Édito

Chers amis lecteurs, ça y est, nous sommes entrés de plein fouet dans cette période estivale 2018. Au programme de l’ensemble de l’équipe Icéel : organisation d’événements, finalisation de partenariats, appels à projets, audition de projets,… Vous l’aurez compris, le programme est très complet !

Afin d’illustrer ces propos, nous reviendrons dans cette édition sur l’organisation de nos Ateliers Scientifiques 2018 durant lesquels nous avons pu vous accueillir nombreux ce 25 Mai dernier. Pour cette 7ième édition, l’objectif est resté le même : faciliter les échanges entre chercheurs et industriels avec des présentations de projets toujours plus en adéquation avec les enjeux sociétaux d’aujourd’hui et demain.

Pour celles et ceux d’entre vous qui n’auraient pu venir, pas d’inquiétudes à avoir, vous pourrez vous replongez dans l’un des projets présentés « MODELIX » répondant aux enjeux de la Biolixiviation.

Pour cette troisième newsletter de 2018, notre tour d’horizons des composantes continue et nous emmènera au CTIF (Centre Technique des Industries de la Fonderie), composante multi-sites du Carnot. Vous pourrez découvrir une multitude de projets dont certains traitent de fonderie… MAIS PAS QUE !

Focus GeoRessources

Laboratoire de recherche en géologie, GeoRessources couvre le champ des ressources géologiques, de leur exploration à leur exploitation, en passant par les étapes du traitement et de la valorisation, et de ses impacts sur la société et l’environnement.

Ses thématiques de recherche se retrouvent donc au cœur des questions de société telles que la transition énergétique, la disponibilité des ressources naturelles, les stockages géologiques et valorisation des déchets, le gaz à effet de serre, les aléas et risques environnementaux, mais aussi l’exploration de Mars, etc.

L’UMR 7359 GeoRessources regroupe la plupart des forces en Géologie appliquée de Nancy, et est issue de l’Université de Lorraine, de l’INSU CNRS et du CREGU avec un rattachement secondaire à l’INSIS CNRS.

Disposant d’un effectif total de 180 personnes, GeoRessources se décline en 3 axes de recherche :

  • L’axe Géomodèles regroupe 2 équipes thématiques intitulées «  Géologie Numérique Intégrative » et « Hydrogéomécanique multi-échelles ».
  • L’axe Matières Premières est composé de 3 équipes thématiques sur les « Ressources carbonées », les « Ressources minérales » et la « Valorisation des ressources et des résidus ».
  • L’axe GéoSystèmes relatif à l’usage anthropique des environnements géologiques, est lui décliné en 2 équipes thématiques sur les « Stockages géologiques et la géothermie» et sur les « Géomatériaux, Ouvrages et Risques ».

Membre du Carnot, GeoRessources l’est également de l’OSU OTELo, du Labex Ressources21 et de l’IEED GéoDénergies. Son personnel enseignant se compose d’enseignants-chercheurs de l’ENSG, de Mines Nancy et du Département Géosciences de l’Université de Lorraine.
L’UMR s’appuie sur deux centres de transfert, l’ASGA et le CREGU (également composantes du Carnot), qui facilitent les relations avec ses partenaires industriels. Preuve de la reconnaissance du laboratoire, ORANO et TOTAL, actionnaires du CREGU, ont souhaité être associés à GeoRessources.

D’autres industriels sont d’ores et déjà partenaires de GeoRessources par leur participation au consortium RING (ex GOCAD) et au projet STEVAL.

Une plateforme unique en Europe pour valoriser les matières premières

Parce qu’on oublie trop souvent que nous avons besoin de ressources minérales pour assurer la transition énergétique et développer des technologies, GeoRessources travaille sur la valorisation des matières premières et secondaires, avec comme principal outil la plateforme STEVAL.

