corso di metallurgia non ferrosa: il rame assofermet, 9-5-2017
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Corso di metallurgia
non ferrosa: il rameIng. Vincenzo Loconsolo - UNIMET
Dott. Marco Crespi - Istituto Europeo del Rame
Milano, Corso Assofermet, 9 maggio 2017
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Indice
1. Panorama di base sul rame e le sue principali proprietà
2. Designazione e principali normative, leghe da fonderia e leghe da
deformazione plastica
3. I processi primari e secondari di produzione/trasformazione a partire dai
rottami
4. Cenni di metallurgia e trattamenti delle leghe
5. Le proprietà e le applicazioni
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1. Panorama di base sul rame e le sue principali proprietà
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Il rame nella tavola periodica
B C N
Al Si P
Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As
Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb
Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi
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Il rame in natura
Rame in natura:
• crosta terrestre: 60 mg/kg
• mare: 2,5*10-4 mg/l
Presente come:
• pepita
• minerale (ossido o composto dello zolfo)
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Il rame: i paesi produttori
2015: Circa un terzo della produzione mondiale (19,1 Mt)
del rame arriva dal Cile (5,8 Mt)!
In Europa: Russia, Polonia, Spagna.
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Distribuzione geografica del rame(dati ICSG)
PRODUZIONE MINERARIA 2015Principali produttori: CILE, CINA, PERU’, USA, AUSTRALIA
PRODUZIONE RAME RAFFINATO 2015 (22,9 Mt)Principali produttori: CINA, CILE, GIAPPONE, USA, RUSSIA (in Europa: GERMANIA, POLONIA, SPAGNA, BELGIO)
PRODUZIONE SEMILAVORATI E GETTI (2016)
Principali produttori: CINA, USA, GIAPPONE, GERMANIA,
ITALIA
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Il ciclo del rame nel mondo, 2014(dati ICSG, in Mt)
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Il ciclo del rame nel mondo, 2014(dati ICSG, in Mt)
Tasso di riciclo nel mondo: 29%
Tasso di riciclo in Europa: 45%
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Il rame: quanto ce n’è
In media: 40 anni di riserve e 200 anni di risorse disponibili
Riserve: depositi che sono stati già scoperti, determinati e valutati come economicamente redditizi.
Risorse: riserve, i depositi scoperti e potenzialmente redditizi e più i depositi non scoperti ma previsti da analisi
geologiche preliminari.
Secondo gli ultimi dati (USGS, 2014) le riserve conosciute di rame si aggirano intorno a 690 milioni di tonnellate, mentre
le risorse sono stimate intorno alle 3.100 milioni di tonnellate, che non includono però i vasti depositi sui fondali oceanici
sotto forma di noduli manganesiferi o solfuri.
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Il rame in natura: un po’ di chimica
Potenziale elettrochimico (in Volt)
Cu+ + e- Cu +0,521
Cu2++ 2e- Cu +0,337
Pb2+ + 2e- Pb -0,126
Ti+ + e- Ti -0,336
Fe2+ + 2e- Fe -0,440
Zn2+ + 2e- Zn -0,763
Al3+ + 3e- Al -1,66
Mg2++ 2e- Mg -2,37
Tra i metalli puri di uso industriale: unico con E0 positivo
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Il rame in natura: un po’ di chimica
Molti sali stabili: creano uno strato protettivo chiamato patina, di composizione variabile
Cu3+ e Cu4+ : esistono!
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Maximum 2 lines Proprietà meccaniche
Materiale non strutturale, abbastanza duttile e lavorabile
Capacità di deformarsi a formare fili e laminati
Carico di rottura (tubi e lastre): da 200 a 290 N/mm2)
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Maximum 2 lines Proprietà meccaniche
Resistenza meccanica: incrementabile aggiungendo elementi in lega
Lega più forte:
Cu-Be, 1500 N/mm2
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Maximum 2 lines Proprietà fisiche: la conduzione elettrica
Metallo Resistivitàin Ω*mm2/m
Conducibilitàin %
Argento 0,0159 105
Rame 0,0167 100
Oro 0,0235 72
Alluminio 0,0267 62
Zinco 0,059 28
Nickel 0,068 24
Ferro 0,095 17
Titanio 0,234 7
Acciaio inox (304) 0,689 2,5
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Maximum 2 lines Proprietà fisiche: la conduzione elettrica
Non solo conducibilità:
• duttilità
• robustezza
• resistenza al creep
• resistenza alla corrosione
Necessità di garantire avvolgimenti molto stretti, senza rompersi
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Maximum 2 lines Proprietà fisiche: la conduzione termica
Metallo Conduttivitàin W/(m*K)
Conduttivitàin %
Argento 418 107
Rame 390 100
Oro 300 77
Alluminio 210 54
Zinco 110 28
Nickel 90 23
Ferro 80 20
Titanio 22 6
Acciaio inox (304) 16,2 4
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Maximum 2 lines Proprietà fisiche: la conduzione termica
Non solo conduttività:
• resistenza alle alte e basse T
• basso coeff. dilatazione termica
• resistenza alla corrosione
• non invecchia
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Maximum 2 lines Proprietà fisiche: a proposito di temperatura..
Fonde a 1083 °C
Non cambia struttura cristallina allo stato solido e non infragilisce al freddo
Resiste alla fiamma e non brucia (classe di resistenza al fuoco: A1)
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Maximum 2 lines Proprietà fisiche: magnetismo
Materiale amagnetico: utile nella strumentazione, nelle tecnologie avanzate e nella bioedilizia
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Maximum 2 lines Proprietà antibatteriche del rame e sue leghe:
contro i virus
| Presentation title and dateDa: Noyce, Michels, Keevil : “Inactivation of Influenza A virus on copper versus stainless steel surfaces”
Riduzione del numero di virus
Provini di rame da 2*106 a 500 batteri in 6 ore
Provini di acciaio inox da 2*106 a 100.000 batteri in 24 ore
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Maximum 2 lines Proprietà antibatteriche del rame e sue leghe:
contro i (super)batteri
1,00E+00
1,00E+02
1,00E+04
1,00E+06
1,00E+08
0 60 120 180 240 300 360Bacte
ria C
ou
nt (p
er
ml.)
