Premier métal utilisé par l’humanité, le cuivre est au cœur de la transition énergétique actuelle. Grâce à son excellente conductivité thermique et électrique, il est en effet particulièrement précieux dans les industries électriques et électroniques, qui représentent plus de la moitié de sa consommation totale. Le cuivre est ainsi indispensable à la fabrication des câbles, fils, moteurs électriques, transformateurs, interrupteurs et circuits imprimés. En outre, il fait partie intégrante de la production de vannes industrielles, raccords, paliers lisses, moules, échangeurs de chaleur, diverses pompes et instruments. Il occupe la troisième place dans la production et l’utilisation mondiales des métaux d’ingénierie, après le fer et l’aluminium. Le cuivre est reconnu comme un matériau durable et hautement recyclable. Les cloches de Zenghouyi Chime [1] qui illustrent la couverture témoignent de cette durabilité: cet instrument de musique composé de 65 cloches en bronze est resté intact après avoir été enfoui sous terre pendant 2 430 ans.

1. Le cuivre et la civilisation humaine

La découverte et l’utilisation de nouveaux matériaux ont toujours été à l’origine des progrès de la civilisation. La poterie, premier matériau fabriqué par l’homme, a fait entrer l’humanité dans une société plus organisée, bien que toujours primitive. L’humanité a ensuite inventé un matériau plus performant que la céramique : le bronze, un alliage de cuivre avec de l’étain, du plomb, de l’antimoine ou de l’arsenic.

Les outils agricoles en bronze ont accéléré le développement de l’agriculture, tandis que de nouvelles armes sont apparues. L’âge du bronze est reconnu comme la deuxième période du système des trois âges (âge de pierre, âge du bronze et âge du fer), une classification proposée par le préhistorien Nicolas Mahudel en 1734 puis reprise par l’archéologue danois Christian Jürgensen Thomsen en 1820. Il se caractérise par l’utilisation généralisée du bronze pour la fabrication d’outils et d’armes.

On a retrouvé des traces très anciennes de fusion du cuivre, remontant à 5 000 ans av. J.C., mais la fabrication du bronze a été initiée vers 2 700 av. J.C., avec l’essor de la civilisation sumérienne. En Chine, l’âge du bronze a également commencé plus de 2 000 avant J.C. Il a atteint son apogée pendant les dynasties Shang (1 570 av. J.C. – 1 046 av. J.C.) et Zhou (1 046 av. J.C. – 256 av. J.C.). Un exemple notable datant de la dynastie Shang est le tripode rectangulaire de Simuwu, l’un des plus grands récipients en bronze encore existants au monde [2].

1.1 Propriétés fondamentales du cuivre

Le cuivre, dont le symbole chimique est Cu (du latin Cuprum) possède le numéro atomique 29, c’est-à-dire que son noyau contient 29 protons. A l’état naturel, c’est un mélange de deux isotopes, notés ⁶³Cu et ⁶⁵Cu, comprenant respectivement 34 et 36 neutrons. Le cuivre constitue environ 0,01 % en masse de la croûte terrestre, mais sa teneur peut atteindre 3 à 5 % dans les gisements concentrés. Le cuivre peut parfois se trouver sous forme métallique native, comme c’était le cas à Chypre, d’où dérive le mot latin cuprum. La majeure partie se présente cependant sous la forme de minéraux ou de composés. Il est également présent dans les océans sous forme dissoute et dans des nodules polymétalliques.

A l’état de métal pur, appelé parfois « cuivre rouge », le cuivre présente une excellente conductivité électrique et thermique, ainsi qu’une faible dureté et une grande plasticité. Cela permet de le transformer facilement en produits de formes diverses pour des applications électriques et thermiques. Ses propriétés physiques sont résumées dans le tableau 1 [3].

Tableau 1. Principales propriétés physiques et mécaniques du cuivre pur (voir réf. [3]).

Lorsque le cuivre est mêlé à différents éléments, il forme des alliages de cuivre aux propriétés distinctes.

• Cu-Ni (alliage cuivre-nickel), également connu sous le nom de cuivre blanc, où le nickel est le principal élément d’alliage.
• Cu-Zn (alliage cuivre-zinc), communément appelé laiton, où le zinc est le principal élément d’alliage.

Tous les autres alliages de cuivre, y compris ceux contenant de l’étain et d’autres éléments, sont désignés collectivement sous le nom de bronze.

