La compaction des anodes par le son

Étapes de fabrication des anodes

La fabrication des anodes en carbone utilisées comme électrodes (technologie des anodes précuites) dans la production de l’aluminium peut être résumée suivant quatre étapes .
Préparation de la pâte d’anode :Le coke calciné, les rejets d’anodes crues et cuites, les mégots recyclés sont broyés et mélangés suivant différentes granulométries des particules. Cet agrégat est préchauffé puis mélangé avec du brai liquide afin d’obtenir la pâte. Il existe différents types de technologie pour le broyage des particules, le préchauffage des agrégats et le malaxage de l’ensemble agrégats et brai liquide .
La compaction :La pâte d’anode obtenue précédemment est compactée à l’aide d’un vibrocompacteur ou d’une presse. On obtient ainsi des anodes crues qui sont ensuite refroidies. Il existe trois types de refroidissement utilisés: le bain d’eau, la douche d’eau et l’air . Notons qu’il est possible de faire une combinaison de deux de ces techniques. Les anodes cuites sont contrôlées avant d’être acheminées à l’étape suivante. Celles qui ne respecteront pas les critères serviront de matières recyclées.
La cuisson :Les blocs d’anode crue obtenus sont cuits dans des fours pendant un nombre de jours qui varie selon les usines. Cette durée varie entre 240 et 300 heures et est fonction du taux de chauffage. Il existe deux types de fours de cuisson utilisés dans l’industrie : les fours verticaux aussi appelés à toit fermé ou Riedhammer et les fours horizontaux aussi appelés à toit ouvert . La différence fondamentale réside dans la manière d’écoulement des gaz chauds à l’extérieur des puits. En outre, les fours horizontaux sont les plus utilisés en raison de leur capacité de production, de la qualité des anodes et surtout du coût d’investissement . Par ailleurs, l’étape de cuisson est de loin la plus couteuse des étapes de la fabrication des anodes et peut atteindre jusqu’à 60% du coût total de production des anodes . Les anodes cuites doivent répondre à des propriétés avant d’être utilisées dans les cuves d’électrolyse sinon elles serviront de rejets.
Le scellement :À cette dernière étape, les anodes cuites sont reliées à une tige en aluminium dont les extrémités sont en acier. La fonte est utilisée comme élément de liaison entre la tige (bout en acier) et les anodes. La fonte est un alliage de fer riche de 2,1 à 6,67 % de carbone (6,67 % étant le maximum); c’est donc l’élément idéal pour une telle liaison. De plus, une composition optimale de la fonte a été démontrée par plusieurs études afin de réduire les problèmes créés lors de la liaison entre la tige, la fonte et l’anode . On obtient des ensembles anodiques prêts pour les cuves.

Technologies de formage des anodes crues

Le formage des anodes crues peut se faire à l’aide d’une presse hydraulique ou d’un vibrocompacteur. La première machine est la plus ancienne et la seconde a fait son apparition plus tard en raison de la demande d’anodes de plus grandes dimensions . Ces deux systèmes présentent chacun des avantages et des inconvénients sur la qualité des anodes et sur le coût de production.
La presse hydraulique a un grand rendement, car le cycle de formage requiert un temps faible et sa maintenance est peu couteuse. En outre, le système ne nécessite qu’un minimum de refroidissement (qui est obligatoire) de la pâte d’anode avant le formage . Par ailleurs des essais d’améliorations continuent d’être apportés à cette vieille technologie telle que l’usage du vide pendant l’opération de compaction. Par ailleurs, d’autres tentatives ont consisté à un formage et une cuisson simultanée dans la presse. En 1980, une équipe américaine met en place un système permettant l’exécution de ces deux opérations en une seule étape. La brique de carbone obtenue présentait de meilleures propriétés . Plus tard en 1990 et 2000, Feng et al. ont utilisé la même technologie. Ils ont obtenu des anodes avec des densités atteignant 1,71 g/cm3, de meilleures propriétés électriques et mécaniques. Cependant la méthode était trop énergivore en plus du coût de la technologie; ce qui a conduit à la non-adoption de cette invention au plan industrielle. Afin de corriger la haute consommation énergétique, d’autres essais ont été mis en place . Dans ces nouvelles méthodes, la phase de cuisson a été retirée. Il s’agit donc de produire des anodes crues à haute température avec une pression élevée. Bien que cette technologie reste encore à l’échelle de laboratoire, elle donne des anodes crues ayant des densités élevées et de faible porosité. En outre, elle facilite la pénétration du brai dans les pores du coke grâce au passage d’un courant de faible intensité pendant l’opération de compaction. Ce qui peut contribuer plus tard à réduire la consommation des anodes pendant l’électrolyse.

