I cavi sono disponibili in una varietà di dimensioni per diversi usi, dai cavi di alimentazione di supertensione che trasportano energia elettrica a più di 100 kilovolt, fino ai cavi per le telecomunicazioni. Quest'ultimo in passato utilizzava conduttori in rame, ma questi sono stati sostituiti da cavi in fibra ottica, che trasportano più informazioni in un cavo molto più piccolo. In mezzo ci sono i cavi generici utilizzati per il cablaggio domestico, altri cavi flessibili e cavi di potenza a tensioni inferiori a quelle dei cavi di sovratensione. Inoltre, ci sono cavi più specializzati come i cavi con isolamento minerale (usati dove la loro protezione intrinseca dalla combustione in caso di incendio è fondamentale, ad esempio in una fabbrica, in un hotel o a bordo di una nave), i fili smaltati (usati come cavi elettrici avvolgimenti per motori), filo metallico (usato nel collegamento a riccio di una cornetta del telefono), cavi per cucine (che storicamente usavano l'isolamento in amianto ma ora usano altri materiali) e così via.
Materiali e Processi
conduttori
Il materiale più utilizzato come conduttore nei cavi è sempre stato il rame, per la sua conduttività elettrica. Il rame deve essere raffinato fino a raggiungere un'elevata purezza prima di poter essere trasformato in un conduttore. La raffinazione del rame da minerali o rottami è un processo in due fasi:
- raffinazione a fuoco in un grande forno per rimuovere le impurità indesiderate e fondere un anodo di rame
- raffinazione elettrolitica in una cella elettrica contenente acido solforico, da cui si deposita sul catodo rame purissimo.
Negli impianti moderni, i catodi di rame vengono fusi in un forno a tino e continuamente fusi e laminati in barre di rame. Questa bacchetta viene trafilata alla dimensione richiesta su una trafilatrice tirando il rame attraverso una serie di stampi precisi. Storicamente, l'operazione di trafilatura è stata condotta in una posizione centrale, con molte macchine che producevano fili di diverse dimensioni. Più di recente, le fabbriche autonome più piccole hanno una propria operazione di trafilatura più piccola. Per alcune applicazioni specialistiche il conduttore di rame è placcato con un rivestimento metallico, come stagno, argento o zinco.
I conduttori in alluminio sono utilizzati nei cavi elettrici aerei dove il peso più leggero compensa ampiamente la conduttività inferiore rispetto al rame. I conduttori in alluminio sono realizzati schiacciando una billetta riscaldata di alluminio attraverso uno stampo utilizzando una pressa per estrusione.
Conduttori metallici più specializzati utilizzano leghe speciali per una particolare applicazione. Una lega di cadmio-rame è stata utilizzata per le catenarie aeree (il conduttore aereo utilizzato su una ferrovia) e per il filo metallico utilizzato in un ricevitore telefonico. Il cadmio aumenta la resistenza alla trazione rispetto al rame puro e viene utilizzato in modo che la catenaria non si pieghi tra i supporti. La lega berillio-rame viene utilizzata anche in alcune applicazioni.
Le fibre ottiche, costituite da un filamento continuo di vetro di alta qualità ottica per la trasmissione delle telecomunicazioni, sono state sviluppate all'inizio degli anni '1980. Ciò ha richiesto una tecnologia di produzione completamente nuova. Il tetracloruro di silicio viene bruciato all'interno di un tornio per depositare biossido di silicio su un grezzo. Il biossido di silicio viene convertito in vetro mediante riscaldamento in atmosfera di cloro; quindi viene disegnato a misura e viene applicato un rivestimento protettivo.
Isolamento
Molti materiali isolanti sono stati utilizzati su diversi tipi di cavi. Le tipologie più comuni sono le materie plastiche, quali PVC, polietilene, politetrafluoroetilene (PTFE) e poliammidi. In ogni caso, la plastica è formulata per soddisfare una specifica tecnica e viene applicata all'esterno del conduttore mediante una macchina di estrusione. In alcuni casi, i materiali possono essere aggiunti al composto plastico per una particolare applicazione. Alcuni cavi elettrici, ad esempio, incorporano un composto silanico per la reticolazione della plastica. Nei casi in cui il cavo verrà sepolto nel terreno, viene aggiunto un pesticida per impedire alle termiti di mangiare l'isolamento.
