Soutenance mémoire
Étude du préchauffage d’une cuve d’électrolyse P
Problématique
Les cuves d’électrolyse utilisées aujourd’hui ont une durée de vie moyenne d’environ 2500 jours [10]. L’entretien, le remplacement et les arrêts de production représentent d’importantes sommes d’argent pour les alumineries. Pour cette raison, toutes modifications permettant d’augmenter la durée de vie des cuves doivent être envisagées. Les facteurs déterminants dans la durée de vie d’une cuve d’électrolyse sont essentiellement : la qualité du brasquage, le préchauffage, la qualité des matériaux, la conception ainsi que les conditions d’opération [28]. Lors du préchauffage, le réchauffement provoque l’expansion des matériaux, la cuisson de la pâte monolithique et active le mûrissement du béton réfractaire. Ces changements physico-chimiques entraînent nécessairement l’apparition d’un champ de déformations dans les composantes de la cuve d’électrolyse. Les composés volatiles de la pâte monolithique ainsi que l’eau du béton s’échappent de la cuve d’électrolyse, menant ainsi à un changement de volume de ces composantes. Le niveau de confinement entre les matériaux doit donc demeurer élevé pour éviter la présence de décollement et/ou d’ouverture des joints au terme du préchauffage. Si le niveau de confinement devient tel que des ouvertures apparaissent, la durée de vie de la cuve se voit hypothéquée par l’infiltration de bain ou de métal dans le panneau cathodique. L’infiltration peut causer un court-circuit, une détérioration des matériaux réfractaires et isolants et attaquer l’intégrité du caisson.
Les phénomènes physiques qui prennent place dans les étapes de préchauffage, de mise au bain jusqu’au versement d’aluminium font intervenir les aspects électriques, thermiques et mécaniques mais également un aspect chimique liés à la réaction de la pâte monolithique et du béton réfractaire Plusieurs approches peuvent être utilisées pour solutionner cette problématique telle que l’approche expérimentale avec une cuve d’électrolyse à échelle réduite, des cuves d’électrolyse instrumentées en usine, la simulation numérique, etc. En tenant compte des connaissances actuelles sur les propriétés des matériaux utilisés dans la construction des cuves d’électrolyse, des conditions de préchauffage ainsi que de l’environnement hostile des salles de cuve pour les instruments de mesures, l’approche par simulation numérique constitue une avenue fort prometteuse. De plus, cette approche permet d’étudier plusieurs scénarios de préchauffage, de tester plusieurs types de matériaux sans affecter les conditions d’opération en usine. Cependant, il demeure essentiel d’être en mesure de corroborer la qualité du modèle avec certains résultats obtenus en usine sur des cuves réelles. L’étude thermo-électro-mécanique par éléments finis d’une cuve de Hall-Héroult pendant la période de préchauffage de la cuve permettra une meilleure compréhension des phénomènes physiques prenant place dans la cuve d’électrolyse ainsi que leurs impacts sur son comportement, tant dans les coins que sur les côtés de la cuve. Ceci permettra d’améliorer les façons de faire lors du brasquage et du préchauffage d’une cuve d’électrolyse pour diminuer les pertes financières causées par le remplacement, l’entretien et les arrêts de production.
Objectifs
L’objectif principal visé par ce projet est de développer un modèle éléments finis représentatif d’une cuve d’électrolyse de type PI55. Plus spécifiquement, le modèle devra permettre la prise en compte des phénomènes thermo-électro-mécaniques prenant place dans la cuve pendant la période de préchauffage. À plus long terme, le modèle développé devra permettre à l’industrie de la production de l’aluminium d’optimiser le comportement de ses cuves et ainsi, d’en augmenter leur durée de vie. Aussi, cela permettra de tester différent types de matériaux, de scénarios de préchauffage, de configurations avant l’essai réel dans une salle de cuve. De cette manière, les résultats seront plus rapides à obtenir et moins dispendieux dans le cas d’un échec.