Time (minutes)
MRSA Viability on Copper Alloys and Stainless Steel at 20oC
C197 C240 C770 S304
Da: Michels, Wilks, Noyce, Keevil: “Copper Alloys for Human Infectious Disease Control”
C197: Cu 98,95%, Fe 0,7% + P, Mg
C240: Cu 80 %, Zn 20%
C770: Cu 55%, Zn 27%, Ni 18%
S304: Fe74%, Cr 18%, Ni 8%
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Maximum 2 lines Proprietà antibatteriche del rame e sue leghe:
contro spore e funghi
| Presentation title and date
Il rame inibisce la crescita di funghi e la germinazione delle spore (Aspergillus spp., Fusarium spp., Penicillium chrysogenum, Candida albicans)
Dopo 10 giorni, a temperatura e umidità ambiente:
Da: Weaver, Michels, Keevil: “Potential for preventing spread of fungi in air-conditioning systems constructed using copper instead of aluminium”
Cu Al
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Maximum 2 lines Capacità di formare leghe
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Maximum 2 lines Leghe ad altissima purezza
Una dozzina di leghe con una purezza superiore al 99,90%
Le più importanti:
• Cu-DHP (con P)
• Cu-ETP (con O)
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Maximum 2 lines Colore e colori delle leghe di rame
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Durezza
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Maximum 2 lines Riciclabilità del rame
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Maximum 2 lines Riciclabilità del rame
Percentuale di
energia risparmiata
Alluminio 95
Rame 85
Plastica 80
Acciaio 74
Piombo 65
Carta 64
dati BIR
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Maximum 2 lines Riciclabilità del rame
Palazzo della Provincia a Turku (Finlandia), Risto-Veikko Luukkonen e Helmer Steenroos
Palazzo degli
anni ‘60
ristrutturato:
riutilizzato in
facciata gran
parte del rame
originale.
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Attitudine alla giunzione
• Brasatura dolce Ottima
• Brasatura forte Ottima
• Saldatura ad arco (con gas inerte) Ottima
• Saldobrasatura Buona
• Saldatura ossiacetilenica Buona
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Il rame in natura: un po’ di chimica
Potenziale elettrochimico (in Volt)
Cu+ + e- Cu +0,521
Cu2++ 2e- Cu +0,337
Pb2+ + 2e- Pb -0,126
Ti+ + e- Ti -0,336
Fe2+ + 2e- Fe -0,440
Zn2+ + 2e- Zn -0,763
Al3+ + 3e- Al -1,66
Mg2++ 2e- Mg -2,37
Cu+ Cu2+ :
processi di ossidoriduzione nel nostro organismo (O2)
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Il rame e la nostra salute
Il rame è contenuto in una
trentina di enzimi e co-enzimi,
che intervengono per:
• crescita e rafforzamento delle
ossa
• sviluppo dei globuli rossi e
bianchi
• trasporto e assorbimento del ferro
• metabolismo del colesterolo e del
glucosio
• funzionalità del cuore
• sviluppo del cervello
• gravidanza e sviluppo del feto
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Il rame: dove? quanto?
Il rame è presente in numerosi organi del corpo umano,
con una media generale di 1,0 mg/Kg.
Concentrazione mg Cu/Kg
(persone adulte)
Fegato 6.7
Cuore 3.3
Cervello 5.8
Scheletro 0.72
Capelli 16Fonte: Landner& Lindestrom, Copper in society and
environment
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Fabbisogno giornaliero raccomandato di rame
Adulti 0.9 mg
Donne incinte 1.0 mg
Donne in allattamento 1.3 mg
Fonte: International Copper Association
Il nostro fabbisogno giornaliero
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Rame: in quali cibi?
Alcuni cibi ricchi di
rame:
• pomodori
• crostacei
• funghi
• cioccolato
(soprattutto fondente)
• spinaci
• noci, frutta secca
• fegato
• …
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Voluntary Risk Assessment
Esposizione al rame: esistono pericoli per l’uomo e per
l’ambiente?
Necessità di una valutazione volontaria dei rischi (VRA):
bisogna quantificare le emissioni ambientali durante il ciclo
di vita del rame
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VRA: principali conclusioni
Il rame non è generalmente pericoloso per l’ambiente
e i cittadini europei
Non è CMR (cancerogeno, mutagenico, dannoso per
la riproduzione) o PBT (persistente, bio-accumulante,
tossico)
Possibili rischi se si opera senza RPE (respiratory protective
equipment) in alcuni siti industriali produttori di polveri
Rischi ambientali in siti industriali, con i trattamenti delle acque
insufficienti o dove gli effluenti nell’acqua presentano un basso livello di
diluizione.
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VRA: principali conclusioni
Cibo:
Assunzione media: 0,6-2,0 mg/giorno
Valore soglia: 11 mg/giorno
(necessità: 1,0 mg/giorno)
Acqua:
Esposizione media: 0,7 mg/l
Valore soglia: 4,0 mg/l
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Maximum 2 lines Un po’ di storia e un po’ di curiosità
• Il primo metallo conosciuto dall’uomo, insieme al ferro e all’oro
• L’ascia di Otzi (3250 a.C.): 99,7% in rame
• Età del bronzo (dal 3500 al 1200 a.C.)
