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

Résumé

One of the major components of the primary aluminum fabrication process is carbon anode manufacturing. High density, low electrical resistivity, and consistence of the quality of anodes are of utmost interest in aluminum industry. This work was undertaken to determine the desired coke properties which have notable impact on coke/pitch wetting and the influence of some of these properties on anode quality, and finally to identify the factors effecting the consumption of industrial anodes throughout the entire process. Wettability of a coke by a pitch provides important information about the compatibility of a coke/pitch pair and mixing conditions. The ability of a liquid pitch to wet petroleum coke can be determined by means of the sessile-drop test. Different surface characterization techniques (SEM, optical microscopy, FT-IR, XPS, etc.) are used to establish the relation between the surface characteristics of different calcined cokes and their wettability by pitch. Physical characteristics such as crystalline length, porosity, and shape of coke particles were measured by XRD, pycnometer, and optical microscope, respectively. The factors that had the greatest influence on pitch wettability were coke porosity, particle shape, crystalline length, and finally surface chemical compositions. The available anode-quality petroleum coke is not sufficient to cover the need created by the increase in the world aluminum production. Understanding the consequences of varying calcined coke quality is necessary to possibly compensate and adjust the anode paste recipe in the subsequent use of coke in order to obtain economically viable production of aluminium. A new anode recipe (by adjusting the medium fraction in the paste) was proposed based on the predictions of an ANN model, which resulted in improved anode properties. Combined effects of coke calcination level, anode baking level, and sulfur content on anode properties were studied. Under-calcined coke gained interest as raw material for anodes used in aluminum production since it was reported in the literature that anodes produced with this coke have lower CO2 reactivity in the electrolytic cell. The cokified pitch and the petroleum coke reactivity become similar in anodes made of under-calcined coke depending on their baking conditions. Reactivities of the anodes produced from under-calcined coke were compared with those of the anodes produced from standard calcined coke. The former exhibited lower air reactivity and dusting (due to air reactivity) as well as similar CO2 reactivities and lower dusting (due to CO2 reactivity) at lower baking temperatures. Additionally, increase in sulfur was found to increase the air reactivity and decrease the carboxy reactivity. Dusting due to both air and CO2 reactivities decreased as the sulfur content increased. Increasing baking temperatures decreased both of the reactivities and dusting. The effects of the process parameters of industrial anode production as well as the impact of raw material properties on pitch distribution in anodes were studied. Pitch acts as the binder material for coke and butt, and its homogeneous distribution in a green anode has a great influence on the properties of baked anodes. An image analysis technique was developed by the UQAC/AAI Chair, which was used to analyze and quantify the weight percentages of pitch in green and baked anodes. This study demonstrated that the pitch distribution in a green/baked anode is dependent on different process parameters and raw materials used. The influence of top bellow pressure, paste recipe (amount of fine and recycled butts), and anode properties (crystalline length and electrical resistivity) on anode CO2 reactivity was studied extensively by developing an ANN model. It was found that the CO2 reactivity increases with increasing anode crystalline length, amount of fine particles, recycled butt content, and electrical resistivity and decreases with increasing bellow pressure. During mixing, the coarse particles might break, which would change the anode recipe, consequently, the anode properties. An inexpensive, quick, and nontoxic pitch separation method was developed. This method helps study the kneader performance by closely monitoring the effect of kneading action on granulometry during paste preparation. Considering all the findings of this work, this thesis constitutes a major technical and scientific contribution in the field of carbon anode production.

