207 - Utilisation du carbone dans l’industrie

Communications orales 09 h 00 → 11 h 50

Utilisation du carbone dans l’industrie (Partie 1)

• Communication orale 09 h 05
  Présentation de la technologie SERMA pour le contrôle non destructif de la qualité des anodes crues et cuites
  Abderrahmane Benzaoui (UQAC - Université du Québec à Chicoutimi), Dipankar Bhattacharyay (Université du Québec à Chicoutimi), Jean-François Desmeules (Dynamic Concept), Duygu Kocaefe (Université du Québec à Chicoutimi), Yasar Kocaefe (Université du Québec à Chicoutimi)

  Les anodes en carbone jouent un rôle majeur dans l’industrie de l’aluminium et, par conséquent, leur qualité est d’une grande importance. Les méthodes d’inspection courantes fournissent une vérification limitée de cette qualité. Dans ce travail, nous présentons la technologie SERMA (Specific Electrical Resistivity Measurement of Anodes) de contrôle non destructif basée sur la mesure de la résistivité électrique. Cette technologie est validée sur des anodes industrielles crues et cuites grâce à un prototype développé pour cet effet.

• Communication orale 09 h 30
  Caractérisation thermomécanique de l’anode de carbone durant la cuisson
  Houshang Alamdari (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Bowen Chen (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Mario Fafard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Donald Picard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Soufiane Zaglafi (Université Laval), Donald Ziegler (Alcoa Corporation: Aluminum Center of Excellence, Alcoa Technical Center)

  La cuisson des anodes constitue une étape primordiale dans laquelle, elles acquièrent les propriétés mécaniques, chimiques et électriques désirées. Pour bien comprendre les effets des sollicitations thermiques engendrées par la cuisson sur la microstructure des anodes, une nouvelle méthodologie expérimentale fondée sur la méthode de compaction Proctor a été utilisée. Cette méthode permet de fabriquer des anodes crues représentatives de celles utilisées en industrie. Initialement, la densité apparente crue a été caractérisée pour identifier le degré de compaction de la pâte d’anode, ainsi que de visualiser son homogénéité. Ensuite, une caractérisation thermomécanique a été effectuée à travers un essai de compression afin de déterminer les paramètres de loi de comportement à savoir, la résistance à la rupture et le module d’Young, et ce à différents niveaux de cuisson. Enfin, l’ensemble de ces paramètres physiques caractérisés vont être utilisés pour alimenter un modèle numérique de cuisson des anodes.

• Communication orale 09 h 55
  Étude expérimentale du comportement en compression uniaxiale et en fluage / recouvrance des anodes en carbone durant la phase de cuisson
  Patrick Coulombe (Aluminerie Alouette Inc.), Walid Kallel (UQAC - Université du Québec à Chicoutimi), Duygu Kocaefe (Centre universitaire de recherche sur l'aluminium (CURAL), Centre de recherche sur l'aluminium (REGAL), Université du Québec à Chicoutimi), Daniel Marceau (Centre universitaire de recherche sur l'aluminium (CURAL), Centre de recherche sur l'aluminium (REGAL), Université du Québec à Chicoutimi), Dany Racine (Centre universitaire de recherche sur l'aluminium (CURAL), Centre de recherche sur l'aluminium (REGAL), Université du Québec à Chicoutimi)

