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

Résumé

La production de l’aluminium primaire via le procédé Hall-Héroult nécessite l’utilisation d’un courant de très forte intensité. Conséquent du coût élevé des matières premières nécessaires à la production du métal gris, l’industrie de l’aluminium fait aujourd’hui l’objet d’une compétition internationale féroce obligeant les producteurs d’aluminium, incluant Aluminerie Alouette Inc. (AAI), à innover afin de demeurer compétitif. L’une des pistes de solution consiste à réduire la résistance électrique des assemblages anodiques, dont une légère optimisation peut engendrer d’importantes économies à long terme. Dans ce contexte, ce projet de thèse porte sur l’étude de l’assemblage anodique dans l’optique de développer un nouveau concept permettant une réduction notable de sa résistance électrique. Pour ce faire, les paramètres conduisant à une amélioration de la performance électrique ont d’abord été définis. Par la suite, les paramètres clés nécessitant une investigation supplémentaire, requise à l’élaboration d’un nouveau concept, ont été identifiés. Dans l’optique d’évaluer l’impact de ces paramètres clés requis au développement d’un nouveau concept, une évaluation expérimentale et une campagne de mesure in situ ont été réalisées. L’évaluation expérimentale a démontré qu’une faible résistance électrique peut être obtenue dans un carbone fissuré et a permis de définir des indicateurs de performance de la qualité du contact. Finalement, l’évaluation in situ a permis de cibler les températures opérationnelles de la connexion anodique à prioriser (en démontrant que sa résistance a une influence négligeable sur l’évolution du courant dans l’anode) et également de quantifier la chute de voltage provenant de la connexion d’AAI. Basé sur les résultats de cette campagne de mesure in situ, un modèle thermo électro-mécanique a été développé afin de permettre l’identification d’éléments nécessaires à l’orientation, l’analyse et la validation du fonctionnement du nouveau concept, soit : les comportements à l’origine des problématiques associées à la déformation des rondins, la fissuration du carbone, le potentiel d’optimisation de la connexion actuelle ainsi que la perte de chaleur par le dessus de l’assemblage. Ayant acquis les connaissances et outils nécessaires à l’orientation du développement d’un nouveau concept, une nouvelle approche a ensuite été proposée puis analysée. L’approche consiste à substituer l’étape de scellement du rondin dans le tourillon via l’introduction de plusieurs éléments de connexion d’acier rectangulaires dans la pâte d’anode lors de l’étape de la mise en forme de l’anode. Une fois l’assemblage cuit, de la fonte est versée entre la traverse et les éléments de connexion préalablement insérés afin de permettre le passage du courant entre les composants métalliques. Afin d’évaluer le potentiel de l’approche proposée, une expérimentation à petite échelle aura permis d’assurer la bonne compréhension du comportement thermomécanique de l’assemblage lors de la cuisson et de son impact sur le comportement thermo électromécanique en opération. Cette étape a démontré que l’approche proposée permet l’obtention d’une très faible résistance électrique aux températures opérationnelles pour des géométries d’éléments de connexion spécifiques. Dans l’optique d’identifier les mécanismes d’interface en actions durant la cuisson et menant à ces résultats prometteurs, un montage dédié à la quantification de la résistance de contact électrique (RCE) lors du procédé de cuisson a été réalisé. Les résultats ont montré une grande sensibilité de la RCE à la viscosité de la pâte d’anode. Une fois l’échantillon cuit, l’évaluation de la RCE en fonction de la pression de contact a démontré que l’approche permet une réduction de la RCE en raison de la conformation des surfaces par la déformation visqueuse de la pâte d’anode et de la migration du brai à l’interface. Au final, le développement et l’étude par éléments finis du nouvel assemblage auront permis d’estimer une réduction de la chute de voltage de l’assemblage de l’ordre de 55.1 mV en considérant une RCE égale au concept actuellement utilisé chez AAI. L’étude réalisée a également démontré que la géométrie du nouveau concept mène à une réduction significative de l’état de contrainte à l’intérieur de l’anode cuite. Conséquent de l’importance des résultats obtenus, le concept a fait l’objet d’un dépôt de brevet international et une preuve de concept est prévue chez AAI et ce, afin de déterminer le réel potentiel de l’approche considérant les spécificités de la mise en oeuvre dudit concept à l’échelle industrielle.

The production of primary aluminum using the Hall-Héroult process requires the use of a very high current intensity. Due to the high cost of the raw materials to produce aluminum, the industry, including Aluminerie Alouette Inc. (AAI), is forced to innovate in order to remain competitive. One possible solution is to reduce the electrical resistance of the anode assemblies. Significant long term savings can be obtained from its optimisation. In this context, this project focuses on the development of a new anode assembly with lower electrical resistance. In order to do this, the key parameters leading to an improvement in electrical performance as well as the factors influencing this performance were first defined. Subsequently, the key parameters to be investigated in more details for the design of the connection elements of the new concept were identified. In order to evaluate the impact of these key parameters required to the development of a new concept, an experimental study and an in situ measurement campaign were carried out. An experimental evaluation showed that a low electrical resistance can be obtained even if the carbon contains some cracks in the vicinity of the connection. This made it possible to define performance indicators which indicate the quality of the contact. In addition, it was demonstrated using the in situ evaluation that the resistance of the anode connection has a negligible influence on the evolution of current in the anode assembly. Also, a thermo electromechanical model of the existing anode assembly has been developed and calibrated using the results of this in situ measurement campaign. This model allowed the quantification of the optimization potential of the actual connection, the heat loss and the stresses generated in the anode assembly specific to the AAI technology. These parameters obtained from the actual anode assembly were used to compare the behaviour of the new concept with the existing. Having acquired the knowledge and tools necessary to guide the development of a new concept, a new approach was then proposed and analyzed. The approach is to substitute the step of sealing with cast iron with the insertion of several thin rectangular steel connection elements into the carbon paste during the anode forming step. Once the assembly is baked, cast iron is poured between the modified crossbar and the connection elements previously inserted to allow the passage of current between the metal components. In order to evaluate the potential of the proposed approach, a laboratory-scale experiment made it possible to ensure a good understanding of the thermomechanical behavior of the assembly during baking and its impact on the thermo electromechanical behavior in operation. This step demonstrated that the proposed approach results in a low electrical resistance at operating temperatures for specific connector geometries. To identify the interface mechanisms present during baking, an experimental system dedicated to the quantification of the electrical contact resistance (ECR) during the baking process was constructed. The results showed that the ECR is significantly affected by the viscosity of the carbon paste. Once the sample is baked, the evaluation of the ECR as a function of the contact pressure has shown that the new approach allows a reduction of the ECR because of the conformation of the surfaces by the viscous deformation of the anode paste and the pitch migration at the interface. The new concept in full scale was simulated with the previously calibrated numerical model in order to quantify its electrical resistance and to study its industrial feasibility (via the evaluation of the heat loss and the generated constraints). The numerical results showed a reduction in the voltage drop in the order of 55.1 mV using an ECR equal to the concept currently used at AAI. The study also demonstrated that the geometry of the new concept leads to a significant reduction of stress inside the anode. As a result of the promising results obtained, the concept has been the subject of an international patent application and a proof of concept is planned at AAI in order to determine the actual potential of the approach considering the requirements of the implementation of the developed concept on an industrial scale.