Soutenance mémoire
L’aluminium a été découvert et étudié pour la première fois par Friedrich Wöhler en 1827. À cette époque, l’aluminium est produit dans des laboratoires avec des procédés expérimentaux très couteux. Au milieu du 19e siècle, l’aluminium est considéré comme un métal semi-précieux et est alors surtout utilisé pour la fabrication de bijoux, de pièces d’orfèvrerie ou d’objets religieux. Après la découverte du procédé Hall-Héroult en 1886, le coût de production de l’aluminium diminue beaucoup et ceci permet d’étendre son utilisation à de nombreux secteurs. Dès 1910, les scientifiques développent les premiers alliages d’aluminium et élargissent ainsi sa gamme d’applications. L’aluminium joue un rôle important durant la Première Guerre mondiale, notamment pour ses applications dans l’aéronautique. Au milieu du 20e siècle, l’utilisation de l’aluminium se démocratise aux domaines de l’architecture, de la décoration, aux objets à usage courant (ustensiles, luminaires, outils de jardinage, etc.) et aussi aux domaines du transport. L’utilisation de l’aluminium pour la fabrication d’automobiles remonte à 1947 et son utilisation dans la fabrication de voiture ne cesse de croitre depuis cette date. De nos jours, l’aluminium est utilisé principalement dans les secteurs de l’emballage, du transport, de la construction d’édifices, de la fabrication de biens de consommation, de la fabrication d’équipements et des applications de pointes [Morel 1991].
Contexte industriel actuel
La production annuelle mondiale d’aluminium est en constante augmentation depuis le début de l’industrialisation de sa production. Cette augmentation de production s’est fortement accélérée depuis le milieu des années 1990.
Cette nouvelle réalité du marché de l’aluminium oblige les producteurs à diminuer leurs coûts de production afin de rester compétitifs et poursuivre leurs activités. Plus que jamais, la compétition mondiale entre les grands producteurs d’aluminium est féroce. De plus, les investissements majeurs dans le domaine de l’aluminium sont au ralenti depuis la crise économique de 2008, étant donné que le prix de la tonne d’aluminium n’a jamais réussi à rejoindre les sommets qu’il avait atteints avant la crise. Avant la crise économique mondiale de 2008, le prix d’une tonne d’aluminium a atteint près de 3300 USD alors que le prix moyen des trois dernières années est d’environ 1900 USD [London Metal Exchange]. La diminution du prix de l’aluminium et l’augmentation de la compétition mondiale ont forcé les grands producteurs à effectuer des changements radicaux pour rester viables.
Différentes stratégies ont été envisagées par les producteurs d’aluminium du monde pour réduire leurs coûts de production. La diminution des coûts fixes reliés à la main d’œuvre, l’optimisation des processus, la réduction des coûts de l’énergie, la diminution des coûts des matières premières sont des solutions qui réduiraient directement les coûts de production. Une autre stratégie envisagée est d’augmenter l’efficacité du procédé de production de l’aluminium. Le procédé Hall-Héroult est le seul procédé industriel utilisé de nos jours pour produire de l’aluminium et ce dernier a été inventé en 1886. Bien que les scientifiques analysent le procédé Hall-Héroult depuis plus de cent ans, certains aspects critiques de la production de l’aluminium sont encore étudiés par les scientifiques et pourraient toujours être optimisés. Le procédé Hall-Héroult est complexe et toutes les étapes de la production de l’aluminium nécessitent une expertise dans de nombreuses disciplines de l’ingénierie. Une meilleure compréhension de chacun des processus du procédé constitue la première étape qui permettrait d’opérer de façon plus efficace une aluminerie et ainsi augmenter la rentabilité du procédé. L’objectif de ce projet de maitrise est justement de mieux comprendre un des aspects du procédé Hall-Héroult qui suscite encore les discussions au sein des groupes de recherche à travers le monde [Association de l’aluminium du Canada].
Le procédé Hall-Héroult
L’aluminium est le métal le plus abondant sur la Terre, il constitue près de 8.1 % de la masse totale de la croûte terrestre. À cause de sa grande affinité avec l’oxygène présent dans l’air, l’aluminium ne se retrouve pas sous son état élémentaire pur sur notre planète [Encyclopédie Britannica]. Il se retrouve principalement sous forme d’oxydes (Al₂O₃) ou de silicate (Al₂SiO₅). C’est en 1886 que les scientifiques Paul L. T. Héroult (1863-1914) et Charles M. Hall (1863-1914) ont découvert et breveté de façon indépendante le procédé de production d’aluminium qui est toujours utilisé dans l’industrie de nos jours [Grjotheim 1993]. Le procédé Hall-Héroult consiste à faire l’électrolyse de l’aluminium dans une solution à base de cryolithe fondue (Na₃AlF₆). L’électrolyse est une transformation chimique forcée qui entraîne un système à évoluer dans la direction inverse de sa réaction naturelle [Bard 1983]. À cette fin, un courant est passé entre deux électrodes plongées dans la solution électrolytique pour provoquer un transfert d’électrons entre le réactif et l’oxydant. Pour effectuer l’électrolyse de l’aluminium, le courant électrique à haute intensité est passé de l’anode vers la cathode à travers un bain de cryolithe fondue.