Méthodologie
La méthodologie proposée consiste à effectuer une discrétisation par éléments finis d’un modèle quart de cuve Hall-Héroult de technologie PI55. Plus spécifiquement, le modèle doit prendre en compte la nature des matériaux ainsi que les interfaces de contact présents dans la cuve. Des lois constitutives appropriées ainsi que les paramètres associés seront utilisées pour l’ensemble des matériaux et interfaces de contact, notamment pour la pâte monolithique, les blocs cathodiques ainsi que pour les interfaces associées au lit de coke et à l’espace fonte/carbone. La stratégie de mise en régime de la cuve envisagée est d’appliquer la totalité du courant au moment du préchauffage de la cuve d’électrolyse [4], comme c’est le cas actuellement chez RTA. La discrétisation géométrique ainsi que le post-traitement des résultats seront réalisés dans le logiciel commercial ANSYS™1 . Les analyses porteront sur l’observation des Version 11.0 ANSYS PrepPost phénomènes physiques ayant lieu dans le cuve pendant le préchauffage afin d’en discerner les effets sur le comportement de la cuve avant l’étape de la mise au bain. Le modèle sera tout d’abord soumis à une étude de sensibilité par rapport aux coefficients de pénalisation utilisés dans le modèle. Les résultats obtenus seront ensuite validés à l’aide de données de températures et de déplacements mesurés en usine sur des cuves en préchauffage. Par la suite, lorsque le modèle aura été validé, les résultats seront utilisés pour évaluer les phénomènes thermo-électro-mécaniques lors du préchauffage. Comme on peut le constater, le problème à résoudre est fortement non-linéaire, couplé et transitoire. Pour cette raison, la résolution sera effectuée à l’aide d’une application dédiée utilisant le noyau de calcul FESh++ [7]. Il s’agit d’un outil numérique efficace permettant la résolution des problèmes transitoires multi-physiques avec interfaces de contact. FESh++ dispose également de solveurs pouvant être utilisés sur des ordinateurs à architecture parallèle.
État des connaissances
Approche numérique
Dans les années 80, Dupuis [8] (1984), Goad [9] (1985) et Castonguay et Dupuis [10] (1986) développent des modèles de tranches d’anodes dans ANSYS™ pour simuler les chutes de tensions et la distribution de températures. Ces modèles étaient tridimensionnels et non-paramétriques. Ce qui implique que si la conception initiale était modifiée, il fallait refaire le modèle numérique. Désilets et coll [11], présente dans leur rapport portant sur les modèles développés chez Alcan, le travail réalisé par Asadi en 1990 sur un modèle bidimensionnel permettant l’analyse de contraintes dues aux effets thermiques générés dans la cathode. Ce modèle utilise des mesures effectuées en usine et imposées dans le modèle pour calculer la distribution de température. Cette distribution est ensuite utilisée dans les calculs thermomécaniques de déformations et de contraintes.
En 1992, Tabsh [12] présente un modèle quart de cuve permettant de simuler la fissuration de la cathode. Tout comme le modèle d’Asadi, ce modèle fonctionne en deux phases. La première est de calculer les distributions de températures et de tension dans la cuve par calcul thermoélectrique. Les valeurs obtenues sont calées à l’aide de mesures effectuées sur des cuves en usine. La deuxième phase consiste à utiliser les distributions mesurées précédemment pour réaliser les calculs thermo mécaniques. Toujours dans les années ’90, Dupuis et Tabsh [13] résument leur travail portant sur le développement d’un modèle paramétrique d’un quart de cuve de type thermo électrique en régime stationnaire. Ce modèle ne prend pas en compte les résistances de contact entre les matériaux. En 1997, Mohammed [14] modélise l’effet Joule dans le logiciel COSMOS/M™, par palier de courant, du coke en phase de préchauffage, c’est-à-dire en mode transitoire. En 2000, Richard [15] présente un travail réalisé sur la conception de tourillons d’anode pour usage dans une cuve de Hall-Héroult. À l’aide d’ANSYS™, il modélise les tourillons d’anodes en utilisant une interface de contact fonte/carbone qui évolue en fonction de la pression et de la température. La modélisation du comportement thermoélectro-mécanique était effectuée d’une manière itérative, la résolution thermoélectrique dans un premier temps et la résolution du problème mécanique dans un second temps. Cette méthode n’était pas optimale car elle limite la possibilité d’effectuer des problèmes de nature transitoire. Toujours en 2000, Hiltmann et Meulemann [16] utilisent un modèle quart de cuve thermomécanique pour simuler l’interaction des interfaces pâte/bloc. Ils définissent les zones critiques de leur modèle lorsque les matériaux ne sont plus comprimés. Pour ce faire, ils utilisent les résultats de caractérisation expérimentale de trois types de pâtes monolithiques et ils considèrent la variation des propriétés de la pâte pendant la cuisson.