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Maximum 2 lines Un po’ di storia e un po’ di curiosità
• Aes Cuprum (da cui: Copper, Cuivre, Koppar, Cupru, Kupfer, Cobre
• Simbolo alchemico = simbolo biologico della donna
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2 Designazione e principali normative, leghe da fonderia e leghe da deformazione plastica
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I metalli non ferrosi
- Metalli di uso industriale (Al; Cu; Pb; Sn; Zn)
- Metalli preziosi (Ag; Au; Pt)
- Altri metalli (Cr; Mg; Mn; Ni; …)
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I metalli non ferrosi
- Metalli puri e leghe
- Processi elettrochimici
- Grandissima varietà di applicazioni
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I metalli non ferrosi
- Alliganti in prevalenza negli acciai
- Zincatura, banda stagnata
- Leghe leggere
- Leghe di rame
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Normative
- Norme tecniche di prodotto
- Norme di Applicazione
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Norme CEN
Tutte le caratteristiche di tutti i materiali
utilizzati per i differenti prodotti
Prodotti : grezzi, laminati, tubi, barre, fili,
forgiati, getti, raccordi, rottami
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Rame
TC 133WG 1 Unwrought products
WG 2 Rolled flat products
WG 3 Tubes
WG 4 Rod/Bar, wire, profile
WG 5 Products for electrical purposes
WG 6 Forgings
WG 7 Castings
WG 8 Fittings
WG 9 Inspection documents
WG 10 Chemical Analysis
WG 11 Scrap
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Norme tecniche
Altre tipologie di norme:
- TS: technical sheet
- CR: CEN Report
Aggiornamenti alle norme:
- EC: errata corrige
- FA: Foglio di aggiornamento
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Classificazione del rame e delle leghe di rame
Principi generali:
UNI EN 1412
Catalogo delle leghe:
UNI CEN TS 13388
CC755S CW611N
CuZn39Pb1Al CuZn39Pb1
Cu59,5
Cu59
61,0 60
Pb1,2
Pb0,8
1,7 1,6
Al0,4
0,7
Zn resto Zn resto
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UNI EN 1412
Posizione dei simboli
Posizione 2:
C
1 2 3 4 5 6
B materiali in forma di lingotti per rifusione, destinati alla
produzione di getti;
C materiali in forma di getti (cast);
F materiali d’apporto per brasatura e saldatura (filler);
M leghe primarie (master);
R rame raffinato, non lavorato plasticamente;
W materiali sotto forma di semilavorati (wrought);
X materiali non unificati;
S rottami (scrap).
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Posizioni da 3 a 6:
Gruppi di materiali
Posizioni 3,4,51)
(un numero compreso nella
gamma sotto indicata)
Posizione 6
(lettera che designa il
gruppo di materiali)
Rame da 000 a 099 A o B
Leghe di rame debolmente legate
(meno del 5% di altri elementi)da 100 a 199 C o D
Leghe varie di rame (5% o più di
altri elementi)da 200 a 299 E o F
Leghe di rame-alluminio da 300 a 349 G
Leghe di rame-nichel da 350 a 399 H
Leghe di rame-nichel-zinco da 400 a 449 J
Leghe di rame-stagno da 450 a 499 K
Leghe di rame-zinco, binarie da 500 a 599 L o M
Leghe di rame-piombo da 600 a 699 N o P
Leghe di rame-zinco, complesse da 700 a 799 R o S
1) Valori da 800 a 999 son di riserva per future necessità.
UNI EN 1412
Posizione dei simboli
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UNI EN 1652 - Rame e leghe di rame
Piastre, lastre, nastri e dischi per usi generali
PREMESSA
1 SCOPO E CAMPO DI APPLICAZIONE
2 RIFERIMENTI NORMATIVI
3 DEFINIZIONI
4 DESIGNAZIONI4.1 Materiale
4.2 Stato metallurgico del materiale
4.3 Prodotto
5 DATI FORNIRE ALL’ORDINE
6 REQUISITI
7 CAMPIONAMENTO
8 METODI DI PROVA8.1 Prova di trazione
8.2 Prova di durezza
9 DICHIARAZIONE DI CONFORMITÀ E DOCUMENTI DI CONTROLLO
10 MARCATURA, IMBALLAGGIO, ETICHETTATURA
INDICE
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UNI EN 1652
Composizione del rame
Designazione
del materialeComposizione in %
Massa
volumica
g/cm3Elemento Cu Bi O P Pb Altri elementi
Simbolo Numero Totalecon esclusione
diCirca
Cu-ETP CW004Amin 99,90 - - - - -
Ag, O 8,9Max - 0,0005 0,040 - 0,005 0,03
Cu-OF CW008Amin 99,95 - - - - -
Ag 8,9max - 0,0005 - - 0,005 0,03
Cu-DHP CW024Amin 99,90 - - 0,015 - -
- 8,9max - - - 0,040 - -
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UNI EN 1652
Caratteristiche meccaniche
Designazioni Spessore (mm) Resistenza a trazione Allungamento
MaterialeStato
metallurgico da
fino a
(ed incluso)
Rm (N/ mm2) Rp0,2 %
Simbolo Numero minmin. max. (N/mm2)
Cu-ETP
Cu-FRTP
Cu-OF
Cu-DLP
Cu-DHP
CW004A
CW006A
CW008A
CW023A
CW024A
R220 0,2 5 220 260 (max. 140) 42
R240 0,2 15 240 300 (min. 180) 15
R290 0,2 15 290 360 (min. 250) 6
NB:
Possono essere presenti anche altre specifiche tecniche come la durezza e la dimensione del grano.
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Rottami
Rottami del primo tipo: provenienti da smantellamento e demolizione
di impianti e manufatti al termine della loro vita utile, come ad
esempio linee di contatto ferroviarie, impianti elettrici, tubazioni,
avvolgimenti di motori, monete, ecc.
Rottami del secondo tipo: provenienti da sfridi e ritagli dal ciclo di
produzione dei semilavorati (se in uso nello stabilimento
generalmente non considerati nelle statistiche) e nelle lavorazioni a
valle dei semilavorati stessi (es. asportazione di truciolo per
rubinetteria e valvolame; tranciatura del nastro per le monete).
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UNI EN 12681
La norma UNI EN 12861 (feb. 2001) è la “summa” di tutto
quanto concerne “Rame e leghe di rame - Rottami”.
Specifica i requisiti (composizione, umidità,
caratteristiche…) delle materie utilizzabili in fusione diretta
sotto forma di rottami.