1.2 Le cuivre et le patrimoine culturel

Le cuivre est réputé pour sa couleur distinctive et magnifique. Sa résistance à la corrosion et sa facilité de traitement en font un matériau privilégié pour les statues emblématiques qui symbolisent l’histoire et la culture des villes et des nations.

La figure 1 représente la célèbre statue de taureau en bronze de Wall Street, conçue par l’artiste italien Arturo Di Modica. Haut de 3,4 mètres, long de 4,8 mètres et pesant 3,2 tonnes, le taureau symbolise « la force et le courage », c’est-à-dire la prospérité et la richesse associées à Wall Street [4].

La figure 2 montre un praticien de médecine traditionnelle chinoise traitant un patient à Sanfangqixiang, Fuzhou, Chine, soulignant l’héritage de longue date de la médecine chinoise.

1.3 Le rôle du cuivre en tant que monnaie

Il y a plus de 2 000 ans, des monnaies métalliques, principalement des pièces d’or, d’argent et de cuivre, sont apparues en Chine pendant la dynastie Zhou. Cette époque a marqué une transition cruciale de l’esclavage au féodalisme dans l’histoire de la Chine. Avec le développement de l’économie des matières premières, la demande de monnaie a augmenté de manière significative. Les progrès technologiques de la fonte des métaux ont permis la production à grande échelle de pièces de monnaie en métal. Cette époque se caractérise par une grande diversité de monnaies et un système de frappe fragmenté. À mesure que le pouvoir de la dynastie Zhou s’affaiblissait, les différents États ont mis en place des systèmes économiques indépendants, chacun frappant sa propre monnaie.

La figure 3 présente des pièces de bronze exposées au musée de Shanxi en Chine. Ces pièces ont été utilisées après l’unification de la monnaie sous la dynastie Qin (221 à 206 av. J.C. ) et sont restées en circulation pendant plus de 2 000 ans. La figure 4 présente des pièces de bronze de différentes périodes de la dynastie Qing (1644-1912), voir réf. [4]. Après la fondation de la République Populaire de Chine en 1949, plusieurs versions du yuan chinois ont été émises, les pièces étant souvent fabriquées à partir d’alliages de cuivre et de nickel.

1.4 Le cuivre dans la vie quotidienne

Le cuivre est un métal profondément lié à la vie et à la culture humaines. Depuis l’âge du bronze, les hommes ont utilisé le bronze pour fabriquer toute une série d’objets, dont :

• Trépieds : utilisés à l’origine pour la cuisson des aliments, ils sont devenus par la suite un important récipient cérémoniel, en particulier pour les sacrifices et les festins sous les dynasties Shang et Zhou.
• Pots avec figures gravées
• Sceaux
• Armes
• Statues
• Miroirs [5]
• Colonnes
• Bougeoirs en forme de lotus
• Brûleurs d’encens en forme de lion

  

• Sphères armillaires (modélisant le mouvement apparent des étoiles)

Le cuivre reste l’un des matériaux les plus couramment utilisés dans la vie quotidienne. La figure 5 montre un robinet en alliage de cuivre, illustrant son utilisation pratique. Sa signification artistique et culturelle est quant à elle illustrée par la figure 6, représentant une statue de Bouddha en bronze à Longkou, dans la province chinoise de Shandong.

2. Extraction et traitement du cuivre et des alliages de cuivre

2.1 Extraction

Il existe plus de 200 minéraux cuprifères dans la nature, mais seuls 20 d’entre eux ont une importance industrielle. Il s’agit principalement de minéraux de sulfure de cuivre et, dans une moindre mesure, de minéraux d’oxyde de cuivre, comme le montre le tableau 2. [6]

Tableau 2. Minéraux de cuivre importants (voir réf. [6]).

La technologie d’extraction du cuivre a évolué au fil des siècles et peut être classée en trois grandes catégories : la pyrométallurgie, l’hydrométallurgie et l’électrométallurgie. Actuellement, l’extraction du cuivre à partir de minerais sulfurés est principalement réalisée par pyrométallurgie, qui représente environ 85 % de la production mondiale de cuivre.

Une phase initiale de séparation mécanique des minéraux (concassage et triage) permet d’augmenter la teneur en cuivre de son état naturel de quelques pour cent à environ 20-30%.

