Los cables vienen en una variedad de tamaños para diferentes usos, desde cables de alimentación de supertensión que transportan energía eléctrica a más de 100 kilovoltios, hasta cables de telecomunicaciones. Estos últimos en el pasado utilizaban conductores de cobre, pero estos han sido reemplazados por cables de fibra óptica, que transportan más información en un cable mucho más pequeño. En medio están los cables generales utilizados para el cableado doméstico, otros cables flexibles y cables de potencia a tensiones inferiores a las de los cables de supertensión. Además, existen cables más especializados, como cables con aislamiento mineral (utilizados cuando su protección inherente contra la quema en caso de incendio es crucial, por ejemplo, en una fábrica, en un hotel o a bordo de un barco), cables esmaltados (utilizados como bobinados para motores), alambre de oropel (usado en la conexión en espiral de un auricular de teléfono), cables de cocina (que históricamente usaban aislamiento de asbesto pero ahora usan otros materiales) y así sucesivamente.
Materiales y Procesos
Directores
El material más común utilizado como conductor en los cables siempre ha sido el cobre, debido a su conductividad eléctrica. El cobre tiene que ser refinado a alta pureza antes de que pueda convertirse en un conductor. El refinado de cobre a partir de mineral o chatarra es un proceso de dos etapas:
- refinación al fuego en un horno grande para eliminar las impurezas no deseadas y fundir un ánodo de cobre
- refinado electrolítico en una celda eléctrica que contiene ácido sulfúrico, del cual se deposita cobre muy puro en el cátodo.
En las plantas modernas, los cátodos de cobre se funden en un horno de cuba y se moldean y laminan continuamente para formar varillas de cobre. Esta varilla se reduce al tamaño requerido en una máquina de trefilado tirando del cobre a través de una serie de troqueles precisos. Históricamente, la operación de trefilado se realizaba en una ubicación central, con muchas máquinas que producían alambres de diferentes tamaños. Más recientemente, las fábricas autónomas más pequeñas tienen su propia operación de trefilado más pequeña. Para algunas aplicaciones especializadas, el conductor de cobre se recubre con un revestimiento metálico, como estaño, plata o zinc.
Los conductores de aluminio se utilizan en cables eléctricos aéreos donde el peso más ligero compensa con creces la conductividad inferior en comparación con el cobre. Los conductores de aluminio se fabrican exprimiendo un tocho de aluminio calentado a través de un troquel usando una prensa de extrusión.
Los conductores metálicos más especializados utilizan aleaciones especiales para una aplicación particular. Se ha utilizado una aleación de cadmio-cobre para las catenarias aéreas (el conductor aéreo que se usa en un ferrocarril) y para el alambre de oropel que se usa en un auricular de teléfono. El cadmio aumenta la resistencia a la tracción en comparación con el cobre puro y se utiliza para que la catenaria no se combe entre los apoyos. La aleación de berilio-cobre también se usa en ciertas aplicaciones.
Las fibras ópticas, que consisten en un filamento continuo de vidrio de alta calidad óptica para transmitir telecomunicaciones, se desarrollaron a principios de la década de 1980. Esto requería una tecnología de fabricación totalmente nueva. El tetracloruro de silicio se quema dentro de un torno para depositar dióxido de silicio en un espacio en blanco. El dióxido de silicio se convierte en vidrio calentándolo en una atmósfera de cloro; luego se dibuja a medida y se aplica una capa protectora.
Aislamiento
Se han utilizado muchos materiales de aislamiento en diferentes tipos de cables. Los tipos más comunes son los materiales plásticos, como el PVC, el polietileno, el politetrafluoroetileno (PTFE) y las poliamidas. En cada caso, el plástico se formula para cumplir con una especificación técnica y se aplica al exterior del conductor mediante una máquina de extrusión. En algunos casos, se pueden agregar materiales al compuesto plástico para una aplicación particular. Algunos cables de alimentación, por ejemplo, incorporan un compuesto de silano para reticular el plástico. En los casos en que el cable se va a enterrar en el suelo, se agrega un pesticida para evitar que las termitas se coman el aislamiento.