Au service de la recherche et de la formation, la STation Expérimentale de VALorisation des matières premières et des substances résiduaires (STEVAL) est un pilote industriel de génie minéral unique en milieu universitaire, au carrefour du savoir académique, de la formation de haut niveau, des problématiques industrielles et des préoccupations environnementales.

Steval remplit plusieurs objectifs : valoriser et protéger les ressources en minerais, en minéraux industriels et en eaux ; développer des procédés propres et sûrs de génie minéral ; et faire évoluer les techniques de valorisation, de recyclage et de passivation des matières résiduaires.

Le but est de mettre au point des procédés de récupération des minéraux ou métaux, à partir de matières primaires ou secondaires, par des procédés de séparation physiques et/ou chimiques pour ensuite les valoriser par des voies hydrométallurgiques ou  thermiques.

Les schémas de procédés sont développés à l’échelle du laboratoire sur des échantillons de quelques kilogrammes, puis mis en œuvre à une échelle semi-industrielle où le débit peut atteindre une centaine de kilogrammes à l’heure.

 

La plateforme s’articule autour de trois champs de compétences :

MINEVAL porte sur l’utilisation des différences de propriétés des solides pour pouvoir effectuer une séparation afin de récupérer la partie valorisable. Les propriétés utilisées sont :

  • La densité : séparation par gravité simple ou centrifuge
  • Le magnétisme : séparation magnétique haute et basse intensité voie sèche et voie humide
  • La conduction électrique : séparation électrostatique
  • Les propriétés de surface : séparation par flottation (balance hydrophile/hydrophobe)

Afin de répondre aux besoins de préparation (broyage, classification, échantillonnage) et de séparation, STEVAL présente un panel d’une centaine de machines, réparties sur les 2000 m2 de la plateforme. Les appareils de préparation et de tri existent en différentes versions, qui sont adaptés à la fois à la quantité, à la taille et aux propriétés des particules à traiter.

Les appareils de préparation fixes (broyeurs, cribles) sont répartis sur 5 plateaux de 75 m2 chacun. A ceci s’ajoutent des broyeurs de laboratoire (mâchoires, giratoire, cylindres boulets ou barres) et des outils de tamisage.

Il est possible d’effectuer des séparations successives en utilisant des propriétés physiques différentes. Les différents séparateurs sont alors répartis sur les 4 plateaux d’essais superposés, chacun d’eux possédant une surface de 150 m2. Ces séparateurs sont mobiles afin de simuler des flow-sheets industriels différents. Les débits sont de l’ordre de la centaine de Kg /h pour les simulations industrielles.

Les équipements de traitement par voie thermique (pyro-valorisation et pyro-recyclage) complètent la panoplie des méthodes séparatives de STEVAL. La recherche est orientée particulièrement vers le recyclage des métaux dits rares, critiques et stratégiques contenus dans des matériaux en fin de vie (mines urbaines). Après être passés de la preuve du concept à l’échelle laboratoire, nous proposons des pistes de développement industriel grâce aux procédés mis en œuvre.

Ce procédé permet de traiter le concentré généré par la plateforme de minéralurgie.

Les procédés hydrométallurgiques, par opposition aux procédés pyrométallurgiques, présentent l’avantage de pouvoir traiter des minerais à faible teneur, de permettre un meilleur contrôle des coproduits et d’avoir un plus faible impact environnemental avec notamment une facture énergétique réduite. Aussi, avec l’appauvrissement des gisements et l’intérêt grandissant pour des éléments à faibles teneurs (e.g. terres rares), l’industrie métallurgique montre un intérêt croissant depuis une quinzaine d’années pour le développement de procédés hydrométallurgiques plus adaptés aux défis actuels. Le besoin de développer des procédés plus efficaces, économiques et respectueux de l’environnement capables d’extraire des métaux dans des matrices polymétalliques de plus en plus complexes, pauvres et de composition variable au cours de l’exploitation, est réel et partagé.

