:Melhoria da saúde humana | Sustentabilidade Ambiental

Aumento da eficiência energética | Melhor qualidade de vida

* Os itens em itálico estavam nas edições anteriores do manual e não constam mais nas prioridades de pesquisa e desenvolvimento

• Reduçãodocustodeproces-samento

• Maximizaçãodautilizaçãodevaloragregadodocobre

• Aumentodapressãocompetiti-vaapartirdeoutrosmateriais

• Alteraçãoderegulamentos,códigosenormas

• Garantiadodesempenhodeprodutosdecobrefabricados

• Aumentodousodemateriaisdecomplementaresfabricados

• Projetopararecuperaçãoereutilização

• Preparaçãoparaasmudançasclimáticas

Produtos semiacabados

Prioridades de pesquisa e desenvolvimento............3Resumo executivo..........................................................4Levando à inovação: Propriedades fundamentais do cobre:......................8Prioridades do Manual................................................12Oportunidades existentes/em evolução.................14Oportunidades Emergentes.......................................17Potenciais Aplicações Futuras..................................23Execução........................................................................25Apêndice A: A Evolução do motor com rotor com cobre fundido............................................28Apêndice B: Propriedades fundamentais do cobre.....................32Apêndice C: Tendências e desafios Influência da utilização de cobre.................................................33Apêndice D: Cobre e sociedade................................35Apêndice E: Ciclo de vida do cobre.........................36Apêndice F: Cobre atualmente.................................37Apêndice G: Contribuintes.........................................38Apêndice H: Referências.............................................39

copperalliance.org | RESUMO EXECUTIVO 4

Resumo executivo

Visão GlobalO cobre tem um histórico notável e ininterrupto como parte integrante da vida humana e da civilização. Ele possui uma combinação única de propriedades que, através de uma visão científica e da criatividade, foi aplicada em algumas das maiores inovações da história: instrumentos de navegação de precisão, sistemas elétricos, distribuição de água potável, ar condicionado e comunicações de dados. Este manual de tecnologia com aplicações do cobre coloca o leitor em direção aos novos e promissores desenvolvimentos do cobre com potencial de aplicação global.

Desde que a Associação Internacional do Cobre (ICA, em inglês) apresentou esse manual em 2007, ele tem servido como um conjunto de conhecimentos e um guia para os esforços de colaboração e de pesquisa pré-competitiva entre produtores e fabricantes, setores que utilizam o cobre, universidades, programas do governo, empresários e tecnólogos independentes.


O diagrama mostrado na página 3 descreve o mapa completo do setor de cobre com relação à pós-produção. A primeira seção do manual aproxima-se das bordas externas do diagrama, especificamente das aplicações existentes/em evolução e aplicações emergentes.As áreas em itálico representam aplicações onde melhorias significativas foram feitas nos últimos anos. Embora essas áreas não sejam mais vistas como prioridades, o trabalho ainda continua a promover o avanço da tecnologia do cobre nestas aplicações.O apêndice A fornece um estudo de caso de como se dão os avanços na tecnologia do cobre através de pesquisa, desenvolvimento de processos, projeto de engenharia e uso comercial. Os apêndices B, C e D abordam a área do centro do diagrama, descrevendo as propriedades fundamentais do cobre, discutindo as tendências e mudanças que influenciam o uso de cobre, analisando como esses atributos podem ajudar no progresso futuro da sociedade.

Novas Direções

As aplicações existentes/em evolução prioritárias incluem:• Sistemas de ar condicionado e refrigeração

- A tendência em direção a sistemas mais compactos e econômicos em energia e o uso crescente de arrefecedores ambientalmente amigáveis apresentam implicações de design e oportunidades para o cobre que podem ser abordadas por pesquisa e desenvolvimento colaborativos. Desde a primeira versão do manual, uma equipe da indústria e pesquisadores acadêmicos organizados pela ICA reduziu o teor de cobre em alguns trocadores de calor de aparelhos de ar condicionado de alto volume em 40 por cento, através do uso de um tubo de cobre com sulcos com menor diâmetro interno.Este esforço continua e agora está sendo expandido para equipamentos de refrigeração. O cobre oferece vantagens em termos de eficiência energética sustentável, facilidade de fabricação, efeito antimicrobiano e qualidade do ar do ambiente.

• Transmissão de dados/sinal - Cabos feitos com cobre com maior largura de banda e consumo reduzido de energia que oferecem mais fácil instalação e conexão reforçam a posição competitiva do setor. O cobre também fornece energia e dados através do mesmo cabo, simplificando assim a conexão de entretenimento digital, comunicações, computação e equipamentos de segurança em redes de alta velocidade, oferecendo uma solução econômica.


As aplicações emergentes abrem mercados inteiramente novos para o cobre, ampliando e aumentando o seu uso. Cada área requer o de-senvolvimento de novas e melhores tecnologias de uso do cobre. As principais oportunidades emergentes incluem:

• Aquicultura - Tanques de aquicultura marinha com ligas de cobre estão emergindo como uma solução eficaz para problemas significativos enfrentados pela indústria de piscicultura.Os tanques comuns construídos a partir de materiais sintéticos com revesti-mentos anti-incrustantes ficam incrustados com organismos marinhos após vários meses de uso.As redes de liga de cobre permane-cem livres de entupimento durante anos, melhorando assim a saúde dos peixes, au-mentando a taxa de crescimento dos peixes e eliminando a necessidade de limpar ou substituir as gaiolas. A resistência mecânica e a capacidade de resistência da estrutura de liga de cobre também impedem o ataque de predadores e a fuga de peixes.

• Propulsão elétrica automotiva - Sistemas de propulsão elétrica automotiva estão passando por um desenvolvimento substan-cial, atingindo designs com melhor enge-nharia, compactos e eficientes. Os sistemas de propulsão elétrica incorporam o cobre em baterias, controle elétrico, conectores e cabo de recarga, motores e gestão térmica. A produção de veículos elétricos requer mu-danças na infraestrutura elétrica, que tirará proveito do cobre.

• Dissipação de energia sísmica - Danos de terre-moto aos edifícios, o que nele estiver e seus ocu-pantes podem ser controlados através da utilização de dispositivos feitos de cobre que absorvem a energia para limitar os movimentos do prédio. Esta nova área de aplicação aplica ligas de cobre super-elásticas e a propriedade de deformação plástica do cobre refinado.

• Armazenamento de energia térmica - A tecnolo-gia energética com base em gelo tem se mostrado eficaz na demanda por energia elétrica da comu-tação em sistemas de ar condicionado. Os sistemas que utilizam materiais de comutação fásica com várias vezes a densidade de energia de água/gelo estão em desenvolvimento. Os compactos disposi-tivos de armazenamento de energia térmica com mudança de fase com permutadores de calor de cobre podem ser integrados com sistemas geotér-micos, de aquecimento de água, térmico solar e outros sistemas a fim de reduzir o custo do sistema e aumentar a eficiência energética. Assim como nas baterias elétricas, estes dispositivos podem ser carregados ou descarregados a taxas variáveis.

• Componentes ultracondutores de cobre - O pro-gresso está sendo feito nos métodos de incorpo-ração de nanotubos de carbono com parede única em cobre, de forma a aumentar a condutividade elétrica da temperatura ambiente do cobre em 30 por cento ou mais. Este avanço permitiria grandes melhorias de eficiência na transmissão de energia elétrica e redes de distribuição; motores e gera-dores elétricos muito mais compactos e de baixa perda; e reduções importantes na geração de calor em todos os tipos de sistemas eletrônicos.


Futuros conceitos de aplicaçãoO setor do cobre, agindo através da ICA, financia a pesquisa e o desenvolvimento pré-competitivos que podem criar ou permitir futuras aplicações de mercado importantes para cobre ou ampliar uma já existente. Pesquisadores são convidados a propor conceitos criativos derivados de avanços científicos, transferência de tecnologia ou necessidades de negócios/sociais. Tais propostas devem identificar o avanço necessário e descrever uma abordagem credível. Existe a preferência por uma demonstração relativamente rápida e /ou escala de tempo de desenvolvimento. No entanto, as propostas relativas à investigação científica em longo prazo são sempre bem vindas.O manual de tecnologia de aplicações do cobre continuará a evoluir à medida que a indústria reage à tendências sociais, pressões da concorrência, desenvolvimentos técnicos relacionados e oportunidades inesperadas. Enquanto o manual atual não cobre todos os caminhos tecnológicos, ele se concentra sobre a as necessidades pré-concorrência de maior prioridade do setor do cobre e seus clientes. A identificação e a definição de novas atividades de pesquisa continuam a ser um desafio. Para esse fim, a terceira seção deste documento traça planos para um processo gerido industrialmente para criar, lançar e gerenciar projetos de aplicações de cobre para além dos planos descritos neste manual.O sucesso deste manual será medido pelo número e escopo de projetos de pesquisa e desenvolvimento colaborativos que inspirar e os benefícios que esses projetos acumularem.

copperalliance.org | LEVANDO À INOVAÇÃO 8

Levando à inovação: Propriedades fundamentais do cobre:

O manual de tecnologia de aplicações do cobre aborda minas, fábricas, fundições e refinarias para fabricantes, processadores e fabricantes, bem como as disciplinas específicas, indústrias e aplicações (ver diagrama de propriedades de pesquisa e desenvolvimento). A substituição de materiais está crescendo nos mercados de cobre tradicionais, e é imperativo que o setor de cobre ativamente identifique e avalie novas oportunidades tecnológicas. O manual procura identificar as áreas em que a pesquisa tecnológica e o desenvolvimento provavelmente causariam um impacto significativo sobre o valor do cobre nos mercados emergentes e em evolução.


O cobre tem um histórico notável e ininterrupto como parte integrante da vida humana e da civi-lização. As propriedades fundamentais do cobre atenderam às necessidades da sociedade ao lon-go da história. A fim de impulsionar a inovação, o setor do cobre deve continuar a explorar as propriedades fundamentais do cobre, tais como:• Condutividade elétrica• Condutividade térmica• Efeito antimicrobiano• Formabilidade• Resistência à corrosão• Reciclagem Infinita• Cor/aparência estética• Facilidade de liga• Possibilidade de formar liga

À medida que o setor avança, ele deve colaborar com seus parceiros no exame de formas em que a vantagem intrínseca do cobre possa ajudar a sociedade a aplicar os benefícios do cobre para construir um mundo melhor e sustentável. O sucesso virá de:

• O desenvolvimento de novos materiais - ligas, compostos e composições - proporcionando for-mas mais rentáveis de produzir e processar esses materiais.As indústrias de conectores elétricos e empacotamento eletrônico são dois exemplos dos muitos em que esta abordagem é utilizada rotinei-ramente.

• Otimizar a forma como o cobre é usado ou fabri-cado. O desenvolvimento de fundição de cobre econômica patrocinado pela ICA é um exemplo do processo colaborativo de pesquisa e desenvolvi-mento no setor de cobre (ver Anexo A).

• Inovação que se beneficia dos atributos do cobre e neutraliza a possível substituição por materiais alternativos.

• Pensamento imaginativo que conecta o cobre a novas aplicações e supera desafios técnicos.


