Evaluation des caractéristiques techniques de produits valorisés en cuivre pur ou allié issu d'éléments de sous-station ferroviaire en fin de vie

Assessment of the technical characteristics of recovered pure or alloyed copper products from end-of-life railway substation components

• Auteur / Autrice : Kadir Gök
• Direction : Denis Najjar, Ahmed El bartali
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2024
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCube - Laboratoire de mécanique multiphysique et multiéchelle

Mots clés

Mots clés libres

Recyclage

Microstructures

Propriétés mécaniques d'usage

Elaboration

Cuivre

Recycling

Microstructures

Used mechanical properties

Elaboration

Copper

Résumé

Le cuivre est devenu un métal incontournable dans nos sociétés modernes, avec des applications multiples dans de nombreux secteurs industriels. Dans le cas Réseau Ferré National notamment, le cuivre est utilisé dans l'élaboration des caténaires, fils de contact et grilles. On fait néanmoins le constat de tensions importantes sur le marché européen, avec un manque de capacité rapide de la hausse de la production, et la perspective de raréfaction de cette ressource avec l'électrification massive des véhicules visant à réduire l'empreinte environnementale. Face à ce constat, SNCF Réseau souhaite développer des procédés innovants et expérimenter des boucles d'économie circulaire pour les éléments de l'infrastructure en cuivre en fin de vie en vue de sauvegarder le capital matière et de favoriser le réemploi du cuivre pour des applications ferroviaires. Pour ce faire, SNCF Réseau s'est associée au Laboratoire de Mécanique, Multiphysique, Multiéchelle (LaMcube, UMR CNRS 9013, https://lamcube.univlille.fr/) sous tutelle de Centrale Lille (ainsi que du CNRS et de l'Université de Lille) et à deux autres partenaires industriels (MTB Recycling et CIMES) dans le cadre d'un projet financé par l'ADEME (Agence de la transition énergétique) dont l'objectif est le recyclage et le réemploi des éléments en cuivre d'une sous-station ferroviaire en fin de vie. A noter que le réemploi ou le recyclage du fil de contact caténaire est rendu impossible à date par les règles de conception internes de SNCF Réseau. Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans ce projet piloté par SNCF Réseau et contribue à évaluer les possibilités de réemploi et de recyclage des éléments en cuivre et cuivre allié en vue de faire évoluer les règles de conception internes précitées. Le premier objectif de ce sujet de thèse sera d'effectuer une étude bibliographique pour identifier les relations entre les paramètres d'élaboration d'éléments de sous-station en cuivre pur ou allié, leurs microstructures et leurs propriétés mécaniques d'usage. Le second objectif sera d'évaluer les caractéristiques techniques (composition chimique, propriétés mécaniques d'usage, santé matière et microstructure) d'éléments neufs et usagés fournis par SNCF Réseau. Le troisième objectif sera de construire une base d'échantillons de référence élaborés par fonderie et provenant de mélanges en proportions variables d'éléments neufs et usagés en vue d'une fabrication de produits recyclés. Le quatrième objectif sera d'évaluer les caractéristiques techniques de fils de contact recyclés fournis par SNCF Réseau. Les moyens expérimentaux des trois plateformes du laboratoire (https://pims.univ-lille.fr/, https://4maat.univ-lille.fr/, https://isis4d.univ-lille.fr/) permettront l'évaluation des différentes caractéristiques. La composition chimique de chaque échantillon (neuf, usagé ou recyclé) en cuivre pur ou allié sera déterminée par spectrométrie d'émission optique à décharge luminescente. La santé matière et les microstructures seront caractérisées par microscopie optique, microscopie électronique à balayage et microtomographie par rayons X. Les propriétés mécaniques d'usage seront déterminées par des essais de traction et de dureté. Les propriétés mécaniques d'usage des échantillons usagés et recyclés seront comparées à celles du cahier des charges fourni par SNCF Réseau en termes de propriétés mécaniques admissibles attendues des produits cuivrés pour réemploi ou recyclés.

Copper has become an indispensable metal in our modern societies, with multiple applications in various industrial sectors. In the case of the National Railway Network, copper is used in the development of catenaries, contact wires, and grids. However, significant tensions are observed in the European market, with a rapid lack of capacity to meet the increasing demand, and the prospect of scarcity of this resource due to the massive electrification of vehicles aimed at reducing the environmental footprint. In response to this situation, SNCF Réseau aims to develop innovative processes and experiment with circular economy loops for end-of-life copper infrastructure elements, with the goal of preserving material capital and promoting the reuse of copper for railway applications. To achieve this, SNCF Réseau has partnered with the Laboratory of Mechanics, Multiphysics, Multiscale (LaMcube, UMR CNRS 9013, https://lamcube.univlille.fr/), under the supervision of Centrale Lille (as well as CNRS and the University of Lille), and two other industrial partners (MTB Recycling and CIMES) as part of a project funded by ADEME (Agency for the Energy Transition). The project's objective is the recycling and reuse of copper elements from an end-of-life railway substation. It is noteworthy that the reuse or recycling of catenary contact wire is currently impossible due to SNCF Réseau's internal design rules. The proposed thesis topic is aligned with this project led by SNCF Réseau and contributes to assessing the possibilities of reuse and recycling of copper and copper alloy elements to evolve the aforementioned internal design rules. The first objective of this thesis will be to conduct a literature review to identify the relationships between the manufacturing parameters of pure or alloyed copper substation elements, their microstructures, and their mechanical properties in service. The second objective will be to evaluate the technical characteristics (chemical composition, mechanical properties in service, material health, and microstructure) of new and used elements provided by SNCF Réseau. The third objective will be to build a reference sample database produced by foundry and derived from varying proportions of new and used elements for the manufacture of recycled products. The fourth objective will be to assess the technical characteristics of recycled contact wires provided by SNCF Réseau. The experimental resources of the three laboratory platforms (https://pims.univ-lille.fr/, https://4maat.univ-lille.fr/, https://isis4d.univ-lille.fr/) will enable the evaluation of different characteristics. The chemical composition of each sample (new, used, or recycled) in pure or alloyed copper will be determined by inductively coupled plasma optical emission spectrometry. Material health and microstructures will be characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray microtomography. Mechanical properties in service will be determined by tensile and hardness tests. The mechanical properties in service of used and recycled samples will be compared to those specified by SNCF Réseau in terms of the expected acceptable mechanical properties of copper products for reuse or recycling.