Processus de fabrication des anodes

Plusieurs éléments interviennent durant la fabrication des anodes au niveau de la tour à pâte. Les matières premières se retrouvent au premier niveau de ce procédé. Par la suite c’est le processus de malaxage où la pâte d’anode est formée avant de passer au processus de vibro-compaction.

Matières premières

Plusieurs travaux sont publiés sur les matières premières utilisées durant la fabrication des anodes que ce soit sur le coke ou sur le brai [38, 39, 40] afin d’améliorer la qualité des anodes produites. Les variations dans les propriétés des matières premières sont l’un des nombreux critères qui permettent l’obtention d’anodes de qualité. Azari et al. [41] ont travaillé sur l’optimisation des matières premières et du procédé de fabrication des anodes. Cette étude a permis de préciser les indices influant sur la qualité des anodes. Un test de compression a permis de mesurer la compactibilité de la pâte d’anode. Les résultats obtenus ont démontré la variation de la résistance à la compression avec la variation du type de coke utilisé. Haifei et al. [42] ont amélioré la densité des anodes cuites de 1,58 à 1,60 g/cm³ en travaillant sur la composition des produits broyés (ball mill product). Plusieurs recherches sont aussi publiées sur l’optimisation du processus dynamique de la tour à pâte . Bühler et al. [49] ont amélioré la densité apparente ainsi que la perméabilité à l’aire des anodes cuites en diminuant le pourcentage de brai de 15 % à 13% en opérant avec des électrodes pilotes de pâte d’anode. Vaillancourt et al. ont travaillé sur un système d’inspection des d’anodes en utilisant un logiciel de classification automatique. Ils ont développé six familles de défauts. Ce qui a permis de mieux classifier l’origine des défauts des mégots d’anodes.

Malaxage

Par la suite, vient le processus de malaxage qui est une étape assez importante durant la fabrication des anodes. Le temps de malaxage, la vitesse de malaxage ainsi que la température de malaxage sont des paramètres très déterminants. Plusieurs travaux sont effectués à ce niveau parmi eux, le groupe industriel Aluminium Pechiney qui a apporté des modifications afin d’optimiser les températures de malaxage et de vibro-compaction (températures élevées) de la pâte d’anode. Azari et al. ont travaillé sur la caractérisation des anodes crues par analyse tomographique aux rayons X. Les résultats des essais en laboratoire montrent moins de variation des propriétés si la pâte est mixée à une température de 178 °C pour 10 minutes.

Pâte

Une fois que le procédé de malaxage est achevé, une pâte d’anode avec un comportement assez spécial est obtenue. Lorsque cette dernière est chauffée pour des températures allant de 150 à 180 °C, elle a un comportement viscoplastique. En effet, à chaud, c’est possible de la prendre dans la main et de la presser, le résultat sera une poignée de pâte d’anode ayant la forme de l’intérieur de la main. Cependant, lorsqu’elle devient froide, elle devient friable et non malléable. Sur ce, récemment plusieurs études portent sur la caractérisation des propriétés de la pâte d’anode à chaud. Chaouki et al. [59] ont travaillé sur la simulation de la compaction de la pâte d’anode en utilisant une loi de comportement non linéaire viscoplastique. Cette loi permet de prédire le comportement mécanique de la pâte durant la compaction. Les résultats obtenus montrent que la simulation suit bien les tests expérimentaux effectués dans un moule sous pression.

Afin de pouvoir identifier une loi du comportement mécanique de la pâte d’anode, Thibodeau et al. [60] ont établi une méthode de caractérisation des propriétés mécaniques de cette pâte d’anode à chaud en laboratoire. Les résultats des tests de compaction dans un moule flexible en laboratoire de la pâte d’anode ont montré qu’après 75 secondes d’essai, les contraintes axiales et tangentielles deviennent soumises à de fortes augmentations. Le modèle viscoplastique développé semble être en mesure de prédire avec précision le comportement mécanique de la pâte. D’autres études faites par Thibodeau et al. [61] ont montré que lorsque la pâte atteint un certain niveau de compression, un squelette semirigide se forme et engendre ainsi une augmentation de la force axiale. Avant d’atteindre ce niveau de compaction, la force axiale appliquée est principalement dissipée par la déformation permanente de la pâte. C’est pour cette raison que les contraintes axiales et tangentielles augmentent à ce niveau. Gauthier et al. [62] ont fait une caractérisation des propriétés de la pâte d’anode en laboratoire par analyse d’images. Azari et al. [63, 64] ont étudié l’influence des caractéristiques ainsi que le facteur de forme du coke sur la compaction de la pâte d’anode.