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UNI EN 12681
DESIGNAZIONI
1. Denominazione
2. Norma
3. Designazione del materiale
4. Classe dei diametri (se specificato)
Esempio:
Rottame – UNI EN 12861 – S-Cu-1 - A
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UNI EN 12681
DATI DA FORNIRE ALL’ORDINE
Il quantitativo + la designazione:
(20t - Rottame – UNI EN 12861 – S-Cu-1 - A)
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UNI EN 12681
CONTROLLO DEL MATERIALE ALL’INGRESSO
Radioattività, umidità, ferro libero, materiale isolante, sostanze
estranee, resa metallica…
Si deve applicare lo schema della pagina seguente.
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UNI EN 12681
Controllo radioattività
Controllo visivo
e determinazione della massa lorda
Accettazione consegna
Accettazione senza ulteriori prove
Det. ferro libero Det. umidità Det. materiale isolante Det. sostanze estranee Det. dimensionale Det. composizione
Accettazione requisiti Rifiuto consegna
Avvertire Autorità
Determinazione massa Termine del controllo
Sì
Sì
Sì
No
No No
No
Controllo del materiale in ingresso
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UNI EN 12681 tipi di rame
ROTTAMI DI RAME (Appedice B)
S-Cu-1 - elettrolitico di produzione (min. 99,90%, no P)
S-Cu-2 - elettrolitico di recupero (min. 99,90%, no P)
S-Cu-3 - da filo smaltato (no P)
S-Cu-4 - da produzione di tubi, nastri, ecc. (min. 99,90%, con P)
S-Cu-5 - da recupero di tubi, nastri, ecc. (min. 99,90%, con P)
S-Cu-6 - da recupero di ritagli e filo bruciato (min. 99,7%)
S-Cu-7 - da recupero di tubi, nastri, ecc. (min. 99,5% )
S-Cu-8 - da recupero di ritagli e fili bruciati (min. 98,0 %)
S-Cu-9 - da recupero, con eccesso impurezze (min. 96%)
S-Cu-10 – filo granulato
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UNI EN 12681 S- Cu – 1,2,3: un dettaglio
ROTTAMI DI RAME
S-Cu-1 - elettrolitico di produzione (min. 99,90%, no P)
S-Cu-2 - elettrolitico di recupero (min. 99,90%, no P)
S-Cu-3 - da filo smaltato (no P)
S-Cu-1, stato fisico: deve essere brillante, fatta eccezione per gli scarti di
estrusione
S-Cu-3, stato fisico: può contenere materiale derivante dalla smaltatura
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UNI EN 12681
s-Cu-4,5,6: un dettaglio
ROTTAMI DI RAME
S-Cu-4 - da produzione di tubi, nastri, ecc. (min. 99,90%, con P)
S-Cu-5 - da recupero di tubi, nastri, ecc. (min. 99,90%, con P)
S-Cu-6 - da recupero di ritagli e filo bruciato (min. 99,7%)
Stato fisico del S-Cu-6: il rottame può contenere materiali estranei come
ceneri o residui di carta bruciata
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UNI EN 12681 tipi di ottone
ROTTAMI DI LEGHE RAME-ZINCO (appendice C)
S-CuZn-1(A/B/C) - produzione di ottoni (min. 63,5%)
S-CuZn-2 – bossoli di ottone (min. 69%)
S-CuZn-3 - bossoli ex cartucce di ottone (min. 69%)
S-CuZn-4(A/B) – ottone al piombo (Pb max: 3,5%)
S-CuZn-5(A/B) – torniture da ottone al piombo
S-CuZn-6 - da valvole e rubinetti
S-CuZn-7 – varia provenienza
S-CuZn-6, caratteristiche: non sono accettati ottoni al Mn o Cr,
Rivestimenti e placcature di cromo e nichel devono essere accettate
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UNI EN 12681 Rottami da tubi condensatori
ROTTAMI DI TUBI CONDENSATORI (appendice D)
Cupronichel
• CuNi10Fe1Mn
• CuNi30Fe2Mn2
• CuNi30Mn1Fe
Leghe antidezincificazione
• CuZn20Al2As
• CuZn28Sn1As
• CuZn30As
Stati fisici: i materiali devono essere esenti da ferro libero e residui
organici.
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UNI EN 12681 altri
ROTTAMI DI RAME E LEGHE DI RAME DI VARIA NATURA (appendice E)
Composizione: accordo tra committente e fornitore
La designazione del materiale: si aggiunge il prefisso S
(es: da CuNi15 a S-CuNi15)
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Norme tecniche
Le norme sono volontarie.
