Complemento
Fabricação de fios de Alumínio
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- Processo:
- Produzido a partir do lingote de Alumínio
- São derretidas 60 toneladas por dia a 750 graus Celsius
- Depois de fundidos, segue-se o vazamento
- Após o vazamento, o Alumínio solido entra no laminador
- O produto final são rolos de 2 toneladas que vão para a trefilagem
- Usados para condutores de cabos elétricos isolados ou cabos nús
- Trefilagem:
- Consiste em puxar o metal através de uma matriz, por meio de uma força de tração a ele aplicada na saída da matriz. A maior parte do escoamento plástico é causada por esforços de compressão resultantes da reação do metal com a matriz.
- Geralmente a parte metálica apresenta simetria circular, embora isto não seja um requisito obrigatório..
- Aplicações:
- Produção de fios elétricos, cabos, clipes de papel, corda para instrumentos musicais e raio para rodas.
Linhas de transmissão:
Resumo
- No global de suas propriedades, o alumínio é o segundo metal mais usado na eletricidade, havendo nos últimos anos uma preocupação permanente em substituir mais e mais as aplicações do cobre pelo alumínio, por motivos econômicos.
- Alguns aspectos, baseados principalmente no custo (mesmo levando em conta compensações no dimensionamento das partes condutoras) e produção nacional maior do alumínio, têm levado a crescente preferência pelo alumínio, cujo maior problema é a sua fragilidade mecânica e sua rápida, porém não profunda, oxidação.
- Vejamos uma comparação de algumas características entre o cobre e o alumínio na tabela apresentada na seqüência.
- Mesmo considerando a necessidade de condutores de alumínio com diâmetro maior que seria necessário se o material fosse cobre, o fio de alumínio ainda tem aproximadamente a metade do peso do de cobre, o que reduz o custo dos elementos de sustentação envolvidos, dado importante na construção de linhas de transmissão. O uso do alumínio adquiriu por essas razões importância especial nas instalações elétricas em aviões.
- Outro aspecto é o comportamento oxidante, já mencionado. O alumínio apresenta uma oxidação extremamente rápida, formando uma fina película de óxido de alumínio que tem a propriedade de evitar que a oxidação se amplie. Entretanto, esta película apresenta uma resistência elétrica elevada com uma tensão de ruptura de 100 a 300V, o que dificulta a soldagem do alumínio, que por essa razão exige pastas especiais.
- A corrosão galvânica é uma situação particular, própria entre metais afastados na série galvânica dos elementos. Devido ao grande afastamento e à conseqüente elevada diferença de potencial entre o cobre o alumínio, essa corrosão se apresenta sempre que o contato entre Cu e Al ocorre num ambiente úmido. Por essa razão, os pontos de contato Al-Cu precisam ser isolados contra a influência do ambiente.
Ligas do Alumínio
- O alumínio puro apenas é usado nos casos em que as solicitações mecânicas são pequenas. Tal fato ocorre, por exemplo, nos cabos isolados e em capacitores.
- Entretanto, é bastante grande o número de ligas de alumínio usadas eletricamente, nas quais este é associado principalmente a Cu, Mg, Mn e Si, que , com exceção do silício, formam sistemas cristalinos mistos, sensivelmente dependentes das condições de temperatura em que a liga é processada.
- Alguns exemplos de ligas de alumínio, assim como suas características, são apresentados na Tabela a seguir:
Aplicações
- O pequeno peso específico das ligas de alumínio leva, na área eletrotécnica, às seguintes aplicações principais:
- em equipamento portátil pela redução de peso;
- em partes de equipamento elétrico em movimento devido à redução de massa da energia cinética e do desgaste por atrito
- peças sujeitas a transporte por maior facilidade nesse locomoção e à extensiva à montagem dos mesmos;
- em estruturas de suporte de materiais elétricos (cabos, por exemplo) pela redução do peso e conseqüente estrutura mais leve;
- em locais de elevada corrosão com o uso particular de ligas com manganês.
Para Leitura
Custo e peso
Características dos dois metais em análise:
- densidade do cobre (dCu) = 8,89g/cm³
- densidade do alumínio (dAl) = 2,703 g/cm³
- resistividade do cobre (ρCu) = 17,241 Ω.mm²/km
- resistividade do alumínio (ρAl) = 28,264 Ω.mm²/km
Como a resistividade do alumínio é maior que a do cobre, para conduzir a mesma corrente, a seção do condutor de alumínio deve ser maior que a do cobre. Mesmo assim, a massa de alumínio será menor que a do cobre, uma vez que a densidade do alumínio é 30% da densidade do cobre:
- (Peso do cobre)/(Peso do Alumínio)= (17,241 x 8,89)/(28,264 x 2,703) = 2
Ou seja, o condutor de alumínio teria a metade do peso do condutor de cobre.
O custo do quilograma de cobre é maior que o de alumínio. Na ocasião em que este artigo estava sendo escrito, o custo do alumínio era de cerca de US$ 2,00 por quilograma, enquanto o custo do cobre era de cerca de US$ 8,00 por quilograma. Considerando que a fabricação do condutor cause um acréscimo de US$ 200 por tonelada dos dois metais (em geral, a fabricação do condutor de alumínio é mais cara por tonelada que a de cobre), o custo do condutor de alumínio ficaria em US$ 2,20/kg e o de cobre em US$ 8,20/kg. Isso faz com que o custo do condutor de cobre seja (8,20 / 2,20) x 2 = 7,45 vezes maior que o custo do condutor equivalente de alumínio.