Dans le traitement pyrométallurgique, les minerais ainsi concentrés sont fondus dans des fours fermés, afin de produire de la matte fondue, également connue sous le nom de cuivre glacé. Il s’agit d’un mélange de cuivre fondu et d’impuretés. Différents types de four peuvent être utilisés. Dans un haut fourneau le minerai est mélangé à du coke (charbon purifié), qui produit la chaleur tout en extrayant le métal par réduction chimique. Selon la nature du minerai, on peut utiliser aussi le four à réverbère, où la chaleur est produite dans une zone extérieure au minerai et transmise par réverbération. Ces techniques anciennes tendent à être remplacée par les fours flash, plus économes en énergie grâce à un système de récupération de la chaleur produite par la combustion du soufre contenu dans le minerai. Cette matte fondue, contenant encore plus de 50 % d’impuretés, est ensuite transférée dans un convertisseur, où elle est affinée en cuivre brut. Cet affinage se fait dans un four à réverbère, avec une oxydation contrôlée par soufflage pour extraire le fer et autres impuretés. Ce cuivre brut contient encore environ 1% d’impuretés, ce qui nuit à ses propriétés électriques.  Il est alors coulé sous forme de plaques d’anode pour l’électrolyse, ce qui permet d’obtenir du cuivre électrolytique d’une pureté atteignant 99,9 % (voir section 2.2). Ce procédé est efficace, avec un taux de récupération du cuivre pouvant atteindre 95 %, et s’adapte à différents types de minerais. Cependant, il est peu respectueux de l’environnement en raison de l’émission de dioxyde de soufre pendant les étapes de fusion et de soufflage. Ces dernières années, des procédés tels que le procédé Baiyin, le procédé Noranda et la méthode japonaise Mitsubishi ont contribué à rendre la pyrométallurgie plus continue et plus automatisée [6],[7].

Les méthodes modernes hydrométallurgiques extraient le cuivre par voie humide. Le minerai est traité au contact d’acides forts (« lixiviation »), ou de bactéries (« lixiviation bactérienne »). Le métal est ensuite extrait par électrolyse de la solution saline ainsi obtenue. Ces procédés peuvent être précédés d’un processus de « grillage » du minerai, passage d’un flux d’air chaud (600 °C) pour éliminer des éléments volatils et convertir les sulfures en oxide. Ces techniques d’extraction par voie humide sont particulièrement adaptées au traitement in situ de minerais complexes à faible teneur, de minerais de cuivre oxydés et de déchets contenant du cuivre. Elles sont progressivement adoptées et la production de cuivre par cette méthode approche 20 % du total. La voie humide permet de réduire de manière significative le coût de l’extraction du cuivre [6],[7].

2.2 Raffinage

Les méthodes de purification les plus courantes sont le raffinage par zone fondue, le raffinage électrolytique, le raffinage par faisceau d’électrons et l’échange d’ions. Pour le cuivre le raffinage électrolytique est la méthode la plus aboutie et la plus largement adoptée.

Le raffinage électrolytique est réalisé par passage de courant électrique dans une solution acidifiée de sulfate de cuivre, l’électrolyte. L’anode est constituée de cuivre brut, tandis que la cathode est initialement une fine feuille de cuivre produite par électrolyse. Lorsqu’un courant continu est appliqué, le cuivre de l’anode se dissout électrochimiquement, libérant des ions de cuivre qui migrent et se déposent sur la cathode. Les impuretés restent dans l’électrolyte ou forment un agrégat sur l’anode, appelé « boue d’anode » (sludge), ce qui facilite  la séparation du cuivre des autres métaux. La figure 7 illustre le déroulement du processus de raffinage électrolytique [6].

L’anode extrait les électrons de la solution, ce qui peut produire les réactions suivantes :

Les nombres E indiquent le potentiel d’électrode, qui caractérise l’énergie devant être apportée pour chaque réaction. Les réactions au plus faible potentiel d’électrode sont favorisées. M’ représente des métaux tels que nickel, plomb, et arsenic, qui ont un potentiel d’électrode plus faible que le cuivre, et se dissolvent donc plus facilement. Au contraire, les métaux précieux tels que l’argent, l’or et le platine, au potentiel d’électrode plus élevé, se dissolvent très peu. Ils s’accumulent et alimentent ainsi la boue d’anode. Les réactions décomposant l’eau et les ions sulfate ne peuvent pas non plus se produire en raison du potentiel d’électrode plus élevé que celui du cuivre.

