Impact de la preparation des anodes crues et des conditions de cuisson sur la fissuration dans des anodes denses.

摘要

La fabrication de l'aluminium est realisee dans une cellule d'electrolyse, et cette operation utilise des anodes en carbone. L'evaluation de la qualite de ces anodes reste indispensable avant leur utilisation. La presence des fissures dans les anodes provoque une perturbation du procede l'electrolyse et une diminution de sa performance.;Ce projet a ete entrepris pour determiner l'impact des differents parametres de procedes de fabrication des anodes sur la fissuration des anodes denses. Ces parametres incluent ceux de la fabrication des anodes crues, des proprietes des matieres premieres et de la cuisson. Une recherche bibliographique a ete effectuee sur tous les aspects de la fissuration des anodes en carbone pour compiler les travaux anterieurs. Une methodologie detaillee a ete mise au point pour faciliter le deroulement des travaux et atteindre les objectifs vises. La majorite de ce document est reservee pour la discussion des resultats obtenus au laboratoire de l'UQAC et au niveau industriel.;Concernant les etudes realisees a l'UQAC, une partie des travaux experimentaux est reservee a la recherche des differents mecanismes de fissuration dans les anodes denses utilisees dans l'industrie d'aluminium. L'approche etait d'abord basee sur la caracterisation qualitative du mecanisme de la fissuration en surface et en profondeur. Puis, une caracterisation quantitative a ete realisee pour la determination de la distribution de la largeur de la fissure sur toute sa longueur, ainsi que le pourcentage de sa surface par rapport a la surface totale de l'echantillon. Cette etude a ete realisee par le biais de la technique d'analyse d'image utilisee pour caracteriser la fissuration d'un echantillon d'anode cuite. L'analyse surfacique et en profondeur de cet echantillon a permis de voir clairement la formation des fissures sur une grande partie de la surface analysee.;L'autre partie des travaux est basee sur la caracterisation des defauts dans des echantillons d'anodes crues fabriquees industriellement. Cette technique a consiste a determiner le profil des differentes proprietes physiques. En effet, la methode basee sur la mesure de la distribution de la resistivite electrique sur la totalite de l'echantillon est la technique qui a ete utilisee pour localiser la fissuration et les macro-pores. La microscopie optique et l'analyse d'image ont, quant a elles, permis de caracteriser les zones fissurees tout en determinant la structure des echantillons analyses a l'echelle microscopique. D'autres tests ont ete menes, et ils ont consiste a etudier des echantillons cylindriques d'anodes de 50 mm de diametre et de 130 mm de longueur. Ces derniers ont ete cuits dans un four a UQAC a differents taux de chauffage dans le but de pouvoir determiner l'influence des parametres de cuisson sur la formation de la fissuration dans ce genre de carottes. La caracterisation des echantillons d'anodes cuites a ete faite a l'aide de la microscopie electronique a balayage et de l'ultrason.;La derniere partie des travaux realises a l'UQAC contient une etude sur la caracterisation des anodes fabriquees au laboratoire sous differentes conditions d'operation. L'evolution de la qualite de ces anodes a ete faite par l'utilisation de plusieurs techniques. L'evolution de la temperature de refroidissement des anodes crues de laboratoire a ete mesuree; et un modele mathematique a ete developpe et valide avec les donnees experimentales. Cela a pour objectif d'estimer la vitesse de refroidissement ainsi que le stress thermique. Toutes les anodes fabriquees ont ete caracterisees avant la cuisson par la determination de certaines proprietes physiques (resistivite electrique, densite apparente, densite optique et pourcentage de defauts). La tomographie et la distribution de la resistivite electrique, qui sont des techniques non destructives, ont ete employees pour evaluer les defauts internes des anodes.;Pendant la cuisson des anodes de laboratoire, l'evolution de la resistivite electrique a ete suivie et l'etape de devolatilisation a ete identifiee. Certaines anodes ont ete cuites a differents taux de chauffage (bas, moyen, eleve et un autre combine) dans l'objectif de trouver les meilleures conditions de cuisson en vue de minimiser la fissuration. D'autres anodes ont ete cuites a differents niveaux de cuisson, cela dans le but d'identifier a quelle etape de l'operation de cuisson la fissuration commence a se developper. Apres la cuisson, les anodes ont ete recuperees pour, a nouveau, faire leur caracterisation par les memes techniques utilisees precedemment. L'objectif principal de cette partie etait de reveler l'impact de differents parametres sur le probleme de fissuration, qui sont repartis sur toute la chaine de production des anodes. Le pourcentage de megots, la quantite de brai et la distribution des particules sont des facteurs importants a considerer pour etudier l'effet de la matiere premiere sur le probleme de la fissuration. Concernant l'effet des parametres du procede de fabrication sur le meme probleme, le temps de vibration, la pression de compaction et le procede de refroidissement ont ete a la base de cette etude. Finalement, l'influence de la phase de cuisson sur l'apparition de la fissuration a ete prise en consideration par l'intermediaire du taux de chauffage et du niveau de cuisson.;Les travaux realises au niveau industriel ont ete faits lors d'une campagne de mesure dans le but d'evaluer la qualite des anodes de carbone en general et l'investigation du probleme de fissuration en particulier. Ensuite, il s'agissait de reveler les effets de differents parametres sur le probleme de la fissuration. Vingt-quatre anodes cuites ont ete utilisees. Elles ont ete fabriquees avec differentes matieres premieres (brai, coke, megots) et sous diverses conditions (pression, temps de vibration). Le parametre de la densite de fissuration a ete calcule en se basant sur l'inspection visuelle de la fissuration des carottes. Cela permet de classifier les differentes fissurations en plusieurs categories en se basant sur certains criteres tels que le type de fissures (horizontale, verticale et inclinee), leurs localisations longitudinales (bas, milieu et haut de l'anode) et transversales (gauche, centrale et droite). Les effets de la matiere premiere, les parametres de fabrication des anodes crues ainsi que les conditions de cuisson sur la fissuration ont ete etudies.;La fissuration des anodes denses en carbones cause un serieux probleme pour l'industrie d'aluminium primaire. La realisation de ce projet a permis la revelation de differents mecanismes de fissuration, la classification de fissuration par plusieurs criteres (position, types localisation) et l'evaluation de l'impact de differents parametres sur la fissuration. Les etudes effectuees dans le domaine de cuisson ont donne la possibilite d'ameliorer l'operation et reduire la fissuration des anodes. Le travail consiste aussi a identifier des techniques capables d'evaluer la qualite d'anodes (l'ultrason, la tomographie et la distribution de la resistivite electrique).;La fissuration des anodes en carbone est consideree comme un probleme complexe, car son apparition depend de plusieurs parametres repartis sur toute la chaine de production. Dans ce projet, plusieurs nouvelles etudes ont ete realisees, et elles permettent de donner de l'originalite aux travaux de recherches faits dans le domaine de la fissuration des anodes de carbone pour l'industrie de l'aluminium primaire. Les etudes realisees dans ce projet permettent d'ajouter d'un cote, une valeur scientifique pour mieux comprendre le probleme de fissuration des anodes et d'un autre cote, d'essayer de proposer des methodes qui peuvent reduire ce probleme a l'echelle industrielle.