STEVAL est utilisé autant en collaboration de recherche dans le cadre de consortiums scientifiques internationaux que pour résoudre des problèmes industriels. Certains appareils sont en libre-service après la formation adéquate. Pour les opérations de pilotage, une équipe opérationnelle est présente pour l’assistance technique.

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Contacts

Responsable technique : Frédéric DIOT : +33 (0)3 72 74 45 33

Responsable scientifique : Lev FILIPPOV – +33 (0)3 72 74 45 46

Adresse : GeoRessources – Campus Brabois – 2 rue du Doyen Marcel Roubault – BP 10162 – 54505 VANDŒUVRE-LES-NANCY cedex

Partenariat Institut Jean Lamour - HAGER

Serge WEBER et Patrick SCHWEITZER, du laboratoire IJL sont revenus sur la mise en place d’un dispositif de protection sur les tableaux électriques destinés à l’habitat.

L’équipe « Mesures et architectures électroniques » MAE (406) est constituée de 15 membres permanents, dont 12 enseignant-chercheurs et à cela s’ajoute environ 10 chercheurs-doctorants. Les circuits et systèmes électroniques représentent le domaine principal d’activité. Les travaux de recherche ont un caractère appliqué, quand elles s’attachent à lever un verrou technologique soumis par un partenaire institutionnel ou industriel, ou un caractère plus fondamental pour des problématiques comme les techniques de mesure pour le vivant ou bien les méthodes de conception pour de nouvelles architectures électroniques adaptatives ou reconfigurables.

  • Les thématiques principales sont : le développement de capteurs, l’étude d’architectures nouvelles de circuits, la conception de systèmes électroniques
  • Les défis Sociétaux cibles sont : Santé et bien être, efficacité énergique, renouveau industriel (capteurs+instrumentation)
  • Les moyens matériels: Cage de faraday et équipements de mesure CEM associés, plateforme de mesure et de validation des systèmes de commandes de puissance, plateforme de prototypage de la reconfiguration dynamique associant outils de conception et simulation et prototypage sur FPGA XILINX, plateforme de simulation Hardware In the Loop, plateforme d’essais de génération d’enregistrement de défauts d’arcs électriques pour les réseaux électriques DC ou AC jusqu’à 300V 20A.

L’équipe développe des collaborations industrielles dans le thème de la compatibilité électromagnétique des implants médicaux avec EDF. Sur le thème de la détection de défauts d’arcs électrique l’équipe a collaboré avec la société Esterline (Sarralbe) et actuellement avec Hager (Obernay).

Le Groupe HAGER est bien connu dans le domaine du développement, de la production et de la commercialisation d’équipements électriques sur le marché commercial et résidentiel, y compris en domotique. Les protections électriques existantes protègent les biens et les personnes contre des défauts éventuels intervenant sur une ligne électrique. Ces défauts peuvent avoir des conséquences importantes sur l’installation comme la destruction d’un équipement, voire initier un incendie. Les protections actuelles protègent donc les câbles contre des échauffements trop importants en observant :

  • Soit des surcharges dites lentes (déclenchement thermique de 1.13 à 1.45 fois le courant nominal)
  • Soit des surcharges dites rapides ou court-circuit (déclenchement magnétique suivant la courbe (3 à 5 ou de 5 à 10 ou de 10 à 20 fois le courant nominal)
  • Soit des défauts d’isolement provoquant des courants de fuite.

Pourtant d’autres défauts peuvent apparaître dans une installation comme l’apparition d’un arc dû, par exemple, à un mauvais serrage de conducteur. Un disjoncteur restera sans réaction face à des arcs maintenus sous faible courant. La conséquence peut être dramatique et de nombreux incendies sont à l’origine de défauts d’arcs électriques provenant de faux contacts. Les multiprises électriques ou les dominos sont souvent le siège de ces défauts.

Détecter ces arcs électriques de manière fiable mais également les prévenir constituent une amélioration notable de la sécurité dans des installations électriques. La plus grande difficulté de la détection, le plus souvent réalisée en utilisant la signature électrique d’un défaut d’arc, est que cette signature dépend énormément de la ou des charges connectées à la ligne à protéger.

