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

Résumé

La qualité des matières premières utilisées lors de la fabrication des anodes en carbone pour la production de l’aluminium primaire par le procédé Hall-Héroult se dégrade de jour en jour. Afin de pouvoir améliorer la qualité et du fait même la durée de vie ainsi que les coûts de production de ces anodes, dans le cadre de ce projet, l’intérêt est porté au procédé de vibro-compaction. Ce procédé fait partie des étapes importantes de la fabrication des anodes en carbone. Actuellement, dans la plupart des industries; ce sont les vibro-compacteurs qui sont utilisés pour la production des anodes. Les vibro-compacteurs sont plus performants en plus d’avoir un meilleur rendement. Cependant, ces machines nécessitent un contrôle de même qu’un suivi en continu afin d’éviter des bris majeurs vu leur fonction de base qui est la vibration. L’objectif de cette étude est de comprendre ce procédé et ainsi faire le lien entre les paramètres de vibro-compaction et les propriétés mécaniques des anodes crues. La méthodologie élaborée pour répondre à la problématique et ainsi atteindre les objectifs de cette étude est basée simultanément sur des approches expérimentales et analytiques. L’approche expérimentale porte sur les caractérisations physiques et mécaniques des anodes industrielles et aussi sur les analyses des mesures vibratoires des vibro-compacteurs industriels et celui du laboratoire. Cette approche englobe également la fabrication des anodes en laboratoire avec des paramètres de vibro-compaction variables. Pour ce qui est de l’approche analytique, c’est le développement de modèles dynamiques du vibro-compacteur à un degré de liberté 1-DDL et à deux degrés de liberté 2-DDL qui ont été réalisés. La première campagne de caractérisation porte sur la cartographie des propriétés physiques et mécaniques dans les trois directions de quatre anodes crues industrielles formées avec le même matériel et les mêmes conditions de malaxage et de vibro-compaction. Les résultats obtenus montrent que la qualité des anodes produites est largement affectée par les vibro-compacteurs qui sont utilisés lors de la formation de ces anodes. Par la suite, une autre campagne de caractérisation plus poussée a été réalisée sur huit anodes industrielles crues, mais cette fois-ci en prenant des mesures vibratoires afin de comprendre ce qui se passe réellement au niveau de la mécanique de fonctionnement des vibro-compacteurs. Les anodes testées ont été formées avec des matières premières et des conditions de vibro-compaction variables. Les résultats obtenus montrent que les propriétés des parties du bas de ces anodes sont relativement faibles comparées à celles du haut dans tous les cas étudiés. Ce résultat est relié aux accélérations générées entre les tables de vibration et les tiges-guides des vibro-compacteurs. Une évaluation des principaux paramètres de vibro-compaction a été effectuée par l’équipe de vibro-compactage de la chaire UQAC-AAI sur le carbone. Les principaux paramètres ont été fournis à une entreprise externe pour la conception du vibro-compacteur du laboratoire. Par la suite, une calibration de ce vibro-compacteur a été réalisée en effectuant des mesures vibratoires. Des procédures de suivi et de diagnostic de l’état du vibro-compacteur du laboratoire ont été établies dans ce projet. Actuellement, tous ceux qui utilisent cet équipement suivent ces procédures afin de mieux contrôler leur fabrication d’anodes. D’un autre côté, des anodes à l’échelle du laboratoire ayant la même recette de pâte que le partenaire industriel ont été fabriquées avec des paramètres de vibro-compaction variables. Les résultats obtenus montrent les relations existantes entre la variation des paramètres de vibro-compaction et la qualité des anodes formées. Cette campagne a permis aussi de calculer expérimentalement la rigidité de la pâte d’anode qui par la suite a été intégrée dans un modèle dynamique à deux degrés de liberté du vibro-compacteur développé dans ce projet de recherche. Ce modèle à 2-DDL développé est unique, car il permet de simuler les vibrations générées par les vibro-compacteurs en prenant en considération une rigidité de pâte actuelle mesurée expérimentalement. La validation de ce modèle est réalisée avec les données tirées de la revue de littérature de même qu’avec les données expérimentales obtenues durant la réalisation de cette thèse. Au final, les travaux qui ont été réalisés durant ce projet ont permis d’avoir une meilleure compréhension du procédé de vibro-compaction de même qu’au niveau de la variation de la qualité des anodes crues. Cette étude a aidé à mieux diagnostiquer les problèmes mécaniques des vibro-compacteurs.

The quality of raw materials used for the fabrication of anodes utilized, in primary aluminum production, by the Hall-Héroult process is degrading with time. In order to improve the quality, the life, and the production cost of anodes, this project focuses on the vibro-compaction process. This process is one of the important steps of carbon anode production. Nowadays, most of the anode manufacturing plants use vibro-compactors for the fabrication of anodes. The vibro-compactors perform well and have high efficiency. However, these machines require continuous control as well as monitoring to avoid a major breakdown due to vibration which is their basic function. The objectives of this study are to understand the vibro-compaction process and to identify the relationship between the vibro-compaction parameters and the mechanical properties of the green anodes. The methodology that has been developed to address the above issues and to achieve the objectives of this study is based on simultaneous experimental and analytical approaches. The experimental approach involves the physical and mechanical characterization of the industrial anodes as well as the analysis of the vibration measurements on the industrial and laboratory vibro-compactors. This approach also includes the fabrication of laboratory anodes using different parameters of vibro-compaction. The analytical approach covers the development of dynamic models of the vibro-compactor with one and two degrees of freedom (1-DDL and 2-DDL). The first characterization study was on the 3D mapping of the physical and mechanical properties of four industrial green anodes produced using the same raw material as well as mixing and vibro-compaction conditions. The analysis of results showed that the quality of the anodes was significantly affected by the vibro-compactors used to fabricate the anodes. Subsequently, an industrial measurement and characterization campaign was carried out on eight industrial green anodes; but this time, vibration measurements were also conducted in order to understand the mechanical aspect of the operation of the vibro-compactors. The anodes tested were fabricated using different raw materials and under various vibro-compaction operating conditions. The results showed that the properties of the bottom part of these anodes were relatively inferior compared to those of the top part for all the cases studied. These results were related to the differences in acceleration generated between the vibration table and the guide rod of the top charge of the vibro-compactors. The principal vibro-compaction parameters were evaluated by the vibro-compactor team of the Carbon Chair, and these were supplied to an external company for the design of the laboratory vibro-compactor. Then, the vibro-compactor was calibrated by carrying out vibration measurements. Procedures for the diagnosis and the monitoring of the state of the laboratory vibro-compactor were established in this project. All those who use this equipment follow these procedures now to better control the anode fabrication process. In addition, different vibro-compaction parameters were used to produce laboratory scale anodes with the same paste recipe applied in industrial anode production. The results showed the relationships between the vibro-compaction parameters and the variation in the quality of the anodes formed. The analysis in the current project also helped determine experimentally the rigidity of the anode paste which was later used in the dynamic model of the vibro-compactor with two degrees of freedom. This 2-DDL model is unique because it can simulate the vibrations generated by the vibro-compactor taking into consideration the rigidity parameter of the paste as a function of vibro-compaction time. The validation of this model was carried out using published data from the literature and experimental data obtained during the realization of this thesis. In conclusion, the work undertaken during this project led to a better understanding of the vibro-compaction process as well as its impact on the green anode quality depending on the conditions. In this study, diagnosis techniques have also been developed to determine the mechanical problems of vibro-compactors.