SOUTENANCE DE THÈSE

Monsieur Simon-Olivier Tremblay

ÉTUDE CONCEPTUELLE ET DÉVELOPPEMENT D’UN NOUVEL ASSEMBLAGE ANODIQUE

Le vendredi 14 décembre à 13h00, Local (à déterminer), UQAC

Direction : Daniel Marceau (UQAC)

Codirection : Duygu Kocaefe (UQAC)

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 chute de voltage des assemblages anodiques, dont une légère optimisation peut engendrer d’importantes économies à long terme.

Dans ce contexte, ce projet de thèse porte donc 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 clés conduisant à une amélioration de la performance électrique ainsi que leurs facteurs dépendants ont d’abord été définis. Par la suite, lesdits paramètres nécessitant une investigation supplémentaire, requise à l’élaboration d’une nouvelle proposition ont été identifiés soit : l’impact de la fissuration du carbone, l’influence de la distribution du contact et l’influence de la résistance électrique de la connexion sur l’évolution du courant. Dans l’optique de mesurer l’impact de ces paramètres, 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 en démontrant que la résistance de ladite connexion à une influence négligeable sur l’évolution du courant dans l’anode. Basé sur les résultats de cette campagne de mesure in situ, un modèle thermo électromécanique 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, la quantification de la résistance électrique de la connexion 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 trois connecteurs d’acier rectangulaires dans la pâte de carbone 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 de connecteur 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 du carbone. L’évaluation de la RCE en fonction de la pression de contact en cours de cuisson ont également permis de démontrer que l’approche proposée permet une réduction significative de la RCE minimale observée durant la cuisson et ce, en raison de la déformation importante des aspérités de la surface du carbone à l’interface acier/carbone lors du procédé de cuisson.

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 témoins (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 de carbone.

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.