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

Détection de la fin de la compaction des anodes par le son

Sanogo Bazoumana. (2017). Détection de la fin de la compaction des anodes par le son. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

La production de l’aluminium primaire se fait dans une cuve d’électrolyse en utilisant des anodes en carbone, de l’alumine et du courant électrique comme principaux constituants de la réaction. La qualité des anodes affecte le produit final et peut engendrer des coûts de production supplémentaires. Par ailleurs, de mauvaises propriétés des anodes perturbent la stabilité du procédé d’électrolyse allant jusqu’au dysfonctionnement de la cuve. De ce fait, l’amélioration de la qualité des anodes constitue une préoccupation pour les industries d’aluminium qui sont sans cesse à la recherche de solutions meilleures par la mise en place des outils de contrôle de la qualité. C’est pourquoi leur mise en oeuvre requiert une bonne connaissance des matières premières, une maitrise des outils de production et surtout un paramétrage optimal des machines. Le temps de compaction fait partie des paramètres clés du vibrocompacteur qui influencent la mise en oeuvre des anodes en carbone. Un temps inadéquat est l’une des sources de mauvaises propriétés (basse densité, haute résistivité, etc.) et entraine les phénomènes de sous-compaction ou de sur-compaction, ce qui diminue le rendement de la réduction de l’alumine. L’objectif de ce projet était de développer un outil de contrôle en temps réel du temps de compaction en se servant du son généré par le vibrocompacteur pendant le formage des anodes crues. Ainsi, une application a été développée pour l’analyse des sons enregistrés. Des essais ont été réalisés avec différents microphones pour une meilleure qualité des mesures et un a été choisi pour la suite du projet. De même, différents tests ont été réalisés sur des anodes de laboratoire ainsi que des anodes à l’échelle industrielle afin de mettre en place une méthode pour la détection du temps optimal nécessaire au formage des anodes. Les travaux au laboratoire de carbone à l’Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) ont consisté à l’enregistrement de son des anodes fabriquées sur place avec différentes configurations; et à la caractérisation de certaines anodes de l'usine. Les anodes fabriquées au laboratoire sont reparties en deux groupes. Le premier regroupe les anodes pour la validation de notre méthode. Ce sont des anodes produites avec des temps de compaction différents. Le laboratoire de carbone à l’UQAC est unique et il est possible de produire des anodes avec les mêmes propriétés que celles des anodes industrielles. Par conséquent, la validation initialement prévue à l'usine a été effectuée avec les anodes de laboratoire. Le deuxième groupe a servi à étudier les effets des matières premières sur le temps de compaction. Le type de coke et le type de brai ont constitué les différentes variations dans ce deuxième groupe. Quant aux tests et mesures à l’usine, ils ont été réalisés en trois campagnes de mesure. La première campagne en juin 2014 a servi à standardiser et à trouver le meilleur positionnement des appareils pour les mesures, à régler le logiciel et à faire les premières mesures. Une deuxième campagne en mai 2015 a fait l’objet d’enregistrement de son en classant les anodes selon différents temps de compaction. La troisième et dernière campagne en décembre 2015 a été le lieu de tests finaux à l’usine en fabriquant des anodes avec différents critères (variation du temps de compaction, taux de brai, arrêt manuel du compacteur, variation de la pression des ballons du haut du compacteur). Ces anodes ont été ensuite analysées au laboratoire à l’UQAC. En parallèle à ces travaux précités, l’amélioration de l’application d’analyse du son a été faite avec le choix des paramètres d’analyse et leur standardisation. Les résultats des premiers tests au laboratoire et ceux de la campagne de juin 2014 ont montré que la formation des anodes se fait suivant trois étapes : réarrangement des particules et du brai, compaction et consolidation et enfin la finition. Ces travaux ont montré en outre que le temps de compaction joue un rôle très important dans la définition des propriétés finales des anodes. Ainsi, en plus du type de brai, du taux de brai et du type de coke, il faut tenir compte du temps de sur-compaction et de sous-compaction. En effet, ceci a été démontré à travers les deux validations qui ont été réalisées. Les validations ont montré que les anodes compactées au temps optimal ont le meilleur rapport BAD/GAD (rapport de la densité cuite par la densité crue) avec une faible perte de masse contrairement aux anodes sur-compactées. De plus, elles acquièrent de bonne résistivité électrique cuite. De leur côté, les anodes sous-compactées résultent des densités faibles et des résistivités électriques élevées. Ces résultats viennent en plus, de ce qui est mentionné dans la littérature concernant l'importance du temps de compaction, souligner la nécessité de déterminer le temps optimal de compaction. En outre, les résultats du laboratoire et de la campagne de mai 2015 montrent que le suivi du formage des anodes par le son donne un gain sur le temps de compaction des anodes. Ce qui représente un atout pour les industries. Par ailleurs, les améliorations apportées au logiciel ont permis des analyses en temps réel, le stockage des données et la visualisation des graphes de façon simultanée. Les résultats de la caractérisation des échantillons (venant des anodes de la campagne de décembre 2015) ont montré qu’une anode compactée à un temps optimal acquiert une bonne résistance à la compression et sa résistivité électrique baisse. En outre, on note que le temps de compaction dans notre cas a baissé légèrement avec l’augmentation de la pression des ballons de haut du vibrocompacteur. Ce qui a eu pour effet d’augmenter la densité crue de l’anode. Toutefois, il faut s’abstenir de généraliser ce constat car le nombre d’anodes testées est faible dans notre cas. Par ailleurs, cette étude montre que le temps nécessaire pour le formage d’une anode croit avec l’augmentation du taux de brai et baisse légèrement avec l’augmentation de la pression des ballons.