Vantagens intrínsecas do cobre

Nenhum outro metal, sozinho ou em forma de liga, oferece de forma tão eficaz a quantidade e a extensão de propriedades úteis como o cobre. Nas próximas décadas, o progresso tecnológico dependerá em grande parte de materiais avançados, como metais, ligas, compostos e outras estruturas, muitos dos quais podem potencialmente conter cobre.Além de ter alto desempenho técnico, esses materiais devem influenciar positivamente questões como a saúde humana, eficiência energética, sustentabilidade e qualidade de vida. Os materiais de cobre e com base de cobre claramente atendem a esses critérios. O apêndice B oferece informações adicionais sobre propriedades úteis do cobre. O anexo C discute as tendências e os desafios que influenciam o uso de cobre. O anexo D oferece uma visão sobre o papel do cobre na satisfação das necessidades sociais. Observação: Os apêndices B, C e D seguem o fluxo da seção central do diagrama do manual.


De catodos a produtos acabados: Projeto de engenharia e produto/Desenvolvimento de processos

Uma Transformação Visual do Cobre:

Nenhum outro metal, sozinho ou em forma de liga, oferece de forma tão eficaz a quantidade e a extensão de propriedades úteis como o cobre. Nas próximas décadas, o progresso tecnológico dependerá em grande parte de materiais avançados, como metais, ligas, compostos e outras estruturas, muitos dos quais podem potencialmente conter cobre.Além de ter alto desempenho técnico, esses materiais devem influenciar positivamente questões como a saúde humana, eficiência energética, sustentabilidade e qualidade de vida. Os materiais de cobre e com base de cobre claramente atendem a esses critérios. O apêndice B oferece informações adicionais sobre propriedades úteis do cobre. O anexo C discute as tendências e os desafios que influenciam o uso de cobre. O anexo D oferece uma visão sobre o papel do cobre na satisfação das necessidades sociais. Observação: Os apêndices B, C e D seguem o fluxo da seção central do diagrama do manual.

Recycled Copper Fish Cage

Precision Rolled Copper Alloy

Connectors

Extruded Copper Air Conditioning Tubes

copperalliance.org | PRIORIDADES DO MANUAL 12

Prioridades do Manual

Esse manual direciona programas de pesquisa e desenvolvimento colaborativos e pré-competitivos que beneficiam o setor de cobre e a sociedade. A indústria favorece esta abordagem colaborativa e pré-competitiva, porque os custos são distribuídos entre as partes que esperam obter benefícios e uma gama de conhecimentos está disponível para as equipes de projeto. A ICA procura propostas de pesquisa e desenvolvimento de alta qualidade para todas as áreas de oportunidade prioritárias.Os seguintes critérios gerais para a seleção das atividades prioritárias foram criados por associações do setor de cobre, produtores de produtos semi-fabricados/fabricados e para fabricantes de produtos para o consumidor final. As atividades prioritárias devem:• Abordar questões técnicas que, se resolvidas, devem resultar em um impacto positivo e significativo sobre a utilização

de cobre em áreas de aplicação existentes ou novas.• Ter uma alta probabilidade de implementação comercial, devido ao envolvimento de uma série de participantes do

setor, organizações de pesquisa e organizações de financiamento.• Melhorar a imagem ambiental e social positiva do cobre. O cobre é essencial para a saúde, seu uso promove a

eficiência energética, e sua reciclagem é quase insuperável entre todos os materiais de engenharia.

copperalliance.org | PRIORIDADES DO MANUAL 13

Classificação de oportunidades priorizadasAs oportunidades priorizadas descritas neste manual são agrupadas em duas classificações gerais:

Aplicações existentes/em evolução mantêm ou aumentam os usos atuais em larga escala de cobre. Normalmente, a pressão de custos, a concorrência por material e as restrições de projeto (por exemplo, a miniaturização) influenciam o uso do cobre nessas aplicações. O objetivo é a aplicação de propriedades técnicas do cobre de forma mais eficaz para manter a posição do cobre como o material de preferência.O sucesso deste manual será medido pelo número e escopo de projetos de pesquisa e desenvolvimento colaborativos que inspirar e os benefícios que esses projetos acumularem.

As aplicações emergentes abrem mercados inteiramente novos para o cobre, ampliando e aumentando, assim, o seu uso. O foco está na melhoria e na aplicação criativa de propriedades do cobre para resolver os problemas das novas tecnologias. A exploração da eficácia antimicrobiana do cobre para superfícies em que se toca e da comercialização de dispositivos de dissipação de energia com base em cobre é um exemplo desta categoria.O sucesso deste manual será medido pelo número e escopo de projetos de pesquisa e desenvolvimento colaborativos que inspirar e os benefícios que esses projetos acumularem.

copperalliance.org | OPORTUNIDADES EXISTENTES/EM EVOLUÇÃO 14

Oportunidades existentes/em evolução

Ar condicionado e sistemas de refrigeraçãoO uso tubo de cobre de menor diâmetro (diâmetro com ≤ 5 mm) oferece vantagens significativas em permutadores de calor e sistemas, incluindo tamanho reduzido, carga de arrefecimento reduzida, menor custo e maior eficiência energética. Alcançar soluções de baixo custo envolve pesquisa e desenvolvimento de ligas de materiais, tubo de metal e fabricação de aleta, engenharia de design de permutadores de calor, transferência de calor em duas fases e otimização do sistema.Atualmente, R410A e outros hidro-fluorcarbonos (HFCs) são os arrefecedores de preferência em aplicações de troca de calor. Os sistemas que utilizam o arrefecedor R410A são executados a uma pressão cerca de 60 por cento mais elevada do que os sistemas semelhantes que utilizam R22. Este apresenta implicações de design e oportunidades. No médio prazo, novos arrefecedores hidrofluoroolefinas (HFO) são os principais candidatos para substituir o R410a e o R134. No longo prazo, o dióxido de carbono, hidrocarbonetos e água podem tornar-se alternativas preferenciais. O crescente interesse em arrefecedores de hidrocarbonetos, tais como iso-butano e propano para aplicações selecionadas, significa que os sistemas de cobre devem continuar a adaptar arrefecedores ambientalmente amigáveis.


Tendências, problemas e determinantes• Aumento da procura por maior eficiência

energética, sistemas de ar condicionado compactos com melhor qualidade do ar

• Intensificação de competição inter-material• Redução do custo de produção• Redução da destruição da camada de ozônio e

do aquecimento global em potencial, através de mudanças nos arrefecedores

• Eliminação de vazamentos de arrefecedores do sistema

• Redução do impacto ambiental do descarte de fim-de-vida e reciclagem de materiais

Oportunidades eatividades recomendadasPróxima geração ambientalmente corretas de fluidos de trabalho• Otimização dos designs do permutador de

calor de cobre MicroGrooveTM de pequeno diâmetro para a próxima geração de fluidos de trabalho e possíveis futuros arrefecedores

• Atualização e otimização de trocadores de calor e software de simulação de design de sistemas para o tubo de cobre de pequeno diâmetro, adaptando-se à utilização de novos arrefecedores (tanto em ar condicionados de sala quanto em sistemas de refrigeração)

• Desenvolvimento de configurações com sistemas separados de transferência do gás integral para o calor do líquido (por exemplo, para líquido de trabalho CO2/arrefecedor de água)

• Otimização de pequenos sistemas de carga de arrefecimento capazes de usar arrefecedores de hidrocarbonetos

Processos de fabricação• Desenvolvimento de liga mais eficiente e com

menor custo de trabalho e soluções de montagem para trocadores de calor

• Apresentação de projeto de sistema e métodos de fabricação para garantir que sistemas de trocadores de calor sem vazamento

Eficiência energética• Melhoria da transferência de calor e resolução de

questões de distribuição de fluxo em trocadores de calor compactos usando tubo de cobre de diâmetro de 5 mm e 4 mm

• Expansão da aplicação de sistemas com tubo de 5mm/4mm para bombas de calor e tamanhos maiores, como o fluxo de arrefecedores variável e sistemas de telhados comerciais leves

• Desenvolvimento de novas geometrias de projeto de trocadores de calor para o desempenho do MicroGroove - exploração do potencial e das limitações dos designs de trocadores de calor de cobre de geometria variável e designs sem aleta

Novas aplicações e tecnologias• Expansão da utilização de sistemas de tubos de

cobre pequeno diâmetro em refrigeração, sistemas de armazenamento térmico de material para troca de fase, aquecedores de água para bombas de calor, bombas de calor de veículos elétricos e bombas de calor de chão

• Identificação e exploração de novas tecnologias de troca de calor que possam impactar os sistemas de tubo-aleta de cobre

• Identificação e avaliação de novas aplicações de aleta de cobre que necessitem de desempenho antimicrobiano


Transmissão de dados/sinaisInstalações industriais, comerciais e de consumo de computação continuamente exigem maior capacidade de largura de banda. Mais de 80 por cento das interconexões dos equipamentos de transferência de sinal em centros de dados usam cabos e conectores de cobre. Nessas conexões de curta distância e densamente espaçadas, o cobre compete com sucesso contra a fibra óptica. Para distâncias de cabos com menos de 100m (mais de 99 por cento das conexões em centros de dados e conexões horizontais de redes locais têm menos de 100 m), cabos de cobre com larguras de banda de até 10 Gbps estão disponíveis em uma fração do custo da fibra óptica. Larguras de banda de até 100 Gbps estão em desenvolvimento e têm sido demonstradas.

A substituição de cobre com fibra requer outros dispositivos de acoplamento ópticos/elétricos, aumentando o custo e a comple-xidade. No entanto, o custo das instalações com fibra continua a diminuir e esta reali-dade de mercado exige contínuo desenvol-vimento de sistemas de cabeamento com cobre de maior velocidade a fim de manter o metal competitivo. Além de fornecer largura de banda adequada, novos cabos de cobre devem reduzir o consumo de energia e ser mais simples e mais robustos do que os sistemas existentes no que diz respeito à instalação e conectividade fácil.

Entre as principais características do cobre estão a capacidade de fornecer energia e dados ao mesmo tempo e a capacidade de fornecer uma fonte confiável de energia que permite que dispositivos da rede, como telefones com protocolo da Internet, pontos de acesso sem fio, câmeras de segurança, portas de rede para dispositivos portáteis e até mesmo computadores de baixa potência operem onde as fontes de alimentação convencionais, como cabos ou tomadas de corrente alternada, não são práticas.

Tendências, problemas e determinantes• Aumentos contínuos nas velocidades

de conexão: 10 Gbps (10 bilhões de bits por segundo) está agora substi-tuindo 1 Gbps em centros de dados - 100 Gbps deve dominar depois de 2020, 1 Tbps já está sendo discutido

• Fornecedores de fibras ópticas também continuam a promover soluções de co-nexão de dados de alta velocidade, mas com redução de custos decrescente

•Oscabosdecobrevãocontinuarasercompetitivos à medida que continuem a bater a fibra em velocidade em distâncias curtas (≤ 100m)•Oconsumodeenergiaemcentrodedados está se tornando um limite no crescimento

Oportunidades eatividades recomendadasInterfaces de cobre de alta velocidade• Desenvolvimento de tecnologia para

maximizar a velocidade de dados na distância padrão do setor de 100 m com cabos de cobre para dados e conectores de baixo ruído

• Apoio do desenvolvimento de padrões do setor para interfaces de cobre e promoção do desenvolvimento de equipamentos de rede que incluam interfaces de cobre

Energia para dispositivos de rede remotos• Apoiar o desenvolvimento de padrões

da indústria incorporando capacidade de fornecer 30 W ou mais em cabos de dados de cobre padrão

• Expansão da disponibilidade de pro-dutos em rede que se beneficiem de energia disponível através de cabos de dados

Consumo de Energia Reduzido• Desenvolvimento de técnicas de sinaliza-

ção de baixo consumo de energia que se beneficiem de cabos de cobre melhorados para reduzir o consumo de energia do centro de dados/rede

• Exploração do potencial para de aplicação de cobre ultracondutor em aplicações de comunicação de dados (consulte “Oportu-nidades emergentes”)

copperalliance.org | OPORTUNIDADES EMERGENTES 17

Oportunidades Emergentes

AquiculturaA piscicultura é uma indústria multibilionária global. O esgotamento das populações de peixes selvagens e a crescente demanda por peixes de viveiro aumentou a aquicultura próxima à costa e a expansão para o ambiente marinho em terra firme. Existem preocupações sobre os ataques de predadores, equipamentos e práticas de piscicultura ambientalmente não sustentáveis de peixe, ao lado de possíveis ameaças à saúde humana dos antibióticos e vacinas dadas aos peixes de viveiro.

