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

Résumé

The Hall–Héroult process remains the only industrially viable method for commercial primary aluminium production, despite ongoing efforts to decarbonise and improve its environmental performance. Aluminium reduction cells operate at elevated temperature with expensive cathode linings, whose performance and longevity are strongly influenced by start-up and early operational conditions. Preheating of aluminium reduction cells is a critical transitional phase during which the cathode temperature rises from ambient to cell operating temperature. This phase involves significant thermal, electrical, chemical, and mechanical changes. Thus, improper preheating can cause thermal shock, deformation, and reduced cathode life. Consequently, effective preheating is essential for stable early operation, extended cell lifetime, and enhanced smelter productivity. Modern smelters, particularly those using (semi- or fully-) graphitic or graphitised cathode blocks, increasingly adopt electrical preheating with a lying-bed due to its economic advantages. The lying-bed typically consists of a mixture of calcined petroleum coke and graphite (granular blends), and its thermal and electrical properties vary with temperature and applied pressure, making conventional trial-and-error optimisation challenging. In this work, the physical and electrical properties of the granular blends used in lying-bed were experimentally characterised. The physical properties were used to optimise the lying-bed configurations, while the electrical properties were fed into thermo-electrical simulations. The results demonstrate the influence of blend coke content on both physical and electrical behaviour, highlighting its critical role in optimising preheating process. These findings provide the foundation of practical guidelines for improved electrical preheating strategies and contribute to enhanced performance and longevity of modern aluminium reduction cells.

Malgré les efforts continus visant à décarboner le procédé et à améliorer sa performance environnementale, le procédé Hall–Héroult demeure la seule méthode industriellement viable pour la production commerciale d’aluminium primaire. Les cuves d’électrolyse de l’aluminium fonctionnent à haute température avec des revêtements cathodiques coûteux, dont la performance et la longévité dépendent fortement des conditions de démarrage et des premières phases de fonctionnement. Le préchauffage des cuves d’électrolyse de l’aluminium constitue une phase transitoire critique au cours duquel la température de la cathode augmente de la température ambiante à la température d’opération de la cuve. Cette phase implique des changements thermiques, électriques, chimiques et mécaniques importantes, et un préchauffage inadéquat peut provoquer des chocs thermiques ainsi que des gradients de déformation importants pouvant altérer la durée de vie de la cathode. Par conséquent, un préchauffage efficace est essentiel pour un fonctionnement stable des premières heures, une longévité prolongée de la cuve et une productivité accrue de l’aluminerie. Les alumineries modernes, en particulier cuves utilisant des blocs cathodiques semi-graphitiques ou graphitisés, adoptent de plus en plus le préchauffage électrique à l’aide d’un lit de préchauffage en raison de ses avantages économiques. Le lit de préchauffage est généralement constitué d’un mélange de coke de pétrole calciné et de graphite, dont les propriétés thermiques et électriques varient en fonction de la température et de la pression appliquée, rendant l’optimisation par essai-erreur conventionnel difficile. Dans ce travail, les propriétés physiques et électriques de différents mélanges de coke et graphite ont été caractérisées expérimentalement. Les propriétés physiques ont été utilisées pour optimiser les configurations du lit de préchauffage, tandis que les propriétés électriques ont servi à alimenter des simulations thermoélectriques. Les résultats montrent l’influence de la teneur en coke du mélange sur le comportement physique et électrique, soulignant son rôle crucial dans l’optimisation du préchauffage. Ces résultats fournissent une base pour des recommandations pratiques visant à améliorer les stratégies de préchauffage électrique et contribuent à la performance ainsi qu’à la longévité des cuves d’électrolyse modernes.