Soutenance mémoire
Fabrication des anodes de carbone
Une anode crue est constituée d’une pâte d’anode qui comprend environ 85% d’agrégats secs (coke de pétrole frais, mégot, rejets crus et cuits) et de 15% de liant (brai de goudron de houille). Les anodes crues et cuites rejetées ainsi que les mégots sont écrasés et ajoutés à l’agrégat sec, et ils représentent environ 20% de la pâte d’anode. La préparation de la pâte commence par le broyage et le triage de chacun des constituants des agrégats secs selon leur granulométrie. Le matériel granulaire est ensuite ajouté selon la recette établie par l’industrie afin d’obtenir les propriétés requises des anodes cuites. Par la suite, les agrégats secs sont incorporés dans un mélangeur de type Sigma blade ou encore de type Eirich, ou encore un malaxeur où le mélange est préchauffé à environ 150 °C avant de le combiner au brai préalablement chauffé à 200 °C. La pâte homogénéisée est ensuite refroidie à environ 170 °C si nécessaire puis transférée dans un compacteur (presse hydraulique ou vibrocompacteur) afin de façonner une anode crue. Le processus de fabrication se poursuit en plaçant les anodes dans des fours de cuisson horizontaux (généralement) et les espaces sont complétés par du coke de remplissage afin de préserver leur intégrité. La cuisson s’élève autour de 1 150 °C (selon l’industrie) pour ensuite refroidir les anodes autour de 100 °C. Enfin, un goujon de métal est fixé à l’anode afin de relier l’anode à la cellule électrolytique.
Interaction entre le brai et le coke
La capacité d’interaction du brai avec le coke dépend directement de sa composition chimique afin d’obtenir une imprégnation adéquate. Comme mentionné précédemment, le brai sert d’agent liant aux particules des agrégats secs afin de former les anodes. En pénétrant dans les pores du matériau granulaire, il procure une cohésion de la pâte d’anode. Un brai ayant une bonne mouillabilité doit pouvoir recouvrir d’une fine couche les particules d’agrégats secs (majoritairement du coke) tout en ne laissant aucun espace. De sorte que la quantité de brai ajouté doit être optimale pour favoriser la cohésion du matériel granulaire . En effet, lors du processus de cuisson des anodes, le brai se décompose et engendre la formation d’une matrice solide (brai cokéfié). Cette matrice contribue à l’amélioration de la conductivité électrique des anodes produites . Si la quantité de brai est inférieure à la quantité optimale, il est dit que l’anode est en sous-brai laissant de grands vides entre les particules de l’anode engendrant une porosité élevée.
L’augmentation de la porosité cause une réduction de la densité apparente et des propriétés mécaniques ainsi qu’une augmentation de la résistivité électrique, de la formation de fissures et des réactions de réactivités à l’air et au CO2 de même que l’oxydation sélective. Si la couche de brai est trop épaisse, l’anode est dite en sur-brai. Par conséquent, il y aura séparation des particules diminuant ainsi les propriétés mécaniques et augmentant le coût de production des anodes. De plus, une anode en sur-brai conduit à une augmentation de la libération de volatiles lors de la cuisson qui peut engendrer la formation de fissures.
L’usage excessif de brai peut causer l’adhérence de l’anode au moule au cours de l’étape de compaction ainsi qu’au matériel de compaction au cours de la cuisson. Enfin, une quantité abusive en brai peut entraîner un rétrécissement extrême de l’anode et la déformation du trou d’ancrage prévu pour la tige de métal au cours de la cuisson.
Anode de carbone
La dernière étape de fabrication des anodes est la cuisson. Cette étape est la plus coûteuse et la durée d’un cycle complet de cuisson est approximativement deux semaines . La cuisson des anodes crues est nécessaire afin de cokéfier le brai et d’assurer une bonne liaison avec les agrégats secs. Plus spécifiquement, il s’agit de convertir le liant sous une forme cristalline et permettre l’obtention des propriétés finales de l’anode cuites .
Cuisson des anodes
Au cours du procédé de cuisson, l’anode subit plusieurs changements. D’abord, la solidité du brai diminue lorsqu’il dépasse son point de ramollissement. Entre 150 et 350 °C, le brai s’écoule dans les pores des agrégats secs et dans les espaces gazeux laissés entre les particules. C’est alors que l’anode ramollie, elle est sujette à la déformation, dont un possible affaissement autour des trous d’ancrage. Le coke de garnissage, placé autour des anodes, permet la prévention de ses phénomènes. Entre 200 et 400 °C, il y a libération des matières volatiles légères contenues dans le brai. L’anode subit alors plusieurs contraintes dues à la dilatation thermique pouvant causer des fissures. À partir de 450 °C jusqu’à 600°C intervient la cokéfaction du brai, c’est alors que les matières volatiles lourdes du brai s’évaporent. De 500 à 900 °C, il y d’important dégagement d’hydrogène et de méthane libérés par des réactions de polymérisation des grosses molécules contenues dans le brai.