A combinação de forças mecânicas de ligas de cobre, a resistência à corrosão e a reciclagem abordam estas questões. A malha de liga de cobre permanece limpa e permite que a água rica em oxigênio flua através das redes, retirando resíduos e detritos dos peixes, mantendo, assim, um ambiente saudável. Além disso, a malha de liga de cobre reduz a propagação de doenças infecciosas, reduzindo significativamente a acumulação da maioria dos ovos parasitas, reduzindo ou eliminando, assim, a necessidade de tratamentos terapêuticos. A resistência mecânica e a resiliência de uma estrutura de malha de liga de cobre resiste a ataques de predadores, danos de tempestade e a fuga de peixes. Ao contrário de redes feitas a partir de materiais sintéticos, as estruturas de liga de cobre são completamente recicláveis no final de sua vida útil.


Nas décadas de 1960 – 1980, o setor do cobre de-senvolveu diversas redes feitas de cobre para aqui-cultura. Estas redes eram rígidas e não facilmente escaláveis para grandes volumes de produção.Atividades de desenvolvimento recentes em ligas de cobre e design de redes incluem redes de fio de tecido e ligas de metal expandidas com chapas com vidas de serviço que atingem mais de seis anos. As redes de liga de cobre têm permitido uma taxa de crescimento de 10 a 15 por cento mais rá-pida, uma redução de 50 por cento na mortalidade de peixes devido à melhoria na saúde dos peixes, um uso mais eficiente de alimentos e um lucro maior para os donos da aquicultura.

Tendências, problemas e determinantes• A expansão global da aquicultura de 8 por

cento ao ano durante os últimos 30 anos deverá continuar

• Automação e sustentabilidade são as duas principais iniciativas de todos os grandes produtores de peixes

• Necessidade de uma redução na perda de peixes devido aos predadores, tempestades, parasitas e infecções

• Necessidade de redução do trabalho, especi-ficamente mergulho

• Demanda de consumo por frutos do mar mais sustentáveis

• Principais produtores de salmão forçando os fornecedores a fornecer sustentabili-dade equipamentos que permitam maior sustentabilidade.

• Necessidade de obtenção de certificação da indústria para a segurança e sustenta-bilidade

Oportunidades eatividades recomendadasRede de peixes• Melhoria dos designs das conexões do

sistema de malha de flutuação para simpli-ficar a montagem

• Desenvolvimento de colheita eficiente e técnicas de classificação que apliquem a natureza semirrígida de malha de liga de cobre

• Investigação do uso eficiente de material com redes que compartilhem paredes mútuas

• Investigação de painéis de redes substi-tuíveis in situ para diferentes opções de tamanho de malha à medida que os peixes crescem

• Desenvolver sistemas de remoção automá-tica para a extração de peixes mortos das canetas com fundo quase plano

• Investigação de designs de redes para espécies alternativas, como peixes chatos

• Desenvolver redes de baixo custo para benefícios sociais nas regiões em desen-volvimento

• Desenvolvimento de métodos mais eficien-tes e econômicos de instalação de redes

Desenvolvimento de liga e malha• Desenvolvimento de ligas com melhor re-

sistência ao desgaste mecânico e corrosão• Investigação de formas de malha e ligas

apropriadas para eliminação de predadores e resistência a danos da tempestade

• Investigação de tubulação selada em opo-sição a fio como a compensação de malha pesada com flutuabilidade integrada

• Desenvolvimento de base de conheci-mento ou modelo de previsão de vida útil de várias ligas em diferentes condições oceânicas

Saúde dos peixes e impacto ambiental• Realização de atividades de pesquisa e publica-

ção dos resultados relacionados à compreensão dos efeitos da malha de liga de cobre sobre o estresse dos peixes, parasitas, patógenos, taxa de mortalidade, taxa de crescimento e taxa de con-versão alimentar, bem como níveis de segurança de liberação de cobre para o meio marinho nas proximidades

• Investigação de oportunidades em outros lugares da aquicultura que apliquem os benefícios an-timicrobianos do cobre como incubadoras, funis de alimentação e vasos de colheita


Propulsão elétrica automotivaOs sistemas de propulsão elétrica incorporam o cobre em motores, baterias, controle elétrico, conectores e cabo de recarga, motores e gestão térmica. Os setores ferroviário, marítimo de construção pesada e automotivo compreendem mercados importantes que empregam tecnologia de propulsão elétrica. A área prioritária para pesquisa e desenvolvimento é a propulsão elétrica automotiva, onde os sistemas estão em fase de desenvolvimento substancial e afastando-se dos sistemas com base em motores elétricos, buscando abordagens de mais alta tecnologia, mais compactas e eficientes.Oportunidades adicionais incluem componentes de cobre para alta capacidade de corrente e gerenciamento térmico em eletrônica de potência e baterias, bem como a infraestrutura para suportar a recarga de veículos elétricos.

Prevemos uma transição de médio prazo da tec-nologia de veículos de tração por motores que têm motores com ímãs permanentes em seus rotores para motores de indução, que têm apenas cobre e aço em seus rotores.Estes motores de indução com rotores com cobre são mais baratos para produzir e utilizam materiais ambientalmente mais sensíveis.Os motores de indução têm desempenhado um papel coadjuvante na tração automotiva desde sua estreia no início de 1990 no Impact, veículo com-pletamente elétrico da General Motors. Hoje eles são encontrados em carros de passageiros de em-presas como a Toyota, BMW e Tesla que adotaram a tecnologia recentemente. (Veja o apêndice A).

No design de estatores de motor, os projetistas de veículos buscam motores menores, menos onerosos, motores e mais eficientes. A taxa de en-chimento típica (isto é, a densidade de volume) de enrolamentos de cobre nos estatores de máquinas elétricas é de cerca de 50-60 por cento. A taxa de enchimento em excesso de 80 por cento acelera a transição dos sistemas de transmissão de energia automotiva para novos componentes com bastante cobre e reduz o tamanho e peso dos componentes.

O carregamento de uma bateria de 35 kWh em 10 minutos exige 250 kW. Uma estação de carrega-mento elétrico para quatro carros necessitaria de 1 MW.O carregamento rápido elimina a necessidade de grande escala de armazenamento de energia e é muito mais atraente para os consumidores que preferem carregar carros em casa ou enquanto estacionado. A excelente condutividade térmica do

cobre pode oferecer soluções de transferência de calor que melhorem a capacidade de arrefeci-mento de estações de carregamento rápido.

Tendências, problemas e determinantes• O esforço em direção à proteção ambiental

e mitigação das mudanças climáticas está ditando a aceitação dos veículos elétricos

• A tecnologia da bateria ainda requer melhorias para permitir a adoção em larga escala de veículos elétricos

• O interesse em veículos elétricos flutua com os preços dos combustíveis, mas, no longo prazo, a tração elétrica deve sair vitoriosa

• A sensibilidade geopolítica e os níveis de preços dos metais de terra raros estão fazendo com que os OEMs se interessem em motores de indução

• A fundição de cobre amadureceu como um processo de produção em massa para rotores de veículos motores

Oportunidades eatividades recomendadas• Aumentar a taxa de preenchimento de

cobre nas ranhuras de laminação dos estatores do motor em um excesso de 80 por cento

• Aumento da vida útil da fundição para reduzir custos de produção de rotores de cobre fundido

• Apoio da prototipagem de motores de indução em OMEs de veículos e fornece-dores Tier-1

• Educação dos tomadores de decisão de engenharia automotiva sobre as vantagens dos motores de indução para tração do veículo

• Desenvolvimento da rede de fornecimento de fundição de rotores de cobre mundialmente

• Exploração do papel do cobre em conceitos de baterias avançadas, incluindo gestão térmica

• Exploração das necessidades de sistemas de climatização em veículos elétricos

• Exploração da necessidade de componentes de cobre na infraestrutura de carregamento


Dissipação de Energia SísmicaA manutenção da solidez estrutural de edifícios em zonas sísmicas continua a ser um desafio ainda crítico, já que mais de 50 por cento da população mundial reside nas cidades. Uma gama de EDDS (dispositivos de dissipação de energia) é atualmente utilizada pela construção de engenheiros estruturais para controlar o movimento dos edifícios durante terremotos. Estes dispositivos se aplicam a abordagens visco elásticas, hidráulicas e mecânicas para absorver e dissipar a energia. Duas diferentes abordagens baseadas em cobre têm potencial nesta aplicação e proporcionam um melhor desempenho a baixo custo versus sistemas concorrentes. Ambos estão sendo investigados.

Alguns edifícios utilizam amortecedores sís-micos construídos a partir de aço e cimento.No entanto, esses amortecedores não têm elasticidade e não voltarão à sua posição original após um evento sísmico. EDDs fabri-cados a partir de ligas de cobre super-elásti-cas, tais como cobre-manganês-alumínio (80 por cento de cobre), oferecem de 8 a 10 por cento de alongamento.Este material normalmente aumenta a resistência de um edifício para mantê-lo em posição, mas só se estende quando sujeito a grandes forças, que ocorrem em caso de terremoto. Em um tremor de terra, um edifício balança de uma forma controlada e o dispositivo de liga de cobre superelástico retorna à sua posição inicial.Esta liga altamente eficaz também promete uma economia de custo em comparação a materiais de liga de titânio competitivos.

O cobre recozido deforma plasticamente devido a vibrações cíclicas, absorve a energia e mantém alta ductilidade. Ele está a ser considerado como um material ideal para os componentes EDD na armação de aço e estruturas de concreto armado.

As aplicações potenciais dos EDDs com base de cobre incluem estruturas flexíveis e crí-ticas, como grandes edifícios de escritórios,

hospitais, pontes, estruturas portuárias e instalações de mineração.Tendências, problemas e determinantes• Proteção de edifícios e ocupantes em

zonas sísmicas.• Prevenção de colapso e deformação

do edifício.• Prevenção do colapso catastrófico da

infraestrutura vital.• Desenvolvimento de materiais de

construção de baixo custo.