La cathode émet les électrons dans la solution, ce qui peut produire les réactions suivantes :

Le transfert d’électrons étant en sens inverse de celui de l’anode, ce sont ici les réactions au plus fort potentiel d’électrode qui sont favorisées. Les métaux M’ au potentiel d’électrode plus faible que le cuivre tendent ainsi à rester en solution.  Il en est de même pour l’hydrogène. Par conséquent, dans des conditions normales, seul le cuivre se dépose à la cathode [6].

La figure 8 montre une plaque de cuivre de haute pureté produite à la cathode. Le principal inconvénient de cette méthode est l’utilisation d’acide sulfurique, qui nécessite des mesures strictes de protection de l’environnement.

La méthode de raffinage par faisceau d’électrons (E-beam) utilise un faisceau d’électrons pour bombarder un lingot de cuivre brut sous vide, générant des températures élevées pour faire fondre le métal. Dans ce processus, les impuretés plus volatiles que le cuivre sont vaporisées sous vide. D’autres impuretés, dites à faible coefficient de partage, ont tendance à se concentrer préférentiellement dans la phase liquide lors de la solidification, ce qui permet d’améliorer la purification. Si cette méthode est plus respectueuse de l’environnement que l’affinage électrolytique, elle est aussi plus coûteuse et moins efficace.

2.3 Fusion

Le cuivre et ses alliages utilisés dans l’industrie sont principalement façonnés en barres, fils, plaques, feuilles, tubes et autres formes. Pour obtenir ces formes, les plaques de cuivre électrolytique doivent être fondues, avec les éléments d’alliage si requis. Le cuivre est alors solidifié sous forme de lingot ou billette (petit lingot aux formes bien contrôlées). La plupart des billettes de cuivre sont actuellement produites par des techniques de coulée continue, qui consiste à alimenter en continu une poche de métal liquide, et à extraire simultanément le produit solidifié par l’autre extrémité.

Les fours couramment utilisés pour fondre le cuivre et ses alliages utilisent l’ induction électrique. Le métal y est chauffé par les courants de Foucault induits par un champ magnétique oscillant, de façon similaire aux fours à micro-ondes ou aux plaques chauffantes à induction utilisées en cuisson.

La fusion d’alliages de cuivre peut entraîner des problèmes environnementaux importants, lorsqu’il contient des éléments volatils. C’est le cas du laiton, un alliage de cuivre et de zinc (Cu-Zn), très apprécié pour ses excellentes propriétés mécaniques et de résistance à l’usure. Il est utilisé dans les instruments de précision, les composants de navires, les cartouches de fusils, les pièces de monnaie, etc.

Le laiton contient généralement 30 à 40 % de zinc. Le point de fusion du cuivre étant de 1083°C et le point d’ébullition du zinc d’environ 907°C, la température de fusion du laiton dépasse le point d’ébullition du zinc, produisant un grand volume de vapeur de zinc. Ceci provoque une grave pollution de l’environnement. Les usines doivent donc installer des équipements de protection appropriés au-dessus des fours de fusion, tels que des systèmes d’extraction des fumées.

2.4 Coulée

En fonction des exigences du produit, les méthodes de coulée suivantes sont couramment utilisées :

1. Coulée semi-continue verticale vers le bas

Cette technique est utilisée pour produire des billettes rondes pleines ou tubulaires, des billettes carrées ou des plaques épaisses. Cette technique permet d’obtenir une large gamme de tailles de billettes et offre une productivité élevée. Cependant, la fosse de coulée nécessite généralement une profondeur d’environ 6 mètres. Lorsque la billette atteint une certaine longueur, le processus doit être interrompu et la billette retirée. Le cristallisoir où le métal se solidifie doit également être nettoyé avant le prochain cycle de coulée. Le haut et le bas de la billette doivent être rognés.

2. Coulée continue horizontale 

Cette technique est utilisée pour produire des billettes rondes pleines ou tubulaires, ou des bandes. Elle se caractérise par une coulée continue, où des scies à découper coupent les billettes à la longueur souhaitée. Toutefois, cette méthode ne convient pas pour réaliser des billettes de grande section.

3. Coulée continue ascendante 

 Cette technique est utilisée pour produire des billettes rondes pleines ou tubulaires, ou des bandes. Elle permet une coulée continue, les billettes pouvant être directement laminées. Cependant, elle ne convient pas non plus aux grandes sections et, en raison de la nature antigravitaire du processus, la densification interne des billettes est légèrement inférieure.