  Afin d’assurer la production d’anode en carbone de qualité pour la production de l’aluminium primaire, il est indispensable d’obtenir des anodes ayant une faible résistivité électrique et réactivité chimique ainsi qu’une bonne résistance à la production et propagation de fissures. Dans cette optique, la bonne compréhension de l’évolution de son comportement durant la cuisson est cruciale; phase durant laquelle l’anode subie d’importantes transformations. À cet effet, un programme expérimental a été mis en œuvre afin de caractériser l’évolution de ses propriétés physiques et mécaniques. Il a d’ailleurs été prouvé que les tests à chaud peuvent être réalisés à une température voisine de 250°C sans en altérer le comportement; ce qui contredit les approches traditionnelles qui consistent à cuire partiellement les échantillons et à les tester à une température voisine de la température de cuisson. L’approche proposée aura permis l’obtention de mesures fiables en évitant la continuation des réactions chimiques durant le test. Réalisés sur des échantillons provenant d’anodes produites chez Aluminerie Alouette Inc., les tests de compression réalisés sur une presse Gleeble ont n’auront pas permis de faire des mesures représentatives à l’état semi-solide; ce qui aura nécessité le développement d’un montage spécialisé pour une mesure précise du module d’Young, du coefficient de Poisson, de la résistance en compression ainsi que des propriétés de fluage/recouvrance à haute température.

• Communication orale 10 h 35
  Modélisation cinétique de la gazéification du CO2 de particules de carbone pour la résolution de réactions gaz-solides
  Houshang Alamdari (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Mario Fafard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Mohammad Kavand (Université Laval), Faïcal Larachi (Département de génie chimique, Université Laval), Roozbeh Mollaabbasi (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Donald Picard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Donald P. Ziegler (Alcoa Corporation: Aluminum Center of Excellence, Alcoa Technical Center)

  Cette recherche consiste en modélisation de la réaction des anodes par le CO₂. Dans un premier temps, la réaction des particules de coke est adressée. Un modèle unidimensionnel de réaction-diffusion est développé pour déterminer la résistance à la diffusion dans la particule de coke, et les valeurs de diffusivité sont estimées. Les équations de conservation de masse ont été utilisées pour obtenir la solution de réactions gaz-solides non catalytiques isothermes. Avec cette stratégie, deux équations couplées de la concentration de gaz et de la conversion du solide à tout moment et position pourraient être résolues selon une relation non linéaire entre la porosité et la surface de réaction des particules. L'applicabilité de différents modèles est évaluée. Différentes équations de vitesse de réaction ont été appliquées pour la gazéification du coke avec le CO₂. Les paramètre des modèles ont été trouvés par expérimentation où des particules de coke ont été réagies avec du CO₂ dans un appareil d’analyse thermogravimetrique. Le modèle des pores aléatoires « random pore model » a été démontré d’être un modèle le plus approprié pour les particules considérées dans la présente étude.

• Communication orale 11 h 00
  Étude sur la surface spécifique du coke calciné
  Dipankar Bhattacharyay (Université du Québec à Chicoutimi), Duygu Kocaefe (Université du Québec à Chicoutimi), Yasar Kocaefe (Université du Québec à Chicoutimi), Brigitte Morais (UQAC - Université du Québec à Chicoutimi)

  L’étude de la rhéologie de la pâte d'anode passe par une bonne compréhension des paramètres qui affectent la qualité des anodes et particulièrement sa consommation en cuve d'électrolyse. L'étude sur la réactivité du coke calciné utilisé comme matière première (coke frais) et le mégot (partie recyclée de l'anode après un cycle d'électrolyse) est abordée par l’analyse des surfaces spécifiques de BET et du volume de pores et de leur distribution. Les résultats montrent que les réactivités peuvent être corrélées aux surfaces spécifiques et à la distribution des volumes de pores.

• Communication orale 11 h 25
  Inspection non-destructive des anodes de carbone cuites à l’aide de techniques acousto-ultrasoniques
  Houshang Alamdari (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Moez Ben Boubaker (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval, Mistras Services Inc.), Carl Duchesne (Université Laval), Mario Fafard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Donald Picard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Jayson Tessier (Alcoa Corporation, Centre d’excellence des alumineries, Aluminerie de Deschambault,)