Alcuni cavi flessibili, in particolare quelli nelle miniere sotterranee, utilizzano l'isolamento in gomma. Sono necessarie centinaia di diverse mescole di gomma per soddisfare le diverse specifiche ed è necessaria una struttura specializzata per la mescola di gomma. La gomma viene estrusa sul conduttore. Deve anche essere vulcanizzato passando attraverso un bagno di sale di nitrito caldo o un liquido pressurizzato. Per evitare che i conduttori adiacenti isolati in gomma aderiscano tra loro, vengono tirati attraverso la polvere di talco.
Il conduttore all'interno di un cavo può essere avvolto con un isolante come carta (che potrebbe essere stata imbevuta di un olio minerale o sintetico) o mica. Viene quindi applicata una guaina esterna, tipicamente mediante estrusione di plastica.
Sono stati sviluppati due metodi di produzione di cavi ad isolamento minerale (MI). Nel primo, un tubo di rame ha un numero di conduttori di rame solidi inseriti al suo interno e lo spazio tra di essi è riempito con una polvere di ossido di magnesio. L'intero assemblaggio viene quindi tirato giù attraverso una serie di stampi alla dimensione richiesta. L'altra tecnica prevede la saldatura continua di una spirale di rame attorno a conduttori separati da polvere. In uso, la guaina esterna in rame di un cavo MI è la connessione di terra e i conduttori interni portano la corrente. Sebbene non sia necessario uno strato esterno, alcuni clienti richiedono una guaina in PVC per motivi estetici. Ciò è controproducente, poiché il vantaggio principale del cavo MI è che non brucia e una guaina in PVC annulla in qualche modo questo vantaggio.
Negli ultimi anni il comportamento dei cavi in caso di incendio ha ricevuto una crescente attenzione per due ragioni:
- La maggior parte delle gomme e delle materie plastiche, i tradizionali materiali isolanti, emettono abbondanti quantità di fumo e gas tossici in caso di incendio, e in una serie di incendi di alto profilo questa è stata la principale causa di morte.
- Una volta che un cavo è bruciato, i conduttori toccano e fondono il circuito, e quindi l'energia elettrica viene persa. Ciò ha portato allo sviluppo di mescole a basso fumo e fuoco (LSF), sia per materiali plastici che per gomma. Occorre tener presente, tuttavia, che le migliori prestazioni in caso di incendio si otterranno sempre da un cavo MI.
Per determinati cavi viene utilizzato un certo numero di materiali specializzati. I cavi di supertensione sono riempiti d'olio sia per le proprietà di isolamento che di raffreddamento. Altri cavi utilizzano un grasso idrocarburico noto come MIND, vaselina o una guaina di piombo. I fili smaltati sono tipicamente realizzati rivestendoli con uno smalto poliuretanico sciolto in cresolo.
Fabbricazione di cavi
In molti cavi i singoli conduttori isolati sono attorcigliati insieme per formare una particolare configurazione. Un certo numero di bobine contenenti i singoli conduttori ruotano attorno ad un asse centrale mentre il cavo viene tirato attraverso la macchina, in operazioni note come spiaggiamento ed lay-up.
Alcuni cavi devono essere protetti da danni meccanici. Questo è spesso fatto da intreccio, dove un materiale è intrecciato attorno all'isolamento esterno di un cavo flessibile in modo tale che ogni trefolo si incroci ripetutamente a spirale. Un esempio di tale cavo intrecciato (almeno nel Regno Unito) è quello utilizzato sui ferri da stiro elettrici, dove il filo tessile viene utilizzato come materiale di intreccio. In altri casi si utilizza filo d'acciaio per l'intrecciatura, dove l'operazione è indicata come armature.
Operazioni accessorie
I cavi più grandi vengono forniti su bobine fino a pochi metri di diametro. Tradizionalmente, i tamburi sono di legno, ma sono stati usati anche quelli di acciaio. Un tamburo di legno è realizzato inchiodando insieme legname segato utilizzando una macchina o una pistola inchiodatrice pneumatica. Viene utilizzato un conservante rame-cromo-arsenico per evitare che il legno marcisca. I cavi più piccoli vengono solitamente forniti su una bobina di cartone.
L'operazione di collegare insieme le due estremità dei cavi, nota come giunzione, potrebbe dover essere effettuato in una località remota. Il giunto non solo deve avere un buon collegamento elettrico, ma deve anche essere in grado di resistere alle future condizioni ambientali. I composti di giunzione utilizzati sono comunemente resine acriliche e incorporano sia composti di isocianato che polvere di silice.
I connettori per cavi sono comunemente realizzati in ottone su torni automatici che li producono da barra. Le macchine sono raffreddate e lubrificate mediante un'emulsione acqua-olio. I fermacavi sono realizzati con macchine per iniezione plastica.
