Caractérisation des propriétés mécaniques de la pâte de carbone à 150°C dans le but d’optimiser la mise en forme des anodes utilisées dans les cuves Hall-Héroult

Abstract

Les anodes de carbone sont des éléments consommables servant d’électrode dans la réaction électrochimique d’une cuve Hall-Héroult. Ces dernières sont produites massivement via une chaine de production dont la mise en forme est une des étapes critiques puisqu’elle définit une partie de leur qualité. Le procédé de mise en forme actuel n’est pas pleinement optimisé. Des gradients de densité importants à l’intérieur des anodes diminuent leur performance dans les cuves d’électrolyse. Encore aujourd’hui, les anodes de carbone sont produites avec comme seuls critères de qualité leur densité globale et leurs propriétés mécaniques finales. La manufacture d’anodes est optimisée de façon empirique directement sur la chaine de production. Cependant, la qualité d’une anode se résume en une conductivité électrique uniforme afin de minimiser les concentrations de courant qui ont plusieurs effets néfastes sur leur performance et sur les coûts de production d’aluminium. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la conductivité électrique de l’anode n’est influencée que par sa densité considérant une composition chimique uniforme. L’objectif est de caractériser les paramètres d’un modèle afin de nourrir une loi constitutive qui permettra de modéliser la mise en forme des blocs anodiques. L’utilisation de la modélisation numérique permet d’analyser le comportement de la pâte lors de sa mise en forme. Ainsi, il devient possible de prédire les gradients de densité à l’intérieur des anodes et d’optimiser les paramètres de mise en forme pour en améliorer leur qualité. Le modèle sélectionné est basé sur les propriétés mécaniques et tribologiques réelles de la pâte. La thèse débute avec une étude comportementale qui a pour objectif d’améliorer la compréhension des comportements constitutifs de la pâte observés lors d’essais de pressage préliminaires. Cette étude est basée sur des essais de pressage de pâte de carbone chaude produite dans un moule rigide et sur des essais de pressage d’agrégats secs à l’intérieur du même moule instrumenté d’un piézoélectrique permettant d’enregistrer les émissions acoustiques. Cette analyse a précédé la caractérisation des propriétés de la pâte afin de mieux interpréter son comportement mécanique étant donné la nature complexe de ce matériau carboné dont les propriétés mécaniques sont évolutives en fonction de la masse volumique. Un premier montage expérimental a été spécifiquement développé afin de caractériser le module de Young et le coefficient de Poisson de la pâte. Ce même montage a également servi dans la caractérisation de la viscosité (comportement temporel) de la pâte. Il n’existe aucun essai adapté pour caractériser ces propriétés pour ce type de matériau chauffé à 150°C. Un moule à paroi déformable instrumenté de jauges de déformation a été utilisé pour réaliser les essais. Un second montage a été développé pour caractériser les coefficients de friction statique et cinétique de la pâte aussi chauffée à 150°C. Le modèle a été exploité afin de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte par identification inverse et pour simuler la mise en forme d’anodes de laboratoire. Les propriétés mécaniques de la pâte obtenues par la caractérisation expérimentale ont été comparées à celles obtenues par la méthode d’identification inverse. Les cartographies tirées des simulations ont également été comparées aux cartographies des anodes pressées en laboratoire. La tomodensitométrie a été utilisée pour produire ces dernières cartographies de densité. Les résultats des simulations confirment qu’il y a un potentiel majeur à l’utilisation de la modélisation numérique comme outil d’optimisation du procédé de mise en forme de la pâte de carbone. La modélisation numérique permet d’évaluer l’influence de chacun des paramètres de mise en forme sans interrompre la production et/ou d’implanter des changements coûteux dans la ligne de production. Cet outil permet donc d’explorer des avenues telles la modulation des paramètres fréquentiels, la modification de la distribution initiale de la pâte dans le moule, la possibilité de mouler l’anode inversée (upside down), etc. afin d’optimiser le processus de mise en forme et d’augmenter la qualité des anodes.

The carbon anode electrodes are consumable elements used in the electrochemical reaction of a Hall-Héroult cell. These are massively produced through a production line whose forming process is a critical step because it defines part of their quality. The currently used forming process is not fully optimized. Significant density gradients inside the anodes decrease their performance in the electrolysis cells. Even today, carbon anodes are produced with only their overall density and final mechanical properties as quality criteria. The anode manufacturing is optimized empirically directly on the production line. However, the quality of the anodes resides in a uniform electrical conductivity to minimize the current concentrations that have several adverse effects on their performance and aluminum production costs. This thesis is based on the assumption that the electrical conductivity of the anode is influenced only by its density, considering a uniform chemical composition. The objective is to characterize the model parameters to feed a constitutive law that will model the forming process of the anode blocks. Numerical modeling is used to analyze the anode paste behaviour during its forming process. Therefore, it becomes possible to predict the anode density gradients and optimize the forming process parameters with the aim of improving their quality. The selected model is based on the real mechanical and tribological anode paste properties. The first study of this thesis aims to improve the understanding of the constitutive behaviour of the carbon paste observed during preliminary paste compression tests. This study is based on compression tests on hot carbon paste and dry aggregates performed in a rigid mould instrumented with a piezoelectric sensor to record acoustic emissions. This analysis was performed prior to the characterization of the paste properties in order to better interpret its mechanical behaviour given by the complex carbonaceous nature of this material whose mechanical properties evolve as a function of density. A first experimental setup was specifically developed to characterize the Young's modulus and Poisson's ratio of the anode paste. This apparatus was also used in the characterization of the paste viscosity (time dependence). There exists no appropriate test to characterize these properties for this type of material heated to 150°C. A deformable wall mould instrumented with strain gauges was used to perform the experiments. A second assembly was developed to characterize the paste’s static and kinetic friction coefficients. The paste was also heated to 150°C. The model was used to characterize the paste’s mechanical properties by reverse identification and simulate the forming process of laboratory scaled anodes. The paste’s mechanical properties obtained by the experimental characterization were compared with those obtained by the reverse identification method. The density mappings obtained from simulations were also compared to the density mappings of the laboratory pressed anodes. Tomography was used to produce these density mappings. Simulation results confirm the major potential of using numerical modeling as an optimization tool of the carbon paste forming process. Numerical modeling is used to evaluate the influence of each of the forming parameters without interrupting production and/or implementing expensive changes in the production line. Thus, this tool allows the exploration of ways to optimize the forming process and increase the quality of the anodes such of the modulation frequency parameters, the modification of the initial paste distribution into the mould, the possibility of forming inverted anodes (upside down), etc.