Algunos cables flexibles, en particular los de las minas subterráneas, usan aislamiento de caucho. Se necesitan cientos de compuestos de caucho diferentes para cumplir con diferentes especificaciones, y se requiere una instalación especializada en compuestos de caucho. El caucho se extruye sobre el conductor. También debe vulcanizarse pasándolo por un baño de sal de nitrito caliente o por un líquido presurizado. Para evitar que los conductores adyacentes con aislamiento de goma se peguen, se extraen a través de polvo de talco.
El conductor dentro de un cable puede estar envuelto con un aislante como papel (que puede haber sido empapado en un aceite mineral o sintético) o mica. Luego se aplica una funda exterior, generalmente por extrusión de plástico.
Se han desarrollado dos métodos de fabricación de cables con aislamiento mineral (MI). En el primero, un tubo de cobre tiene una serie de conductores de cobre sólido insertados en él, y el espacio entre ellos está lleno de polvo de óxido de magnesio. Luego, todo el ensamblaje se estira hacia abajo a través de una serie de troqueles al tamaño requerido. La otra técnica implica la soldadura continua de una espiral de cobre alrededor de conductores separados por polvo. En uso, la cubierta exterior de cobre de un cable MI es la conexión a tierra y los conductores internos transportan la corriente. Aunque no se necesita una capa exterior, algunos clientes especifican una cubierta de PVC por motivos estéticos. Esto es contraproducente, ya que la principal ventaja del cable MI es que no se quema, y una cubierta de PVC niega un poco esta ventaja.
En los últimos años el comportamiento de los cables frente al fuego ha recibido una atención creciente por dos motivos:
- La mayoría de los cauchos y plásticos, los materiales de aislamiento tradicionales, emiten grandes cantidades de humo y gases tóxicos en un incendio, y en varios incidentes de incendios de alto perfil, esta ha sido la principal causa de muerte.
- Una vez que un cable se ha quemado, los conductores tocan y fusionan el circuito, por lo que se pierde energía eléctrica. Esto ha llevado al desarrollo de compuestos de baja emisión de humos y fuego (LSF), tanto para materiales plásticos como de caucho. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el mejor rendimiento en caso de incendio siempre se obtendrá con un cable MI.
Se utilizan varios materiales especializados para ciertos cables. Los cables de supertensión están rellenos de aceite tanto por sus propiedades de aislamiento como de refrigeración. Otros cables utilizan una grasa de hidrocarburo conocida como MIND, vaselina o una cubierta de plomo. Los alambres esmaltados generalmente se fabrican recubriéndolos con un esmalte de poliuretano disuelto en cresol.
Fabricación de cables
En muchos cables, los conductores aislados individuales están trenzados para formar una configuración particular. Varios carretes que contienen los conductores individuales giran alrededor de un eje central a medida que el cable pasa a través de la máquina, en operaciones conocidas como varada y dejar.
Algunos cables deben protegerse contra daños mecánicos. Esto se hace a menudo por trenza, donde un material se entreteje alrededor del aislamiento exterior de un cable flexible de tal manera que cada hebra se cruce entre sí una y otra vez en espiral. Un ejemplo de un cable trenzado de este tipo (al menos en el Reino Unido) es el que se usa en las planchas eléctricas, donde se usa hilo textil como material de trenzado. En otros casos se utiliza alambre de acero para el trenzado, operación que se denomina blindaje
operaciones auxiliares
Los cables más grandes se suministran en tambores de hasta unos pocos metros de diámetro. Tradicionalmente, los tambores son de madera, pero se han utilizado los de acero. Un tambor de madera se fabrica clavando madera aserrada con una máquina o una pistola clavadora neumática. Se utiliza un conservante de cobre, cromo y arsénico para evitar que la madera se pudra. Los cables más pequeños se suelen suministrar en un carrete de cartón.
La operación de unir los dos extremos de los cables, conocida como unión, bien puede tener que llevarse a cabo en una ubicación remota. La junta no solo debe tener una buena conexión eléctrica, sino que también debe ser capaz de soportar las condiciones ambientales futuras. Los compuestos de unión utilizados son comúnmente resinas acrílicas e incorporan tanto compuestos de isocianato como polvo de sílice.
