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

Résumé

Ce projet a été entrepris pour étudier les interactions entre les particules d'alumine, les alliages d'aluminium et ses inclusions sous des conditions d'écoulement de l'aluminium liquide. Le but du projet était de développer une méthode d'essai qui permet de simuler les conditions similaires à celles dans le procédé de filtration d'aluminium et d'évaluer les interactions qui ont lieu entre les différents types d'échantillons d'alumine, les alliages d'aluminium et ses inclusions. Cette méthode d'essai avait pour but de déterminer commenles différents types d'alumine se comportent durant le procédé de filtration. Les interactions chimiques entre l'alumine, les alliages d'aluminium et ses inclusions ont été étudiées dans des conditions d'écoulement statiques et dynamique. Afin d'étudier ces interactions dans des conditions d'écoulement dynamique, la connaissance du champ de vitesse au voisinage des particules d'alumine est nécessaire. Dans ce projet, deux systèmes expérimentaux uniques qui peuvent simuler l'écoulement dans le lit du filtre industriel ont été conçus et construits. Un modèle mathématique a été développé pour prédire le champ d'écoulement autour des particules dans le système expérimental. Le modèle mathématique a été validé en comparant les prédictions avec les résultats d'un modèle physique dans lequel l'eau était utilisée comme fluide. Ensuite, le modèle mathématique a été utilisé pour effectuer des études paramétriques afin de déterminer les paramètres de design et d'opération pour le système expérimental actuel dans lequel les tests ont été faits. Cela a permis de générer un champ d'écoulement similaire à celui du filtre industriel. Des expériences avec divers alliages d'aluminium-magnésium liquide (0, 2, 5 et 7% Mg, en poids) ont été réalisées pour des différents temps de résidence (de 6 heures à 168 heures) en utilisant les systèmes expérimentaux décrits ci-hauts. Les effets de la vitesse de l'alliage d'aluminium liquide, de la température du liquide, des propriétés physiques (porosité apparente, la rugosité de la surface, etc.) et chimiques (teneur en impuretés telles que Na2O, SiO2, etc.) sur le degré des réactions interfaciales entre l'alliage d'aluminium et l'alumine ont été déterminés. Les échantillons obtenus des expériences aluminium-alumina ont été analysés à l'aide du microscope optique, du microscope électronique à balayage - la spectroscopie aux rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDX), du microprobe MEB, et de la diffraction des rayons X (DRX). Les résultats montrent que les réactions chimiques entre l'alpha-alumine pure à haute densité et les alliages Mg-Al liquides ne sont pas rapide; mais, la présence des impuretés (telle que Na2O en tant que phase de bêta-alumine) et la structure poreuse de l'alumine augmentent l'étendue des réactions significativement. La phase riche en Na2O (bêta-alumine) qui se trouve dans toutes les alumines commerciales semble être l'un des facteurs les plus importants pour les réactions spontanées avec la vapeur de magnésium, même au temps de résidence le plus court. Mg-spinelle a été trouvé comme le produit de réaction le plus important. L'analyse thermodynamique indique la même tendance.

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This project was undertaken to study the interactions between alumina particles, aluminum alloys, and its inclusions under liquid aluminum flow conditions. The objective was to develop a test method which can simulate the conditions similar to those in the aluminum filtration process and to evaluate the interactions taking place between various types of alumina samples, aluminum alloys, and its inclusions. With this test method, it was aimed to determine how various alumina types behave under flow conditions during the filtration process. Chemical interactions between alumina, aluminum alloys, and its inclusions were investigated under both static and dynamic flow conditions. In order to study these interactions under dynamic flow conditions, a knowledge of the velocity field in the vicinity of the alumina particles is necessary. In this project, two unique experimental systems which can simulate the flow condition of the industrial bed were designed and built. A mathematical model was also developed to predict the flow field around the particles in the experimental system. The mathematical model was validated by comparing the predictions with the results from a physical model in which water was used as the fluid. The mathematical model was then used to conduct parametric studies to determine the design and operational parameters for the actual experimental system in which the tests were carried out. This allowed the generation of a flow field similar to that of the industrial filter. The experiments with various liquid Mg-Al alloys (0, 2, 5, and 7 wt% Mg) were conducted for different residence times (from 6 hours to 168 hours) using the above experimental systems. The effects of the liquid aluminum alloy velocity, the temperature of the melt, the physical (apparent porosity, surface roughness, etc.) and chemical (impurity content such as Na2O, SiO2 etc.) properties of alumina samples on the extent of aluminum alloy/alumina interfacial reactions were determined. The samples obtained from aluminum-alumina experiments were analyzed by using the optical microscope, the scanning electron microscope - energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), the micro probe SEM, and X-ray diffraction (XRD). The results indicate that the chemical reactions between high density pure alpha-alumina and molten Mg-Al alloys are not fast; however, the presence of impurities (such as Na20 as beta alumina phase) and the porous structure in alumina increase the extent of reactions significantly. Na2O rich phase (beta alumina) found in all commercial alumina grades seems to be one of the most important contributors for the spontaneous reactions of Mg vapor with alumina, even at the shortest residence time. The major reaction product was found to be Mg-spinel. The thermodynamic analysis indicated the same tendency.