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

Résumé

L’anode en carbone, qui transporte l'électricité et fournit le carbone nécessaire à la réaction électrochimique dans la cellule d'électrolyse, est un composant essentiel de la production d'aluminium primaire. L'efficacité énergétique et l'impact environnemental sont encore des questions clés des d'alumineries modernes. Par conséquent, il est important de contrôler la qualité des anodes qui influence fortement la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre. À la lumière d’une revue de littérature détaillée, il ressort que la distribution uniforme du courant semble être l'un des indicateurs de la qualité des anodes. Ainsi, un système expérimental a été développé pour caractériser la distribution du courant dans une anode dans le cadre de la Chaire Université du Québec à Chicoutimi (UQAC)/Aluminerie Alouette Inc. (AAI) sur l’utilisation du carbone dans l’industrie d’aluminium primaire. Ce mémoire décrit le système de mesure utilisé pour des anodes de laboratoire, définit la méthode de mesure et présente les résultats expérimentaux. Les résultats sont également comparés avec les mesures de distribution de la résistance électrique dans les anodes réalisées avec le système SERMA (Specific Electrical Resistivity Measurement of Anode) développé par la Chaire UQAC/AAI, ainsi que les résultats d’analyses par tomographie à rayon X. Après avoir passé en revue les différentes techniques de mesure de courant électrique, un système a été construit, basé sur un principe de mesure indirecte par l’insertion de résistances (shunts de valeurs connues) dans les circuits de sortie de l’anode. Cette méthode présente l’avantage de permettre l’acquisition automatique des mesures avec un datalogger prévu à cet effet. Ceci augmente significativement la précision des mesures réalisées. Étant donné qu’on souhaitait minimiser l’influence des circuits extérieurs sur la distribution du courant dans l’anode, il était primordial que ces circuits aient les mêmes caractéristiques électriques. Il s’agissait principalement d’avoir les mêmes résistances électriques ; et pour cela, des dispositions particulières ont été prises en termes de longueurs et sections des conducteurs électriques et d’uniformité de l’appareillage utilisé. À la fin du montage du système, des essais ont été effectués sur une anode test. Les résultats ont permis de valider certaines hypothèses théoriques développées en s’appuyant sur la loi d’Ohm. Des courbes de variation des résistances de contact par rapport à la hauteur de serrage de l’anode ont également montré une bonne concordance avec celles obtenues dans la littérature. Enfin, ces essais ont permis d’élaborer la procédure de test détaillée du système de mesure. Une fois le système de mesure mis au point, dix anodes en carbone ont été fabriquées et cuites. Dans ces anodes, différents paramètres tels que le taux de brai et la répartition granulométrique ont été variés. La distribution de courant dans ces anodes a été mesurée. Par la suite, des anodes déjà mesurées ont été percées pour simuler des fissures ou encore rainurées puis testées de nouveau. L’étude a montré l’impact des fissures et des rainures sur la distribution du courant dans l’anode. Les effets du sous brai et du sur brai ainsi que le regroupement des particules sur la densité ont été mesurés ; aussi l’apparence physique des anodes a été étudiée. Ensuite dans la chaire de recherche, les résistivités électriques des anodes cuites ont été mesurées avec le système SERMA, et les défauts ont été analysés par tomographie à rayon X. Par ailleurs, des mesures de distribution de courant, des mesures de distribution de tension et des mesures de distribution de résistance de contact ont été réalisées pour ces anodes. L’analyse des résultats de ces mesures a aidé à mesurer l’impact des différences, même minimes, entre les résistances des circuits de sortie. Cela a conduit à des modifications du système pour réduire l’impact des circuits externes sur les mesures de courant. De plus, des mesures complémentaires ont été réalisées afin de corriger les données de mesures de distribution de courant. Ainsi, deux modèles de correction ont été développés à cet effet et différentes comparaisons qualitatives ont été menées avec les résultats de mesures de distribution de résistivité réalisées avec le système SERMA ainsi que l’analyse par tomographie à rayon X. À l’issue, l’un des modèles correspondait aux résultats de SERMA et de la tomographie à rayon X. Ledit principe de correction a été utilisé pour obtenir la distribution de courant pour toutes les anodes avec deux et trois trous. L’impact du mode d’alimentation électrique sur la distribution du courant dans l’anode a été également déterminé. La poursuite de l’étude avec l’analyse des distributions de courant corrigées a permis de comprendre l’impact des propriétés des anodes sur la distribution de courant. Pour ce faire, les distributions de courant corrigées dans les anodes (avec différents taux de brai, répartitions granulométriques, fissures et perçages) ont été analysées. Les résultats de toutes ses analyses ont montré qu’il y a une influence du mode d’alimentation de l’anode sur les distributions de tension, mais pas sur les distributions de courant et de résistance de contact. Les distributions de résistance de contact sont très sensibles aux mouvements de l’anode et elles influencent fortement les distributions de courant mesurées, mais pas les distributions corrigées. Les mesures ont également confirmé que la distribution du courant dans l’anode n’est pas affectée significativement par le taux de brai dans celle-ci. Le regroupement de particules a un effet considérable sur la distribution de courant. Il a été aussi observé que les rainures et les larges fissures dans l’anode influencent les distributions de courant et de tension.