Los conectores de cable se hacen comúnmente de latón en tornos automáticos que los fabrican a partir de barras. Las máquinas se enfrían y lubrican con una emulsión de agua y aceite. Los clips para cables se fabrican con máquinas de inyección de plástico.
Peligros y su Prevención
El peligro para la salud más generalizado en la industria del cable es el ruido. Las operaciones más ruidosas son:
- trefilado
- trenza
- la refinería de fuego de cobre
- colada continua de varillas de cobre
- fabricación de tambores de cable.
Los niveles de ruido superiores a 90 dBA son comunes en estas áreas. Para trefilado y trenzado, el nivel general de ruido depende del número y la ubicación de las máquinas y del entorno acústico. El diseño de la máquina debe planificarse para minimizar la exposición al ruido. Los recintos acústicos cuidadosamente diseñados son los medios más efectivos para controlar el ruido, pero son costosos. Para la refinería de cobre a fuego y la colada continua de alambrones de cobre, las principales fuentes de ruido son los quemadores, que deben diseñarse para una baja emisión de ruido. En el caso de la fabricación de tambores de cable, las pistolas de clavos accionadas neumáticamente son la principal fuente de ruido, que se puede reducir bajando la presión de la línea de aire e instalando silenciadores de escape. Sin embargo, la norma de la industria en la mayoría de los casos anteriores es entregar protección auditiva a los trabajadores en las áreas afectadas, pero dicha protección será más incómoda de lo habitual debido a los ambientes cálidos en la refinería de cobre a fuego y la colada continua de varillas de cobre. También se debe realizar una audiometría regular para monitorear la audición de cada individuo.
Muchos de los riesgos de seguridad y su prevención son los mismos que en muchas otras industrias manufactureras. Sin embargo, algunas máquinas de fabricación de cables presentan peligros especiales, ya que tienen numerosos carretes de conductores que giran alrededor de dos ejes al mismo tiempo. Es esencial asegurarse de que los protectores de la máquina estén interbloqueados para evitar que la máquina funcione a menos que los protectores estén en posición para evitar el acceso a los puntos de contacto en funcionamiento y otras piezas giratorias, como tambores de cable grandes. Durante el enhebrado inicial de la máquina, cuando sea necesario permitir que el operador acceda al interior de la protección de la máquina, la máquina debe poder moverse solo unos pocos centímetros a la vez. Los arreglos de enclavamiento se pueden lograr al tener una llave única que abre la protección o debe insertarse en la consola de control para permitir que funcione.
Se debe realizar una evaluación del riesgo de partículas voladoras, por ejemplo, si un cable se rompe y se sale.
Preferiblemente, las protecciones deben estar diseñadas para evitar físicamente que tales partículas lleguen al operador. Cuando esto no sea posible, se debe proporcionar y usar protección ocular adecuada. Las operaciones de trefilado a menudo se designan como áreas donde se debe usar protección para los ojos.
Directores
En cualquier proceso de metal caliente, como una refinería de cobre a fuego o fundición de varillas de cobre, se debe evitar que el agua entre en contacto con el metal fundido para evitar una explosión. Cargar el horno puede resultar en el escape de vapores de óxido de metal al lugar de trabajo. Esto debe controlarse utilizando una ventilación de escape local eficaz sobre la puerta de carga. De manera similar, los canales por los que pasa el metal fundido desde el horno hasta la máquina de colada y la propia máquina de colada deben controlarse adecuadamente.
El peligro principal en la refinería electrolítica es la neblina de ácido sulfúrico que se desprende de cada celda. Las concentraciones en el aire deben mantenerse por debajo de 1 mg/m3 con una ventilación adecuada para evitar la irritación.
Al fundir varillas de cobre, se puede presentar un riesgo adicional mediante el uso de placas o mantas aislantes para conservar el calor alrededor de la rueda de fundición. Los materiales cerámicos pueden haber reemplazado al asbesto en tales aplicaciones, pero las fibras cerámicas en sí deben manipularse con mucho cuidado para evitar exposiciones. Dichos materiales se vuelven más friables (es decir, se rompen fácilmente) después de su uso cuando se han visto afectados por el calor y han resultado exposiciones a fibras respirables transportadas por el aire debido a su manipulación.