Tranne quando sono richiamate da leggi nazionali o da provvedimenti europei:
- Direttive (PED, Macchine, ecc,)
- Regolamenti (Prodotti da costruzione)
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3. I processi primari e secondari di produzione/trasformazione a partire dai rottami4. Cenni di metallurgia e trattamenti delle leghe
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Il rame e le sue leghe
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Il rame e le sue leghe
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Idrometallurgia del rame
Elettrodeposizione diretta (SX-EW: solvent extraction/electrowinning)
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Il rame e le sue leghe
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Il rame e le sue leghe
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Il rame e le sue leghe
Cavi elettrici
e telefonici
Filo di rame trafilato
Conduttori nudi Trolley
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Il rame e le sue leghe
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Il rame e le sue leghe
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Lavorabilità
Plastica
• Stampaggio
• Imbutitura
• Forgiatura
• Tornitura a lastra
• Martellatura
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Lavorabilità
• Pressocolata
• Getti da colata
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Lavorabilità
Alle macchine utensili
• fresatura
• tornitura
• foratura
• alesatura
• rettifica
• …
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Tipi di rame
Material
Designation Composition in %
Symbol Number Cu Bi Pb O P Other elements
Total excluding
Cu-ETP CW004A Min
Max
99,90
-
0,0005
-
0,005
-
0,040
-
0,03
Ag. O
Cu-OF CW008A Min
Max
99,95
-
-
0,0005
-
0,005
-
-
-
0,03
Ag
Cu-DLP CW023A Min
Max
99,90
-
-
0,0005
-
0,005
0,0005
0,013
-
0,03
Ag, Ni, P
Cu-DHP CW024A Min
Max
99,90
-
-
0,0005
-
0,005
0,015
0,040
-
-
-
-
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Il rame e le sue leghe
• rame (leghe con Cu > 99,40 %)
• rame bassolegato
• ottoni binari (Cu - Zn)
• ottoni ternari (al Pb)
• ottoni speciali
• ottoni leghe Cu - Zn
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Il rame e le sue leghe
• bronzi (Cu - Sn)
• bronzi all’alluminio
• bronzi al silicio
• cupronickel (Cu - Ni)
• alpacche (Cu - Ni - Zn)
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Ottoni
Effetto dello zinco:
• migliora le caratteristiche meccaniche
• diminuisce la temperatura di fusione
• diminuisce la densità
• diminuisce la lavorabilità a freddo
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Ottoni
OTTONI
OTTONIBINARI
OTTONIAL Pb
OTTONISPECIALI
LAVORAZIONE
PLASTICA
LAVORAZIONEMECCANICA
PRESSOCOLATALEGHE
ANTIDEZINCIFICANTI
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Lavorazione degli ottoni
- Deformazione plastica:
• stampaggio a freddo (CuZn33)
• stampaggio a caldo (CuZn38Pb2)
- Per asportazione di truciolo (CuZn36Pb3)
- Getti (CuZn35Pb2Al):
• in sabbia
• in conchiglia
• pressocolata
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Ottoni binari
Tipo di
Ottone
Caratteristiche e applicazioni
CuZn10 CuZn15 CuZn20
Denominati similoro per il loro aspetto simile a quello del metallo prezioso, sono usati per la bigiotteria ed edilizia
CuZn30 Usati prevalentemente per munizionamento
CuZn33 Largamente utilizzati per la produzione di portalampade, rivetti, molle, tubetti per radiatori auto. Offrono un’ottima lavorabilità.
CuZn37 Utilizzati per la produzione di tranciati per strumentazione e contatteria, molle e rivetti.
CuZn40 Utilizzati soprattutto per le lavorazioni a caldo, per la produzione, per la produzione di laminati per piastre tubiere, stampati, profilati.
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Ottoni binari
• 0 < Zn < 33% : α
• 33 < Zn < 38% : α+β ad alta T e α a T ambiente
• 38 < Zn < 47% : β ad alta T e α+β a T ambiente
• 47 < Zn : β a tutte T; ma se > 42% non usate
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Ottoni alfa (0<Zn<33%)
• Ottima lavorazione plastica a freddo;
buona a caldo
• Quindi adatti per lavorazioni a freddo
(imbutitura e stampaggio)
• No tempra; possibile incrudimento
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Ottoni alfa (33<Zn<38%)
Ad alta T struttura cristallina α+β
ottima lavorabilità a caldo
A bassa T cresce la fase α
buona lavorabilità a freddo
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Ottoni alfa + beta (38<Zn<42%)
Solo per lavorazioni a caldo.
Non si utilizzano leghe oltre il 42% di Zn
• Lamiere di grande spessore per piastre tubiere (CuZn40)
• Barre estruse a caldo (Zn 38-40%)
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Ottoni speciali
Tipo di Ottone Composizione Caratteristiche e applicazioni
Ottoni al piombo
CuZn38Pb2 CuZn39Pb2 CuZn40Pb2
Utilizzati per stampaggio e lavorazione alle macchine utensili, in particolare per la produzione di rubinetteria e accessori vari per bagni, valvolame, viteria e bulloneria.
Ottoni allo stagno
CuZn28Sn1As
Condensatori, scambiatori di calore, distillatori, raccordi, applicazioni marine in generale (ammiragliato)
CuZn19Sn Strumenti musicali (ottoni)
Ottoni all’alluminio
CuZn20Al2As Vengono usati per tubi condensatori e scambiatori di calore; tubazioni e raccordi per acqua marina
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Il rame e le sue leghe
Componenti
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Ottoni al piombo
Pb non forma soluzioni solide con Cu-Zn, si
distribuisce ai bordi dei grani.
2-3% di Pb migliora la lavorabilità: i trucioli
sono corti o polverosi e non “impastano” le
macchine utensili, che sono anche meno
usurate.
Migliori operazioni di finitura
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Influenza del Pb sulla lavorabilità
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Influenza del truciolo
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Influenza del truciolo
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Valutazione dell’indice di lavorabilità
Prova di Bonnelance:
- fresatura assiale a pressione
costante con utensile nuovo
- tempo limite per una fresatura
completa 2 minuti
- l’indice è determinato dal
numero di barrette fresate
entro il tempo limite barretta da 500 mm
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Usura dell’utensile
Dipende da molteplici fattori,
tra i quali è di grande
importanza il raffreddamento
dell’utensile.
Trucioli molto spezzettati
permettono un miglior
raffreddamento.