É verdade que, atualmente, o alumínio esta com um preço menor que a média do mercado mundial, enquanto o cobre está com um valor dentro de sua média. Em geral, a relação de custo cobre/alumínio varia de um fator de 5 a 8 (ou seja, o condutor de cobre é de 5 a 8 vezes mais caro que o condutor equivalente de alumínio).
Mas então, por que o cobre tem sido usado preferencialmente, onde o peso não é um fator fundamental, como nas linhas aéreas?
É preciso lembrar que, antes de 2003, o preço do cobre variava entre US$ 1.000 e US$ 1.500 por tonelada, enquanto a variação do preço do alumínio era entre US$ 1.300 e US$ 1.700, havendo épocas em que a tonelada do alumínio e do cobre tinha quase o mesmo preço. Desse ano em diante, os dois metais sofreram altas e baixas em seu preço, mas o do cobre cresceu mais e, nos últimos anos, a relação de custos entre o alumínio e o cobre tem sido próxima de 1:4. Ou seja, usar o cobre sempre foi mais oneroso, mas a relação atual está muito grande e mantendo-se por muito tempo.
Restrições
Até o momento, a conclusão óbvia seria que o uso de condutores de alumínio proporcionaria uma economia fantástica; assim, por que ainda se utilizam condutores de cobre na grande maioria dos cabos elétricos?
Em primeiro lugar, quando exposta ao ar, a superfície do alumínio fica recoberta por uma camada invisível de óxido, de características altamente isolantes e de difícil remoção. Nas conexões com alumínio, um bom contato só será conseguido com a ruptura desta camada, e o principal motivo da utilização de conectores de pressão e aparafusados é essa ruptura. O cobre não traz este problema.
Além disso, o alumínio escoa com pequenas pressões, afrouxando as conexões. Com esse afrouxamento, há a possibilidade de formação de óxido, que eleva a resistência elétrica da conexão e provoca seu aquecimento, que é uma causa potencial de incêndio em instalações de cabos isolados.
Por estes dois motivos, as conexões de cabos de alumínio têm de ser inspecionadas rotineiramente por pessoal especializado. Assim, a norma brasileira de instalações elétricas de baixa tensão (ABNT NBR 5410), em sua seção referente a condutores, traz diversas restrições ao uso de condutores de alumínio.
Essas restrições são quanto a locais – por exemplo, onde exista alta densidade de ocupação e condições de fuga difíceis, como hotéis e hospitais, é terminantemente proibido o uso de cabos com condutores de alumínio -, seções (especificando seções maiores como sendo as mínimas, indiretamente se limita o uso dos condutores de alumínio a instalações de maior potência, onde deve haver um responsável técnico que saiba fazer as inspeções) e, cumulativamente, restringe-se o uso desses condutores onde explicitamente exige-se que a instalação e manutenção sejam feitas por pessoal qualificado.
Outro problema é que a maioria dos circuitos é constituída por condutores e conexões de cobre. Como o alumínio e o cobre estão separados eletro quimicamente por 2 V, existe uma predisposição da conexão cobre-alumínio à corrosão galvânica.
Por fim, nos últimos anos tem crescido muito a utilização de condutores flexíveis, onde antes eram utilizados condutores rígidos. A diferença entre condutores rígidos e flexíveis é o número de fios – e, consequentemente, o diâmetro desses fios – que compõem o condutor. Por exemplo, um condutor de cobre de seção 25 mm² pode ter constituições tais como:
- 1 fio de diâmetro 5,64 mm (rígida); - 7 fios de diâmetro 2,14 mm (rígida); - 126 fios de diâmetro 0,50 mm (flexível); - 196 fios de diâmetro 0,40 mm (flexível); - 783 fios de diâmetro 0,20 mm (extra flexível).
A liga de alumínio normalmente utilizada em condutores isolados não é adequada para fios com diâmetros menores que cerca de 1 mm. Fios muito finos alongam-se durante o processo e quebram-se no manuseio.
Entretanto, existem ligas especiais que permitem a fabricação de fios finos, com características semelhantes às dos fios de cobre e mantendo a resistividade das ligas tradicionais. Até o momento, seu uso tem se restringido a cabos para usos especiais, como na indústria automotiva e aeroespacial.
Conclusão
- Economicamente, o alumínio mostra-se mais atrativo que o cobre para condutores em geral, mas deve-se cuidar para que seu uso restrinja-se a utilizações em que pessoas qualificadas responsabilizem-se por sua instalação e manutenção.
- Onde o peso é importante, o alumínio é a escolha preferível. Com o tempo, é provável que ligas e conexões aperfeiçoadas estendam o uso do alumínio a condutores para outras aplicações.
Referências
- ABNT NBR 5111 (1997) – Fios de cobre nus, de seção circular, para fins elétricos – Especificação
- ABNT NBR 5118 (2007) – Fios de alumínio 1350 nus, de seção circular, para fins elétricos
- ABNT NBR 5410 (2008) – Instalações elétricas de baixa tensão
- London Metal Exchange – www.lme.com
Artigo
- João J. A. de Paulo
- Revista O Setor Elétrico
- Edição de Fevereiro/2013