Se presenta un peligro inusual en la fabricación de cables eléctricos de aluminio. Se aplica una suspensión de grafito en un aceite pesado al ariete de la prensa de extrusión para evitar que el tocho de aluminio se adhiera al ariete. Como el ariete está caliente, parte de este material se quema y sube al espacio del techo. Siempre que no haya un operador de puente grúa en las inmediaciones y que los ventiladores de techo estén instalados y funcionando, no debe haber riesgo para la salud de los trabajadores.
La fabricación de aleaciones de cadmio-cobre o de berilio-cobre puede presentar grandes riesgos para los empleados involucrados. Dado que el cadmio hierve muy por debajo del punto de fusión del cobre, los vapores de óxido de cadmio recién generados se generarán en grandes cantidades cada vez que se agregue cadmio al cobre fundido (que debe ser para hacer la aleación). El proceso puede llevarse a cabo de manera segura solo con un diseño muy cuidadoso de la ventilación de extracción local. De manera similar, la fabricación de aleaciones de berilio y cobre requiere una gran atención a los detalles, ya que el berilio es el más tóxico de todos los metales tóxicos y tiene los límites de exposición más estrictos.
La fabricación de fibras ópticas es una operación altamente especializada y de alta tecnología. Los productos químicos utilizados tienen sus propios riesgos especiales, y el control del entorno de trabajo requiere el diseño, la instalación y el mantenimiento de sistemas complejos de LEV y ventilación de procesos. Estos sistemas deben ser controlados por amortiguadores de control monitoreados por computadora. Los principales peligros químicos provienen del cloro, el cloruro de hidrógeno y el ozono. Además, los disolventes utilizados para limpiar los troqueles deben manipularse en cámaras de extracción de humos y debe evitarse el contacto de la piel con las resinas a base de acrilato utilizadas para recubrir las fibras.
Aislamiento
Tanto las operaciones de compuestos de plástico como las de caucho presentan peligros particulares que deben controlarse adecuadamente (consulte el capítulo Industria del caucho). Aunque la industria del cable puede usar compuestos diferentes a los de otras industrias, las técnicas de control son las mismas.
Cuando se calientan, los compuestos plásticos desprenderán una mezcla compleja de productos de degradación térmica, cuya composición dependerá del compuesto plástico original y de la temperatura a la que se someta. A la temperatura de procesamiento normal de las extrusoras de plástico, los contaminantes transportados por el aire suelen ser un problema relativamente pequeño, pero es prudente instalar ventilación sobre el espacio entre el cabezal de la extrusora y el canal de agua utilizado para enfriar el producto, principalmente para controlar la exposición al ftalato. plastificantes comúnmente utilizados en PVC. La fase de la operación que bien puede justificar una mayor investigación es durante un cambio. El operador tiene que pararse sobre el cabezal del extrusor para quitar el compuesto plástico aún caliente y luego pasar el nuevo compuesto (y sobre el piso) hasta que solo salga el nuevo color y el cable esté centralizado en el cabezal del extrusor. Puede ser difícil diseñar LEV efectivo durante esta fase cuando el operador está tan cerca del cabezal del extrusor.
El politetrafluoroetileno (PTFE) tiene su propio peligro especial. Puede causar fiebre por vapores de polímeros, que tiene síntomas parecidos a los de la influenza. La condición es temporal, pero debe prevenirse controlando adecuadamente las exposiciones al compuesto calentado.
El uso de caucho en la fabricación de cables ha presentado un nivel de riesgo menor que otros usos del caucho, como en la industria de neumáticos. En ambas industrias, el uso de un antioxidante (Nonox S) que contenía β-naftilamina, hasta su retiro en 1949, resultó en casos de cáncer de vejiga hasta 30 años después en quienes habían estado expuestos antes de la fecha de retiro, pero ninguno en los empleados después de 1949 solamente. La industria del cable, sin embargo, no ha experimentado el aumento de la incidencia de otros tipos de cáncer, particularmente de pulmón y estómago, que se observa en la industria de los neumáticos. Es casi seguro que la razón es que en la fabricación de cables, las máquinas de extrusión y vulcanización están cerradas, y la exposición de los empleados a los vapores de caucho y al polvo de caucho fue generalmente mucho menor que en la industria de neumáticos. Una exposición de posible preocupación en las fábricas de cables de caucho es el uso de talco. Es importante asegurarse de que solo se utilice la forma no fibrosa de talco (es decir, una que no contenga tremolita fibrosa) y que el talco se aplique en una caja cerrada con ventilación de escape local.