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Usura dell’utensile
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Influenza del truciolo
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Confronto economico
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La forma del truciolo
a spillo
CuZn39Pb3
a barrette
CuZn38Pb2
a riccioli-
barrette
CuZn36Pb3
elicoidali
CuZn37
a nastro
CuZn15
spiraliformi
CuZn37Pb0,5
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Indice di lavorabilità
Designazione Cu Zn Pb Sn Indice di lavorabilità
CuZn36Pb3 61 36 3 100
CuZn39Pb3 58 39 3 100
CuZn39Pb2 59 39 2 90
CuZn37Pb2 61 37 2 80
CuZn35Pb2 63 35 2 75
CuZn35Pb1 64 35 1 70
CuZn40 60 40 40
CuZn10 90 10 25
CuSn5Pb1 94 1 5 80
CuSn4 96 4 20
Cu-DHP 99,90 20
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Ottoni speciali
• Manganese: resistenza alla corrosione
• Ferro: aumenta il carico di rottura
• Stagno: resistenza alla corrosione
• Alluminio: resistenza alla corrosione ed
abrasione (scambiatori con acqua
di mare ad alta velocità)
• Antimonio e Arsenico: inibiscono la
dezincificazione
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Ottoni per getti
Le leghe rame zinco: breve intervallo tra solidus e liquidus, quindi minore pericolo di rotture a caldo e porosità
Le leghe rame zinco sono adatte per colata in conchiglia e sabbia
Nei getti di piccole e medie dimensioni si usa la pressofusione
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Bronzi
BRONZI
LEGHE PERSEMILAVORATI
APPLICAZIONI
ELETTRICHE MECCANICHE
LEGHE PERGETTI
APPLICAZIONI
MECCANICHEARTISTICHE
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Bronzi
Effetto dello stagno
• aumenta la durezza
• aumenta la resistenza
• aumenta le proprietà elastiche
• diminuisce la malleabilità e la duttilità
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Bronzi
0 < Sn < 16% fase α
16 < Sn fase α + γ
Leghe industriali: fino al 30% di stagno
fase α : duttile e malleabile
fase γ : dura e fragile
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Bronzi per semilavorati
Tipo di bronzo Applicazioni
CuSn4 CuSn8P
Molle, interruttori, connettori, applicazioni chimiche,
CuSn4Pb4Zn4 Cuscinetti a manicotto, parti di valvole, ingranaggi
CuSn3Zn9 Applicazioni elettriche
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Bronzi per getti
Tipo di bronzo Caratteristiche ed applicazioni
CuSn10 CuSn11
Ingranaggi, bronzine, cuscinetti
CuSn11Pb2 Cuscinetti, bronzine, giranti di pompe
CuSn12 Cuscinetti e bronzine
CuSn12Ni2 Ingranaggi
CuSn5Zn5Pb5 Valvole, raccordi, flange, pompe
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Cupronickel
CUPRONICKEL
LAMINATI
APPLICAZIONI
MARINE
TUBI PER
SCAMBIATORI
CENTRALI
TERMOELETTRICHE
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Cupronickel
Effetto del nickel
• aumenta il carico di rottura
• aumenta la resistenza alla corrosione
• diminuisce le proprietà fisiche
• proprietà “sbiancanti”
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Cupronickel: elementi aggiuntivi
• Ferro: aumenta la resistenza alla corrosione
• Manganese: usato per disossidare e togliere lo zolfo
• Stagno: aumenta l’elasticità
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Cupronickel
Tipo di Cu-Ni Proprietà Applicazioni
CuNi25 Resistenza all’usura, colore “argento”
Monetazione, materiale per placcatura
CuNi9Sn2 Buona lavorabilità a freddo, ottima elasticità.
Contatti a molla nei relè, interruttori e connettori
CuNi10Fe1Mn
Resistenza a erosione, cavitazione e corrosione, soprattutto marina e buona saldabilità.
Lamiere e tubi per scambiatori di calore, condensatori, caldaie a bassa pressione per acqua di alimentazione impianti, aria condizionata , tubi alettati, tubi per sistemi frenanti.
CuNi30Fe2Mn2 Come CuNi30Mn1Fe, con migliori proprietà meccaniche
Tubi condensatori
CuNi30Mn1Fe Come CuNi10Fe1Mn, con migliori proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione
Come CuNi10Fe1Mn, tubi marini e impianti di desalinizzazione
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Rame bassolegato
Leghe rame e berillio
Effetti del trattamento termico sulle caratteristiche fisiche
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Corrosione
Brevi accenni in merito
alla corrosione
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Scala di nobilità (in ambiente marino)
• Oro
• Grafite
• Platino
• Leghe Ni-Cr-Mo
• Leghe Ni-Cr-Mo-Cu-Si
• Inox (316, 317…)
• Inox (302, 304, 321…)
• Argento
• Nichel
• Leghe Ni-Cr
• Bronzi al Ni e Al
• Cupronickel 70/30
• Piombo
• Inox (420)
• Cupronickel 90/10
• Inox (410, 416)
• Bronzi al Si
• Bronzi al Mn
• Ottoni ammiragliato
• Ottoni all’ Al
• Rame
• ……
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Season Cracking
Le leghe di rame (con 20-40 % di Zn) con tensioni interne ne sono soggette in ambienti debolmente corrosivi (es. residui ammoniacali)
Le tensioni possono essere applicate (per carichi o per costruzione) o residue (dopo lavorazioni plastiche).
Anche ambienti con mercurio, nitriti e nitrati.
Elementi come P, As, Mg, Te, Sn, Be, Mn diminuirebbero la suscettibilità
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Dezincificazione
La dezincificazione è una dissoluzione selettiva dell’ottone, che “perde” lo zinco.
Si verifica in acque ricche di ossigeno e CO2, se le acque sono calme o poco mosse.
Ottoni con meno del 15% di Zn esenti. Negli ottoni alfa+beta viene attaccata prima la fase beta (più ricca in Zn).
Elementi come P, As, Sb anche in tracce inibiscono la dezincificazione.
L’ottone ammiragliato è inibito con lo Sn (1%).
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Ottoni antidezincificazione
ottone
dezincificato
(? #*#!!!????)