Pericoli e loro prevenzione
Il pericolo per la salute più diffuso nell'industria dei cavi è il rumore. Le operazioni più rumorose sono:
- trafilatura
- trecce
- la raffineria di fuoco di rame
- colata continua di barre di rame
- fabbricazione di tamburi per cavi.
In queste aree sono comuni livelli di rumore superiori a 90 dBA. Per la trafilatura e l'intrecciatura, il livello di rumore complessivo dipende dal numero e dalla posizione delle macchine e dall'ambiente acustico. Il layout della macchina dovrebbe essere pianificato per ridurre al minimo l'esposizione al rumore. Le custodie acustiche progettate con cura sono il mezzo più efficace per controllare il rumore, ma sono costose. Per la raffineria a fuoco di rame e la colata continua di barre di rame le principali fonti di rumore sono i bruciatori, che dovrebbero essere progettati per una bassa emissione sonora. Nel caso della produzione di tamburi per cavi, le pistole sparachiodi ad azionamento pneumatico sono la principale fonte di rumore, che può essere ridotto abbassando la pressione della linea dell'aria e installando silenziatori di scarico. La norma del settore nella maggior parte dei casi di cui sopra, tuttavia, è quella di fornire protezioni per l'udito ai lavoratori nelle aree interessate, ma tale protezione sarà più scomoda del solito a causa degli ambienti caldi nella raffineria di rame e nella colata continua di barre di rame. Dovrebbe essere condotta anche un'audiometria regolare per monitorare l'udito di ogni individuo.
Molti dei rischi per la sicurezza e la loro prevenzione sono gli stessi di molte altre industrie manifatturiere. Tuttavia, particolari pericoli sono presentati da alcune macchine per la produzione di cavi, in quanto hanno numerose bobine di conduttori che ruotano attorno a due assi contemporaneamente. È essenziale garantire che le protezioni della macchina siano interbloccate per impedire il funzionamento della macchina a meno che le protezioni non siano in posizione tale da impedire l'accesso alle prese di scorrimento e ad altre parti rotanti, come i grandi tamburi per cavi. Durante l'infilatura iniziale della macchina, quando può essere necessario consentire l'accesso dell'operatore all'interno della protezione della macchina, la macchina dovrebbe essere in grado di muoversi solo di pochi centimetri alla volta. Le disposizioni di interblocco possono essere ottenute disponendo di una chiave univoca che apre la protezione o deve essere inserita nella console di controllo per consentirne il funzionamento.
Dovrebbe essere effettuata una valutazione del rischio derivante da particelle volanti, ad esempio se un filo si rompe e si stacca.
Le protezioni dovrebbero preferibilmente essere progettate per impedire fisicamente a tali particelle di raggiungere l'operatore. Ove ciò non sia possibile, devono essere fornite e indossate adeguate protezioni per gli occhi. Le operazioni di trafilatura sono spesso designate come aree in cui è necessario utilizzare la protezione per gli occhi.
conduttori
In qualsiasi processo con metallo caldo, come una raffineria di rame o la fusione di barre di rame, è necessario impedire all'acqua di entrare in contatto con il metallo fuso per evitare un'esplosione. Il caricamento del forno può provocare la fuoriuscita di fumi di ossido di metallo nell'ambiente di lavoro. Questo dovrebbe essere controllato utilizzando un'efficace ventilazione di scarico locale sopra lo sportello di ricarica. Analogamente, è necessario controllare adeguatamente i canali di colata attraverso i quali il metallo fuso passa dal forno alla macchina di colata e la stessa macchina di colata.
Il pericolo principale nella raffineria elettrolitica è la nebbia di acido solforico che si sviluppa da ciascuna cella. Le concentrazioni nell'aria devono essere mantenute al di sotto di 1 mg/m3 da un'adeguata ventilazione per evitare irritazioni.
Durante la colata di barre di rame, un ulteriore pericolo può essere rappresentato dall'uso di pannelli isolanti o coperte per conservare il calore attorno alla ruota di colata. I materiali ceramici possono aver sostituito l'amianto in tali applicazioni, ma le stesse fibre ceramiche devono essere maneggiate con grande cura per evitare esposizioni. Tali materiali diventano più friabili (ossia, si rompono facilmente) dopo l'uso quando sono stati influenzati dal calore e l'esposizione a fibre respirabili trasportate dall'aria è il risultato della loro manipolazione.