Muchos cables están impresos con marcas de identificación. Cuando se utilizan impresoras de chorro de vídeo modernas, el riesgo para la salud es prácticamente insignificante debido a las cantidades muy pequeñas de disolvente utilizado. Sin embargo, otras técnicas de impresión pueden resultar en una exposición significativa a los solventes, ya sea durante la producción normal o, más generalmente, durante las operaciones de limpieza. Por lo tanto, se deben utilizar sistemas de escape adecuados para controlar tales exposiciones.
Los principales peligros de la fabricación de cables MI son la exposición al polvo, el ruido y las vibraciones. Los dos primeros están controlados por técnicas estándar descritas en otra parte. La exposición a vibraciones ocurrió en el pasado durante pavoneándose, cuando se formó una punta en el extremo del tubo ensamblado mediante la inserción manual en una máquina con martillos giratorios, de modo que la punta pudiera insertarse en la máquina de dibujo. Más recientemente, este tipo de máquina estampadora ha sido reemplazada por máquinas neumáticas, y esto ha eliminado tanto la vibración como el ruido generado por el método anterior.
La exposición al plomo durante el revestimiento de plomo debe controlarse usando LEV adecuado y prohibiendo comer, beber y fumar cigarrillos en áreas que puedan estar contaminadas con plomo. Se debe realizar un monitoreo biológico regular mediante el análisis de muestras de sangre para determinar el contenido de plomo en un laboratorio calificado.
El cresol utilizado en la fabricación de alambres esmaltados es corrosivo y tiene un olor característico en concentraciones muy bajas. Parte del poliuretano se degrada térmicamente en los hornos de esmaltado para liberar diisocianato de tolueno (TDI), un potente sensibilizador respiratorio. Se necesita un buen LEV alrededor de los hornos con posquemadores catalíticos para garantizar que el TDI no contamine el área circundante.
operaciones auxiliares
Unirse Las operaciones presentan peligros para dos grupos distintos de trabajadores: los que las fabrican y los que las usan. La fabricación implica la manipulación de un polvo fibrogénico (sílice), un sensibilizador respiratorio (isocianato) y un sensibilizador cutáneo (resina acrílica). Se debe usar LEV efectivo para controlar adecuadamente las exposiciones de los empleados, y se deben usar guantes adecuados para evitar el contacto de la piel con la resina. El principal peligro para los usuarios de los compuestos es la sensibilización de la piel a la resina. Esto puede ser difícil de controlar ya que es posible que el ensamblador no pueda evitar el contacto con la piel por completo y, a menudo, estará en un lugar remoto lejos de una fuente de agua para fines de limpieza. Por lo tanto, un limpiador de manos sin agua es esencial.
Riesgos ambientales y su prevención.
En general, la fabricación de cables no genera emisiones significativas fuera de la fábrica. Hay tres excepciones a esta regla. La primera es que la exposición a los vapores de los solventes utilizados para la impresión y otros fines se controlan mediante el uso de sistemas LEV que descargan los vapores a la atmósfera. Estas emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) son uno de los componentes necesarios para formar smog fotoquímico y, por lo tanto, están bajo una presión cada vez mayor por parte de las autoridades reguladoras en varios países. La segunda excepción es la liberación potencial de TDI de la fabricación de alambre esmaltado. La tercera excepción es que, en varios casos, la fabricación de las materias primas utilizadas en los cables puede generar emisiones ambientales si no se toman medidas de control. Las emisiones de partículas metálicas de una refinería de cobre a fuego y de la fabricación de aleaciones de cadmio-cobre o berilio-cobre deben canalizarse a sistemas de filtro de mangas adecuados. Del mismo modo, las emisiones de partículas de los compuestos de caucho deben canalizarse a una unidad de filtro de mangas. Las emisiones de partículas, cloruro de hidrógeno y cloro provenientes de la fabricación de fibras ópticas deben canalizarse a un sistema de filtro de mangas seguido de un lavador de sosa cáustica.