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

Résumé

Carbon anodes are essential in the electrolytic production of aluminum. Their quality significantly influences energy efficiency, production cost, and environmental emissions. The production process includes preparing a paste from calcined petroleum coke, recycled carbon materials, and coal tar pitch. This paste is then compacted into green anodes, cooled, and baked to 1150–1200 °C. During the compaction step, stresses are introduced in green anodes. These stresses are partially relieved during cooling, influencing the level of defect formation and anode behavior during baking.

In this study, pilot-scale green anodes weighing about 10 kg each were produced under controlled laboratory conditions. These anodes were then subjected to different cooling methods, including free and forced air (1.0 and 1.8 m/s), water bath at 20 °C, 30 °C, and 40 °C, water spray, and a combination cooling (air cooling followed by water cooling). Computed tomography (CT) scan was done before and after baking to monitor the development of cracks and porosity. Additionally, density, electrical resistivity, flexural strength, and air and CO2 reactivities were measured after baking to assess the effect of cooling conditions on anode quality.

A three-dimensional transient thermal model of the green anode cooling was developed and validated against laboratory measurements of temperature profiles under different scenarios. The model showed good agreement with experimental results, confirming its reliability for simulating and optimizing cooling strategies. The findings demonstrate that a combination cooling method, starting with air cooling followed by water immersion, resulted in the lowest level of defects and the best overall anode properties. Among the single-medium strategies, forced air at 1.8 m/s and water cooling at 30 °C were found to be the most effective. This study offers a comprehensive understanding of green anode cooling by combining experimental and modeling approaches. It proposes strategies to enhance anode quality and promote more sustainable aluminum production.

The validated mathematical model was applied to industrial anodes. The impact of different cooling methods on temperature distributions and cooling efficiency was determined.

Les anodes en carbone sont essentielles dans la production électrolytique de l’aluminium. Leur qualité influence de manière significative l’efficacité énergétique, les coûts de production et l’impact environnemental. Le procédé de fabrication comprend la préparation d’une pâte à partir de coke de pétrole calciné, de matériaux carbonés recyclés et de brai de goudron de houille. Cette pâte est ensuite compactée en anodes crues, refroidies, puis cuites à 1150–1200 °C. Lors de l’étape de compaction, des contraintes sont introduites dans les anodes crues. Ces contraintes sont partiellement relâchées durant le refroidissement, influençant la formation de défauts ainsi que le comportement de l’anode lors de la cuisson.

Dans cette étude, des anodes crues de type pilote, d’environ 10 kg chacune, ont été produites dans des conditions de laboratoire contrôlées. Ces anodes ont ensuite été soumises à différentes méthodes de refroidissement, incluant l’air libre et forcé (1,0 et 1,8 m/s), des bains d’eau à 20 °C, 30 °C et 40 °C, un arrosage par aspersion, ainsi qu’un refroidissement combiné (air suivi d’eau). Une tomographie par rayons X (CT-scan) a été réalisée avant et après cuisson afin de suivre l’évolution des fissures et de la porosité. De plus, la densité, la résistivité électrique, la résistance en flexion ainsi que les réactivités à l’air et au CO2 ont été mesurées après cuisson pour évaluer l’effet des conditions de refroidissement sur la qualité des anodes. Un modèle thermique tridimensionnel transitoire de l’étape de refroidissement des anodes crues a été développé et validé par comparaison avec les mesures expérimentales de profils de température sous différents scénarios. Le modèle a montré une bonne concordance avec les résultats expérimentaux, confirmant sa fiabilité pour la simulation et l’optimisation des stratégies de refroidissement. Les résultats démontrent qu’une méthode de refroidissement combinée, commençant par un refroidissement à l’air suivi d’une immersion dans l’eau, a conduit au plus faible niveau de défauts et aux meilleures propriétés globales des anodes. Parmi les stratégies utilisant un seul fluide, l’air forcé à 1,8 m/s et le refroidissement à l’eau à 30 °C se sont révélés les plus efficaces. Cette étude offre une compréhension approfondie du refroidissement des anodes crues, intégrant des approches expérimentales et la modélisation mathématique, et propose des stratégies optimisées pour améliorer la qualité des anodes et promouvoir une production d’aluminium plus durable.

Le modèle mathématique validé a été appliqué à des anodes industrielles. L'influence de différentes méthodes de refroidissement sur la distribution des températures et l'efficacité du refroidissement a été déterminée.