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Étude expérimentale du comportement thermo-chimio-mécanique des anodes de carbone en phase de cuisson

Kallel Walid. (2018). Étude expérimentale du comportement thermo-chimio-mécanique des anodes de carbone en phase de cuisson. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Les anodes de carbone sont des composantes de toute première importance pour l’industrie de l’aluminium et ce, en raison de leur rôle critique dans la production du métal de première fusion. Toutefois, leur coût de fabrication représente une part considérable du coût total de la production de l’aluminium. Par conséquent, l’amélioration en continue de la qualité de ces anodes, qui constitue une préoccupation majeure pour l’industrie tout en présentant des défis de taille pour les ingénieurs et les scientifiques, s’avère primordiale pour la réduction des coûts et l’augmentation de la productivité, ainsi que pour la consommation du carbone et par conséquence, l’émission des gaz à effet de serre. La fabrication des anodes de carbone passe par la production d’une pâte de carbone qui est ensuite mise en forme afin d’obtenir une anode crue (verte), et qui est ensuite cuite selon des spécifications particulières. Ladite étape de cuisson est considérée comme étant la phase la plus longue et la plus coûteuse du cycle de fabrication des anodes de carbone. De plus, une anode de bonne qualité est caractérisée par une faible résistivité électrique, une résistance mécanique élevée à la génération et à la propagation des fissures ainsi que par une faible réactivité. Afin d’obtenir des anodes rencontrant ces exigences, une bonne compréhension de l’évolution de leurs propriétés thermo-chimio-mécaniques durant ladite phase de cuisson demeure cruciale. Cependant, les approches traditionnelles de caractérisation en phase de cuisson ne sont toujours pas bien adaptées pour représenter le comportement à un niveau de cuisson donné et ce, en raison de l’évolution en continue des réactions chimiques. Dans le cadre de ce projet, une approche innovante est proposée afin d’obtenir une évolution cohérente des propriétés mécaniques (élasticité, fluage, résistance) et ce, par l’identification d’une température critique pour la réalisation des essais. Cette température a été identifiée suite à des essais de thermogravimétrie sur des échantillons cuits à différentes températures, afin de préciser le niveau de réactivité desdits échantillons. Les essais ont initialement été réalisés à l’aide du système Gleeble® et par la suite, à l’aide d’un montage de compression uniaxiale réalisé sur une presse CRIMS® et ce, afin d’obtenir une meilleure précision de mesures pour certains niveaux de cuisson et de pouvoir réaliser les essais de fluage/recouvrance. Les échantillons, obtenus d’anodes vertes en provenance d’Aluminerie Alouette Inc. (AAI), ont également été soumis à des essais de dilatométrie libre et ce, afin de caractériser les différents mécanismes de déformation en présence. Finalement, des essais triaxiaux à température ambiante, jumelés à une procédure de correction ont été réalisés afin de caractériser l’évolution de l’enveloppe de rupture en fonction du niveau de cuisson. Ladite procédure de correction, consiste à appliquer le rapport de résistance à chaud versus à l’ambiant obtenu des essais uni-axiaux sur les résistances obtenues de l’essai triaxial pour un niveau de cuisson donné. Certains éléments proposés dans le cadre de ce mémoire revêtent un caractère original, et les résultats obtenus sont parfaitement cohérents avec l’évolution des caractéristiques chimiques du matériau constituant l’anode de carbone.

Carbon anodes are important for the aluminum industry due to their critical role in the production of this primary metal. However, their manufacturing cost accounts for a considerable portion of the total cost of aluminum production. Therefore, continuous improvement of anode quality, which is a major concern for the industry, poses significant challenges for engineers and scientists. This is essential to reduce the cost and increase the productivity, also on carbon consumption, consequently, on emission of greenhouse gases. The carbon anodes are made from a carbon paste, which is compacted to obtain green anodes. Later, green anodes are baked under predetermined conditions. Baking phase is considered to be the longest and the most expensive phase of the carbon anode manufacturing process. In addition, a good quality anode is characterized by low electrical resistivity, high mechanical resistance to the propagation and generation of cracks, and low reactivity. In order to produce anodes with such requirements, a good understanding of the evolution of their thermo-chemo-mechanical properties during the baking phase remains crucial. However, the traditional characterization approaches are still not well adapted to represent the behavior of anodes during baking at intermediate levels because of the continuous evolution of chemical reactions. As part of this project, an innovative approach is proposed to obtain a coherent evolution of the mechanical properties (elasticity, creep, and resistance) by identifying a critical temperature at which the characterization tests should be carried out. This temperature was identified by carrying out thermogravimetric tests, during which the anode samples were baked up to different temperatures in order to specify the level of chemical reactions that took place in these samples. These tests were carried out using the Gleeble® system and subsequently, installing an attachment on a CRIMS® press. This was carried out to obtain a better precision of the baking level and to be able to perform creep/recovery tests. The samples, obtained from green anodes of Aluminerie Alouette Inc. (AAI), were also subjected to free dilatometry tests in order to characterize the various deformation mechanisms. Finally, triaxial tests, coupled with a correction procedure, were carried out at room temperature to characterize the evolution of the rupture envelope as a function of the baking level. The correction procedure consists of applying the ratio of thermal resistance obtained at a given temperature from the uniaxial tests to that obtained at ambient temperature from the triaxial test for a given baking level. The proposed approaches within the context of this thesis present an original character, and the results obtained are perfectly consistent with the evolution of the chemical characteristics of the material constituting the carbon anode.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Avril 2018
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:158
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie civil
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
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):Marceau, Daniel
Kocaefe, Duygu
Mots-clés:anode de carbone, comportement thermo-chimio-mécanique, cuisson des anodes, fluage/recouvrance, propriétés mécaniques, test thermo-mécanique, carbon anodes, baking process, mechanical properties, high temperature mechanical property testing, failure criteria of carbon anodes, creep/recovery, thermo-chemo-mechanical behavior, uniaxial compression test, triaxial compression test
Déposé le:01 août 2018 09:24
Dernière modification:15 août 2018 18:24
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