La figure 9 montre une photographie de la coulée continue horizontale de bandes de bronze étain-phosphore. La figure 10 illustre la coulée verticale semi-continue d’une billette ronde en alliage cuivre-chrome-zirconium.

2.5 Mise en forme

Le cuivre peut se déformer plastiquement avec facilité (une propriété liée à sa structure cristalline cubique à faces centrées). Il est donc possible de mettre en forme le cuivre et ses alliages pour produire des plaques, bandes, feuilles, tiges, fils ou tubes.

Une application notable est la feuille de cuivre, qui sert de collecteur d’anode dans les batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules et les appareils électroniques. La feuille de cuivre est un composant essentiel, qui représente 5 à 8 % du coût total d’une batterie au lithium. Elle sert à la fois de support à la matière active de l’anode et de collecteur et conducteur du flux d’électrons. Par conséquent, la résistance à la traction, l’allongement, la densité, l’uniformité de l’épaisseur et l’état de surface de la feuille de cuivre électrolytique ont un impact significatif sur le processus de production et les performances des batteries lithium-ion. L’épaisseur typique de cette feuille de cuivre varie de 7 à 20 μm (millièmes de mm), mais elle est réduite à 4 à 12 μm dans les nouveaux produits. La masse totale de la feuille de cuivre peut dépasser 10 kg par véhicule. Une feuille de cuivre plus fine permet non seulement de réduire le poids, mais aussi de diminuer la résistance électrique interne, ce qui améliore les performances de la batterie. La figure 11 montre le processus d’enroulement d’une feuille de cuivre pour une batterie au lithium.

Les fils d’alliage argent-cuivre sont largement utilisés dans l’industrie électronique, comme il sera détaillé en section 3.2. La figure 12 illustre le processus de tréfilage en continu d’un tel fil, ainsi qu’un échantillon.

3. Applications du cuivre dans les industries clés

3.1 Transfert de chaleur

Les centrales électriques utilisent divers condenseurs pour condenser la vapeur actionnant les turbines. De même, dans les systèmes de réfrigération à détente de vapeur, les condenseurs sont essentiels pour condenser les réfrigérants tels que l’ammoniac et le fréon. De tels systèmes sont utilisés dans les équipements de dessalement et les climatiseurs de la vie quotidienne. Les réfrigérants absorbent la chaleur dans l’évaporateur et la libèrent dans le condenseur. La surface extérieure du tube du condenseur est reliée à un dissipateur de chaleur, comme le montre la figure 13. Le cuivre est largement utilisé pour cette application en raison de son excellente conductivité thermique, de sa soudabilité, de sa résistance mécanique et de sa ductilité (capacité à se déformer). Il se soude facilement de façon étanche, ce qui réduit le risque de fuites de réfrigérant. C’est pourquoi le cuivre est devenu le matériau de prédilection pour les tubes de condenseurs, avec environ 2 millions de tonnes utilisées chaque année dans le monde.

La figure 14 montre un exemple de tube de condenseur en cuivre. La surface intérieure du tube en cuivre est souvent dentelée pour augmenter la surface de contact, et ainsi améliorer l’efficacité du transfert de chaleur.

3.2 Conductivité électrique

Les fils en alliage cuivre-argent, dont l’argent est le principal élément d’alliage, possèdent une conductivité électrique, une résistance mécanique, une résistance à l’abrasion, une résistance à la soudure par fusion et une stabilité thermique exceptionnelles. Les fils émaillés fabriqués directement ou revêtus de couches isolantes (comme le montre la figure 12) sont largement utilisés dans l’électronique grand public, notamment dans les écouteurs, les téléphones portables, les bobines vocales des ordinateurs et les fils de liaison des semi-conducteurs. Dans la transmission audio et vidéo, ces fils assurent une transmission de signaux de haute fidélité, minimisant leur atténuation à haute fréquence. Ils garantissent ainsi une transmission audio et vidéo de qualité et répondent à la demande croissante de transfert de données à grande vitesse.

Pour ces fils de liaison, les alliages cuivre-argent offrent une alternative économique aux fils d’or, combinant une conductivité électrique élevée avec une résistance mécanique supérieure. Leur excellente ductilité et leur résistance à la rupture permettent d’obtenir des connexions stables dans les équipements de connexion à grand débit, ce qui réduit considérablement le risque de défaillance du fil. Ces caractéristiques font des fils en alliage cuivre-argent un matériau idéal pour l’électronique de haute performance, alliant fiabilité et rentabilité, et faisant progresser le développement d’appareils électroniques légers et performants.