Description du vibrocompacteur

La machine étudiée dans le cadre du projet est un compacteur vibrant à table coulissant. En effet, le formage des anodes par vibrocompaction permet un bon mélange du matériel, produit un bloc anodique bien compacté et surtout tend à éliminer les bulles d’air dans les blocs d’anodes . De plus, des études montrent que la consommation des anodes formées par vibrocompaction diminue dans la cuve d’électrolyse de 2,8% .
L’unité vibrante (table + moule) repose sur une construction coulissante et la table vibrante repose sur un système d’isolation vibratoire. Les isolateurs vibratoires ont évolué au fil du temps et on peut distinguer trois types: les ressorts en acier, les blocs de caoutchouc rigide et les coussins d’air comprimé en caoutchouc gonflables. De nos jours, les coussins d’air sont les plus utilisés en raison des avantages qu’ils offrent .Ce système (isolation vibratoire) amène par levage la table vibrante en position de vibration et par abaissement en position coulissante. Le cadre coulissant avec la table vibrante et le moule de l’anode se déplacent en position de remplissage et de vibration.
Deux unités à balourd à mouvement opposé montées sous la table vibrante servent d’excitateurs de vibrations . Les unités à cardan sont raccordées de l’extérieur à l’entrainement par des arbres à cardan. L’entrainement est assuré par un moteur électrique. Les unités de balourds tournent dans le sens opposé de sorte que les forces de déséquilibre s’exerçant dans le sens horizontal se neutralisent alors qu’elles s’ajoutent dans le sens vertical . À cet ensemble, il faut ajouter le couvercle qui se trouve au-dessus et qui comprend un système de charge aidant à compacter la pâte d’anode. À ce couvercle, est raccordé un système de vacuum qui crée le vide pendant la compaction. L’utilisation d’un tel système augmente la densité apparente de 0,02 g/cm3 avant la cuisson et de 0,015 g/cm3 après la cuisson. En plus de cela, la porosité est également améliorée .

Son et des exemples d’application

Son

Aussi connu sous l’appellation de vibration acoustique, le son est un mouvement des particules d’un milieu matériel de part et d’autre d’une position d’équilibre . Selon la norme ANSI/ASA S1.1-2013, le son est défini comme l’oscillation de la pression, de la contrainte, du déplacement de particules, de la vitesse de particules, etc., se propageant dans un milieu avec des forces internes (par exemple, élastique ou visqueux) ou bien est défini comme la superposition d’une telle oscillation propagée . Le son est caractérisé par sa fréquence ou sa longueur d’onde (qui est l’inverse de la fréquence), son amplitude, sa célérité et la direction. L’intensité sonore ou niveau permet également de caractériser le son. En outre, on peut utiliser deux grandeurs liées entre elles pour exprimer le niveau sonore: l’intensité acoustique en watts par mètre carré (W.m-2) ou la pression acoustique en pascals (Pa ou Newton par mètre carré, N.m−2). Cependant, on utilise rarement ces unités physiques dans la communication courante ; le décibel (dB) étant préféré. Par ailleurs, les sons sont répartis en trois groupes : les infrasons, les sons audibles et les ultrasons.
Les sons audibles sont les audiofréquences, correspondant à un domaine limité de fréquence appelé domaine audio, allant grosso modo de 16 Hz à 16 kHz. Selon d’autres auteurs, le son est audible dans un intervalle de fréquence compris entre 16 Hz et 18 kHz, variable suivant les individus, et qui diminue avec leur âge en ce qui concerne la limite supérieure des fréquences détectée par l’oreille humaine .