Oportunidades e atividades recomendadas• Desenvolvimento do processo de pro-

dução em massa para a laje e haste de liga superelástica de Cu-Al-Mn incluindo o processo de tratamento térmico para atingir o tamanho de grão grande

• Desenvolvimento de uma compreen-são mais detalhada da liga superelás-tica de Cu-Al-Mn-base superelástico em cargas sísmicas típicas

• Desenvolvimento de uma compre-ensão mais detalhada do comporta-mento do cobre recozido em cargas sísmicas típicas

• Projeção e teste de novos desenhos de EDD, caracterização de seu comporta-mento e fornecimento de parâmetros de engenharia aos engenheiros estruturais, para que possam incorporá-los em seus modelos sísmicos

• Buscar a colocação de EDDs com base de cobre em grandes edifícios de escritórios, hospitais, pontes, estruturas portuárias e instalações de mineração

• Explorar o uso do cobre superelástico em dispositivos de recentramento dinâmico, retornando, por exemplo, vãos de pontes para o centro de colunas de apoio para evitar o colapso catastrófico


Armazenamento de energia térmicaTanques de armazenamento de água quente e sistemas de armazenamento que têm como base o gelo são os tipos mais comuns de dispositivos de armazenamento de energia térmica. Além dos sistemas de congelamento/fusão de água, há outros materiais de mudança de fase (PCMs, em inglês), como as ceras e as abordagens à base de zeólito que podem armazenar mais energia térmica do que a água por unidade de volume. No entanto, a condutividade térmica dos PCMs é baixa e a adição/remoção de calor é mais lenta do que o desejado. Há uma oportunidade de melhoraria da condutividade térmica de PCMs aplicando-os em combinação com permutadores de calor com base de cobre. Esta combinação permite dispositivos de armazenamento térmico de densidade e com alta energia, os quais podem ser repetida e rapidamente carregados e descarregados.

O reservatório térmico pode ser mantido a uma temperatura superior (mais quente) ou inferior (mais frio) que a do meio ambiente.As aplicações potenciais que envolvem o carregamento lento com calor e descarga mais rápida incluem aquecimento solar da água e do ar ou aquecimento de água por bomba de calor proveniente do solo. Da mesma forma, os sistemas de armazenamento a frio para ar condicionado e aplicações de refrigeração podem ser carregados quando a demanda de eletricidade é baixa e descarregados para fornecer refrigeração em momentos de pico de demanda elétrica para reduzir a tensão na rede de energia elétrica.

O mesmo tipo de permutadores de calor de tubos de cobre utilizado em sistemas de ar condicionado pode ser aplicado a sistemas de armazenamento de energia térmica, em que os permutadores de calor são imersos em PCM líquido.Os circuitos de carga e descarga do tubo de cobre também podem ser incorporados em grafite impregnado com PCMs, em que o grafite contém completamente o PCM líquido, melhorando também a condutividade térmica do PCM.

Tendências, problemas e determinantes• interesse contínuo em melhorar a eficiência

energética• Redução do espaço necessário para o

armazenamento de água quente em aquecedores de água com bombas de calor

• Redução de custo de instalação de sistemas geotérmicos, incorporando armazenamento térmico

• Desenvolvimento de novos PCMs e armazenamento térmico com base em zeólito, permitindo > 5x de densidade de energia contra sistemas com base em água/gelo

• Integração de armazenamento térmico em paredes de edifícios, tetos e outros elementos de edificações

Oportunidades e atividades recomendadas• Projeto e teste de módulos de armazenamento

térmico com base em PCM utilizando trocadores de calor com aleta/tubo de cobre imersos em PCM líquido

• Projeto e teste de módulos de armazenamento térmico com base em PCM utilizando grafite impregnado com PCMs em combinação com circuitos de troca de calor com tubo de cobre

• Investigação do uso de tubo de cobre com armazenamento térmico com base em zeólito

• Relatório ao governo e organizações de pesquisa do setor sobre avanços em dispositivos compactos de armazenamento de energia térmica com base em cobre com mudança de fase

• Desenvolvimento do conceito de abastecimento de água quente e sistemas de ar condicionado utilizando dois dispositivos de armazenamento de energia térmica


Componentes de cobre ultracondutoresO progresso está sendo feito nos métodos de incorporação de carbono ao cobre de forma a aumentar a condutividade elétrica do cobre em temperatura ambiente em 30 por cento ou mais (130 por cento do Padrão Internacional de Cobre Recozido (IACS)). Nós chamamos esse material de cobre ultracondutor (cobre UC). Ele já foi produzido à escala laboratorial através de deposição eletrolítica conjunta de nanotubos de carbono de parede única e cobre.

A adição de nanotubos de carbono ao cobre fundido em condições cuidadosamente controladas também promete avanços.Os nanotubos de carbono conduzem eletricidade através de um mecanismo diferente para condução em cobre, e otimizar o fluxo de elétrons em nanocompósitos de cobre e carbono requer engenharia cuidadosa em nanoescala.Estudos e ensaios estão em andamento sobre o aumento de escala de produção de gramas para milhares de toneladas de fio. Ao reduzir as perdas elétricas, o cobre UC teria um efeito transformador sobre uma ampla área de tecnologia e beneficiaria imensamente a sociedade. Muito trabalho precisa ser feito para tornar o cobre UC um material de engenharia amplamente disponível para uso em componentes e sistemas elétricos.

Tendências, problemas e determinantes• A variação do custo relativo de condutores

de cobre contra condutores de alumínio está incentivando os OEMs a considerar o alumínio uma alternativa ao cobre

• Depois de 10 anos de esforço científico, o cobre UC com mais de 130 por cento IACS foi demonstrado em 2011

• O trabalho continua em todo o mundo para reduzir o custo de produção de nanotubos de carbono de parede única

• O impulso para uma maior economia de combustível de veículos está destacando a necessidade de condutores elétricos de peso inferior

• Há um maior enfoque global sobre a eficiência energética na geração, distribuição, transmissão, geração e uso de eletricidade

• Um aumento do investimento no setor de energia renovável é a criação de uma necessidade de geradores para turbina eólica mais leves

Oportunidades e atividades recomendadas• Pesquisa científica aplicada para alcançar um

maior transferência de energia elétrica entre nano-carbono e fases de cobre

• Métodos para a produção de catodos de cobre UC durante o refinamento eletrolítico existente ou processos de extração eletrolítica

• Métodos para produção de cobre UC de cobre fundido

• Métodos para a produção de fio de cobre UC usando linhas de processamento de fios existentes ou por eletrodeposição direta

• Colaboração com empresas de produção de nanotubos de carbono para otimizar nanotubos apropriados para cobre UC

• Exploração de outras propriedades do cobre UC, incluindo condutividade térmica, resistência, módulo de elasticidade, ductilidade

• Exploração de aspectos de saúde, meio ambiente e desenvolvimento sustentável do cobre UC

• Formação de estruturas de cooperação para desenvolvimento de longo prazo entre indústrias e implementação de cobre UC

• Desenvolvimento de aplicações de alto valor para fio e barramento UC

copperalliance.org | POTENCIAIS APLICAÇÕES FUTURAS 23

Potenciais Aplicações Futuras

Além das áreas com oportunidades prioritárias apresentadas neste documento, a indústria do cobre busca ideias de pesquisa que prometem novas aplicações de cobre.A indústria, por meio da International Copper Association, Ltd., e sua rede de organizações nacionais/regionais de promoção de cobre que compõem a Aliança de Cobre, financia a pesquisa pré-competitiva que leva à criação de novas aplicações significativas para o cobre.

Pesquisadores da academia ou da indústria que trabalham em pesquisa básica ou aplicada relacionada ao cobre e cujo trabalho aborde os interesses da indústria do cobre são encorajados a contatar a ICA com propostas que identifiquem os avanços necessários e descrever uma abordagem técnica confiável para execução bem sucedida.

copperalliance.org | POTENCIAIS APLICAÇÕES FUTURAS 24

Alguns edifícios utilizam amortecedores sísUma proposta ideal de desenvolvimento da tecnologia do cobre irá:• Exigir esforço de pesquisa e desenvol-

vimento para alcançar avanço técnico que permita a aplicação global em potencial.

• Criar uma nova aplicação de mercado ou defender uma aplicação de cobre existente a partir de materiais ou tecnologias alternativas.

• Identificar um caminho razoável para a comercialização.

• Aplicar atributos superiores do cobre.O cobre é essencial para a saúde, seu uso promove a eficiência energética, e sua reciclagem é quase insuperável entre todos os materiais de engenharia.

• Levar ao uso de pelo menos 10.000 toneladas métricas de cobre por ano dentro de cinco anos de iniciação. Propostas com impacto menor de to-nelagem, mas grande benefício social, também são preferidas. Tecnologia com um longo cronograma ao mercado exige impacto mais forte no mercado e um caminho mais claro para a comer-cialização.

Tendências, problemas e drivers• A cada vez mais rápida fertilização

cruzada de ideias e a criatividade colaborativa global

• Digitalização penetrante, comunicação e computação

• Simulação e modelagem de fenôme-nos metalúrgicos

• Compreensão científica mais profun-da dos sistemas vivos

• Maior preocupação com as consequ-ências ambientais

• Disseminação global do modelo de investimento de capital em grupo

Áreas possíveis para exploração• Sistemas de armazenamento de

energia elétrica• Sistemas de cobre para urbanização,

incluindo equipamento mais compac-to e tecnologias de transporte urbano

• Os materiais de cobre para uso, captura e transformação do dióxido de carbono

• Materiais eficientes com base de cobre para permitir a produção de hidrogênio, purificação e utilização

• Estruturas contendo cobre fabricadas com nanoengenharia

• Os materiais de cobre compostos contendo várias formas de fibra ou partículas para atingir as proprieda-des incomuns ou reforçadas

• Formas de fundamentalmente novas para superfícies e estruturas de troca de calor

• Designs eficientes com base de cobre para apoiar projetos de eletrificação rural

Atividades recomendadas• Aferição de tecnologia através da partici-

pação em fóruns e exibições de pesquisa e desenvolvimento no governo e na indústria

• Pesquisa cooperativa e desenvolvimento de materiais avançados feitos de cobre atra-vés de iniciativas de pesquisa do governo/indústria/universidades em vários países

copperalliance.org | EXECUÇÃO 25

Execução

O manual de tecnologia de aplicações do cobre continuará a evoluir à medida que a indústria reage a tendências sociais, pressões da concorrência, desenvolvimentos técnicos relacionados e oportunidades inesperadas. Embora não cubra todas as rotas tecnológicas para o futuro, esse manual se concentra no que seus colaboradores acreditam serem as mais altas prioridades dentre as necessidades pré-competitivas da indústria do cobre e seus clientes. Como tal, se destinam a orientar o planejamento e a execução dos programas de pesquisa e desenvolvimento colaborativos que envolvem produtores e fabricantes de cobre, indústrias que utilizam cobre, universidades, laboratórios do governo, empresários e tecnólogos independentes.

Muitas das organizações que participaram da criação deste manual investiram recursos significativos a cada ano no desenvolvimento de produtos inovadores, novas ligas de cobre e tecnologias de processo avançado. Sua história de investimentos em tecnologia é, e continuará a ser, uma fonte importante de seu sucesso próprio no mercado futuro. Ao trabalhar em conjunto para desenvolver e refinar o manual, a indústria tomou medidas para transformações tecnológicas e empresariais importantes.A fim de manter o manual atualizado, a ICA segue um ciclo de revisão de dois anos. Os membros da ICA e as organizações da Aliança de Cobre são convidados para revisar o conteúdo e sugerir modificações. O manual é, então, atualizado e o conteúdo revisado é disponibilizado ao público.


O ICA desempenhará três papéis na execu-ção das aplicações de cobreManual de tecnologia:• As atividades de divulgação e desen-

volvimento de parceria envolverão indivíduos e organizações relevantes para inspirar o desenvolvimento contí-nuo de ideias em relação a oportunida-des de aplicação de cobre e pesquisa e desenvolvimento necessários.