Enfin, entre 900 et 1200 °C, il y a réorientation de la structure amorphe du coke de brai et du coke de pétrole vers une structure cristalline plus régulière. De plus, à partir de 1150 °C, de l’azote sera libéré par le brai alors que du soufre sera libéré par le coke si ce dernier est à teneur élevée en soufre. Une fois l’anode cuite, celle-ci est refroidie graduellement pour éviter un changement thermique brusque et prévenir la formation de fissure.
Propriétés des anodes
Il est primordial de concevoir des anodes de qualité sans toutefois nuire au procédé d’électrolyse afin de résister à l’environnement hostile de la cellule électrolytique. Les caractéristiques les plus essentielles sont : Une haute densité et une faible perméabilité; Une faible réactivité à l’air et au CO2; Une faible résistance électrique spécifique; Un grand degré de pureté; Une résistance élevée aux chocs thermiques; Une résistance mécanique suffisante.
Interactions moléculaires entre le coke et le brai
Lors de la fabrication des anodes, le brai pénètre dans les pores des agrégats secs afin d’assurer la cohésion de la pâte. L’adhérence du brai dépend entre autre de son interaction avec le coke. Dans l’industrie de l’aluminium, plusieurs types d’interactions sont principalement rencontrés entre le coke et le brai. Différents auteurs suggèrent la présence de liaisons hydrogènes, d’interactions électrostatiques, de forces de dispersion, d’interactions acide-baseet de liaisons covalentes. La liaison hydrogène est un lien dont le donneur est un hydrogène acide (d’une fonction alcool ou amine par exemple) et l’accepteur est un hétéroatome fortement électronégatif (uniquement N, O ou F). Toutefois, le coke renferme peu d’hydrogène et d’oxygène, ce qui limite les types d’interactions possibles. L’interaction électrostatique est une interaction de type cation-Π entre, par exemple, le nuage d’électrons Π négativement chargé d’un noyau aromatique et un centre chargé positivement tel qu’un ion ammonium quaternaire. Les forces de dispersion, aussi nommées forces de London, sont des interactions électrostatiques attractives entre deux multipôles induits. Contrairement aux autres interactions, celle-ci est une interaction physique. L’augmentation des forces de dispersion tend à diminuer la tension de surface. Ainsi, l’ajout de chaînes aliphatiques ou d’acide gras est généralement incompatible avec les noyaux aromatiques du brai.
En conséquence, ces groupements remontent généralement à la surface du brai et agit comme un lubrifiant ce qui a pour effet de diminuer la tension de surface. L’interaction dite «acide-base» intervient en présence d’un groupement fonctionnel acide (carboxyle ou phénol) et un groupement fonctionnel basique (amine). Ce type d’attraction tend à former un lien covalent libérant ainsi une molécule d’eau.
Réseau neuronal artificiel
Généralement les méthodes analytiques utilisent des algorithmes afin de traiter des données de façon linéaire. Ces méthodes permettent de résoudre des problèmes à partir de phénomènes connus ce qui constitue un facteur limitant. Dans un autre ordre d’idée, le réseau neuronal artificiel (RNA) est un ensemble d’algorithmes inspiré des systèmes nerveux biologiques. Ce réseau se compose d’un vaste nombre d’éléments interconnectés, appelés neurones, travaillant de concert afin de résoudre un problème de façon similaire à un cerveau humain .
Le RNA est souvent employé comme outil statistique afin d’établir s’il existe une relation mathématique entre la variable dépendante et indépendante. Afin de bâtir le réseau, le modèle accepte une série de variables indépendantes et dépendantes de départ. Le réseau est alors capable d’observer certains modèles dans les données et affecte un certain poids aux variables d’entrées d’une même série de données. Puis, les données sont manipulées selon différents algorithmes afin d’obtenir un nouvel ensemble de données de sortie. Ceci facilite la reconnaissance des motifs entre les données afin d’établir des prédictions. Durant la phase d’entraînement, les informations d’erreurs entre les valeurs de sortie expérimentales et prédites sont renvoyées au système. Ce processus d’apprentissage effectue alors tous les réglages de leurs paramètres de poids de manière systématique.