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Leghe anti-dezincificazione
As
(min-max%)
P
(max %)
CuZn20AlAs 0,02-0,06 0,01
CuZn28Sn1As 0,02-0,06 0,01
CuZn30As 0,02-0,06 0,01
CuZn32Pb2AsFeSi 0,03-0,08 -
CuZn36PbAs 0,02-0,15 -
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Trattamenti di finitura
Superficie di rame al microscopio
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Trattamenti di finitura
Trattamenti meccanici:
• pulizia meccanica
• spazzolatura
• sabbiatura
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Trattamenti di finitura
Trattamenti chimici:
• decapaggio
• lucidatura
• colorazione
• formazione della patina
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Trattamenti di finitura
Depositi metallici (elettrochimici):
• stagnatura
• nichelatura
• cromatura
• metalli preziosi
• rame su rame
• leghe su rame
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Trattamenti di finitura con vernici
ProdottiResistenza
all’abrasione
Resistenza
chimicaDurabilità Trasparenza
Durata della
trasparenza
Essicazione a temperatura ambiente
Nitrocellulosiche ●● ● ●● ●●● ●●
Epossidiche ●● ●● ●●● ●●● ●●●
Acetato b. di cell. ●● ●● ●●● ●●● ●●
Epossidiche ●●● ●●● ●● ● ●
Poliuretaniche ●●● ●●● ●● ●●● ●●
Fluoropolimeriche ●●● ●●● ●●● ●● ●●
Essicazione a forno
Acriliche ●●● ●● ●●● ●●● ●●●
Poliestere ●●● ●● ●● ●●● ●●
●●● eccellente ●● buono ● mediocre
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5. Proprietà ed applicazioni
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Elettricità
Alta conducibilità
elettrica e alta
conduttività termica
Impianti
efficienti
Risparmio
energetico
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Elettricità: energia eolica
Generatore:
avvolgimenti di
rame
Cavi di potenza
in rame
Trasformatore:
avvolgimenti di
rame
Stazione di
trasmissione:
avvolgimenti
di rame
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Elettricità: motori elettrici
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Elettricità: auto elettrica
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Il rame nelle energie rinnovabili
Tecnologia Dov’è il rame?
Eolico Generatori, motori, cavi trasformatori
Solare termico Scambiatori di calore, tubazioni
Solare fotovoltaico Convertitori, trasformatori, cavi
Geotermia Captatori nel terreno
Biomasse e
biocombustibili
Generatori, cavi
Idroelettrica Generatori, trasformatori,
Maree cavi generatori, cavi per raccolta e trasmissione di
energia
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Il rame nel solare termico
Immagine da: AmbienteItalia: “Impianti solari termici -
Manuale per la progettazione e costruzione”
Circuiti di
collegamento
Collettori
Accumuli
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Il rame nel solare termico:
i collettori
Conduttività Resistenza alle alte temperature
Trattamenti chimici di annerimento Giunzioni con le piastre sottili
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Il rame nel solare termico:
i collegamenti
Tubi WICU® Solar Duo, da KME
Resistenza alle alte T
Superficie interna liscia
Diametri minori
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Il rame nel solare termico:
gli accumuli
Immagine da presentazione SolarPraxis: “Impianti solari
termici - Corso per installatori”
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Il rame nel solare termico:
il tetto energetico
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Il rame nel solare termico:
il tetto energetico
Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
• In genere, nei motori
standard fino a 10 kW c’è
1 kg di rame per kW;
• gli HEM contengono il
20% di rame in più.
Rame, sezione maggiorata dei conduttori: meno perdite di energia e
surriscaldamenti
T più basse: il motore dura di più e necessita di ventole di raffreddamento più piccole.
Meno attriti meccanici, meno volume e meno rumore.
Attrito meccanico, effetto Joule e correnti parassite:
negli HEM queste perdite sono ridotte attraverso la scelta dei materiali, del design e
dell’assemblaggio degli elementi.
Motori elettrici ad alta efficienza (H.E.M.)
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Immagine da: www.sofath.com
La geotermia
Serpentine interrate
“prelevano” il calore
del terreno per
riscaldare la casa.
In estate l’impianto
può essere usato per il
raffrescamento.
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Tecnologia Sofath, gamma Caliane dex
Il tubo di rame per la geotermia
Tubi di rame per i
captatori nel terreno:
• Fluido refrigerante R410
• Resistenza alle alte P
• Basse perdite di carico
• Minore occupazione di
spazi
Dati tratti da presentazione tecnica Sofath
Confronto: tecnologia DEX/acqua glicolata
Modello Caliane 15.10: Termeo 14 Cap.:
Descrizione Pompa di calore, tubo in
rame
Acqua glicolata, tubo in
plastica
Potenza 15.100 Wterm 14.050 Wterm
Potenza assorbita 3.660 Wel 3.510 Wel
Potenza prelevata 11.440 W 10.540 W
Superficie di terreno
occupata
270 m2 450m2
Resa 42,37 W/m2 23,42 W/m2
Geotermia: confronto tra sistemi
Sono stati presi in considerazioni due sistemi geotermici di potenza simile, per confrontare
la loro resa attraverso la superficie di terreno occupata dai captatori.
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Macchine di scambio termico
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Rame: tubazioni per l’impiantistica
Campi di utilizzo dei tubi
1 – Acqua potabile
2 – Gas
3 – Riscaldamento
4 – Gas medicali
5 – Condizionamento e
refrigerazione
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Acqua potabile
• Composizione conosciuta:
99,90% min. (no additivi,
coloranti, ecc.)
• Antibatterico
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Rame: tubazioni per l’impiantistica
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Rame: tubazioni per l’impiantistica
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Rame: tubazioni per l’impiantistica
Rame: tubazioni per l’impiantistica
3,4 3,8
14,8
0
5
10
15
Rame Acciaio inox PeX
Velocità media sviluppo biofilm (pg ATP/giorno)
600
8000
20000
0
5000
10000
15000
20000
Rame Acciaio inox PeX
Massima quantità di legionella misurata nel biofilm
(cfu/cm2)
Il rame è l’unico materiale
che combatte la legionella
Rame: tubazioni per l’impiantistica
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Tubazioni per il gas
UV
O2
Nessuna alterazione del tubo
• Nessun infragilimento
• Nessun inquinamento dall’esterno
• Resistenza nel tempo e all’invecchiamento
• Nessun problema se installato all’esterno
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Tubazioni per il riscaldamento
Nessuna alterazione del tubo
• Resistenza alle alte T
• Resistenza alla pressione
• Efficienza
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Maximum 2 lines Tubazioni per il riscaldamento
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Maximum 2 lines Tubazioni per il riscaldamento
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Maximum 2 lines Tubazioni per i gas medicali
N2O
N2
CO2
O2
Aria
O2/NO2
He
Xe
vuoto
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Maximum 2 lines Tubazioni per condizionamento e
refrigerazione
Elettricità risparmiata:
150.000 kWh/anno
(pompe di circolazione e T della CO2)
Ritorno dell’investimento:
5 anni
(C.d.V.:20-40 anni)
Alla fine: tubo
perfettamente riciclabile!
