Principales précautions à prendre lors de la conception de pièces contenant majoritairement du cuivre

Le cuivre fait partie des métaux de commodité comme l’acier et l’aluminium. Il est essentiel dans le secteur électrique et électronique, le secteur des Energies renouvelables et est utilisé plus marginalement dans la fonderie, chaudronnerie, échangeurs thermiques, …
Les principales propriétés du cuivre qui ont fait son succès sont une très grande conductibilité électrique et thermique, ainsi que des propriétés notamment mécaniques, et de corrosion qui en font un matériau idéal pour les applications de câblage et de chaudronnerie.

Minera Escondida (Chili) Première mine du monde

Production et teneur des minerais à Escondida

A ce jour, les teneurs en cuivre des minerais s’amenuisent. La plus importante mine de cuivre du monde (minera Escondida au Chili) qui produit près de 9% du cuivre mondial a ainsi vu ses teneurs en cuivre diminuer de moitié en 15 ans. La conséquence se traduit par une difficulté croissante pour produire du cuivre et un coût énergétique croissant (il faut extraire et broyer deux fois plus de minerai pour extraire la même quantité de cuivre). Par ailleurs, la demande mondiale en cuivre augmente avec le développement des pays. Les nouveaux pays industriels (Brésil, Chine, Inde,…) sont maintenant de grands consommateurs de cuivre. En trente ans, la population mondiale a doublé et la demande en cuivre par habitant est passée de 1,6 kg/an à 2,7. Par ailleurs, les réserves de cuivre s’épuisent et des grands producteurs de cuivre comme le Chili (23% de la production mondiale) arriveront au terme de leur exploitation d’ici 20ans. Les cours du cuivre ne cessent d’augmenter et la crise n’a pas eu d’effet durable sur la baisse des coûts.

Evolution de la consommation de cuivre / hab/ an

Episode de baisse des cours du cuivre en Oct 2008

Le cuivre est un matériau stratégique pour un grand nombre d’applications liées à l’électronique, les énergies renouvelables, …
Il y a donc un enjeu stratégique à collecter/ recycler le cuivre et à écoconcevoir les produits de consommation de façon à limiter l’usage de ce matériau et à faciliter son recyclage en fin de vie.
Un des premiers axes d’écoconception de pièces à base de cuivre sera dans un premier temps de préserver la conductivité du cuivre et dans un deuxième temps ses propriétés mécaniques (ductilité). Comme nous le verrons en 2) de nombreuses impuretés dégradent les propriétés attendues. Il sera donc nécessaire de veiller aux associations avec des métaux incompatibles au sein d’un même produit et à ce que le cuivre se libère facilement de ces métaux incompatibles lors du broyage ou de son recyclage.
La substitution du cuivre par l’Aluminium (qui possède des propriétés conductrices et thermiques importantes) se réalise dans le cadre de quelques applications de câblerie à haute tension/ puissance mais est souvent difficile à maîtriser du point de vue de la corrosion et de la flexibilité des conducteurs.

Règles d’association des éléments d’alliages pour le cuivre

Le cuivre est un métal qui a des propriétés exceptionnelles de conductivité électrique. Il s’agira donc de préserver au maximum la pureté du cuivre, notamment vis-à-vis de certaines impuretés provenant bien souvent d’autres alliages.

Influence des impuretés sur la conductibilité du cuivre (source CICLA ; www.cuivre.org)

Nous voyons sur la figure ci-dessus que la conductivité IACS diminue fortement avec la présence d’impuretés provenant de métaux de commodités tels que : Titane, Cobalt, Fer, Manganèse, Chrome, Aluminium, Etain, Magnésium, Zinc.
Le phosphore diminue également la conductivité du cuivre mais lui donne des caractéristiques intéressantes pour la transformation et la soudabilité du cuivre. Une recherche du compromis est à trouver.
L’Argent à un rôle positif pour diminuer la conductivité.

Il s’agit donc prioritairement d’éviter majoritairement des associations avec des métaux ferreux (notamment inoxydables, ou au manganèse, silicium) et les alliages d’aluminium et de magnésium ainsi que des alliages de métaux cuivreux comme le laiton (Zn) et le bronze (Sn) (M.A. Reuter et A. van Schaik – 2012)

Prendre en compte les limites des procédés de recyclage actuels et respecter les règles de conception de base

Règle 1 : Eviter les associations avec des métaux ferreux

Comme nous l’avons illustré dans les précédentes fiches, le cuivre est souvent associé avec de l’acier (moteur électrique, transformateur,…) ou avec de l’aluminium (échangeur thermique) qui ont tendance par leur géométrie ou résilience à piéger les câbles ou tubes de Cuivre.

