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

Résumé

La résistance électrique de l’ensemble cathodique des cellules d’électrolyse représente près de 8% de la tension de fonctionnement (4,2V) d’une cellule opérant à près de 400 kA et ce, principalement en raison de la résistance de contact électrique (RCE) à l’interface fonte/carbone. Dépendante de la température et de la pression de contact à cette interface, la RCE dépend indirectement de l’espace d’air initial généré à cette même interface lors du scellement de la cathode. Lors du fonctionnement de la cellule d’électrolyse, les différents mécanismes de déformation en présence dans l’assemblage cathodique font évoluer cet espace d’air et par le fait même, les conditions de contact. Outre l’évolution des déformations instantanée apparaissant lors de la montée en température de l’assemblage cathodique, des déformations en fluage apparaissent dans l’acier de la barre collectrice ainsi que dans la fonte de scellement et progressent tout au long de la vie de la cellule. Ces déformations différées provoquent une réduction des pressions de contact audit interface et par le fait même, une augmentation de la RCE.

Dans ce contexte, cette thèse vise notamment à fournir une meilleure compréhension de l’impact des phénomènes thermo-électro-mécaniques se produisant dans l’assemblage cathodique sur la performance électrique de la cellule d’électrolyse et ce, afin d’en améliorer la conception.

Dans un premier temps, une approche innovante, basée sur l’utilisation de la technologie de scan 3D, est utilisée afin de quantifier précisément la distribution de l’espace d’air initiale à l’interface fonte/carbone. En parallèle, le comportement mécanique des composants métalliques de l’assemblage cathodique est caractérisé à hautes températures, incluant les comportements élastique, plastique et de fluage. Par la suite, un modèle de fluage adapté, calibré et validé à partir de données expérimentales, est fourni en vue de son utilisation dans le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS™.

Enfin, un modèle numérique simplifié (modèle tranche) d’une cellule électrolyse est développé dans ANSYS™, et ce, afin de quantifier l’impact des phénomènes différés sur une période de 3,2 ans de fonctionnement. Les résultats obtenus mettent en évidence une déformation en fluage marquée au sein de l’assemblage barre/fonte, entraînant une augmentation significative et progressive de la chute de tension. Selon les données fournies par le partenaire industriel, ce phénomène serait responsable d’environ 19 % de la chute de tension observée en conditions opérationnelles.

The electrical resistance of the cathode assembly in reduction cells represents nearly 8% of the operating voltage (4,2 V) of a cell operating at approximately 400 kA, primarily due to the electrical contact resistance (ECR) at the cast iron/carbon interface. Dependent on the temperature and the contact pressure at this interface, the ECR is indirectly influenced by the initial air gap generated at this interface during the cathode rodding process. During cell operation, various deformation mechanisms within the cathode assembly cause this initial air gap to evolve, and therefore the contact conditions too. In addition to the evolution of instantaneous deformations occurring during the temperature rise of the cathode assembly during start up, creep deformations gradually occur in both the collector bar (steel) and the rodding cast iron throughout the service life of the cell. These time-dependent deformations lead to a reduction in contact pressure at the cast iron/carbon interface, thereby increasing the ECR.

In this context, the aim of this research is to provide an in-depth understanding of the impact of thermo-electro-mechanical phenomena occurring in the cathode assembly on the electrical performance of the reduction cell, with a view to improving its design. Initially, an innovative approach based on 3D scanning technology is used to accurately quantify the distribution of the initial air gap at the cast iron/carbon interface. In parallel, the mechanical behavior of metallic components of the cathode assembly is characterized at high temperatures, including elastic, plastic, and creep behaviors. Subsequently, a suitable creep model, calibrated and validated using experimental data, is provided for using in the ANSYS™ finite element software.

Finally, a simplified numerical model (slice model) of a reduction cell is developed in ANSYS™ to quantify the impact of time-dependent phenomena over 3,2 years of operation. The results highlight significant creep deformation in the bar/cast iron assembly, leading to a notable increase in voltage drop. According to data provided by the industrial partner, this phenomenon is responsible for approximately 19% of the voltage drop observed under operating conditions.