Propriétés de l’alumine injectée

Propriétés de l’alumine injectée

MONTAGE EXPÉRIMENTAL:

Le montage sera utilisé tout au long du projet global échelonné sur un estimé de 5 ans et portant sur l’étude de la dissolution de l’alumine et du comportement de la gelée dans les cuves d’électrolyse de l’aluminium en collaboration avec Rio Tinto Alcan. Il est conçu et pensé de façon à permettre son utilisation par les différents projets qui y prendront part. L’objectif principal de ce montage est d’observer l’endroit, appelé ici zone d’expérimentation, où se produit l’injection d’alumine dans une cuve industrielle. Cette zone d’expérimentation se trouve sur la ligne médiane entre les anodes (figure 3-1). Le montage doit être en mesure de reproduire l’injection de la poudre d’alumine, son contact avec la cryolithe liquide et son cheminement à l’intérieur du bain jusqu’au moment où elle est complètement dissoute.

Plusieurs contraintes ont initialement été définies afin de faire les choix de design appropriés pour le montage. Premièrement, le potentiel de dissolution avant l’atteinte de la concentration de saturation en alumine du bain devait permettre plusieurs tests consécutifs sans avoir besoin de renouveler celui-ci. Un volume de 60 litres a initialement été choisi à cette fin. Cependant, avec les modifications du creuset au cours du projet (section 3.2), cette quantité a été réduite à 52 litres. Une autre contrainte a été la géométrie du montage. L’option d’un montage à base carrée a été la solution la plus simple pour installer les vitres nécessaires à la visualisation.

Le suivi de la concentration d’alumine a été un enjeu principal du projet. Les méthodes retenues sont par prise d’échantillons de bain et par méthode électrochimique. Afin d’effectuer une prise d’échantillons qui permet un suivi de la concentration d’alumine dans le bain, les mesures doivent être prise précisément toujours au même endroit et à intervalle de temps régulier. C’est pourquoi l’option d’un échantillonneur automatisé a été retenue. Sa conception est décrite à la section 3.9. Le choix de la méthode électrochimique sera quant à elle expliquée au chapitre 5.

Il est à noter que plusieurs composantes du montage ont subit des modifications pendant la durée du projet. Ce chapitre décrit uniquement les modifications majeures, principalement celles qui ont eu lieu suite à la première expérience datée du 17 novembre 2011.

Étude de dégradation des matériaux

Le quartz et le graphite sont utilisés pour contenir la cryolithe. Ces matériaux se dégradent lorsqu’ils sont en contact avec la cryolithe liquide, cependant cela se produit moins rapidement comparativement à l’acier ou aux verres à base de silice. Bien que, comme mentionné précédemment, plusieurs montages expérimentaux ont validés l’utilisation du graphite et du quartz, un montage à petite échelle fut réalisé pour faire la compatibilité des matériaux afin d’avoir la certitude quant à l’utilisation de ces matériaux pour le montage principal. Le dispositif réalisé pour les essais permet de contenir et de maintenir en température environ 250ml de cryolithe liquide. Il est composé d’un moule en graphite taillé dans un bloc d’anode placé entre deux plaques d’éléments chauffants d’environ 750 Watts chacune. La température est mesurée par un thermocouple placé à mi-chemin dans la section inférieure du graphite. Le moule est séparé en trois sections de manière à coincer des fenêtres de quartz. L’étanchéité est assurée par la pression du graphite sur le quartz (figure 3-2). Des briques isolantes, de la laine et un châssis d’acier µ forment respectivement l’isolation et la structure derrière les éléments chauffants.

