207 - Utilisation du carbone dans l’industrie

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.

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.

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.

       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.

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.

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.