En 2003, Richard et coll. [17] propose un modèle phénoménologique qui caractérise la résistance de contact dans les tourillons d’anodes. Pour définir leur modèle, ils se servent de la caractérisation du scellement à température ambiante et ils l’extrapolent à température de production. Toujours en 2003, dans le cadre du projet Start-Cuve, Richard et coll. [18] développent une loi de comportement thermo-chimio-mécanique en trois dimensions sur le béton utilisé dans la construction des cuves de Hall-Héroult. En 2004, Goulet [3] propose un modèle pour l’étude du comportement thermo-électromécanique des interfaces de contact d’une cuve de Hall-Héroult. Basé sur les travaux de Marceau [20], il propose une extension de l’outil Contacta au cas des interfaces de contact thermo-électro-mécanique. En 2005, Marceau et coll. [7] présentent une toute nouvelle approche pour la conception orientée objet d’un noyau de calcul par éléments finis pour la résolution des problèmes multi-physiques, FESh++. La résolution des interfaces de contact est pris en compte par Contacta, qui est interface à FESh++. En 2006, Richard et coll. [22] présentent au TMS des travaux réalisés sur une modèle tranche de cuve thermo-mécanique pour divers scénarios de préchauffage. Le logiciel utilisé pour réaliser cette simulation est FESh++. En 2010, au TMS, Dupuis [26] compare trois outils numériques de conception de caisson. Le « caisson vide » comprend seulement le caisson et les berceaux, le « presque vide » contient le caisson, les berceaux et les matériaux au piédestal et le modèle « à moitié vide » qui reprend tous les éléments du modèle « presque vide » et qui ajoute les cathodes. Les résultats et les temps de calcul sont analysés. Les résultats montrent que les trois modèles ont leur place dans la conception de caisson et qu’ils peuvent être utilisés selon des besoins précis.
Approche expérimentale
Dans son mémoire, Laberge [19] (2003) détermine la résistivité électrique et la conductivité thermique d’un lit de coke utilisé sur les cuves de type PI55 à l’usine Grande-Baie et ce, en fonction de l’épaisseur et de la température. L’expérimentation est réalisée en laboratoire sur un banc d’essais en considérant des conditions de préchauffage de cuve d’électrolyse. En 2004, Richard [6] présente la modélisation du comportement thermomécanique des matériaux non carbonés ainsi que sa mise en œuvre numérique et informatique dans le logiciel de calcul par éléments finis FESh++. Des lois de comportement adéquates pour les matériaux non carbonés des cuves Hall-Héroult sont dès lors disponibles. Toujours en 2004, D’amours [21] développe une loi thermo-chimio-mécanique pour la pâte monolithique. Ce développement de modèle est basé sur des observations expérimentales à température ambiante et à chaud. Cependant, tous les essais pour des niveaux de cuisson spécifiques sont réalisés à température ambiante.
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Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Chapitre 1 Introduction
1.1 Généralités
1.2 Procédé Hall-Héroult
1.3 Constituants d’une cuve d’électrolyse
1.4 Mise en opération d’une cuve d’électrolyse
1.5 Problématique
1.6 Objectifs
1.7 Méthodologie
1.8 État des connaissances
1.8.1 Approche numérique
1.8.2 Approche expérimentale
1.9 Présentation du mémoire
Chapitre 2 Formulation éléments finis des équations d’équilibre thermo-électro-mécanique en régime transitoire
2.1 Généralités
2.2 Description du problème électrique
2.3 Description du problème thermique
2.4 Description du problème mécanique
2.5 Couplage des équations d’équilibre
2.6 Stratégie de résolution
Chapitre 3 Construction du modèle discret
3.1 Généralités
3.2 Hypothèses debase
3.3 Description des composantes
3.3.1 GroupeTEM.
3.3.2 Groupe TCM
3.3.3 Groupe TM
3.3.4 Groupe TE
3.3.5 Groupe mécanique
3.3.6Interfaces TEM
3.3.7 Interfaces TM
3.3.8 Interfaces TE
3.3.9 Interfaces thermique
3.3.10 Interfaces mécaniques
3.4 Définition des conditions aux limites
3.4.1 Convection naturelle et/ou de rayonnement sur le caisson
3.4.2 Convection naturelle et de rayonnement sur les berceaux
3.4.3 Convection naturelle sur les anodes
3.4.4 Aspect électrique
3.4.5 Aspect mécanique
3.5 Construction du maillage
3.6 Pilotage et résolution
Chapitre 4 Étude du préchauffage d’une cuve d’électrolyse P
4.1 Généralités
4.2 Validation du modèle numérique
4.2.1 Étude de sensibilité
4.2.2 Comparaison du modèle avec mesures in situ
4.3 Étude d’un scénario de préchauffage
4.3.1 Résultats thermiques et thermochimiques
4.3.2 Résultats mécaniques
4.3.3 Résultats thermo-électro-mécaniques
4.3.4 Étude de corrélation
Chapitre 5 Conclusion et recommandations
5.1 Généralités
5.2 Rétrospective du mémoire
5.3 Recommandations et travaux futurs
Bibliographie
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