Le montage est conçu également pour réaliser les tests de transparence de la cryolithe liquide. Le graphite est machiné de façon à créer une rainure centrale dans lequel les fenêtres de quartz sont insérées. À l’avant et à l’arrière du montage ont été installées respectivement une caméra vidéo et une lumière à forte intensité. Un papier glacé a été placé devant la source de lumière pour produire une lumière diffuse. La cryolithe, à laquelle une petite quantité d’alumine a été ajoutée afin de diminuer le point de fusion, est chauffée dans un four et transvidée par la suite à l’intérieur du montage à une température de 1000°C pour ne pas endommager les fenêtres pendant le chauffage. Les  dimensions de la zone centrale où la cryolithe est versée est de 50.8 x 50.8 x 41.3mm. Vu le prix important du quartz, des retailles en quartz ont été récupérées en guise de fenêtres. Ces fenêtres sont faites du même quartz que les fenêtres qui seront utilisées sur le montage expérimental principal décrit ultérieurement dans ce chapitre.

Creuse

Un creuset de grande dimension est utilisé pour contenir la cryolithe. Il est composé de graphite à haute densité en raison de ses propriétés remarquables pour résister à de hautes températures et à l’attaque corrosive de la cryolithe. Sa géométrie est carrée de façon à faciliter l’ajout de fenêtres sur deux de ses côtés adjacents. Les coins intérieurs sont arrondis pour des raisons de résistance mécanique et pour minimiser les zones mortes lors du brassage du bain. Les fenêtres sont composées de quartz. Le quartz, en plus d’être beaucoup plus résistant à la corrosion que des fenêtres de vitres ordinaires, possède un indice de réfraction très près de la cryolithe en phase liquide ce qui réduit l’effet de la dégradation des fenêtres sur la visibilité au travers du bain. C’est un matériau qui a fait ses preuves à de nombreuses reprises dans le cadre d’expérimentations sur la visualisation du bain électrolytique comme démontré dans la section 2.3. La difficulté majeure a été de trouver la meilleure stratégie pour faire tenir les fenêtres de manière efficace et pour qu’elles puissent être remplacées plusieurs fois par creuset, la raison étant qu’elles se détériorent plus rapidement que le graphite. La première hypothèse a été de les coincer dans une glissière intégrée au creuset de graphite. L’étanchéité était assurée par des calles qui appliquaient une force suffisante pour écraser la face interne des fenêtres avec la surface du graphite. Deux épaisseurs de fenêtre distancées de quelques centimètres ont été conçues de chaque côté du creuset par précaution d’un bris ou d’une corrosion trop rapide entraînant le déversement du bain.

Suite aux premières expérimentations et à la destruction du premier creuset (voir section 3.11), un design amélioré de creuset a été réalisé. Le volume total de cryolithe a été réduit comparativement au premier creuset. La réduction du volume de cryolithe a été jugée d’impact négligeable sur la reproduction du procédé industriel. Ce changement a eu pour conséquence d’abaisser la hauteur des fenêtres relativement au creuset et de remplacer la méthode des fenêtres avec glissières par une fenêtre unique encastré. L’encastrement est réalisé par le biais d’une entretoise et d’un cadre de graphite. La raison est que le principe de glissière s’est avéré problématique lorsque qu’il était temps de retirer les fenêtres à froid pour conserver le creuset. Laµ cryolithe solidifiée jouait le rôle d’un scellant empêchant les fenêtres de se retirer. De plus, les premières expérimentations ont démontrés qu’une deuxième épaisseur de fenêtres de quartz était superflue à la visibilité au travers du bain. Une fois le creuset à l’intérieur du four, la distance entre sa surface supérieure et le couvercle du four n’est que de quelques centimètres. Ceci permet d’insérer un matériau isolant sur tout le pourtour du creuset, empêchant les vapeurs de circuler dans les autres sections du four. Ces vapeurs corrosives composées entre autre d’HF s’attaquent aux vitres de quartz et sont extrêmement néfastes pour la visibilité comme il a pu être constaté lors des expérimentations.

Deux anneaux de levage ont été installés sur le creuset pour qu’il puisse être manipulé. Ceux-ci sont vissés sur la partie supérieure. La contrainte exercée dans le graphite a été calculée pour ne pas entraîner la destruction du creuset lors du levage.