• •Fórunsdeexecuçãodomanualirãofornecer locais voltados para reuniões sobre áreas de oportunidade específi-cas e irão divulgar os resultados entre as redes criadas.

• Supervisão e projeto do manualA coor-denação envolve interações de gestão entre as diversas entidades que parti-cipam na utilização do manual. A ICA historicamente tem assumido um papel de coordenação no desenvolvimento

e execução de pesquisa e desenvolvi-mento de grandes aplicações de cobre, e a ICA continuará desempenhando este papel. A ICA também liderará os esforços para assegurar o co financia-mento de terceiros, incluindo governos, organizações não governamentais e organizações industriais apropriadas.

A figura 1 (veja abaixo) descreve as princi-pais etapas de execução. Essas etapas são projetadas para catalisar o diálogo sobre cobre e, posteriormente, lançar e gerenciar projetos de pesquisa científica sobre projetos de desenvolvimento de aplicações de cobre. A liderança forte e a persistência garantem que as oportunidades importantes não caiam através das rachaduras.Além disso, alcançar o sucesso precoce ajuda a manter o impulso gerado pelo manual e convence as empresas de que o modelo de colaboração tecnologia pode funcionar.

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Figura 1: Conversas de catalisação sobre cobre - Conectar indivíduos e redesDentro de domínios-chave e estimulação da reflexão sobre a tecnologia com base em cobre

Ciência de materiais, metalurgia e redes de processamento de materiais

Redes de engenharia de aplicações e concepção relevantes para o cobre

Estímulo para pesquisa e desenvolvimento por

parte da ICA

Supervisão e coordenação de projeto

Desenvolvimento de parcerias e comunicações

Manual de execuçãoFóruns

Fontes de �nanciamento com interesse na tecnologia com base no cobre


Desenvolvimento de parcerias e comunicações

As parcerias de colaboração alavancarão recursos e capacidades entre semifabri-cantes de cobre, produtores de compo-nentes, fabricantes de sistemas, fabrican-tes de equipamentos originais (OEMs), organizações governamentais, universi-dades, produtores e outros interessados. Combinar a experiência e as perspectivas de todas as facetas de mercados rela-cionados ao cobre que garante que suas necessidades sejam atendidas e previstas. As informações e o compartilhamento de informações minimiza a duplicação de esforços de desenvolvimento tecnológico e maximiza os recursos para atingir de forma eficiente as soluções eficazes. Os papéis das empresas e das organiza-ções na execução deste manual ainda não foram determinados. Esses papéis tomarão forma à medida que atividades específicas são desenvolvidas e executa-das.

Comunicações em curso são importantes para manter grupos da indústria de todo o mundo informados e atualizados sobre estratégias eficazes e tecnologias para aumentar o valor dos produtos. Fóruns através da Internet, artigos de jornal, relatórios publicados, conferências e atualizações regulares podem aumentar a consciência global sobre os últimos desenvolvimentos em matéria de inovação de cobre.

ManualFóruns para execuçãoUm fórum para execução do manual pode solicitar novas ideias para acelerar o pro-gresso da maioria dos projetos sensíveis ao tempo. Se for determinado que uma oportunidade particular do manual não

está sendo tratada com esforços contínuos, os líderes do setor de cobre, incluindo a ICA, terá de organizar atividades que reúnam a gama de conhecimentos necessários para pensar criativa-mente sobre as possíveis respostas. Este esforço pode ser direcionado para a pesquisa aplicada, comercialização de tecnologia, inte-gração de produtos, testes de campo, formação/sensibilização ou qualquer outro meio ou método que façam avançar uma boa oportunidade.

Antes do lançamento de novos projetos, o setor do cobre deve definir claramente os resultados desejados, recursos e capacidades necessárias, e como os resultados vão contribuir para alcançar uma realização particular. Cada um desses fatores será integrado a solicitações de propostas, a fim de solicitar soluções inovadoras e projetos de universidades, empresas privadas, laboratórios governamentais, pesquisadores ou a comunidade técnica.

Supervisão e coordenação de projeto do manual

Este manual incentiva as organizações e in-divíduos a participarem da forma que melhor capitalizar suas habilidades distintas, capacidades e recursos para o desenvolvimento de oportunida-des. Isto proporciona às empresas e organizações a flexibilidade para prosseguir os projetos que correspondam a seus interesses exclusivos. No entanto, a falta de uma estrutura unificada torna difícil identificar, organizar, financiar e acompa-nhar adequadamente as diversas atividades e seus benefícios correspondentes. De acordo com a sua missão, a ICA cumprirá esse papel, fornecendo a necessária supervisão e coordenação para iniciar e projetos de recursos e atividades.

Avanço

O manual revisado fornece ao setor do cobre um conjunto atualizado de caminhos para desenvolvimento de aplicações de cobre. Os esforços posteriores podem produzir um conjunto mais aprofundado de orientações e um caminho eficaz para o sucesso em mer-cados específicos. Parcerias de colaboração entre pesquisadores de ciência, metalurgia e de processamento de materiais, engenheiros de aplicação e design, fabricantes e governo podem gerar a energia e o impulso necessá-rios para levar o cobre e suas indústrias por esses caminhos.

À medida que o setor olha para o futuro, o sucesso deste manual será medido pelo número e escopo de projetos de pesquisa e desenvolvimento que inspirar e os benefícios que esses projetos acumularem. Benefícios complementares, mas igualmente impor-tantes incluem a melhoria da percepção do cobre como um material técnico avançado, ambientalmente correto e conectado à vida.

A missão da ICA é compartilhada por todos os membros da Aliança de Cobre: defender e aumentar mercados de cobre com base em seu desempenho técnico superior e sua contribuição para uma maior qualidade de vida em todo o mundo.

Veja copperalliance.org para obter informações adicionais.

copperalliance.org | APÊNDICE 28

Apêndice

Apêndice A: A Evolução do motor com rotor com cobre fundidoA indústria do cobre vem investindo no potencial de rotores de cobre fundido por 15 anos. Como em muitas atividades de pesquisa e desenvolvimento, o foco técnico mudou ao longo do tempo e oportunidades de aplicação foram alteradas. Resolver o desafio técnico inicial foi apenas o começo; lançar esta nova tecnologia tem exigido esforços contínuos e condições de mercado adequadas.

Em meados dos anos 1990, assistiu-se a um grande interesse no desenvolvimento de motores de indução de corrente alternada mais eficiente, mais leves e menores para uso em setores da indústria e do governo. Passagem da lei de política energética dos EUA de 1992 e a legislação semelhante na Europa refletiu uma crescente consciência da importância da eficiência do motor na maior arena de conservação de energia.Os motores industriais consomem cerca de 40 por cento da produção mundial de eletricidade, portanto, qualquer melhoria na eficiência é significativa. A indústria respondeu a esta legislação com motores mais eficientes, utilizando uma maior quantidade de cobre nos enrolamentos do estator, reduzindo assim as perdas resistivas.

copperalliance.org | APÊNDICE A 29

Siemens Super-premium Motor with Die Cast Copper Rotor

Como este projeto foi iniciado em meados da década de 1990, após décadas de melhorias incrementais na eficiência do motor de indução, poucas oportunidades técnicas permaneceram para atingir eficiências significativamente maiores a um custo razoável. O rotor de cobre fundido parecia ser a melhor abordagem.O cobre do rotor reduziu as perdas resistivas no rotor na ordem de 40 por cento e tem o potencial de reduzir as perdas totais do motor em 10 - 20 por cento, em comparação com os motores convencionais com rotores de alumínio. Posteriormente, foi demonstrado que os motores com rotores de cobre podem ser feitos menores e mais leves e podem operar a temperaturas mais baixas para reduzir a necessidade de manutenção. Apesar dessas vantagens, os atuais métodos de fundição de cobre não eram econômicos para a produção em alto volume. Além disso, os fabricantes de automóveis exigem que o rotor de cobre seja fabricado em equipamento de fundição à pressão comercialmente disponível.

A busca da oportunidadeEm 1996, reconhecendo que um rotor de cobre era uma plataforma com design sólido para aumentar a eficiência dos motores de indução industriais, ganhando assim energia e redução de custos em aplicações motorizadas, a International Copper Association Ltd. (ICA) iniciou o financiamento de um projeto de pesquisa e desenvolvimento para criar um motor com rotor de cobre prático (também conhecido como motor de indução com rotor de cobre) adequado para a produção em massa. Liderado pela A Copper Development Association Inc. (CDA) dos EUA, um consórcio de fabricantes de motores, fundidores e representantes do governo iniciaram (e cooperativamente financiado) o programa de motores com rotor de cobre fundido.

DesafiosOs pesquisadores abordaram os desafios de redução de custos de processamento, garantindo o desempenho adequado do rotor de cobre. Durante o processo de fundição em alta pressão, o aço fundido convencional é susceptível a fendas superficiais (verificação de calor) devido à tensão térmica e deformação no molde à medida que as temperaturas vão de algumas centenas de graus até o ponto de fusão do cobre (aproximadamente 1085˚C,1984°F)Avidadafundiçãodiminuidrasticamente quando se compara a fundição do cobreàdoalumínio,oqualsefundea660°Ce,portanto, induz significativamente menor tensão térmica e deformação no molde. Foi também reconhecido que o design do rotor e do motor deverá ser mudado para aplicar o cobre de forma mais eficaz.

Soluções

A equipe líder da CDA de pesquisadores acadêmicos e do setor determinou que a quebra da fundição poderia ser reduzida e a vida da fundição estendida com duas alterações: substituir porções críticas da matriz de aço por uma super liga dúctil, resistente ao calor e à base de níquel e pré-aquecer o molde a 600ºC (1100ºF). Essas ações tornaram o processo de fundição de cobre economicamente viável. O design do motor também foi investigado.O torque de arranque é reduzido em um condutor de alta condutividade no rotor, de modo que o formato das barras do rotor e as ranhuras do rotor são modificadas para melhorar ainda mais as características de operação do motor. Isto foi feito para incluir uma barra de partida para aproveitar a elevada condutividade do cobre, permitindo que o projetista do rotor utilize o “efeito de pele”: a tendência do fluxo de corrente alternada a se acumular em direção as superfícies externas condutoras. A uma dada eficiência, um rotor de cobre utiliza menos aço laminado nas pilhas do rotor e do estator para economizar custos de material, reduzindo o tamanho global do motor.

A oportunidade nos motores industriais padrãoNa Primavera de 2006, um grande fabricante internacional de motores, a Siemens, abraçou a nova tecnologia de rotor de cobre fundido e trouxe ao mercado uma linha de motores industriais supereficientes. Dentro de um ano, os motores estavam comercialmente aceitáveis nos EUA Os motores eram até dois pontos percentuais mais eficientes do que os que atendiam os padrões NEMA Premium™ e ofereceram custos de ciclos de vida substancialmente mais baixos. Embora o custo inicial na aquisição de um motor de rotor de cobre possa ser maior do que uma solução alternativa, o custo do ciclo de vida de um motor menos eficiente excede em muito o custo incremental de um motor de rotor de cobre. O custo inicial de um motor industrial representa apenas 2 por cento do custo total de propriedade. Os custos de energia, manutenção e outras variáveis compõem os outros 98 por cento do custo ao longo da vida útil do motor.