Exemples d’application du son

Les applications du son ou les méthodes acoustiques se retrouvent dans de nombreux domaines y compris la tuyauterie, la mécanique, la médecine, le génie civil, la biologie, la géologie, etc.
Des applications existent dans le domaine de la production de l’aluminium primaire . Elles sont en général appliquées dans les cuves d’électrolyse comme des méthodes non destructives servant à prévenir des anomalies pendant le fonctionnement des cuves (Söderberg et précuites). En outre, ces méthodes relient la qualité des anodes aux bruits dans les cuves . Cependant, la littérature nous donne peu d’informations de son usage dans le contrôle du procédé de la fabrication des anodes crues. Ainsi, des exemples d’applications similaires à notre cas seront explorés à travers d’autres domaines. Dans ce projet, c’est la plage de fréquence audible qui est utilisée comme signal à étudier. De plus, le milieu de transmission est l’air. Toutefois, nous passerons en revue d’autres applications de contrôle et d’optimisation utilisant différents milieux de transmission.

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Table des matières

CHAPITRE 1 :INTRODUCTION
1.1 Généralités
1.1.1 Procédé Hall-Héroult
1.1.2 Matières premières : le brai, le coke et les matières recyclées
1.1.2.1 Brai
1.1.2.2 Coke
1.1.2.3 Matières recyclées
1.1.3 Étapes de fabrication des anodes
1.1.3.1 Préparation de la pâte d’anode
1.1.3.2 La compaction
1.1.3.3 La cuisson
1.1.3.4 Le scellement
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Méthodologie
1.5 Originalité du projet
1.6 Contenu du mémoire
CHAPITRE 2 :REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1 Introduction
2.2 Technologies de formage des anodes crues
2.3 Description du vibrocompacteur
2.4 Les paramètres clés du vibrocompacteur et leurs impacts sur la qualité des anodes
2.4.1 La force de vibration
2.4.2 La fréquence de vibration
2.4.3 Le temps de compaction (ou le temps de vibration)
2.5 Son et des exemples d’application
2.5.1 Son
2.5.2 Exemples d’application du son
2.5.2.1 Machines tournantes
2.5.2.2 Soudage
2.5.2.3 Autres domaines
2.6 Conclusions
CHAPITRE 3 :MÉTHODOLOGIE
3.1 Méthodologie générale
3.2 Développement de l’application de son
3.2.1 Choix de la plage de fréquence F
3.2.2 Choix du nombre de points pour la moyenne n
3.2.3 Amélioration de l’interface
3.2.4 Automatisation des analyses
3.3 Choix des outils et des paramètres pour les mesures
3.3.1 Choix du microphone
3.3.2 Choix de la position du microphone
3.4 Tests et mesures à l’usine
3.4.1 Campagne de mesure de juin 2014
3.4.2 Campagne de mesure de mai 2015
3.4.3 Campagne de mesure de décembre 2015
3.5 Tests au laboratoire de l’UQAC
3.5.1 La fabrication des anodes au laboratoire
3.5.2 Analyse des sons
3.5.3 Caractérisation des anodes au laboratoire UQAC
3.5.3.1 Identification des échantillons
3.5.3.2 Mesure de la densité apparente [ASTM D5502-00]
3.5.3.3 Mesure de la résistivité électrique [ASTM D6120-97]
3.5.3.4 Test de compression uni-axiale
3.6 Validation
CHAPITRE 4 :SYSTÈME EXPERMENTAL
4.1 Introduction
4.2 Principe de fonctionnement
4.3 Études paramétriques
4.3.1 Choix du nombre de points (n) pour le calcul de la moyenne
4.3.2 Choix de la plage de fréquence F
4.4 Automatisation des analyses
4.4.1 Algorithme
4.4.2 Détermination du temps additionnel d
4.5 Amélioration de l’interface utilisateur
4.5.1 Visualisation des graphes
4.5.2 Communication entre l’application et l’utilisateur
4.5.3 Optimisation du stockage des données
4.6 Problèmes rencontrés et solutions proposées
4.7 Conclusions
CHAPITRE 5 :RÉSULTATS ET DISCUSSION 
5.1 Le choix du microphone et des positions de mesure
5.2 Caractérisation de la vibrocompaction
5.3 Résultats du laboratoire
5.3.1 Validation
5.3.2 Influence du type de brai sur le temps de compaction
5.3.3 Influence du type de coke sur le temps de compaction
5.4 Résultats de l’usine
5.4.1 Résultats de la campagne de juin 2014
5.4.2 Résultats de la campagne de mai 2015
5.4.3 Résultats de la campagne de décembre 2015
5.4.3.1 Résultats de la caractérisation selon la variation du taux de brai
5.4.3.2 Résultats de la caractérisation selon la variation de la pression
CHAPITRE 6 :CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
6.1 Conclusions
6.2 Recommandations

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