Mesures de sécurité

Chemise d’Inconel
Une chemise en Inconel 600 recouvre le creuset pour le protéger contre les chocs et les contraintes mécaniques lors des manipulations. Elle est également conçue pour protéger le four contre tout déversement de bain liquide. En cas de cassure ou de détérioration importante du creuset causant une fuite, la protection d’Inconel agit comme un récipient où l’excédent de bain solidifiera sans aucun contact avec le four. L’Inconel est un matériau utilisé dans le montage en raison de ses excellentes propriétés mécaniques à haute température ainsi que sa résistance à la corrosion. Même soumise à des températures avoisinant les 1000°C, la chemise d’Inconel n’a subie aucune déformation permanente.

Sa résistance mécanique lui permet de soulever le creuset et son contenu lorsqu’il est positionné à l’intérieur. Elle est également munie de deux emplacements pour accueillir des fenêtres de quartz. Lorsque ces dernières sont en place, la chemise d’Inconel procure une zone hermétique (à l’exception du dessus) autour du creuset. Sa conception a été effectuée dans le cadre de ce projet.

Environnement inerte
Le graphite s’oxyde à haute température, c’est pourquoi un environnement inerte (sans oxygène) est maintenu autour du creuset par un apport d’argon en continu. Le tube d’alimentation descend à l’intérieur de la chemise d’Inconel et forme une jonction en « T » à la base pour couvrir tout le périmètre du creuset. À cet endroit, des trous d’un millimètre de diamètre couvrent toute la longueur du tube afin d’injecter un rideau de gaz. Cette injection d’argon joue un deuxième rôle, celui également de maintenir une pression positive dans le four pour ainsi évacuer les vapeurs de fluor qui se dégagent de la cryolithe fondue. Lorsqu’en contact avec de la vapeur d’eau, le fluor tend à former du fluorure d’hydrogène (HF), qui est un composé toxique et extrêmement corrosif. Le débit et la longueur de la tige d’alimentation à l’intérieur du four sont prévu pour permettre le préchauffage de façon à ce que l’argon soit tout près de la température d’opération du four lorsque celui-ci s’échappe.

Manipulation de matériaux en fusion
Le laboratoire doit répondre aux exigences en matière de réglementation de manipulation de matériaux en fusion, c’est-à-dire, posséder un plancher de briques résistantes à hautes température sur une surface d’un mètre carré autour du four. Ces briques offrent également une résistance supérieure à l’attaque corrosive de la cryolithe. Elles servent principalement de protection contre les éclaboussures et les déversements mineurs de matériaux en fusion, par exemple lors de la vidange du creuset à chaud à la louche. Une méthode approprié de travail a été rédigée afin de s’assurer de prendre en considération toutes les étapes à suivre lors de la préparation et de la réalisation d’une expérience de façon à prendre conscience de tous dangers potentiels.

Pour les déversements majeurs, c’est-à-dire de plusieurs litres, un lit de poudre d’alumine est placé sous le four. Ce scénario est uniquement possible en cas de détérioration du creuset et de la protection d’Inconel laissant écouler la cryolithe liquide dans le four. La présence d’un trou au centre du fond du four entraînera le bain en fusion directement dans le bac, où il sera éventuellement solidifié. Afin de minimiser les pertes de chaleurs à l’intérieur du four, le trou est scellé par un bouchon qui en contact avec le bain fondera.

Équipement de protection individuelle
Chaque personne prenant part aux expériences à haute température dispose d’équipements de protection individuelle. Ceci comprend casque avec visière, lunette, masque avec cartouches certifiées, chandail et pantalon en laine gabardine, gants doublés à manche longue ainsi que des bottes ou souliers de sécurité. Pour les personnes qui s’occupent des manipulations près du montage, un habit à revêtement aluminisé comprenant manteau long et protection des jambes est nécessaire.

Dispositif de protection des fenêtres

La cryolithe prend plusieurs heures à atteindre une température uniforme lors d’une expérience. Sans barrière de protection empêchant le liquide d’entrer en contact avec les fenêtres de quartz, la visibilité de ces dernières serait grandement réduite et il y aurait danger de fuite après quelques heures. C’est pourquoi un dispositif de protection des fenêtres a été construit. Il est utilisé pendant toute la période de chauffage et retiré lors de la visualisation.