A oportunidade em motores integraisVários fabricantes de componentes de sistemas eletromecânicos reconheceram o valor da utilização de motores com rotor de cobre.Eles acreditavam que o tamanho total


Copper Rotor Motor in Tesla Motor's Powertrain

Technology Development at NFTDC

Steel Die for Casting Copper Rotors

do motor poderia ser reduzido para coincidir exatamente com as exigências de seu equipamento. Ao invés de continuar a utilizar exclusivamente motores com rotor de alumínio, um fabricante líder de motores super-premium da Siemens, com sistemas de engrenagem acionados por motor com rotor de cobre fundido, a SEW Eurodrive, decidiu reduzir as variações de produtos em sua linha de produtos e usar motores integrais com rotores de cobre fundido em cerca de um terço de sua linha de produção.Isso permitiu aperfeiçoar as unidades existentes com motores de alta eficiência que se encaixam no mesmo pacote. Esta aplicação em larga escala comercial sinalizou que o desafio dos rotores de cobre fundido tinha sido superado. Outros fabricantes fizeram o mesmo. As aplicações para motores integrais incluem sistemas hidráulicos compactos e leves para aeronaves, compressores de refrigeração e motores de tração.

A oportunidade de propulsão automotivaComo o interesse global em veículos elétricos aumentou, engenheiros automotivos reconheceram que eles exigiram designs especiais de motor para atender às complexas necessidades de produção, sendo elas técnicas, de custo e de volume. O interesse em usar motores com rotores de cobre fundido aumentou devido a preocupações sobre a disponibilidade de materiais minerais raros, como o desempenho de neodímio e ímã em temperaturas elevadas.

Estudos técnicos mostraram que os motores de indução poderiam ter uma densidade similar, com alta potência e compacta e alta eficiência de sistema em um sistema paralelo híbrido, gerando interesse em usar rotores de cobre fundido. Com financiamento do governo dos EUA, o Baldor Reliance demonstrou um veículo militar híbrido usando quatro motores de tração com densidade de energia bastante elevada e arrefecido hidraulicamente em conjunto com rotores de cobre fundido.

Na aplicação de tração paralela híbrida, o motor de rotor de cobre ofereceu vantagens substanciais:• A capacidade de redistribuir as perdas ao

estator para arrefecimento mais eficaz devido ao tamanho e ao peso reduzido.

• A capacidade de ser desexcitado quando não produzir torque, eliminando, assim, perdas magnéticas e perdas rotacionais sem carga.

• A reunião de requisitos de eficiência através de uma ampla gama de cargas e velocidades.

• Melhores propriedades mecânicas e robustez que o rotor de alumínio.

• Uso de cobre e aço prontamente disponíveis.Ao mesmo tempo, a Tesla Motors lançou o seu veículo elétrico com trem de força, que incluía

um motor com rotor de cobre com uma velocidade operacional máxima de 13.500 RPM, um inversor de potência e baterias de íon de lítio. (A grande quantidade de cobre no inversor, cabos, baterias e motor reduz as perdas elétricas e evita aquecimento em condições de alta amperagem). Mais montadoras estão investigando trens de força, utilizando motores de indução para uma variedade de veículos com rotores de cobre fundido. Milhões de carros com motores de rotor de cobre em seu núcleo sinalizarão o sucesso do cobre e serão uma contribuição substancial ao transporte sustentável.

Continuando a pesquisa, desenvolvimento e comercializaçãoA ICA tem ajudado a desenvolver e transferir tecnologia de fundição de motor com rotor de cobre para empresas de manufatura em todo o mundo. A capacidade de produzir rotores fundidos para propulsão automotiva já existe na Alemanha, França, Japão, Índia, China e EUA

A pesquisa sobre o processo vertical de fundição continua no centro de desenvolvimento de tecnologia não ferrosa (NFTDC, em inglês), em Hyderabad, na Índia. Este trabalho é apoiado pela ICA com co-financiamento do fundo comum da ONU para produtos básicos e do fundo de meio ambiente global (GEF, em inglês). A equipe técnica da NFTDC desenvolveu métodos sofisticados e rentáveis para rotores de fundição de cobre e está agora licenciando esta tecnologia para a indústria para aplicação em motores industriais e trens de força de veículos.

A partir de 2006, com o apoio da ICA, o grupo de cobre Yunnan e o grupo de proteção contra explosões Nanyang criaram uma empresa de joint venture, Yunnan Copper Die Casting Co. Ltd. (YCD), para comercializar motores com rotor de cobre na China. Nos últimos cinco anos, com base em modelos de computador sofisticados e centenas de experimentos e testes, uma tecnologia madura baseada na prensa horizontal foi desenvolvida e licenciada para a indústria. YCD já produziu mais de 100 tipos diferentes de rotores para 18 OEMs.

A ICA tem apoiado o governo chinês no desenvolvimento de duas normas nacionais para motores de supereficiência, incluindo os rotores de cobre. Estas são as normas nocionais de primeiro mundo para motores industriais com rotores de cobre.


Molde de aço para rotores de cobre fundido

Motor com rotor de cobre em trens de força da Tesla Motors

Desenvolvimento de tecnologia na NFTDC

Em 2012, os grandes OEMs de veículos nos mercados de alto crescimento de automóveis da China, Japão e Coréia iniciaram os testes de motores de indução de rotores com cobre em seus veículos de passageiros. O preço elevado e a volatilidade de preços de metais de raros, além do aprovisionamento geopolítico, estão fazendo com que os OEMs de veículos se afastem de seu atual uso de motores com ímã permanente para a tração do veículo e adotem o motor de indução com rotor com cobre.

A ICA continua a financiar programas de desenvolvimento que promovem a aplicabilidade desta tecnologia de motores à tração do veículo.Em 2012, estes programas incluíram o uso de melhoria da superfície induzida por laser para aumentar ainda mais a vida de matrizes, bem como redesign do motor para permitir o funcionamento eficiente de motores com rotor com cobre a altas velocidades.

Projetos tecnológicos colaborativosO programa de motor com rotor de cobre fundido incorpora os princípios e objetivos do manual de tecnologia de aplicações do cobre. Como resultado das necessidades tecnológicas bem definidas, a indústria organizou esforço colaborativo para financiar e implementar projetos que produzam as soluções inovadoras que beneficiem a sociedade em geral.

Fatos• Financiamento direto da ICA 1996 - 2012: $

2,7 milhões• Co-financiamento da indústria e dos

governos: >$ 10 milhões• Número acumulado de CMR produzido nos

últimos 15 anos: 1,6 – 2,0 milhões

Negócio principal/Aprendizagem de negócios• A fundição de motores com rotor de cobre

é totalmente adequada e comercialmente viável em máquinas de fundição horizontal e vertical.Os designs do motor e do rotor devem ser otimizados para utilizar rotores de cobre fundido de forma eficaz. Substituir o cobre em uma geometria de rotor projetada para o alumínio não alcança o máximo de benefícios.

• O foco inicial de alta eficiência, motores industriais padrão, o que foi razoável em 1996, ainda é atraente e economicamente viável. O Departamento de Energia dos

EUA e reguladores de outros países estão estudando o aumento do padrão mínimo de eficiência para motores industriais para um nível “super super premium”. O anúncio desta norma dos EUA deve ser adotado em 2015.

• Os designs de motor personalizados podem se beneficiar do uso de material, tamanho compacto e peso menor são possíveis graças a um rotor de cobre fundido. O rotor de cobre fundido parece estar bem adaptado às necessidades dos sistemas de propulsão automotiva, o que não era o foco do esforço inicial do desenvolvimento da tecnologia. A indústria automotiva escolheu a arquitetura de motor de ímã permanente no final de 1990, quando os preços dos metais raros eram inferiores a 10 por cento do que são hoje: o motor de indução com rotor de cobre está mostrando ser um substituto atrativo para essa arquitetura.

• Sistemas motorizados que usam motores com rotor de cobre fundido na indução industrial já não são uma prioridade de pesquisa no manual de tecnologia de aplicações do cobre. Isto porque a atenção passou da pesquisa para a engenharia de aplicação e comercialização em grande escala. O desafio de aplicar a tecnologia de rotor com material fundido a sistemas de propulsão automotiva continua a ser uma área de foco.

copperalliance.org | APÊNDICE B 32

Apêndice B: Propriedades funda-mentais do cobrePuro ou com liga em literalmente centenas de composições concebidas para atender a requisitos específicos, metais com base de cobre fornecem propriedades otimizadas para inúmeros produtos.

• Condutividade elétrica: O cobre tem uma capacidade de transporte de corrente excepcional, melhor do que qualquer outro condutor que não seja de supercondução, com exceção da prata. O cobre na fiação atual de edifícios tem uma classificação de condutividade significativamente maior do que a norma internacional de cobre recozido (IACS, em inglês), o máximo aceitável há um século. A excelente condutividade elétrica do cobre significa que os motores com novos rotores de cobre podem ser menores e serem executados mais frios do que os motores tradicionais.

• Condutividade térmica: O cobre conduz calor até oito vezes melhor do que metais usinados. Combinado com a sua inerente e alta resistência à corrosão e formabilidade imediata, a condutividade térmica do cobre torna o ideal para permutadores de calor de metal de todos os tipos, incluindo os sistemas de aquecimento solar de água. O aquecimento de água a gás ou elétrico é um dos maiores gastos de energia para qualquer prédio ou casa. O cobre pode reduzir significativamente os custos de energia.

• Efeito antimicrobiano: Preocupações sobre infecções adquiridas no hospital e aquelas originários da indústria de processamento de alimentos continuam a crescer. As propriedades bactericidas, fungicidas e, em certa medida, viruscidais do cobre, compostos de cobre e ligas de cobre são conhecidas há séculos. O cobre, sob a forma de superfícies de cobre ou liga de cobre, é um impedimento significativo para a transmissão de doenças fúngicas e bacterianas em sistemas hospitalares e de tratamento de ar.

• Formabilidade: A formabilidade do cobre pode reduzir o tempo de instalação e

reduzir o custo do trabalho, particularmente nos comércios de encanamento.Tubos e acessórios são facilmente unidos por solda ou brasagem, e acessórios de prensa reduzem ainda mais o tempo de instalação.O cobre e suas ligas são onipresentes em componentes elétricos e eletrônicos, incluindo interruptores, molas de condução de corrente, conectores e molduras de chumbo.Produtos de cobre forjados a quente e a frio são uma necessidade para empresas que necessitam de confiabilidade e facilidade de usinabilidade. Certo número de ligas de cobre fundido proporciona resistência à corrosão, assim como boa condutividade térmica ou elétrica.

• Resistência à corrosão: Metais de cobre podem resistir a ataques em uma ampla gama de ambientes corrosivos, o que os torna ideais para uso em aplicações energéticas em alto-mar, petróleo e gás em alto-mar e indústrias de dessalinização. Na presença de umidade e de uma variedade de constituentes atmosféricos naturais e artificiais, o cobre, eventualmente, resiste a uma patina protetora e atraente, que mantém a sua funcionalidade durante séculos.

• Reciclagem contínua: O cobre tem mais longo histórico de reciclagem do que qualquer material.Estima-se que 80 por cento de todo o cobre já extraído durante os últimos 10.000 anos ainda está em uso hoje em algum lugar.A reciclagem de cobre não resulta em nenhuma redução da qualidade ou perda de propriedades e pode ser repetida quantas vezes forem necessárias.A reciclagem poupa recursos naturais, reduz o consumo de energia e evita a perda de materiais valiosos.

• Cor/aparência estética:O cobre é cada vez mais utilizado por a sua aparência esteticamente agradável e pela ampla

variedade oferecida por suas ligas.Como o uso de cobre estende-se a superfícies de higiene, o “visual” do cobre ganhar aceitação do consumidor como um metal “saudável”.

