Anode ACD Bain
3.1 Analyse post mortem des cuves industrielles
3.1.1 Description des technologies et des principaux paramètres
Un des objectifs du projet consiste à documenter les propriétés physicochimiques ainsi que la composition chimique de dépôts au centre de la cuve par des analyses post mortem de cuves industrielles. La technologie (I ; II), le type de bloc (graphitique ; graphitisé), les conditions de CDV et l’âge de chacune des cuves échantillonnées sont présentés dans le tableau 3.1.
Tableau 3.1 Informations sur les cuves analysées
Cuve Date de
réception Technologie Type de bloc Condition de CVD (jours) Âge
a 06-11-2012 I Graphitique (+) 1667 b 03-12-2012 I Graphitique (-) 1413 c 04-12-2013 II Graphitisé (+) 1204 d 01-07-2014 II Graphitisé (-) 2593 e 16-03-2010 II Graphitisé (- -) 601 f 01-04-2010 Inconnu Graphitisé (+) <800 g 10-11-2011 II Graphitisé (-) Inconnu h 18-04-2011 Inconnu Graphitisé (+) ~1000 i 07-06-2012 II Graphitisé (-) ~1000
Les échantillons industriels des cuves e, f, g, h et i ont été prélevés par le personnel de Rio Tinto et ont été préparés et analysés tels que reçus. Dès la réception, les dépôts ont été immédiatement entreposés dans une boîte à gants sous atmosphère d’argon afin de réduire la dégradation. Le positionnement exact des échantillons étant une information primordiale pour comprendre les facteurs de formation des dépôts de surface cathodique, l’échantillonnage subséquent des cuves a, b, c et d a été fait sur le site directement par l’équipe de recherche sur les technologies de l’aluminium de l’Université de Sherbrooke. Les échantillons ont été prélevés à la surface du bloc cathodique, dans le talus près de la paroi et dans le matériel de couverture d’anode. L’étude post mortem des cuves échantillonnées par l’équipe de l’Université de Sherbrooke a permis la classification de l’ensemble des dépôts suivants :
35 - Dépôt au centre de la cuve (Zone 1)
- Dépôt mince dans la zone intermédiaire (Zone 2) - Dépôt sur les côtés de la cuve
o Pied de talus (Zone 3)
o Base du pied de talus et/ou talus vis-à-vis la nappe d’aluminium (Zone 4) o Talus vis-à-vis du bain électrolytique (Zone 5)
La figure 3.1 montre une coupe transversale d’un bloc cathodique avec la position des échantillons observés par l’équipe de l’Université de Sherbrooke.
Figure 3.1 Positions des dépôts pris dans les cuves d’électrolyse a, b, c et d.
Pour compléter l’étude des dépôts, il aurait été utile d’accéder à des échantillons de dépôt incrustés dans la nappe d’aluminium refroidie ainsi que du matériel de couverture d’anode du côté du talus et entre les anodes juste avant l’arrêt de la cuve. Pour des raisons techniques, cela n’a pas été possible. Ceci étant dit, des dépôts épais incrustés dans la nappe d’aluminium refroidie ont bel et bien été observés. L’auteur pose l’hypothèse que leur composition était similaire à celle du dépôt épais qui était toujours présent à la surface du bloc cathodique mais
36 suggère toutefois en travaux futurs que des analyses soient effectuées. De plus, du matériel de couverture d’anode a été étudié [Zhang et coll., 2013 et Allard et coll., 2015b] et sa composition chimique semble assez bien comprise. Les figures 3.2 et 3.3 présentent une cuve typique de la technologie I et de la technologie II avant leur autopsie :
Figure 3.2 Surface du bloc cathodique d’une cuve de la technologie I.
Figure 3.3 Surface du bloc cathodique d’une cuve de la technologie II.
Lors de l’autopsie, la référence par rapport au point d’injection n’était significative que pour les dépôts au centre de la cuve, et ce, uniquement pour les cuves de la technologie II. Dans le cas des pieds de talus, la différentiation surtout en termes de longueur entre l’aval et l’amont a été observée. Cette différence de longueur de pied de talus est prédite par la position des montées anodiques et démontrée par un modèle MHD-thermique [Safa et coll., 2009]. La cartographie des pieds de talus accompagnée du profil de vitesse du métal sur quatre cuves échantillonnées par l’équipe de recherche de l’Université de Sherbrooke. Des données du
37 gradient thermique à l’interface du bloc cathodique ont aussi été fournies et sont traitées dans le cadre du chapitre 7.
3.1.2 Méthodes d’échantillonnage
Selon la catégorie de dépôt, plusieurs techniques d’échantillonnage ont été utilisées. Les dépôts au centre de la cuve (Zone 1 et Zone 2) et certains échantillons du pied de talus (Zone 3) ont directement été échantillonnés à l’aide d’une carotteuse. Cette méthode d’échantillonnage permet de conserver l’intégralité de l’interface carbone-dépôts et facilite l’analyse des échantillons par microscope. La figure 3.4 présente les étapes sommaires de la préparation de l’échantillon du centre de la cuve provenant d’une carotte.
Figure 3.4 Préparation d’un échantillon prélevé à l’aide d’une carotteuse.
L’interface bloc-dépôt est caractérisée par microscopie optique et par microscopie à balayage électronique. La partie au-dessus du bain est ensuite séparée du bloc et elle est broyée. La poudre est ensuite caractérisée pour en connaître la composition. Les étapes de caractérisation sont détaillées dans la section « Méthode d’analyse de laboratoire ». Le pied de talus se prête moins bien à l’échantillonnage par carotteuse puisque ses propriétés le rendent très dur à extraire avec cet équipement. La présence d’aluminium dans ces dépôts semble faire glisser les dents de la scie-cloche et celle-ci a tendance à se briser rapidement, rendant par conséquent l’échantillonnage par cette méthode très coûteuse. C’est pourquoi il n’y a qu’un seul échantillon qui a été pris de la sorte dans la cuve c et un seul dans la cuve d. Lorsque des dépôts sont présents sur une grande superficie, il est possible de prélever un morceau d’un bloc de carbone avec son interface pour faire une étude de surface. La hauteur de l’interface est mesurée à différentes positions et la partie au-dessus du bloc est grattée pour analyser la composition. Un schéma est illustré à figure 3.5.
Microscope optique MEB-EDX Broyage DRX LECO Quantification de l’amorphe
38 Figure 3.5 Préparation d’un bloc de carbone et de son interface.
Ces deux méthodes d’échantillonnage permettent donc d’étudier les dépôts à la surface du bloc, mais aussi d’observer et caractériser les veines de carbure d’aluminium.
Les échantillons de talus, pied de talus et de couverture d’anode sont échantillonnés selon la méthode de la figure 3.6. Cette méthode consiste à briser des dépôts solides à l’aide d’un marteau, ou autre outil, afin d’obtenir un échantillon représentatif de la zone visée. Les coordonnées de l’échantillon dans la cuve ainsi que l’orientation de l’échantillon dans la cuve doivent être notées systématiquement afin de produire une étude comparative.
Figure 3.6 Préparation d’un dépôt à l’interface cathodique.
Ces échantillons sont broyés jusqu'à ce que le diamètre des particules soit inférieur à 250 µm. Les particules d’apparence grise avec des reflets métalliques sont plus difficilement broyables avec un broyeur à billes traditionnel. Ces particules ont été pesées et l’analyse de celles-ci a montré une présence majoritaire d’aluminium (Annexe A).