En revanche, beaucoup d’arc sont intrinsèques à l’installation. L’extinction d’un circuit, luminaire par exemple, provoque aussi un arc. Ce type d’arc est dit « naturel » à l’installation et par conséquent ne devrait pas être détecté comme un défaut, au risque de causer une gêne non négligeable pour l’utilisateur. Ils peuvent aussi masquer les signatures électriques d’un arc électrique susceptible de représenter un danger pour l’installation.

La difficulté de développement d’une technologie de détection d’arc est donc liée au fait que cette technologie devra à la fois détecter toute sorte d’arcs électriques dangereux (protéger efficacement), et en même temps être robuste contre les fausses détections (ne pas causer de déclenchements intempestifs).

La technologie que nous développons avec Hager consiste en une électronique embarquée, permettant de réaliser la détection et la prise de décision.

L’idée directrice des travaux de recherche consiste à exploiter différents critères de détection présentant des caractéristiques et des domaines de réponse les plus distincts possibles, les associer à une reconnaissance de charge ou de transitoire pour établir une décision à partir d’une technique de classification par apprentissage.

Ces techniques de type réseau de neurone ou machines à vecteurs de support (SVM) peuvent être de bons candidats à la mise en œuvre de cette décision.

Ces techniques de classification nécessitent en général des ressources de calcul importantes. Des techniques d’optimisation de la conception architecturale sont donc également mis en œuvre afin de respecter les contraintes de compacité, de coût et de performances.

L’acquis antérieur portait sur la mise en œuvre de trois descripteurs originaux. Ces descripteurs permettent de faire une détection avec un taux de réussite variable mais qui reste inférieur à 95%. Les descripteurs sont :

  • Analyse des ressemblances temporelles entre chaque alternance du courant.
  • Reconnaissance d’une déformation spécifique au passage par zéro du courant
  • Corrélation temporelle

Ces descripteurs prennent le courant de ligne comme entrée et délivre un signal croissant en moyenne en présence d’un arc électrique.

La première étape du travail, réalisée au laboratoire, a donc consisté à tester ces trois descripteurs ainsi que de nombreux autres de la littérature sur une base de signaux électriques étiquetés avec ou sans défauts d’arcs.

Des expérimentations complémentaires ont été conjointement réalisées à l’IJL et au sein de la sté Hager qui a investi dans un banc d’expérimentation avec des charges domestiques de différentes natures et reliées suivant des schémas électriques variables.

La seconde étape a porté sur la mise en œuvre d’outils de décision par simulation en se servant des bases de signaux étiquetés.

La troisième et dernière étape consiste à étudier une architecture matérielle d’implémentation embarquée limitée en volume à maximum deux éléments modulaires de tableau électrique.

Nous avons créé une bibliothèque de signaux expérimentaux sur toutes sortes de charges domestiques telles-que : aspirateur, bouilloire, cafetière, lampes fluorescentes, résistances chauffantes, perceuse…

L’ensemble des essais a porté sur de nombreuses configuration de réseau domestique en particulier les situation complexes telles que :

  • Charges combinées de nature différentes avec un arc électrique entre les deux charges
  • Transitoire de charges réactives ou inertielles (ex : moteur électrique)

Ainsi plus de 20000 segments de signaux électriques ont servi de test aux méthodes mises au point.

Les résultats atteignent 99,8% de bonnes détection en moins de 20ms. Si l’on applique les critères de temps de réponse de la norme en vigueur (IEC62606) le taux passe à 100% de détection.

Un premier prototype d’implémentation a permis d’évaluer les ressources nécessaires afin d’envisager le prototype définitif qui sera la prochaine étape.

Nos projets de recherche

Le GREEN, acteur de l'efficacité énergétique

Dans de très nombreuses industries, il est nécessaire de disposer de systèmes d’entrainement électromécanique associant une faible vitesse et un fort couple. C’est le cas pour la propulsion marine ou pour la production d’énergie électrique à base d’éoliennes.