Carbon anode, which carries the electricity and provides the carbon necessary for the electrochemical reaction in the electrolytic cell, is an essential component of the primary aluminum production. Energy efficiency and environmental impact are still the key issues in modern aluminum smelters; thus, it is important to control the quality of anodes which strongly influences the energy consumption and the greenhouse gas emissions. Based on a detailed literature review, it appears that the uniform current distribution seems to be one of the indicators of the quality of anodes. Therefore, an experimental system was developed to measure the distribution of current in an anode within the frame of UQAC/AAI Research Chair on the utilization of Carbon in Primary Aluminum Industry. This thesis describes the measurement system used for laboratory anodes, defines the measurement method and presents experimental results. The results are also compared with the electrical resistance distribution measurements in anodes made with the SERMA (Specific Electrical Resistivity Measurement of Anode) system developed by UQAC/AAI Chair and the X-ray tomography analysis results. After reviewing the various technics of measuring the electric current, a system was built based on the principle of indirect measurement by adding resistors (shunts with known values) in the output circuits of the anode. This method has the advantage of allowing the automatic acquisition of measurements with a data logger. This increases significantly the accuracy of measurements. Since it is desired the influence of external circuits on the current distribution in the anode should be avoided, it was essential that these circuits have the same electrical characteristics. This was mainly to have the same electrical resistance; and for this, special arrangements have been made in terms of lengths and sections of the electrical conductors. At the end of assembly, trials were carried out on a test anode. The results were used to validate certain theoretical assumptions developed, based on Ohm's law. Contact resistances were plotted as a function of the clamping height of the anode, and the results showed good agreement with those obtained in the literature. Finally, these trials have helped develop a detailed test procedure of the measurement system. Once the measurement system was developed, ten carbon anodes were fabricated and baked. In these anodes, different parameters such as pitch content and particle size distribution were varied. The current distribution was also measured. Thereafter, the anodes were drilled to simulate cracks or grooved and then tested again. The study showed the impact of cracks and grooves (slots) on the current distribution in the anode. The effects of the under-pitch and over-pitch levels of anodes and the arrangement of particles in anodes on the density were measured; and the physical appearance of the anodes was also studied. Then in the group, the electrical resistivities of the baked anodes were measured with the SERMA (specific electrical resistivity measurement of anodes) system, and the defects were analyzed by the X-ray tomography. Furthermore, current, voltage, and contact resistance distributions were measured for those anodes. Analysis of the results helped study the impact of differences, however small, between the resistances of the output circuits. This led to modifications which reduced the effect of the external circuit on the current measurement. Furthermore, additional measurements were performed to correct the data of the distributions measured. Thus, two correction models have been developed for this purpose; and various qualitative comparisons were conducted with the results of the resistivity distribution measurements by SERMA and the X-ray tomographic analyses. At the end, one of the models was found to correspond to the results of SERMA and X-ray tomography. That principle of correction was used to obtain the current distribution for all anodes with two and three stub holes. The impact of the current input configuration on the voltage distribution was determined. Pursuing the study with the analysis of adjusted current distributions allowed the understanding of the impact of the properties of anodes on the current distribution. To do so, the calculated current distributions in anodes (with different pitch levels and granulometry, cracks, and groves) were analyzed. The results of all analyses showed that there is an influence of the current feeding mode on the voltage distributions, but not on current and contact resistance distributions. Contact resistance distributions are sensitive to the placement of the anodes in the system, and they strongly influence the measured current distributions, not the calculated ones. The measurements also confirmed that the current distribution in the anode is not affected significantly by the pitch content. The distribution of different size particles has a considerable effect on the current distribution. It was also observed that the slots and large cracks in the anode influence the current and voltage distributions.