Un pericolo insolito si presenta nella produzione di cavi elettrici in alluminio. Una sospensione di grafite in olio pesante viene applicata al pistone della pressa di estrusione per evitare che la billetta di alluminio aderisca al pistone. Poiché il montone è caldo, parte di questo materiale viene bruciato e sale nello spazio del tetto. A condizione che non ci sia operatore di gru a ponte nelle vicinanze e che i ventilatori da tetto siano montati e funzionanti, non dovrebbero esserci rischi per la salute dei lavoratori.
La produzione di una lega di rame-cadmio o di una lega di rame-berillio può presentare rischi elevati per i dipendenti coinvolti. Poiché il cadmio bolle ben al di sotto del punto di fusione del rame, i fumi di ossido di cadmio appena generati verranno generati in grandi quantità ogni volta che il cadmio viene aggiunto al rame fuso (che deve essere per produrre la lega). Il processo può essere eseguito in sicurezza solo con una progettazione molto attenta della ventilazione di scarico locale. Allo stesso modo la fabbricazione della lega berillio-rame richiede una grande attenzione ai dettagli, poiché il berillio è il più tossico di tutti i metalli tossici e ha i limiti di esposizione più severi.
La produzione di fibre ottiche è un'operazione altamente specializzata e ad alta tecnologia. Le sostanze chimiche utilizzate presentano rischi particolari e il controllo dell'ambiente di lavoro richiede la progettazione, l'installazione e la manutenzione di complessi sistemi di ventilazione LEV e di processo. Questi sistemi devono essere controllati da serrande di controllo monitorate da computer. I principali rischi chimici provengono da cloro, acido cloridrico e ozono. Inoltre, i solventi utilizzati per la pulizia delle trafile devono essere maneggiati in cappe aspiranti e deve essere evitato il contatto della pelle con le resine a base di acrilato utilizzate per rivestire le fibre.
Isolamento
Sia le operazioni di compounding plastico che di compounding gomma presentano pericoli particolari che devono essere adeguatamente controllati (vedi cap Industria della gomma). Sebbene l'industria dei cavi possa utilizzare composti diversi rispetto ad altre industrie, le tecniche di controllo sono le stesse.
Quando vengono riscaldati, i composti plastici emetteranno una miscela complessa di prodotti di degradazione termica, la cui composizione dipenderà dal composto plastico originale e dalla temperatura a cui è sottoposto. Alla normale temperatura di lavorazione degli estrusori di plastica, i contaminanti aerodispersi sono in genere un problema relativamente piccolo, ma è prudente installare una ventilazione sopra lo spazio tra la testa dell'estrusore e il canale dell'acqua utilizzato per raffreddare il prodotto, principalmente per controllare l'esposizione allo ftalato plastificanti comunemente usati nel PVC. La fase dell'operazione che potrebbe giustificare ulteriori indagini è durante un passaggio. L'operatore deve posizionarsi sopra la testa dell'estrusore per rimuovere il composto plastico ancora caldo, quindi far scorrere il nuovo composto attraverso (e sul pavimento) finché non fuoriesce solo il nuovo colore e il cavo è centralizzato nella testa dell'estrusore. Può essere difficile progettare un LEV efficace durante questa fase quando l'operatore è così vicino alla testa dell'estrusore.
Il politetrafluoroetilene (PTFE) ha il suo rischio speciale. Può causare febbre da fumi di polimero, che presenta sintomi simili a quelli dell'influenza. La condizione è temporanea, ma dovrebbe essere prevenuta controllando adeguatamente l'esposizione al composto riscaldato.
L'uso della gomma nella produzione di cavi ha presentato un livello di rischio inferiore rispetto ad altri usi della gomma, come nell'industria dei pneumatici. In entrambe le industrie l'uso di un antiossidante (Nonox S) contenente β-naftilammina, fino al suo ritiro nel 1949, ha provocato casi di cancro alla vescica fino a 30 anni dopo in coloro che erano stati esposti prima della data del ritiro, ma nessuno in solo quelli occupati dopo il 1949. L'industria dei cavi, tuttavia, non ha registrato l'aumento dell'incidenza di altri tumori, in particolare del polmone e dello stomaco, osservato nell'industria dei pneumatici. Il motivo è quasi certamente che nella produzione di cavi le macchine di estrusione e vulcanizzazione sono chiuse e l'esposizione dei dipendenti ai fumi di gomma e alla polvere di gomma era generalmente molto inferiore rispetto all'industria dei pneumatici. Un'esposizione di potenziale preoccupazione nelle fabbriche di cavi in gomma è l'uso del talco. È importante assicurarsi che venga utilizzata solo la forma non fibrosa del talco (cioè che non contenga tremolite fibrosa) e che il talco sia applicato in una scatola chiusa con ventilazione di scarico locale.