Ces dispositifs associent souvent un moteur électrique à haute vitesse à un réducteur mécanique qui dégrade le rendement du système. De plus, l’engrenage mécanique représente un point faible car il nécessite des opérations de maintenance régulières ce qui conduit une perte de productivité.

Plusieurs études ont été menées par le passé en vue de résoudre ce problème. L’une des solutions envisagées a notamment été l’utilisation de réducteurs magnétiques. Le professeur K. Atallah (l’Université de Sheffield) a été le premier en 2001 à publier un article scientifique décrivant un réducteur magnétique à flux radial à très haute performance.

L’idée d’intégrer une machine électrique et un réducteur magnétique pour former un convertisseur électromécanique à très fort couple volumique s’en est suivie (2008). Des recherches intensives visant à améliorer le concept et l’introduire sur le marché de la propulsion et de la génération électriques (éoliennes) sont en cours aussi bien dans le monde académique qu’industriel.

L’idée est d’associer directement dans la structure du moteur électrique un réducteur de vitesse magnétique pour obtenir un convertisseur électromécanique compact (fort couple volumique) et très performant d’un point de vue rendement. Les réducteurs de vitesse magnétiques possèdent de nombreux avantages par rapport aux réducteurs mécaniques :

  • Maintenance réduite
  • Meilleure fiabilité
  • Bruit acoustique réduit
  • Protection intrinsèque contre les surcharges mécaniques

 

Par ailleurs, les réducteurs magnétiques peuvent assurer une isolation hermétique entre le moteur d’entraînement et sa charge (industries pétrochimiques, pharmaceutiques, nucléaires, etc…).

Jusqu’à présent, les études menées se sont limitées aux machines synchrones à aimants permanents. Or il existe d’autres types de machines électriques, plus robustes et économiques comme le moteur à induction où cette technologie peut trouver sa place. Par ailleurs, la transmission par moteur à induction permet un fonctionnement direct sur le réseau pour des applications à vitesse constante.

 

Figure 1. Machine asynchrone intégrant un réducteur de vitesse magnétique (MaGIM)

Les chercheurs du GREEN ont eu l’idée d’utiliser un moteur à induction à rotor bobiné associé à un réducteur de vitesse magnétique pour constituer le MaGIM (Figure 1) « Magnetically Geared Induction Machines », (en français : « Machine asynchrone intégrant un réducteur de vitesse magnétique »).

Sur la base de cette idée originale, S. Mezani, enseignant-chercheur au GREEN, a obtenu une bourse européenne dans le cadre du programme Marie-Curie IEF (Intra European Fellowship). Le but était d’étudier la faisabilité du concept MaGIM. Ce travail a été mené durant 18 mois à l’Université de Nottingham.

Ce travail théorique a montré l’intérêt de cette technologie et s’est concrétisé par la publication de deux articles de revue. Une thèse, encadrée par Thierry Lubin et Smail Mezani, a débuté au GREEN en octobre 2016 sur ce sujet (contrat doctoral). L’objectif étant de valider le concept par la réalisation d’un prototype dont le financement fait l’objet de cette demande.

Ce projet s’inscrit dans le cadre de l’efficacité énergétique. Pour éco­nomiser l’énergie, il est préconisé d’améliorer le rendement et la fiabi­lité des systèmes d’entrainement électromécanique.

Le projet MAGIM, autour d’un concept novateur associant une génératrice asynchrone et un réducteur magnétique pour l’éolienne, répond à cet objectif car il permet d’améliorer la fiabilité (maintenance réduite) et le rendement global de la chaine de production.

Les équipes du GREEN sont convaincues que ce nouveau type de machine peut pénétrer assez rapidement le marché des entrainements de forte puissance à basse vitesse (éolienne pour la production d’énergie ou traction maritime en fonctionnement moteur).