Les circuits intégrés, appelés aussi puces électroniques, sont fixés sur des supports avec des « pattes » assurant le contact électrique avec les autres composants. Ces supports sont réalisés en général par découpe d’une plaquette métallique appelée « lead frame ». Les alliages de cuivre sont le matériau de choix pour cette application en raison de leur excellente conductivité électrique et thermique, de leur tenue mécanique et de leur dureté. Leur composition comprend les systèmes Cu-Fe, Cu-Ni-Si et Cu-Cr. La figure 15 montre des bandes d’alliage de cuivre laminées utilisées pour de tels « lead frames ».

Un chemin de fer à grande vitesse se compose de trois éléments principaux : la ligne aérienne de contact, le train et la voie ferrée. La ligne aérienne de contact, qui alimente le train en électricité, doit présenter une conductivité électrique, une solidité, une résistance à l’abrasion et une résistance à la corrosion électrique élevées. Ses performances sont cruciales pour la sécurité et l’efficacité des opérations ferroviaires à grande vitesse. Les pannes d’électricité peuvent être cause d’accidents suite à l’immobilisation d’un train. Ainsi le premier accident ferroviaire à grande vitesse en Chine s’est produit sur la ligne Wuhan-Guangzhou suite à une défaillance du contact entre la ligne aérienne et le pantographe du train.

Actuellement, les alliages de cuivre sont les seuls matériaux convenables pour la construction des lignes de contact utilisées dans les chemins de fer à grande vitesse. Pour les trains fonctionnant à des vitesses supérieures à 350 km/h, ces systèmes nécessitent une tension plus élevée, une plus grande marge de sécurité et des performances globales supérieures. La figure 16 montre les lignes aériennes de contact en Cu-Cr-Zr (cuivre-chrome-zirconium) utilisées dans la ligne ferroviaire à grande vitesse Pékin-Shanghai.

3.3 Résistance à la corrosion et à l’usure

Le cuivre et ses alliages présentent une excellente résistance à la corrosion, ce qui les rend idéaux pour les tubes et les vannes pour le transport de liquides dans diverses applications industrielles. Les alliages de cuivre sont le matériau préféré pour les hélices de propulsion nautique en raison de leur résistance supérieure à la corrosion de l’eau de mer et à l’encrassement biologique, de leur grande résistance mécanique et de leur résistance à la cavitation (Figure 17).

Les coussinets de palier sont des bagues cylindriques tubulaires assurant le contact glissant entre un arbre tournant et son logement fixe. Ils sont généralement fabriqués dans des matériaux présentant une excellente résistance à l’usure, une grande résistance à la compression et une bonne usinabilité, tels que le bronze et les alliages antifriction. La figure 18 montre un grand coussinet intégral (intégrant son support en une pièce unique) en alliage de cuivre [8].

4. Recyclage et réutilisation du cuivre et des alliages de cuivre

La protection de l’environnement et le recyclage du cuivre pendant la fusion, le traitement et l’utilisation concernent deux domaines clés : l’extraction des métaux précieux des boues d’anode, et le recyclage des déchets de cuivre. L’objectif est de favoriser l’utilisation circulaire des ressources en cuivre tout en réduisant les émissions polluantes, soutenant ainsi le développement durable de l’industrie du cuivre.

4.1 Récupération des métaux précieux dans les boues d’anode [9]

Les boues d’anode provenant de l’électro-raffinage du cuivre représentent environ 1 % de la production totale et contiennent des métaux précieux tels que l’or, l’argent, le platine et le palladium. Les efforts pour récupérer ces métaux se concentrent sur la minimisation de la pollution secondaire et sur le respect des normes d’émission pour les trois types de déchets : gaz résiduaires, liquides résiduaires et déchets solides.

Le processus hydrométallurgique de récupération des métaux précieux tels que l’or et l’argent comprend les étapes suivantes :

1. Enrichissement en métaux précieux

Les impuretés sont éliminées afin de créer des conditions optimales pour une récupération complète. Les principaux polluants sont les poussières provenant des boues anodiques, les émissions de SO₂, les vapeurs d’acide sulfurique et les déchets alcalins contenant de l’arsenic générés lors de l’extraction du cuivre.

