Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

L’industrie de l’aluminium fait aujourd’hui l’objet d’une compétition internationale féroce obligeant les producteurs d’aluminium de première fusion à améliorer l’efficacité et la longévité des cuves d’électrolyse. En ce sens, la sélection ainsi que la qualité des matériaux composant ladite cuve deviennent donc des facteurs de toute première importance. La pâte monolithique, qui entre dans la préparation du plan cathodique des cuves, est un matériau qui est mis en place dans les joints par vibro-compaction et ce, afin d’assurer son scellement. Il s’agit là d’un matériau thermoréactif fort complexe dont les propriétés évoluent selon le niveau de cuisson. Le but du présent projet est donc de proposer une loi de comportement thermo-chimio-mécanique (TCM) pour la pâte monolithique et assurer son implémentation dans le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS®. Pour ce faire, un modèle de comportement a été choisi à partir des lois existantes dans la littérature. Celui-ci est dépendant de la pression hydrostatique et possède un mécanisme d’écrouissage et d’adoucissement en plus de prendre en compte l’effet de cuisson du matériau. Une validation de l’approche a été menée en comparant les résultats numériques obtenus avec l’outil FESh++, outil possédant une loi de comportement TCM pour les matériaux à base de carbone considérée comme une des plus représentatives à ce jour. Finalement, une validation du banc d’essai thermomécanique BERTA (Banc d’essai de résistance thermomécanique ALCAN) a été effectuée dans l’optique de son utilisation pour la validation expérimentale de la loi de comportement sur un montage à plus grande échelle. Il a cependant été conclu que le banc d’essai BERTA ne possède actuellement pas la capacité de suivre efficacement le comportement déformationnel d’un matériau tel que celui à l’étude. Au terme de ce projet, l’outil prédictif développé aura permis d’assurer une meilleure compréhension du comportement des cuves d’électrolyses lors de leur mise en service, et ce, via la simulation réaliste de l’effet de la cuisson de la pâte monolithique sur son comportement durant cette période critique.

Aluminum industry is in a fierce international competition requiring the constant improvement of the electrolysis cell effectiveness and longevity. The selection of the cell’s materials components becomes an important factor to increase the cell’s life. The ramming paste, used to seal the cathode lining, is compacted in the joints between the cathode and the side wall of the cell. It is a complex thermo-chemo-reactive material whose proprieties change with the evolution of his baking level. Therefore, the objective of this project is to propose a thermo-chemo-mechanical constitutive law for the ramming paste and implement it in the finite element software ANSYS®. A constitutive model was first chosen from the available literature on the subject. It is a pressure dependent model that uses hardening, softening and baking mechanisms in its definition to mimic the behavior of carbon-based materials. Subsequently, the numerical tool was validated using the finite element toolbox FESh++, which contains the most representative carbon-based thermo-chimio-mechanical material constitutive law at this time. Finally, a validation of the experimental setup BERTA (Banc d’essai de résistance thermomécanique ALCAN) was made in prevision of a larger scale experimental validation of the constitutive law in a near future. However, the analysis of the results shows that BERTA is not suited to adequately measure the mechanical deformation of such kind of material. Following this project, the numerical tool will be used in numerical simulation to introduce the various effects of the baking of the ramming paste during the cell startup. This new tool will help the industrial partner to enhance the understanding of Hall-Héroult cell start-up and optimize this critical step.