• Facilidade de liga: A importância industrial do cobre tem crescido, devido à facilidade com que ele se liga com outros metais.O resultado é uma extensa família de mais de 400 ligas em uso hoje em dia. Este esforço está longe de ser esgotado.

• Abundante e disponível: O cobre é parte integrante da vida humana e da civilização. As propriedades fundamentais do cobre atenderam às necessidades da sociedade ao longo da história. O cobre é rotineiramente processado através de métodos de produção comuns e está disponível em muitas formas e ligas que permitam a produção eficiente.

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Apêndice C: Tendências e desafios Influência da utilização de cobreTendências de mercado, regras e inovações continuam a influenciar o uso de cobre.Embora seja impossível prever o futuro, informações sobre as vias de desenvolvimento possíveis e prioridades podem ser adquiridas considerando as forças econômicas, sociais e tecnológicas comuns que influenciam as indústrias de cobre globais. Para obter informações sobre os mercados de uso final do cobre, consulte o Apêndice E.

• Redução do custo de processamento: Para se manter competitivos, fabricantes devem continuar a reduzir o seu custo de produção, mantendo a alta qualidade do produto. O cobre é rotineiramente processado através de métodos de produção comuns e está disponível em muitas formas e ligas que permitam a produção eficiente.O cobre adapta-se a técnicas de processamento “net shape”, e alguns produtos de cobre podem ser semifabricados através de uma etapa de extração eletrolítica “upstream” na produção do cátodo de cobre.

• A capacidade do cobre de ser fabricado como produtos moldados ou produtos derivados de pó/metal (P/M) possibilitou redução de custos significativa em uma variedade de aplicações eletrônicas. Por exemplo, os componentes de fusíveis de 150 A e 200 A utilizados em equipamentos de mineração de carvão foram convertidos de barras de cobre usinado em uma peça de cobre pó/metal P/M “near-net-shape”, conservando aproximadamente 25 por cento do custo do produto.

• Maximização da utilização de valor agregado do cobre: Os fabricantes naturalmente procuram utilizar a menor quantidade de material de acordo com a funcionalidade ideal.Melhorias na análise de engenharia, métodos de projeto e simulações de processos permitem que materiais sejam utilizados apenas quando necessário. Em aplicações existentes do mercado de cobre, há a oportunidade de se usar menos metal, mantendo ou melhorando o desempenho do produto. Além disso, o valor do cobre pode ser reforçado por um material colaborativo e seleção do processo, em que a indústria de cobre proporciona suporte técnico e novas ligas de aplicações específicas à indústria em geral. Por exemplo, um número crescente de aplicações elétricas requerem

novas ligas que combinem resistência mecânica e condutividade.O mesmo conceito aplica-se às aplicações de aquicultura onde a resistência mecânica elevada é necessária, em combinação com a resistência à corrosão e matéria orgânica.A capacidade de cobre para um bom desempenho, mesmo quando utilizado em reduzida espessura e peso é uma característica que apresenta um valor agregado. Por exemplo, em tubos de cobre utilizados para água potável, a espessura da parede pode ser reduzida de 1,0 mm a 0,3 mm, sem destruir a funcionalidade.Em coletores solares térmicos, reduzir a espessura da chapa de cobre de 0,2 mm para 0,12 milímetros diminui a quantidade de cobre necessária e, portanto, reduz o custo do produto. Em aplicações automotivas, a formabilidade e a alta condutividade do cobre ajudam a reduzir o tamanho dos circuitos, conectores e chicotes elétricos.

• Aumento da pressão competitiva a partir de outros materiais: Muitos dos mercados tradicionais de cobre foram desafiados por metais, compósitos, polímeros, sistemas de múltiplas camadas e outros materiais alternativos. O cobre oferece potenciais melhorias sistêmicas e/ou economias inatingíveis com outros materiais.O desafio do designer é fazer o uso mais eficiente de todos os materiais, incluindo cobre. Embora os custos do cobre possam parecer inicialmente proibitivos, muitas vezes é o material mais bem adequado para uma aplicação específica e o material mais rentável no longo prazo. O cobre, com suas características únicas, deve oferecer melhorias ao sistema inatingíveis com outros materiais, diminuindo assim o efeito da sensibilidade do custo na decisão de compra. No entanto, os usuários finais de qualquer material de entrada, incluindo o cobre, enfrentam pressão competitiva constante para melhorar o desempenho, reduzir custos e demonstrar uma administração responsável.Isso leva os usuários finais a intensificar a concorrência de materiais, minimizar o

uso de materiais e o foco em aplicações de alto valor, levando à necessidade de inovação em aplicações de cobre.

• Alteração de regulamentos, códigos e normas: As questões de eficiência energética e sustentabilidade permanecem na vanguarda dos negócios e agendas políticas governamentais. O cobre é cada vez mais percebido como eficiência energética e infinitamente reciclável.Padrões mais elevados de eficiência do motor foram instituídos, e o mercado de motores com alta, premium e supereficiência aumentou. Motores utilizam mais de 20 por cento a mais de cobre em enrolamentos do estator e barras condutoras em comparação com os motores de “eficiência padrão” mais velhos. O aumento da eficiência também é importante em ar condicionado, redes elétricas e iluminação. Outros regulamentos que impactam a indústria do cobre envolvem solos, águas, resíduos e sedimentos. Estes regulamentos estão levando os governos a apoiar investigações científicas para entender os efeitos ambientais da utilização de cobre.

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• Garantia do desempenho de produtos de cobre fabricados: A simulação por computador é cada vez mais aplicada para prever e validar o desempenho do cobre em novas aplicações. A miniaturização e a integração de material requererá pesquisa adicional sobre as propriedades mecânicas de sistemas de pequeno porte, o comportamento de regiões superficiais e abaixa da superfície do cobre e suas ligas, os fenômenos que afetam as interfaces do cobre com outros materiais, bem como o impacto de uma maior integração de diferentes materiais na reciclabilidade.

O desenvolvimento e utilização das novas ligas, combinadas com as restrições de design mais rigorosas, requer que as propriedades das ligas (e outros materiais convencionais) sejam conhecidas ou previsíveis com uma probabilidade elevada. Melhorar o controle de propriedades térmicas, elétricas, físicas e mecânicas também melhorará o desempenho do cobre em aplicações avançadas.O grande banco de dados com informações técnicas sobre o cobre está disponível gratuitamente on-line e tem o suporte de mais de duas dúzias de organizações nacionais e regionais de desenvolvimento de cobre.

• Aumento do uso de materiais de complementares fabricados: Materiais que podem melhorar o desempenho do cobre podem ser adicionados à superfície ou incorporados ao cobre. O cobre é frequentemente combinado a outros materiais de engenharia, e as propriedades do sistema de materiais resultante são adaptados às necessidades de uma aplicação específica. Materiais complementares aplicados às superfícies

de cobre podem fornecer camadas mais finas de isolação elétrica, proteção contra manuseio, proteção contra a corrosão ou qualquer número de qualidades desejáveis.As exigências de materiais com maiores razões de resistência a peso levaram a um maior interesse em materiais compósitos, em que um material de reforço é adicionado dentro de um material a fim de aumentar a resistência e a durabilidade, e, em alguns casos, a redução de peso de efeito.O cobre não é intrinsecamente um material com uma razão elevada de resistência ao peso, e não é utilizado com frequência quando esta propriedade é particularmente especificada. No entanto, as formulações, tais como o material de compósito com base de cobre reforçado com fibras de carboneto de silício tem condutividade térmica e alta resistência a temperaturas elevadas.

• Projeto para recuperação e reutilização:Projetos que permitem reciclagem preservarão o valor do cobre, beneficiando o meio ambiente. O cobre é um dos metais mais eficientemente reciclados no comércio global, pois é 100 por cento reciclável sem perda de desempenho. A reciclagem atende 34 por cento da demanda mundial de cobre.Quando o total dos custos do ciclo de vida é analisado, a eficiência energética superior e a reciclabilidade no fim da vida fazem do cobre uma alternativa atraente aplicações relacionadas à energia. O cobre é rotineiramente extraído de automóveis, eletrônicos e edifícios no fim de suas vidas úteis. É importante para os engenheiros considerar como os produtos serão desmontados e o cobre recuperado.Além disso, durante os processos de fabricação, um pouco de cobre vira resíduo, e este excesso de material tem de ser recuperado e reciclado. Material não contaminado facilita a reutilização.

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Apêndice D: Cobre e sociedade

O cobre é essencial para os organismos vivos e desempenha um papel vital na tecnologia moderna. Desde os sistemas de irrigação dos antigos reis egípcios até as invenções revolucionárias como o telefone celular, o cobre tem contribuído continuamente para o desenvolvimento da sociedade.

Como o elemento praticamente exclusivo na transmissão de energia elétrica e de dados, o cobre ajudou a inaugurar a era das telecomunicações. O telefone serve como um excelente exemplo de como o cobre acelerou o desenvolvimento e a comercialização. Introduzido pela primeira vez em 1930, o fio de cobre de telefone foi usado no lugar de ferro para enviar sinais de voz fracos e de alta frequência a mais de 50 quilômetros sem perda de sinal.

As telecomunicações foram favorecidas pelo cobre devido ao seu fio de condutividade alta, forte e uniforme.Combinado com a sua força, resistência à corrosão e durabilidade, a beleza natural do cobre tem inspirado arquitetos e projetistas a utilizarem o metal nas superfícies exteriores e interiores dos edifícios há milênios. O cobre cobriu e protegeu universidades com centenas de anos de idade, instituições financeiras, prédios do governo e casas de culto.

O cobre pode ser laminado a frio em folhas finas, e, apesar da sua resistência relativamente elevada (em têmperas laminadas ou forma tratada com calor em ligas adequadas), pode ser facilmente modelado em componentes de conector. A combinação única de resistência e maleabilidade fazem do cobre e de suas ligas ideais para uso em aplicações em que ações repetitivas tencionam os componentes, como parafusos, conectores elétricos, molas e interruptores elétricos.

Necessidades sociais em longo prazoUma grande parte da população mundial não tem acesso à eletricidade ou água potável. Além disso, as preocupações da sociedade sobre uma melhor saúde pública, maior eficiência energética, sustentabilidade ambiental e qualidade de vida mais elevados têm gerado o desenvolvimento de sistemas de energia mais limpas, a aquicultura marinha, eletrônicos

portáteis e comunicação mundial quase ilimitada.Reconhecendo o profundo efeito que a tecnologia tem sobre quase todos os aspectos da vida, o setor do cobre planeja continuar a participar no avanço da tecnologia. Ao mesmo tempo, ações devem ser tomadas para promover uma maior integração entre inovação tecnológica e mais amplas preocupações sociais, econômicas e ambientais.• Melhoria da saúde humana: O cobre é

necessário para o funcionamento normal das plantas, animais, seres humanos e microrganismos. Ele é incorporado em uma grande variedade de proteínas que desempenham funções metabólicas específicas. Por ser um metal essencial, requisitos dietéticos diários têm sido recomendados por várias agências em todo o mundo. O cobre pode controlar o crescimento de organismos, tornando-se um eficaz antipatógeno, agente antiplaca de dentifrícios e colutórios. Além disso, as superfícies de toque feitas de cobre ajudam na prevenção de doenças, controlando o crescimento de bactérias infecciosas.