Primary aluminum production takes place in an electrolysis cell using carbon anodes, alumina and electric current as main constituents of the reaction. The quality of anodes is very important in the production process because it affects the final product quality and may increase the production costs. Furthermore, bad quality anodes disturb the stability of the electrolysis process and may cause the cell to dysfunction. Thereby, the improvement of anode quality has become a concern for aluminum industry. The industry is constantly looking for better solutions through the implementation of quality control tools. The green anode forming step is important because it affects the properties of anodes, hence, the rest of the production chain. Therefore, the fabrication of anodes requires a profound knowledge of raw materials, a good understanding of production tools, and above all, optimum operation parameters of each unit. The compaction time is one of the key parameters of the vibrocompactor that influence the carbon anodes formation. An improper compaction time is one of the sources of bad anode quality (low density, high electrical resistivity, poor mechanical properties, etc.) and causes either under-compaction or over-compaction. Both under-compaction and over-compaction decrease the yield of the reduction of alumina. The objective of this project was to develop a real-time monitoring tool for the compaction time by using the sound generated by the vibrocompactor during the forming of green anodes. Thus, an application has been developed for the analysis of data (recorded sounds). Tests have been carried out with different microphones for better quality measurements, and one was chosen to be used in the project. Similarly, different tests were carried out on laboratory anodes as well as anodes in industrial scale to establish a method for the detection of the optimal time required for forming the anodes. Experiments in the carbon laboratory at the University of Quebec at Chicoutimi (UQAC) consisted of recording the sound of vibrocompactor during anode formation under different configurations, and the characterization of some of these anodes. The anodes manufactured in the laboratory are divided into two groups. The first group included the anodes for the validation of the method developed. These are anodes produced with different compaction times. The carbon laboratory at UQAC is unique and it is possible to produce anodes with the same properties as those of industrial anodes. Therefore, the validation initially planned at the plant was carried out with the laboratory anodes. The second group was used to study the effects of raw materials on compaction time. The type of coke and the type of pitch constituted the different variations in this second group. Tests and measurements at the plant were carried out during three industrial measurement campaigns. The first campaign in June 2014 served to standardize and to find the best positioning of the devices for the measurements, to adjust the software and to make the first measurements. During the second campaign in May 2015, the sound of the vibrocompactor was recorded for the anodes produced using different compaction times. The third and last campaign in December 2015 was for final tests at the plant which were carried out during manufacturing anodes using different conditions (variation of the compaction time, pitch percentages, manual stop of the compactor, and variation of the pressure of the top balloons of the compactor). These anodes were then analyzed in the laboratory at UQAC. In parallel with these works, the sound analysis application was improved by adjusting the analysis parameters followed by their standardization. The results of the first laboratory tests and those of June 2014 campaign in the plant showed that the formation of the anodes goes through three stages: rearrangement of particles and pitch, compaction and consolidation, and completion. This work also showed that the compaction time plays a very important role in defining the final properties of anodes. Thus, in addition to the type of pitch, the percentage of pitch and the type of coke, the time of over-compaction and under-compaction must be taken into account. Indeed, this has been demonstrated with two validations that have been carried out. The results of validation tests showed that the anodes compacted at the optimum time had the best BAD / GAD (baked anode density divided by green anode density) ratio with a low mass loss in contrast to the over-compacted anodes. They also acquired good electrical resistivity. For their part, the under-compacted anodes resulted in low density and high electrical resistivity. In addition to what was mentioned in the literature; these results pointed out the necessity to determine the optimum compaction time. Moreover, the results of the laboratory tests and those of the campaign of May 2015 showed that the formation of the anodes using the sound method developed during this study shortened the compaction time of the anodes. This is an asset for the industries. In addition, the improved software allowed the real-time analysis and the storage of data simultaneously in addition to the visualization of graphs. The results of the characterization of the samples (coming from the anodes of the campaign of December 2015) showed that an anode compacted at an optimum time acquires good resistance to compression and its electrical resistivity decreases. Furthermore, it should be noted that the compaction time has decreased slightly with the increase in the pressure of the top balloons of the vibrocompactor for the cases studied. This also increased the green anode density. However, it is necessary to refrain from generalizing this observation because the number of industrial anodes investigated is low. Moreover, this study showed that the time required for the formation of an anode increases with the increase in pitch percentage and decreases slightly with the increase in balloon.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Avril 2017
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:167
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie électrique et génie électronique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie industriel
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Kocaefe, Duygu
Kocaefe, Yasar S.
Mots-clés:anode en carbone, compaction time, son, temps de compaction, temps optimal, vibrocompacteur, compaction,
Déposé le:08 juin 2017 08:22
Dernière modification:08 juin 2017 15:13
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