  Un système acousto-ultrasonique (AU) est proposé pour l'inspection d'anodes de carbone de taille industrielle, utilisées dans la production d'aluminium primaire par le procédé Hall-Héroult. Une onde modulée en fréquence est utilisée pour exciter les blocs anodiques en plusieurs points. Les signaux AU atténués mesurés en chaque point sont décomposés à l'aide de la transformée en ondelettes (DTW). Des descripteurs scalaires liées à l’atténuation des signaux sont ensuite calculés à partir des coefficients détail et d’approximation des ondelettes, et sont organisés dans une matrice de données. L'analyse en composantes principales (ACP) est utilisée pour analyser les réponses acoustiques des anodes et discriminer les anodes saines de celles contenant des fissures. La méthode proposée permet de localiser les fissures dans les blocs et est sensible à la sévérité des défauts. Les résultats sont validés à l'aide d'images recueillies après la coupe d’un certain nombre d’anodes.

Dîner 12 h 00 → 13 h 00

Dîner

Communications orales 13 h 00 → 15 h 05

Utilisation du carbone dans l’industrie (Partie 2)

• Communication orale 13 h 00
  Prédiction de la formation de CO2/CO par le processus anodique primaire durant l'électrolyse de l'aluminium par un modèle électro-thermodynamique pour les cristallites de coke
  Patrice Chartrand (Centre de Recherche en Calcul Thermochimique (CRCT), Département de Génie Chimique École Polytechnique), Aïmen E. Gheribi (Centre de Recherche en Calcul Thermochimique (CRCT), Département de Génie Chimique École Polytechnique), Philippe Ouzilleau (Polytechnique Montréal)

  La production d'aluminium se base sur le principe électrochimique qu'il est possible d'extraire l'aluminium de l'alumine (Al₂O₃) dans une cellule d'électrolyse en combinant le pouvoir réducteur du coke pétrochimique (un matériau de carbone similaire au charbon) et d'une alimentation en énergie électrique. Expérimentalement, il est connu qu'une alimentation supérieure en électricité diminue le besoin en coke et vice-versa. Aucun modèle théorique prédictif fiable n'existe pour ce phénomène. Ceci nuit à l'optimisation environnementale du procédé d'électrolyse du point de vue de la consommation de carbone. En effet, tout le carbone consommé génère d'importantes quantités de CO₂ et/ou de CO et il est donc important de minimiser la consommation de ce dernier. Mon projet de doctorat propose un modèle électro-thermodynamique pour la prédiction fiable de cette interdépendance complexe dans l'optique d'une éventuelle optimisation dans un contexte industriel. Ce modèle est basé sur les propriétés thermodynamiques des cristallites de coke composant l'anode du procédé d'électrolyse et propriétés de capture de charge de ces cristallites.

• Communication orale 13 h 25
  Caractérisation électromécanique de la pâte à brasquer et l’effet du vieillissement sur ses performances
  Houshang Alamdari (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Mario Fafard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Hanae Maali (Université Laval), Donald Picard (Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval), Jayson Tessier (Alcoa Corporation, Centre d’excellence des alumineries, Aluminerie de Deschambault), Donald P. Ziegler (Alcoa Corporation: Aluminum Center of Excellence, Alcoa Technical Center)

  La pâte à brasquer joue un rôle fondamental dans la durée de vie d’une cuve d’électrolyse et son efficacité énergétique. Le vieillissement de ce matériau granulaire, en raison de l’évaporation des agents adoucissants assurant sa malléabilité à température ambiante, est susceptible d’influencer ses propriétés thermoélectromécaniques. D’un autre côté, lors de la mise en forme de la pâte à brasquer le liant présent dans sa composition libère des produits cancérigènes tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Afin de pallier cette problématique, plusieurs pâtes écologiques ont été développées. Toutefois, les propriétés physiques de ces nouvelles pâtes et leurs effets sur l’efficacité du procédé ne sont pas encore bien connus. Ce travail a pour objectif l’étude de l’effet du phénomène de vieillissement sur les propriétés électromécaniques de la pâte à brasquer. Dans cette perspective, une pâte standard et une autre écologique ont été considérées. La caractérisation de l’effet du vieillissement est axée sur la mesure de grandeurs telles que la densité apparente, la perte de masse, le changement volumétrique, le module de Young, le coefficient de Poisson, la résistance à la compression et à la traction ainsi que la résistivité électrique. Les résultats de cette étude révèlent que le vieillissement de la pâte à brasquer affecte principalement la perte de masse après cuisson, la résistivité électrique ainsi que les propriétés mécaniques de la pâte crue.