Les premiers résultats ont notamment été présentés à la conférence internationale sur les machines électriques ICEM’2018 qui s’est tenue en Grèce début septembre.

Les alliages inter métalliques : l'avenir de l'industrie ?

Depuis plusieurs décennies, les alliages intermétalliques sont développés industriellement pour le marché aéronautique, et particulièrement le TiAl, référencé avec la fabrication par fonderie des aubes de turbine basse pression du turboréacteur GEnx de General Electric.

Les aluminiures constituent ainsi un atout essentiel pour ce marché, au regard de leur faible densité comparée à celle des superalliages de Ni. Ils présentent par ailleurs une excellente tenue à hautes températures et une excellente résistance à la corrosion et à l’oxydation, mais sont cependant limités par leur fragilité à température ambiante et leur mise en œuvre difficile.

Une percée du TiAl a également été opérée dans le domaine de l’automobile, pour des roues de turbines sur des voitures de compétition. Ses modes de production complexes et coûteux freinent cependant son industrialisation en grandes séries. Le caractère très oxydable de l’Al et du Ti et l’usinage difficile de l’alliage à structure ordonnée requièrent en effet une élaboration et une coulée sous vide et une mise en forme par métallurgie des poudres ou en fonderie cire perdue.

Un premier état des lieux effectué par CTIF montre que parmi les aluminiures, les alliages Ni3Al, NiAl et surtout FeAl, FeNiAl, Fe3Al et FeMnAl, sont compatibles avec une mise en œuvre par voie de fonderie. Au vu de sa faible densité et de son coût raisonnable, Fe3Al s’avère un alliage intermétallique prometteur.

L’objectif du projet a été de démontrer la faisabilité préindustrielle de la mise en œuvre d’aluminiures de fer, par un procédé de fonderie sable sous atmosphère naturelle, qui a été testé sur une pièce représentative du secteur automobile en visant les applications grandes séries en acier fortement allié.

Le verrou technique majeur est l’élaboration de l’alliage, du fait de l’oxydation de l’aluminium à la coulée. Pour  le lever, un procédé mis au point par CTIF dans le cadre du projet « Fonte GS alpha 1000 » a été adapté et optimisé. Il consiste à maîtriser l’introduction de l’aluminium dans la matrice de fer, via une conception spécifique de bassin de traitement associé à un moule en caisson préalablement inerté.

Un second verrou est la fragilité du matériau, due à sa structure ordonnée mais générant par ailleurs sa résistance mécanique à haute température. Les paramètres les plus déterminants d’élaboration ont donc été évalués puis les meilleures conditions sur une application de type carter de turbines pour le secteur automobile ont été testées, dans l’objectif d’un possible transfert industriel en aval du projet, chez des fondeurs producteurs de ce type de pièces.

C’est l’alliage Fe3AI qui a été sélectionné car il présente un bon com­promis entre un coût matière réduit et de bonnes propriétés à chaud.

Les performances à haute température sont très encoura­geantes. L’alliage apparaît comme très ductile à chaud, ce qui offre une marge de sécurité importante au niveau des dé­formations. En particulier, il possède à 600°C un allongement 4 fois supérieur (103%) au NiCr20Co13Mo4TiAl (25%) pour une contrainte identique.

A 900°C, la résistance est limitée. Les essais de traction ef­fectués confirment l’existence d’un effet Portevin-Le Chatelier (PLC) signalé dans la littérature, avec un long plateau à 14 MPa.

La faisabilité par voie de fonderie conventionnelle (fusion at­mosphérique et moulage sable) a été démontrée avec la ré­alisation d’un carter de turbocompresseur.

Les résultats obtenus sont donc très prometteurs. Il reste maintenant à transférer le procédé en milieu industriel, tout en résolvant certains problèmes comme en particulier l’hétérogénéité en composition de l’alliage. De plus l’alliage actuel doit être optimisé afin que ses propriétés mécaniques soient adaptées à l’utilisation envisagée.