Chauffage des fenêtres

La nécessité d’avoir des fenêtres pour l’observation sur plusieurs parties du montage génère des zones plus froides lors de la mise en fonction du four. L’absence d’éléments chauffants à ces endroits, couplé à une radiation des composantes internes du four vers l’extérieur par les fenêtres donne lieu à un problème important lors des expériences. La première expérience décrite à la section 3.11 explique d’avantage ce problème. Afin de contrer cet effet néfaste, un chauffage d’appoint autour des différents niveaux de fenêtres a été installé. Les éléments chauffants, de types Kanthal Al, sont encastrés à l’intérieur de deux cadres de céramique réfractaire.

CONCLUSION:

L’objectif principal de ce mémoire est d’améliorer la compréhension de la première phase d’injection d’alumine dans le bain électrolytique. C’est-à-dire donner les outils nécessaires à la réalisation d’études plus poussées et éventuellement à l’analyse de la dissolution de l’alumine qui pourra comprendre la modélisation et la simulation du problème ainsi que son optimisation. Ceci est réalisé grâce à un montage expérimental complexe et d’importante dimension permettant l’étude de l’injection et la dissolution de l’alumine à une échelle industrielle mais sous des conditions de laboratoire où les détails peuvent être suivis quantitativement et visuellement. Son design unique permet la fonte à plus de 1000°C de 110kg de cryolithe. La visualisation d’une telle quantité de cryolithe et son interaction avec l’alumine injectée est, à elle seule, une percée significative dans le domaine. À cela s’ajoute la possibilité de suivre la concentration de l’alumine par la combinaison de deux différentes méthodes.

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 
1.1. Mise en contexte
1.2. Objectif
1.3. Méthodologie
CHAPITRE 2 DESCRIPTION DE LA PROBLÉMATIQUE 
2.1. Propriétés de l’alumine injectée
2.1.1. Spécifications de l’alumine
2.1.2. Phases de l’alumine
2.1.3. Alumines primaire et secondaire
2.2. Comportement de l’alumine injectée
2.2.1. Formation de gelée
2.2.2. Radeau
2.2.3. Formation d’amas « sludging »
2.2.4. Frittage
2.2.5. Dépôt de boue
2.3. Montages réalisés antérieurement
CHAPITRE 3 MONTAGE EXPÉRIMENTAL 
3.1. Étude de dégradation des matériaux
3.2. Creuset
3.3. Four
3.4. Mesures de sécurité
3.4.1. Chemise d’Inconel
3.4.2. Environnement inerte
3.4.3. Manipulation de matériaux en fusion
3.4.4. Équipement de protection individuelle
3.5. Dispositif de protection des fenêtres
3.6. Chauffage des fenêtres
3.7. Manutention
3.8. Système d’injection de l’alumine
3.9. Système d’échantillonnage
3.10. Contrôle et synchronisation des différents appareils
3.11. Expériences
3.11.1. Expérience 1 (17/11/2011)
3.11.2. Expérience 2 (12/04/2012)
CHAPITRE 4 CALCULS THERMIQUES 
4.1. Calcul thermique du four
4.1.1. Régime établi
4.1.2. Régime transitoire
4.2. Étude du refroidissement de l’échantillon
4.3. Analyse de la dynamique du transfert de chaleur dans le récipient de cuivre
CHAPITRE 5 TECHNIQUES DE MESURE DE LA CONCENTRATION D’ALUMINE
5.1. Méthodes basées sur la chimie analytique
5.1.1. Les électrodes indicatrices
5.1.2. Les électrodes de références
5.1.3. Montage à trois électrodes
5.2. Mesure à potentiel contrôlé variable ;
5.2.1. Voltamétrie à balayage linéaire
5.2.2. Voltamétrie cyclique
5.2.3. Chronoampérométrie
5.3. Application à la cryolithe liquide
5.3.1. Utilisation de l’effet anodique !.
5.3.2. Électrodes……
5.3.3. Procédures pour quantifier la concentration d’alumine
CHAPITRE 6 CONCLUSION

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