2. Extraction de l’or

L’or est extrait en solution par voie acide, puis réduit sous forme métallique. La vapeur d’acide sulfurique et l’acide résiduel sont les principaux polluants.

3. Extraction de l’argent

L’argent est extrait en solution puis récupéré sous forme de poudre d’argent. Le principal polluant est la solution alcaline de déchets (pH ~13), qui contient de fortes concentrations de sulfite de sodium.

4.2  Recyclage et réutilisation des déchets de cuivre

Avec le développement rapide de l’économie circulaire, le cuivre recyclé est devenu une ressource essentielle. Il existe deux méthodes principales de recyclage :

1. Méthode d’utilisation directe

Les déchets de cuivre sont directement fondus pour produire différentes qualités d’alliages de cuivre ou de cuivre raffiné.

2. Méthode d’électro-raffinage

Les déchets de cuivre sont transformés par pyrométallurgie pour former une anode de cuivre, qui est ensuite raffinée par électrolyse en cuivre de haute pureté, les éléments précieux pouvant être récupérés au cours du processus.

L’utilisation directe des déchets de cuivre permet d’économiser plus de 80 % de l’énergie par rapport à la production de cuivre par fonte du minerai et raffinage électrolytique, et environ 50 % par rapport au raffinage électrolytique traditionnel seul. Cependant, le processus électrolytique présente des risques environnementaux importants. Par conséquent, la méthode de fonte directe doit être préférée afin de minimiser les pertes de métal et de réduire la pollution de l’environnement. Les principaux processus de recyclage sont les suivants

1. Triage

Cette étape consiste à broyer, nettoyer et dégraisser les matériaux en cuivre afin de séparer les contaminants non métalliques et les métaux autres que le cuivre tels que le fer, l’aluminium et l’acier inoxydable. Cette étape permet de classer correctement les différentes qualités de cuivre en vue de leur traitement ultérieur.

2. Séparation

Les contaminants de surface tels que les revêtements, le placage et les matériaux de soudure sont éliminés. Les matériaux de brasage à faible point de fusion, les métaux de placage et les films de peinture des fils électriques usagés sont également récupérés. Cette purification améliore la qualité et l’utilisation du cuivre recyclé, tout en garantissant l’élimination ou la réutilisation en toute sécurité des matériaux dangereux.

3. Utilisation

Le cuivre trié et purifié est fondu dans des fours métallurgiques ou à induction pour produire des barres de cuivre exempt d’oxygène de haute qualité ou divers alliages de cuivre. Ces alliages sont utilisés pour fabriquer du laiton simple, du laiton complexe sans plomb, du laiton résistant à la corrosion (laiton d’aluminium et d’étain), du bronze phosphoreux à l’étain, du cuivre blanc et du laiton au plomb, en préservant la qualité et en assurant un recyclage efficace.

Selon la China Renewable Innovation Alliance, la Chine a produit environ 3,3 millions de tonnes de cuivre recyclé en 2019, 3,25 millions de tonnes en 2020, 3,65 millions de tonnes en 2021, 3,75 millions de tonnes en 2022 et 3,95 millions de tonnes en 2023. Le cuivre recyclé représente environ un quart de la production totale de cuivre électrolytique en Chine. Les États-Unis produisent environ 2 millions de tonnes par an, ce qui les place en deuxième position derrière la Chine pour la production de cuivre recyclé. A l’échelle mondiale, la production de cuivre recyclé approche 10 millions de tonnes, soit un tiers de la production totale de 28 millions de tonnes [10].

5. Messages à retenir

• Le cuivre est le premier métal utilisé par l’humanité. Sous forme de bronze, alliage de cuivre et d’étain essentiellement, il a contribué à l’essor de la civilisation par la fabrication d’outils, d’armes, de monnaies, de statues et objets divers quasiment inaltérables.
• Le cuivre métallique est extrait des minerais, principalement des sulfures de cuivre, par pyrométallurgie ou hydrométallurgie. La pyrométallurgie utilise la réduction par du charbon à haute température, tandis que l’hydrométallurgie repose sur des procédés chimiques en solution aqueuse. L’électrolyse permet la purification à 99,9 % nécessaire à la plupart des applications.
• Des métaux précieux comme l’argent, l’or et le platine peuvent être extraits comme sous-produits  de la purification électrolytique.
• Le cuivre, très malléable, est utilisé pour ses propriétés exceptionnelles de conduction thermique et électrique. Il joue ainsi un rôle essentiel pour la transition énergétique, par son usage dans les échangeurs de chaleur, les lignes de transport électrique, ou les batteries lithium-ion des véhicules.
• Le laiton, alliage de cuivre et de zinc, est très adapté à la fabrication de pièces usinées. Les bronzes sont appréciés pour leur inaltérabilité.
• Le cuivre est recyclable sans perte significative. Un tiers de sa production provient du recyclage, soit par fonte directe, soit par pyrométallurgie et raffinage électrolytique.