Molti cavi sono stampati con segni di identificazione. Dove vengono utilizzate le moderne stampanti video jet il rischio per la salute è quasi certamente trascurabile a causa delle ridottissime quantità di solvente utilizzato. Altre tecniche di stampa, tuttavia, possono comportare esposizioni significative ai solventi, sia durante la normale produzione, sia più comunemente durante le operazioni di pulizia. Per controllare tali esposizioni dovrebbero pertanto essere utilizzati sistemi di scarico adeguati.
I principali rischi derivanti dalla realizzazione di cavi MI sono l'esposizione alla polvere, il rumore e le vibrazioni. I primi due di questi sono controllati da tecniche standard descritte altrove. L'esposizione alle vibrazioni si è verificata in passato durante svasatura, quando si formava una punta all'estremità del tubo assemblato mediante inserimento manuale in una macchina a martelli rotanti, in modo che la punta potesse essere inserita nella trafilatrice. Più recentemente questo tipo di martellatrice è stata sostituita con quelle pneumatiche, e questo ha eliminato sia le vibrazioni che il rumore generato dal vecchio metodo.
L'esposizione al piombo durante la guaina di piombo dovrebbe essere controllata utilizzando un LEV adeguato e proibendo di mangiare, bere e fumare sigarette nelle aree che potrebbero essere contaminate dal piombo. Dovrebbe essere effettuato un monitoraggio biologico regolare analizzando i campioni di sangue per il contenuto di piombo presso un laboratorio qualificato.
Il cresolo utilizzato nella fabbricazione dei fili smaltati è corrosivo e ha un odore caratteristico a concentrazioni molto basse. Una parte del poliuretano viene degradata termicamente nei forni di smaltatura per rilasciare toluene diisocianato (TDI), un potente sensibilizzante respiratorio. È necessario un buon LEV intorno ai forni con postcombustori catalitici per garantire che il TDI non inquini l'area circostante.
Operazioni accessorie
Giunzione le operazioni presentano rischi per due distinti gruppi di lavoratori: quelli che li realizzano e quelli che li utilizzano. La fabbricazione comporta la manipolazione di una polvere fibrogena (silice), un sensibilizzante delle vie respiratorie (isocianato) e un sensibilizzante della pelle (resina acrilica). È necessario utilizzare un LEV efficace per controllare adeguatamente l'esposizione dei dipendenti e indossare guanti adeguati per evitare il contatto della pelle con la resina. Il pericolo principale per gli utilizzatori dei composti è la sensibilizzazione della pelle alla resina. Questo può essere difficile da controllare poiché il jointer potrebbe non essere in grado di evitare del tutto il contatto con la pelle e spesso si troverà in una posizione remota lontano da una fonte d'acqua per scopi di pulizia. Un detergente per le mani senz'acqua è quindi essenziale.
Rischi ambientali e loro prevenzione
In linea di massima, la produzione di cavi non comporta emissioni significative al di fuori della fabbrica. Ci sono tre eccezioni a questa regola. Il primo è che l'esposizione ai vapori di solventi utilizzati per la stampa e altri scopi è controllata mediante l'uso di sistemi LEV che scaricano i vapori nell'atmosfera. Tali emissioni di composti organici volatili (COV) sono uno dei componenti necessari per formare lo smog fotochimico, e quindi sono sottoposte a crescenti pressioni da parte delle autorità di regolamentazione in un certo numero di paesi. La seconda eccezione è il potenziale rilascio di TDI dalla produzione di filo smaltato. La terza eccezione è che in un certo numero di casi la fabbricazione delle materie prime utilizzate nei cavi può provocare emissioni ambientali se non vengono prese misure di controllo. Le emissioni di particolato metallico da una raffineria di rame e dalla produzione di leghe cadmio-rame o berillio-rame dovrebbero essere convogliate ciascuna verso adeguati sistemi di filtri a manica. Allo stesso modo, qualsiasi emissione di particolato dalla mescola di gomma dovrebbe essere convogliata in un'unità filtro a maniche. Le emissioni di particolato, acido cloridrico e cloro derivanti dalla produzione di fibre ottiche dovrebbero essere convogliate in un sistema di filtri a maniche seguito da uno scrubber con soda caustica.