• Communication orale 13 h 50
  Un modèle de procédé pour analyser la performance des fours horizontaux de cuisson d’anodes
  Akré Simone Anne Adja, Patrick Coulombe (Directeur Développement technologique et laboratoire, Aluminerie Alouette Inc.), Jules Côté (Vice-président, Amélioration des opérations et gestions des actifs, Aluminerie Alouette Inc), Yasar Kocaefe (Université du Québec à Chicoutimi), Duygu Kocaefe (Université du Québec à Chicoutimi)

  Les anodes de carbone sont consommées régulièrement dans les cuves d’électrolyse pour la production de l’aluminium. Leur qualité joue un rôle important dans la consommation du carbone et de l’énergie ainsi que les émissions de GES et le coût de production. La dernière étape de la fabrication des anodes est leur cuisson dans des grands fours spécialement conçus pour ce but. Le procédé de cuisson est complexe et implique l’interaction de plusieurs phénomènes. Les modèles mathématiques validés de ces fours sont des outils fiables pour l’analyse approfondie du procédé et aussi pour étudier l’impact de différents paramètres sur la qualité des anodes. On peut utiliser diverses approches pour la modélisation mathématique des fours de cuisson d’anodes. Dans cet article, un modèle de procédé en 2D ainsi que ses résultats seront présentés.

• Communication orale 14 h 30
  Analyse technicoéconomique d’un assemblage cathodique équipé de barres collectrices cylindriques
  Hicham Chaouki (Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL, Université Laval), Mario Fafard (Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL, Université Laval), Louis Gosselin (Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL, Université Laval), Olivier Lacroix (Université Laval), Donald Ziegler (Alcoa Corporation: Aluminum Center of Excellence, Alcoa Technical Center)

  La cathode située au bas d’une cuve Hall-Héroult est responsable d’environ 10 % de la chute de potentiel totale de la cuve. Une partie significative de ces pertes, sous forme d’effet Joule, provient d’un mauvais contact entre la couche de fonte et le bloc de carbone. De plus, une distribution non uniforme de la densité de courant à l’intérieur de la cuve engendre une érosion prématurée des extrémités des blocs cathodiques, limitant la durée de vie des cuves.

  Le présent projet vise à réduire la chute de potentiel ainsi qu’à uniformiser la densité de courant de l’assemblage cathodique par l’amélioration du contact entre la barre collectrice et le bloc de carbone. Il explore plus particulièrement l’utilisation de barres collectrices cylindriques comprenant des insertions de cuivre et ne nécessitant aucune couche de fonte ou opération de scellage. Différentes configurations de cathodes sont explorées à l’aide d’un modèle numérique thermoélectromécanique dans le but d’évaluer leur impact sur la consommation énergétique et sur la durée de vie d’une cuve, ainsi que leur faisabilité d’un point de vue de fabrication. Une analyse économique est également réalisée afin de mesurer la rentabilité des concepts. Celle-ci servira finalement à l’optimisation de la géométrie afin de maximiser les performances de nouveaux concepts.

• Communication orale 14 h 55
  La nécessité d'une approche multidisciplinaire pour promouvoir l'innovation dans le domaine du carbone
  Hans Darmstadt (Conseiller principal, Ph.D., Center de Recherche et Développement Arvida (CRDA), Rio Tionto), Guillaume Léonard