L’étape d’apprentissage est répétée jusqu’à ce que la sortie souhaitée soit acceptable. Une fois le réseau construit, des données de sortie non connue peuvent être prédites à partir des données d’entrée désirées.
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Table des matières
Chapitre 1 Introduction
1.1. Procédé Hall-Héroult
1.2. Fabrication des anodes de carbone
1.3. Interaction entre le brai et le coke
1.4. Modification de la matière première
1.5. Problématique
1.6. Objectifs
1.7. Méthodologie
1.8. Contenu du mémoire
Chapitre 2 Recherche bibliographique
2.1. Matières premières
2.1.1. Brai
2.1.1.1. Processus de fabrication
2.1.1.2. Composition chimique
2.1.1.3. Propriétés du brai de goudron de houille
2.1.2. Coke
2.1.2.1. Processus de fabrication et type de coke obtenu
2.1.2.2. Composition chimique
2.1.2.3. Propriétés du coke de pétrole calciné
2.2. Anode de carbone
2.2.1. Cuisson des anodes
2.2.2. Propriétés des anodes
I. Densité et perméabilité
II. Réactivité à l’air et au CO2
III. Résistance électrique spécifique
IV. Autres propriétés
2.2.3. Consommation des anodes
2.3. Interactions moléculaires entre le coke et le brai
2.3.1. Mouillabilité et pénétration du brai dans le coke
2.3.2. Paramètres qui influencent la mouillabilité
2.4. Modification des propriétés du brai par les additifs chimiques
2.4.1. Tensioactifs
2.4.2. Rôle des additifs chimiques
2.4.3. Additifs chimiques utilisés pour la modification du brai
2.5. Réseau neuronal artificiel
Chapitre 3 Matériel et méthode
3.1. Matériel
3.2. Caractérisation des brais, des additifs chimiques et des cokes
3.3. Modification du brai pour la caractérisation
3.4. Analyse FTIR des brais modifiés
3.5. Test goutte-sessile
3.6. Analyse par réseau neuronal artificiel
3.7. Fabrication des anodes
3.7.1. Préparation de la matière première
3.7.2. Formation de l’anode
3.7.3. Caractérisation des échantillons d’anode
3.7.3.1. Préparation des échantillons
3.7.3.2. Mesure de la densité apparente (ASTM D5502-00)
3.7.3.3. Mesure de la résistivité électrique spécifique (ASTM D6120-97)
3.7.3.4. Test de flexion en trois points (ISO CD 12986)
3.7.3.5. Tests de réactivité à l’air et au CO2 (ASTM D6559-00a et D6558-00a)
3.8. Analyse des particules de cokes
Chapitre 4 Modification des propriétés du brai de goudron de houille utilisé dans la fabrication des anodes
4.1. Résumé
4.2. Introduction
4.3. Matériel et méthode
4.3.1. Matériel
4.3.2. Caractérisation des brais et des additifs chimiques
4.3.3. Modification du brai
4.3.4. Analyse FTIR des brais modifiés
4.3.5. Test goutte-sessile
4.4. Résultats et discussion
4.4.1. Analyse FTIR des brais
4.4.1.1. Brai 1 modifié avec l’additif 1
4.4.1.2. Brai 1 modifié avec l’additif 2
4.4.1.3. Brai 1 modifié avec l’additif 3
4.4.2. Analyses des tests de mouillabilité
4.5. Conclusions
4.6. Remerciements
Chapitre 5 Modification des propriétés du brai de goudron de houille utilisé dans la fabrication des anodes (Tests complémentaires)
5.1. Analyse FTIR
5.1.1. Analyse FTIR des cokes
5.1.2. Analyse FTIR des Brais 2, 3 et 4
5.2. Tests de mouillabilité (complément)
5.3. Analyse RNA
5.4. Sélection de l’additif chimique selon les matières premières
Chapitre 6 Étude de l’amélioration des propriétés des anodes par le brai modifié
6.1. Résumé
6.2. Introduction
6.3. Matériel et méthode
6.3.1. Matériel
6.3.2. Préparation des matières premières
6.3.3. Fabrication des anodes
6.3.4. Caractérisation des brais modifiés
6.3.5. Caractérisation des échantillons d’anodes
6.4. Résultats et discussion
6.4.1. Analyse FTIR des brais modifiés
6.4.2. Caractérisation des échantillons d’anodes
6.4.3. Impacts possibles de l’ajout des additifs
6.5. Conclusions
6.6. Remerciements
Chapitre 7 Conclusions et recommandations
7.1. Conclusions
7.2. Recommandations