La réaction chimique globale simplifiée de la production de l’aluminium est la suivante :
2 Al₂O₃ (dissout) + 3 C (solide) = 4 Al (liquide) + 3 CO₂ (gaz)
Afin de procéder à l’électrolyse de l’aluminium, il faut faire dissoudre de l’oxyde d’aluminium (Al₂O₃) dans le bain électrolytique à haute température (environ 960 °C). L’alumine en poudre est injectée dans le bain électrolytique liquide par des injecteurs automatisés à un intervalle de temps rapproché. La réduction électrolytique qui forme l’aluminium liquide se produit à la cathode qui est située dans le bas de la cuve. À cause de sa masse volumique plus élevée que le bain de cryolithe fondue, l’aluminium liquide reste dans le fond de la cuve. Il est ensuite siphonné et refroidit en différents formats au centre de coulée de l’aluminerie. L’oxydation électrolytique produit du dioxyde de carbone (CO₂) et se manifeste à l’anode. Pendant l’électrolyse, l’anode se consomme graduellement étant donné qu’elle cède trois atomes de carbone selon la réaction chimique (1).
Le procédé Hall-Héroult est un procédé complexe qui suscite l’intérêt de nombreux chercheurs à travers le monde. La complexité vient du fait que le procédé fait intervenir une multitude de processus chimiques, thermiques, électromagnétiques et mécaniques. Le présent projet de recherche se concentre sur le processus de dissolution de l’alumine dans le bain électrolytique à base de cryolithe.
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Table des matières
Chapitre 1 Introduction
1.1 Mise en contexte
1.1.1 Historique de l’aluminium
1.1.2 Contexte industriel actuel
1.1.3 Le procédé Hall-Héroult
1.2 Objectifs du projet
1.2.1 Le projet RDCell
1.2.2 Objectif principal du projet
1.2.3 Objectifs secondaires
1.3 Plan du mémoire
Chapitre 2 Description de la problématique
2.1 Les généralités de la problématique
2.2 Efficacité d’une cuve d’électrolyse
2.2.1 Efficacité de courante – Définitions et mesures
2.2.2 Efficacité énergétique du procédé
2.3 Importance de la dissolution d’alumine
2.4 L’alumine
2.4.1 Notions générales concernant l’alumine
2.4.2 Propriétés de l’alumine
2.4.3 Variables qui influencent la vitesse de dissolution
2.5 Comportement de l’alumine après son injection
2.5.1 Formation de gelée
2.5.2 Formation de radeaux
2.6 Le bain électrolytique
2.6.1 Notions générales concernant le bain électrolytique
2.6.2 Propriétés du bain électrolytique
2.7 Géométrie d’une cuve industrielle
2.8 Bilan de la problématique
Chapitre 3 Méthodologie
3.1 Travaux antérieurs
3.1.1 Les années 1950 à aujourd’hui
3.1.2 Comparaison avec le montage expérimental RDCell
3.2 Notions générales sur le montage expérimental
3.2.1 Dimensions de la zone d’injection
3.2.2 Importance de la taille du montage expérimental
3.3 Description du montage expérimental
3.3.1 Four expérimental
3.3.2 Injecteur d’alumine
3.3.3 Robot échantillonneur
3.3.4 Sondes utilisées pour les mesures électroanalytiques
3.3.5 Système de visualisation
3.3.6 Système d’électrolyse
3.3.7 Système d’injection de gaz
3.3.8 Thermocouples
3.3.9 Sécurité
3.4 Déroulement d’une expérience
3.4.1 Période de préparation d’une expérience
3.4.2 Phase initiale
3.4.3 Phase principale
3.4.4 Phase finale
3.4.5 Autopsie
3.5 Bilan des expériences réalisées
Chapitre 4 L’Échantillonnage et l’analyse des échantillons
4.1 Notions générales concernant la technique d’échantillonnage
4.2 Description du robot échantillonneur
4.2.1 Anciens systèmes d’échantillonnage
4.2.2 Système d’échantillonnage actuel
4.3 Techniques d’analyse des échantillons
4.3.1 Notions générales concernant les techniques d’analyse
4.3.2 Méthode Rietveld (analyse DRX)
4.3.3 Analyse élémentaire de l’oxygène (méthode LECO)
4.3.4 Combinaison des méthodes d’analyse
4.4 Résultats des séquences d’échantillonnage
4.5 Analyse des résultats des séquences d’échantillonnage
Chapitre 5 Les techniques électroanalytiques
5.1 Notions générales concernant les techniques électroanalytiques
5.2 Description de la voltammétrie
5.2.1 Principe de fonctionnement de la voltammétrie (système à trois électrodes)
5.2.2 Sonde de voltammétrie (électrode de travail et contre-électrode)
5.2.3 Électrode de référence
5.2.4 Principe de mesure de la concentration
5.2.5 Utilisation du potentiostat pour la voltammétrie
5.3 Technique de mesure d’impédance
5.3.1 Description de la technique de mesure d’impédance
5.3.2 Utilisation du potentiostat et du suramplificateur pour la mesure de l’impédance
5.4 Résultats obtenus avec les techniques électroanalytiques
5.4.1 Résultats obtenus avec la voltammétrie
5.4.2 Résultats obtenus avec la mesure de l’impédance
5.5 Analyse des résultats obtenus avec les mesures électroanalytiques
Chapitre 6 Les techniques de visualisation
6.1 La visualisation de la dissolution de l’alumine dans la littérature
6.2 Description des méthodes de visualisation
6.2.1 Description de la vue latérale
6.2.2 Description de la vue en plongée de la surface
6.3 Résultats obtenus avec les techniques de visualisation
6.3.1 Résultats obtenus par la vue latérale
6.3.2 Résultats obtenus par la vue en plongée de la surface
6.4 Analyse des résultats obtenus avec la visualisation
6.4.1 Comportement de l’alumine suite à son injection
6.4.2 Estimation de la vitesse de chute des agglomérats dans le bain
6.4.3 Estimation de la vitesse de chute des grains d’alumine dans le bain
Chapitre 7 Conclusion
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