Sistema per la pista di pattinaggio:
tubo di rame + CO2
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Maximum 2 lines Rame per edilizia
Coperture e tetti, rivestimenti,
gronde, pluviali, scossaline.
Elemento decorativo, accessori
per interni ed esterni
(soprattutto in ottone)
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Maximum 2 lines Rame per edilizia
La perdita di spessore di lastre di rame è stata misurata dall’ASTM in
“tempo reale” (20 anni).
Lo spessore perduto è dell’ordine del micrometro (m), cioè del
millesimo di millimetro.
Tali valori tendono a decrescere col passare del tempo.
La velocità cresce con la temperatura, l’umidità, la presenza di
inquinanti nell’aria e la prossimità al mare
Perdita di spessore della lega C11000 (Cu 99,9%) in 20 anni ( in m/anno)
atmosfera marina 0,56-1,27
atm. industriale 1,40
atm. industriale-marina 1,38
atm. rurale 0,13-0,43
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Maximum 2 lines Rame per edilizia
Ottone per edilizia
Palestra di allenamento dell’Atalanta a Zingonia (BG), De8 Architetti
Bronzo per edilizia
• stabilità e
rigidità
• resistenza
ad abrasione
• durata
Si associa
alle altre
superfici in
rame
Great James Street a Londra (UK), Emrys Architects
Rame-alluminio per edilizia
Gioielleria Serafino Consoli a Grumello del Monte (BG), Studio Mangili e Associati
• colorazione
dorata
• resistenza
ad abrasione
• rigidità
Rame stagnato per edilizia
Centro logistico Wurth, a Capena (RM), arch. Melluso
La monetazione
Giallo: Cu+Zn(20%)+Ni(5%)
Bianco: Cu+Ni(25%)
Resistenza alla corrosione e agli urti
Lavorabilità ed estetica
Anti-battericità
Riciclabilità
Cu+Al(5%)+Zn(5%)+Sn(1%)
Rame, un mare di applicazioni
Scala di nobiltà dei metalli in ambiente marinoOro Bronzi al Si
Grafite Bronzi al Mn
Platino Ottoni ammiragliato
Titanio Rame
Acciaio inox (tipo 316, 317, passivo) Acciaio inox (tipo 316, 317, attivo)
Argento Ghise al Ni
Nichel Acciai bassolegati
Bronzi al Ni e Al Acciai, ghise comuni
Rame nickel 70/30 Leghe di alluminio
Rame nickel 90-10 Berillio
Acciaio inox (tipo 410, 416, passivo) Zinco
Bronzi Magnesio
Rame, un mare di applicazioni
Rame, un mare di applicazioni
Minore o nessuna colonizzazione di
molluschi ed alghe
Maggiore pulizia
e meno difficoltà per
scrostamento/manutenzione
La battaglia di Trafalgar!
Ottone, un mare di applicazioni
Resistenza
alla corrosione
Resistenza
meccanica
Resistenza
all’abrasione
Leghe
ammiragliato:
CuZn29Sn1
Rame-alluminio, un mare di applicazioni
Formazione di patina protettiva di
ossido di alluminio, aderente e in
tempi rapidissimi
Resistenza alla cavitazione-erosione
Resistenza chimica
Resistenza meccanica
Anti fouling
Ottima fusione
Rame-nickel, un mare di applicazioni
Resistenza alla corrosione
Resistenza meccanica
Resistenza all’erosione
Leghe 90-10 e 70-30
Impianti di dissalazione
Chiglie di navi
Piattaforme marine
Condensatori/ scambiatori marini
Piattaforme offshore
Acquacoltura
Acquacoltura: reti per
gabbie
Minore biofouling = più
circolazione d’acqua
Più ossigeno, meno
patogeni
Meno alghe = Meno
manutenzione
Più produttività
Rame per la sanità: proprietà
Centre Hospitallier de Rambouillet (Francia): interruttori, dispenser
rubinetti, maniglie, letti, corrimano…
Rame per la sanità: arredo ospedaliero
Il rame e le sue leghe
hanno proprietà
antibatteriche
Clinical trial in USA:
nelle stanze di terapia
intensiva con oggetti
in rame, il rischio di
infezioni
nosocomiali è
diminuito del 58%
Oggetti in rame nelle stanza dell’ ospedale Sloan-Kettering (New York): sponde dei letti, braccioli delle
poltrone, piantane portaflebo, tavolini, dispositivi per computer, pulsanti dei dispositivi di chiamata.
Rame per il design
bello
colorato tradizione plurimillenaria
forte identità
duraturo
facile da lavorare
moderno
Rame nel design
Etch, designer Tom DixonAmerica, designer Cappellini
Artigianato e oggettistica
Artigianato e oggettistica
Il Trofeo
senza fine:
una barra di
rame dorato
Rubinetteria e valvolame
Italia leader mondiale
Due poli produttivi:
• Provincia di Brescia
• Novara-Cusio
Si parte da una barra
di ottone (con sfridi,
che vengono
recuperati)
Serramenti, infissi e maniglie
Rame Bronzo Ottone Cupronickel
ISO Cu-DHP CuZn10 CuSn8 Cusn11P Cuzn30 CuZn37 CuZn39Pb1-C
CuZn40Pb2
CuNi18Zn20
CuNi10Fe1Mn
EN CW024A CW501L CW453K CC481K CW505L CW508L CC754S CW617N CW409J CW352H
UNS C12200 C2200 C52100 C90700 C26000 C27200 C85700 C37700 C79200 C70600