• Aumento da eficiência energética: O desperdício de energia aumenta os custos para os consumidores e pode ter impactos ambientais negativos. Melhorias na eficiência energética elétrica ajudam a garantir melhor qualidade de vida. A conversão para equipamentos energeticamente eficientes, especialmente motores com rotores de cobre com eficiência premium, bem como transformadores com enrolamentos de cobre de alta eficiência, reduz os custos e as emissões.

• Sustentabilidade ambiental: A reciclagem tem sido muito utilizada para minimizar o desperdício e conservar recursos valiosos. O cobre é 100 por cento reciclável sem perda de desempenho. Ele não é “consumido” no sentido de ser “usado”. Em vez disso, é usado, reciclado e reutilizado repetidamente (ver Figura C.1). O cobre tem maior histórico de reciclagem do que qualquer outro material. Estima-se que 80 por

cento de todo o cobre já extraído durante os últimos 10.000 anos ainda está em uso hoje em algum lugar. O cobre recuperado através da reciclagem também requer 75 - 92 por cento menos energia do que a quantidade necessária para converter minérios de cobre para metal.

• Melhor qualidade de vida: A proporção de vida da população mundial em cidades com mais de 10 milhões de habitantes continua a subir. O crescimento populacional, particularmente quando concentrado em grupos que requerem grandes infraestruturas elétricas, aumenta bastante a necessidade de materiais e energia, uma necessidade que deveria, em teoria, ser preenchida de uma maneira ambientalmente correta e econômica. Além disso, o crescimento da população mais idosa aumenta a demanda por tecnologias que ajudem na visão correta, audição, locomoção motora e outras deficiências, permitindo que os idosos continuem vivendo confortavelmente como membros ativos da sociedade. Atingir uma melhor qualidade de vida em meio a um boom populacional requer materiais e produtos que auxiliem no desenvolvimento sustentável e maior qualidade de vida para todos.O uso de cobre estimula o desenvolvimento econômico e aumenta a qualidade de vida.

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Apêndice E: Ciclo de vida do cobre

Práticas de mineração sustentáveis e 100 por cento de reciclagem agregam valor e importância ao cobre. A ampla gama de propriedades do cobre e das ligas de cobre utilizados em aplicações de produtos finais é conseguida através de uma grande variedade de etapas de processamento e pode ser obtida usando cobre recentemente extraído ou reciclado.

• O cobre refinado é originado através de duas séries de processos distintos. Quanto menor for a via eletrolítica mais simples ela é, onde o cobre refinado é quase sempre formado no local da mina através de um processo de lixiviação. A via mais complexa incorpora refinação eletrolítica, onde o cobre extraído é formado em concentrados na mina, transformado em blister ou ânodo na fundição, e depois transformado em cátodo de cobre refinado na refinaria. Tanto no estágio de fundição como no de refino, sucata pode ser introduzida.

• O cobre refinado e a sucata de alta qualidade são combinados para transformação em produtos fabricados, principalmente fios elétricos, cabos e produtos para fábrica. O material pode ser usado diretamente (como no tubo de canalização), podendo passar pela fabricação simples de estágio único (como em acessórios canalizadores),

ou por meio de uma ou mais etapas de fabricação intermediárias (como em fios de enrolamento usados em motores utilizados em veículos automóveis). Assim que o cobre tiver passado por todas as fases de seus processos, ele começa a sua vida útil como um produto funcional (estoque). Estes produtos são classificados por mercado de uso final, como a construção de edifícios, infraestrutura e fabricação de equipamentos.

• No final da vida do produto, três coisas são possíveis: ele que pode ser destinado a recuperação de materiais através do sistema de gestão de resíduos, ele pode ser eliminado de forma não produtiva ou pode permanecer in situ, não sendo mais usado.Sucata pode ser dividida de forma útil entre sucata nova, sucata recém saída do ciclo e sucata em final de vida. As duas primeiras categorias aplicam-se antes de o cobre entrar na sua vida de produto útil. A

distinção entre as duas categorias é útil na medida em que a sucata nova, gerada durante a fabricação e processamento de primeiro estágio, é geralmente limpa, enquanto que nas últimas fases é mais provável que ela esteja contaminada por outros materiais.

Através da coleta e agregação de dados do ciclo de valor da série de valor e da indústria, a ICA ajuda a demonstrar como o cobre cria uma sociedade cada vez mais sustentável.

Figura 2: Modelo de fluxo do cobre: Produção, fabricação, estoque de fim de vida. Estoque de produtos em uso

• Em edifícios• Em infraestrutura • Em fabricantes

Preparação da sucata:• Sucata nova • Sucata de ciclo precoce • Sucata de fim de vida

Fabricação e uso precoce: • Fabricação• Primeira utilização • Fabricação avançada

Fim de vida:• Gestão de resíduos não recuperados • Gestão de resíduos recuperados • In-situ• Perdidos e não identi�cados

Produção de cobre:• Nova de eletrólise (minério) • Novo de refinamento eletrolítico

(concentrados)

• Novo de sucata

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A demanda de cobre deriva principalmente de transmissão de energia elétrica. Os fios e os cabos feitos de cobre recém refinado atendem ao desempenho rigoroso e especificações de segurança. A Figura 3 ilustra os usos finais totais globais do cobre, por partes do produto, em base 2011.4: 25 milhões de toneladas de conteúdo de cobre (estimado).

O cobre é usado principalmente para fios e cabos, contudo, é também usada para o tubo de canalização e para o setor de acessórios (por exemplo, a distribuição de água). O mercado elétrico mundial de cobre, que é, em parte, indicado pelas três maiores seções do gráfico de setores, é maior em tamanho do que o mercado

Apêndice F: Cobre atualmente

Ao longo dos últimos 50 anos, o uso per capita de cobre praticamente dobrou, refletindo o papel do cobre no avanço da tecnologia, expansão da atividade econômica e aumento da qualidade de vida (veja a Figura 3). O cobre contribui para muitos sistemas técnicos em regiões desenvolvidas, como a construção, energia, comunicações e transporte. Em regiões menos desenvolvidas, o cobre oferece suporte para importantes blocos de construção necessários para elevar a qualidade de vida, trazendo eletricidade, água limpa e transporte eficiente para suporte das economias em expansão.

fabril global de bronze. Moinhos de latão produzem produtos de ligas de cobre forjado. Os produtos semi fabricados são utilizados por indústrias para produzir bens acabados e são segmentados de acordo com a forma física. Do mercado mundial de cobre, o moinho de bronze é o segundo maior constituinte. Em 2011, o mercado mundial de cobre era 58 por cento elétrico, 38 por cento moinho de bronze e 4 por cento fundição e pó.Moinho de bronze consiste em oito segmentos:

fio mecânico de liga, placa, chapas e lâminas de liga, haste, barra e seção de liga, tubos de liga, florete de cobre, placa, chapa e lâmina de cobre, haste, barra e

seção de cobre e tubo de cobre.

Uma revisão de partes do mercado mundial de cobre em 2011 mostra a fabricação de equipamentos em 55 por cento, construção civil em 31 por cento e infraestrutura em 14 por cento.

Figura 3: Mercados de uso final do cobre em 2011Observação: Os números foram arredondados

Fonte: Dados de uso final global ICA

Fio para construção civil - 13,4%

Cabo de alimentação - 14,1%

Fio para ímãs - 11,2%

Cabo para telecom (externo) - 1,5%

Fio e cabo automotivo - 3,6% Condutor nu - 4,4%

Outros cabos de comunicação (eletrônico/dados/telecom interna) – 3,1% Outra energia LV (�o para equipamentos, �exíveis, etc.) - 6,4%

Tubo de cobre - 10,5%

Seção, barra e haste (RBS) de cobre – 2,5%

Lâmina, chapa e placa (PSS) de cobre - 6,6%

Florete de cobre - 1,5%

Tubo de liga - 1,6%

Seção, barra e haste (RBS) de liga - 7,3%

Lâmina, chapa e placa (PSS) de liga - 6,6%

Fio mecânico - 1,5%

Fundições - 3,9% Pó - 0,4%

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Apêndice G: Contribuintes

A Associação Internacional do Cobre agradece as importantes contribuições das seguintes pessoas e patrocinadores associados na elaboração do manual de tecnologia de aplicações do cobre 2012.

Colaboradores:Advanced Technology InstituteMike Stebbins

Amira International Ltd.Joe Cucuzza

ArubisJo Rogiers

BHP BillitonCleve Lightfoot

Codelco-ChileJürgen Leibbrandt

Editor consultorKonrad Kundig

ConsultoresSteve BoneDale PetersDerek TylerJean Marie WelterRichard Holliday

Copper Development AssociationAndy Kireta Jr.Harold MichelsBob Weed

Copper Development Centre,AustráliaJohn Fennell

Deutsches KupferinstitutAnton Klassert

European Copper InstituteColin BennettNigel CottonHans De KeulenaerJohn SchonenbergerFreeport-McMoRanCopper & Gold IncStephen Higgins

Golden Dragon PreciseCopper Tube Group IncDeng Bin

International Copper Association, Ltd.John MolletTony LeaMalcolm Burwell

International WroughtCopper CouncilMark Lovett

Kinghorn, Hilbert & AssociatesTed Kinghorn

Grupo KMEChristoph GeyerHeinz KlenenArmando Sbrana

LS-Nikko CopperJeongHa Lee

LuvataWarren BartelEd Rottmann

Mitsubishi MaterialsCorporationMetals CompanyKazumasa Hori

NexansEric LawrenceMichel Rousseau

Revere Copper Products, Inc.Thomas O’Shaughnessy

Wieland-Werke, AGUwe Hofmann

Yazaki CorporationAkibumi Sato

Yunnan Copper Industry (Gropo) Co., Ltd.Wang Qin

Patrocinador:A International Copper Association, Ltd.

Patrocinadores associados:Anglo American Chile Ltd.Antofagasta MineralsAurubisBHP BillitonBoliden ABChinalco Luoyang CopperCorporación Nacional del Cobre de ChileCompañía Minera Doña Inés CollahuasiCollahuasi Compañía Minera ZaldívarFreeport McMoRan Copper & GoldGolden Dragon Precise Copper TubeHalcor S.A.International Wrought Copper CouncilKennecott Utah Copper Corp.KGHM Polska MiedzGrupo KMELSNikkoCopperLuvataMexicana de CobreMexicana de CananeaMitsubishi Materials CorporationMueller Industries Inc.NexansOutotec OyjPalabora Mining CompanyPan Pacific Copper Products, Inc.Revere Copper Products Inc.Rio Tinto PlcSociedad Contractual Minera el AbraSouthern Copper CorporationSumitomo Metal Mining Co.Teck ResourcesTenke FungurumeWielandWerkeAGXstrata CopperYunnan Copper Industry (Group) Co., Ltd.

Coordenadores:International Copper Association, Ltd.Hal StillmanNicole Witoslawski

Facilitadores (manual 2007):Energetics IncorporatedKatie JerezaRoss Brindle

copperalliance.org | APÊNDICE H 39

1. Smolders, Jan A. Foreword to Civilization and Copper; The Codelco Collection by Liebbrandt, Alexander, p. 3. Tradução da International Copper Association, Ltd. (ICA). Santiago, Chile:Codelco, 2001.

2. Site da Copper Alliancewww.copperalliance.org

3. Site da Copper Alliancehttp://copperalliance.org/core-

initiatives/development/4. Dados de uso final global ICA

Apêndice H: Referências

International Copper Association 260 Madison Avenue Nova Iorque, NY 10016 EUA

Telefone: (212) 251-7240 Fax: (212) 251-7245

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