Ce document a été rendu possible grâce au soutien généreux de diverses personnes et organisations. Je tiens à exprimer ma sincère gratitude à tous ceux qui ont contribué à ce travail. Je remercie tout particulièrement M. Wang Yongru, ingénieur principal chez Ningbo Jintian Copper (Group) Co., Ltd. pour avoir fourni les images et le contenu de la section 4.2, ainsi que le professeur Tang Yuejin de l’université des sciences et technologies de Huazhong, M. Zhang Zhongtao, ingénieur principal chez Golden Dragon Precision Copper Tube Group Co., Ltd. et le professeur Fu Ying de Zhongke Jingyi (Dongguan) Material Science and Technology Co. pour avoir fourni d’autres images. Zhang Yubo et Li Guoliang, de l’école de science et d’ingénierie des matériaux de l’université technologique de Dalian, pour avoir contribué à une partie du texte, et à M. Wang Yongru pour sa relecture méticuleuse

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Notes et références

Image de couverture. Cloches à carillon Zenghouyi du musée provincial du Hubei. [Source : Musée provincial du Hubei (hbww.org.cn)]

[1] Les cloches à carillon de Zenghouyi ont été mises au jour en 1978 dans la tombe du marquis Yi de Zeng à Suizhou, dans la province de Hubei, et datent du début de la « Période des Royaumes Combattants » (V^e siècle av. J.-C.). Le cadre de la cloche mesure 7,48 mètres de long et 2,65 mètres de haut. L’ensemble se compose de 65 cloches, réparties en trois niveaux et huit groupes, suspendues à un cadre en bronze et en bois en forme de L. Le niveau supérieur contient trois groupes de 19 cloches. Le niveau supérieur contient trois groupes de 19 cloches niu, tandis que les niveaux intermédiaire et inférieur comportent cinq groupes de 45 cloches yong, ainsi qu’une cloche bo spéciale offerte au marquis Yi par le roi Hui de l’État Chu. Les cloches et le cadre comportent 3 755 caractères inscrits, détaillant la numérotation, les documents historiques, la notation musicale et les théories des gammes musicales. Chaque cloche peut produire deux tons distincts, avec une gamme chromatique complète dans la gamme tonale centrale, ce qui lui permet de jouer de la musique dans des gammes à cinq, six ou sept tons.

[2] Musée du comté de Zheng’an, Chine https://www.zabwg.cn/home/87/show.

[3] 360 Wenku

[4] 360 Baike.

[5] Les Chinois de l’Antiquité utilisaient souvent le bronze comme miroir, comme l’indique le Nouveau livre des Tang, écrit par Ouyang Xiu et Song Qi : « En utilisant le bronze comme miroir, on peut corriger sa tenue ; en utilisant l’histoire comme miroir, on peut comprendre l’ascension et la chute des dynasties ; en utilisant les gens comme miroir, on peut discerner les gains et les pertes personnels. J’ai toujours gardé ces trois miroirs pour éviter les erreurs. Maintenant que Wei Zheng est mort, j’ai perdu un miroir ».

[6] Zhang, Y, Chen, X, Tian, B. et al. Copper and Copper Alloy Smelting, Processing and Application [M]. Beijing: chemical industry press, 2016.

[7] W. G, King. M, Schlesinger. M, & Biswas. A. K, Extractive Metallurgy of Coppe [M], Beijing : Chemical Industry Press, 2006.

[8] Li, D., Research and Application of Casting Process for Large-sized Axial Tile Bushings, Annual Meeting of Foundry of Northeastern Three Provinces and Four Cities, Shenyang, 2017.

[9] Wang, F. & Wu, H. Comprehensive Utilisation and Management of Three Wastes in the Process of Scrap Copper Refining and Recycling of Precious Metals, Environmental Protection and Circular Economy [J], 2010, China Knowledge Network http://www.cnki.net.

[10] https://internationalcopper.org/sustainable-copper/about-copper/cu-demand-long-term-availability.