Le tri magnétique après broyage va laisser passer les métaux inoxydables riche en Chrome, les alliages aluminium et de magnésium. Ils se trouveront mélangés avec les différents alliages cuivreux et devront subir de nouveaux tris basés sur les courants de Foucault ou la densité.

Si les pièces de composition mixte ne sont pas conçus pour libérer facilement les matériaux au moment du broyage, les tris par densité ou par courant de Foucault ne donneront pas de résultats satisfaisants car la conductivité du mélange ou même sa densité ne seront pas franches et conduiront à des erreurs de tri (voir diagramme densité et conductivité des métaux ci après).

Métaux	Résistivité électrique (Ω.m)	IACS (%)
Argent	16.10-9	106,3%
Cuivre	17.10-9	100%
Or	22.10-9	77,3%
Aluminium	27.10-9	63%
Magnésium	46.10-9	37%
Bronze	50.10-9	34%
Zinc	60.10-9	28,3%
Nickel	70.10-9	24,3%
Laiton	70.10-9	24,3%
Fer	104.10-9	16,3%
Etain	142.10-9	12%
Plomb	207.10-9	8,2%
Nichrome	1000.10-9	1,7%

Conductivité électrique des principaux métaux.

Règle 2 : Faire en sorte que les différentes matières se libèrent lors du broyage.

Le principe est de ne pas associer de façon très étroite les matériaux incompatibles au sein d’une même pièce ou au sien d’un même produit. On choisira d’associer des matériaux fragiles et ductiles afin qu’au moment du broyage, les liens puissent se rompre et ainsi libérer les différentes matériaux en vue de leur tri.

Exemple de Faurecia : Moteur de ventilation – Le projet Cemir de Faurecia

Règle 3 : Eviter la multiplication des petits bobinages de cuivre et la multiplication des câbles fins ou concevoir de façon à faciliter leur démontage.

Les câbles, les bobines de cuivre venant de moteurs de petites puissances et les transformateurs de petites puissances sont aussi des sources de pertes de cuivre car les fils fin de cuivre ont tendance à s’effilocher et être sectionnés en petits morceaux qui s’accrocheront à d’autres matériaux ou se perdront dans la fraction des résidus de broyage.

Photo au microscope de la fraction minérale ultime du broyage des produits. Fraction qui est déposée en CSDU. Elle contient encore 3kg de de cuivre par tonne de résidu.

Il convient donc d’éviter ce type de conception ou de faire en sorte que les pièces de composition mixtes soient démontées avant broyage ou triés après un premier déchiquetage du produit (actuellement manuellement) pour suivre une filière spécifique.

Règle 4 : Attention aux substances polluantes susceptibles de perturber le déroulement du recyclage.

Le recyclage du cuivre nécessite dans la plupart des cas d’une phase de pyrométallurgie. Il est de plus un super catalyseur susceptible de transformer les molécules organiques en polluants
Afin d’éviter des risques de pollutions ou des surcouts de traitement des fumées au moment du procédés de recyclage, il serait prudent d’éviter l’utilisation de plastiques bromés ou chlorés, ainsi que de composés contenant des métaux lourds (Béryllium, Mercure, Cadmium,…) ou radioactifs.

Règle 5 : Eviter les pièces massives susceptibles de détériorer le broyeur.

Synthèse des règles de conception

• Règle 1 : Eviter les associations avec des métaux ferreux (notamment inoxydables, ou au manganèse, silicium) et les alliages d’aluminium et de magnésium ainsi que des alliages de métaux cuivreux comme le laiton (Zn) et le bronze (Sn).
• Règle 2 : Faire en sorte que les différentes matières se libèrent lors du broyage.
• Règle 3 : Eviter la multiplication des petits bobinages de Cuivre et la multiplication des câbles fins ou concevoir de façon à faciliter leur démontage.
• Règle 4 : Attention aux substances polluantes susceptibles de perturber le déroulement du recyclage.
• Règle 5 : Eviter les pièces massives susceptibles de détériorer le broyeur.

Références

– M.A. Reuter and A. van Schaik (2012). Opportunities and Limits of WEEE Recycling – Recommendations to Product Design from a Recyclers Perspective. In: Proceedings of Electronics Goes Green 2012+, 9-12 September 2012, Berlin, Germany. In press. 8 p. – anglais