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Table des matières

CHAPITRE 1
INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1. Introduction
1.2. Problématique
1.3. Objectifs
1.4. Méthodologie
1.5. Contenu de la thèse
1.6. Conclusions
CHAPITRE 2
REVUE DE LITTÉRATURE
2.1. Introduction
2.2. Processus de fabrication des anodes
2.2.1. Matières premières
2.2.2. Malaxage
2.2.3. Pâte
2.3. Procédé de vibro-compaction
2.3.1. Vibro-compacteurs et mécanismes de fonctionnement
2.3.2. Effets des paramètres de vibro-compaction
2.3.3. Modèle dynamique du vibro-compacteur
2.4. Normes standard et caractérisations mécaniques
2.4.1. Tests mécaniques
2.4.2. Caractérisation mécanique des anodes et de la cathode
2.5. Conclusions
CHAPITRE 3
ÉTUDE VIBRATOIRE ET CARACTÉRISATION DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES: ANODES INDUSTRIELLES
3.1. Introduction
3.2. Méthodologie et procédure des essais
3.2.1. Campagne de 2011
3.2.2. Campagne de 2012
3.2.3. Test de flexion à trois points [ISO 12986-1 : 2000]
3.2.4. Test de compression uniaxiale [ASTM C695-91 : 2005 et ISO 18515:2007 (E)]
3.2.5. Mesure de la densité apparente [ASTM D5502-00]
3.2.6. Mesure de la résistivité électrique [ASTM D6120-97]
3.2.7. Mesures vibratoires : Vibro-compacteurs industriels
3.3. Résultats et discussions
3.3.1. Variation des propriétés selon les trois axes-Campagne 2011
3.3.2. Comparaison selon les positions haut et bas de l’anode-Campagne 2012
3.3.3. Comparaison selon les temps de vibration T1 et T2-Campagne 2012
3.3.4. Variation des accélérations-Campagne 2012
3.3.5. Comparaison des accélérations des quatre coins de la table-Campagne 2012
3.3.6. Corrélation entre les différentes propriétés-Campagne 2012
3.4. Conclusions
CHAPITRE 4
CONCEPTION ET CALIBRATION D’UN VIBRO-COMPACTEUR DE LABORATOIRE
4.1. Introduction
4.2. Comparaison entre vibro-compacteur industriel et celui du laboratoire.
4.3. Calibration du vibro-compacteur
4.3.1. Calibration du système de charge
4.3.2. Calibration de la vitesse de vibration
4.3.3. Équipements et procédures de mesures vibratoires
4.4. Cartographie de la table de vibration
4.5. Variation des paramètres de vibro-compaction à vide
4.6. Comparaison entre les accélérations expérimentales et analytiques
4.7. Conclusions
CHAPITRE 5
ÉTUDE VIBRATOIRE ET CARACTÉRISATION DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES: ANODES UQAC
5.1. Introduction
5.2. Méthodologie et procédure des essais
5.2.1. Calibration du vibro-compacteur avec anodes
5.2.2. Procédures de fabrication des anodes en laboratoire
5.2.3. Plan de fabrication des anodes en laboratoire
5.2.4. Procédures de caractérisation des anodes du laboratoire
5.3. Résultats et discussions
5.3.1. Variation du déplacement-Excitation externe
5.3.2. Variation de la vitesse de vibration
5.3.3. Variation du temps de vibration
5.3.4. Variation de la charge morte
5.3.5. Variation de la pression de charge
5.4. Comparaison des tendances (laboratoire-industrie)
5.4.1. Pression de charge
5.4.2. Temps de vibration
5.4.3. Résumé de l’impact des paramètres de vibro-compaction sur la qualité des
anodes
5.5. Application au niveau industriel
CONCLUSION