La fabrication des anodes en carbone représente l'un des principaux éléments du processus de production de l'aluminium primaire. L’intérêt principal de l'industrie de l'aluminium est de former des anodes de haute densité avec une constance au niveau de la qualité. Ce travail a été entrepris pour l’identification de propriétés du coke qui présente une influence significative sur la mouillabilité du coke par le brai, l'évaluation de l’impact de certaines de ces propriétés sur la qualité des anodes et finalement l’identification des facteurs affectant la consommation des anodes industrielles dans toutes les étapes du procédé de fabrication des anodes. La mouillabilité du coke par le brai fournit des informations importantes sur la compatibilité du pair coke/brai et sur les conditions de malaxage. Les interactions qui ont lieu à ce stade affectent directement les propriétés finales de l’anode. La capacité d’un brai liquide à mouiller le coke de pétrole est déterminée par le test de la goutte-sessile. Différentes techniques de caractérisation de surface (MEB, microscopie optique, FT-IR, XPS, etc.) ont été utilisées pour établir la relation entre les caractéristiques surfaciques pour différents cokes calcinés et leurs mouillabilités par le brai. Les caractéristics physiques comme la longueur cristalline, la porosité, et la forme des particules de coke ont été mesurées respectivement par la diffraction des rayons X (XRD), le pycnomètre, et le microscope optique. Les facteurs qui ont eu la plus grande influence sur la mouillabilité du brai étaient la porosité du coke, la forme des particules, la longueur cristalline, et finalement la composition chimique de surface. La qualité du coke de pétrole disponible pour fabriquer les anodes n’est pas suffisante pour couvrir les exigences survenues par l'augmentation de la production mondiale de l’aluminium. La compréhension des conséquences de la variation de la qualité du coke calciné est nécessaire pour ajuster la recette de pâte d’anode pour ces différents cokes afin d’obtenir une production économique de l’aluminium. Une recette d’anode améliorée (en optimisant la quantité de la fraction moyenne dans la pâte) présentant une amélioration au niveau des propriétés des anodes a été formulée en se basant sur les prédictions d’un modèle de réseaux de neurones artificiels (RNN). Les effets combinés du niveau de calcination de coke, de la température de cuisson de l’anode et de la teneur en soufre sur les propriétés des anodes ont été étudiés. L’intérêt pour l’utilisation du coke sous calciné comme matière première pour la production de l’aluminium a augmenté car il a été rapporté dans la littérature que les anodes produites avec le coke sous calciné ont de faibles réactivités au CO2 dans les cuves d’électrolyse. Les réactivités du brai cokifié et du coke de pétrole deviennent similaires dans les anodes faites avec du coke sous-calciné dépendant les conditions de cuisson. L'étude a confirmé que les anodes produites avec du coke sous calciné démontraient une diminution des réactivités et des poussières à des températures de cuisson moins élevées. De plus, le soufre agit comme un catalyseur dans le cas de la réactivité à l’air et comme un inhibiteur pour la réactivité au CO2. Dans cette partie de l’étude, l'effet des paramètres du processus de la fabrication des anodes industrielles et l’influence des propriétés des matières premières sur la distribution du brai dans les anodes ont été étudiés. Le brai agit comme un liant pour le coke et le mégot et sa répartition homogène dans une anode crue à une grande influence sur les propriétés des anodes cuites. Une technique de l'analyse d'image a été développée par la chaire UQAC/AAI permettant d'analyser et de quantifier les pourcentages en poids du brai dans les anodes crues et cuites. Cette étude a démontré que la distribution du brai dans les anodes crues et cuites dépend des différents paramètres du procédé et des matières premières utilisées. Un modèle RNA a été développé afin d’étudier l’influence de la pression des ballons du haut, de la recette de la pâte (la quantité des fines et des mégots) et les propriétés des anodes (longueur cristalline et résistivité électrique) sur la réactivité au CO2 des anodes. Il a été obtenu que la réactivité au CO2 augmente avec l’augmentation de la longueur cristalline de l'anode, de la quantité des particules fines et des mégots et de la résistivité électrique des anodes. Une diminution de la réactivité au CO2 a été observée avec l'augmentation de la pression des ballons du haut. Durant le malaxage, les grosses particules pourraient être cassées, ce qui changerait la recette d'anode et par conséquent les propriétés des anodes. Une méthode simple, non toxique, rapide et peu chère pour l’extraction du brai a été développée. Cette méthode permet d’étudier la performance du malaxeur et l'effet de malaxage sur la granulométrie pendant la préparation de la pâte. En considérant tous les résultats de cette étude, cette thèse constitue une contribution technique et scientifique majeure dans le domaine de la fabrication des anodes de carbone.