2.5.1 Cuisson des anodes
La qualité finale de l’anode dépend de la performance de l’opération de cuisson [44]. La cuisson est considérée comme l’étape la plus importante dans le processus de production des anodes durant lequel elles sortent de la chaine de préparation avec des caractéristiques qui permettent de résister à la fissuration. La phase de cuisson est l’étape la plus coûteuse de toute la chaine de production de l’anode. C’est aussi la phase dans laquelle les propriétés des anodes sont fixées. La qualité des anodes dépend (dans cette étape) de la technologie de cuisson utilisée [45]. Les paramètres de cuisson, la température et le gradient à l’intérieur de la chambre ainsi que le taux de chauffage ont une influence considérable sur les propriétés des anodes; à savoir, la densité, les conductivités électrique et thermique.
La cuisson des anodes est réalisée dans des fours caractérisés par plusieurs paramètres et où la température des anodes peut atteindre 1100 °C et plus. Pendant la cuisson, une partie du brai est dégagée sous forme de volatils, l’autre partie est cokéfiée et donne à l’anode sa forme rigide. Les anodes sont déposées dans les chambres du four avec une couverture de particules de coke de fine taille, et cela sert aussi pour remplir l’espace entre les blocs d’anode et les murs de la chambre. La chaleur est fournie en brûlant un carburant sur une période de plusieurs jours. De plus, les volatils libérés par les anodes sont utilisés pour le préchauffage et la cuisson des anodes. Le refroidissement des anodes est effectué avec de l’air qui récupère la chaleur de la masse des anodes en fin de cuisson. Cet air préchauffé est finalement utilisé à l’étape de cuisson. La manière d’injecter le fuel
dans le four a un effet considérable sur l’efficacité de l’opération de cuisson ainsi que la qualité des anodes cuites [46].
2.5.2 Fissuration provoquée par le processus de cuisson
Le processus de cuisson est assez complexe, car il y a plusieurs effets qui permettent de modifier la structure de l’anode. Dans cette étape, on distingue deux phases cruciales :
1. La cuisson entre le début et la température de 200 °C, 2. La cuisson entre 200 °C et 600 °C.
Pendant la phase une (1), la pression provoquée par les différents paramètres de mixage et du refroidissement du bloc d’anode crue est libérée. Cela conduit à une expansion de l’anode. Par conséquent, des contraintes se développent à l’intérieur de l’anode. Si ces contraintes dépassent une certaine limite critique, une fissure verticale apparaît au centre de l’anode. Dans la phase deux (2), la libération des volatils engendre un développement (augmentation) de la pression dans la majeure partie de l’anode. Si cette pression n’est pas suffisamment dégagée, une fissure verticale peut également être créée au centre de l’anode (comme le phénomène de la phase 1). Quand la température dépasse le point de distillation du brai, les volatils se dégagent à travers les micropores de l’anode, ils provoquent la formation de microfissures par le développement de ces pores. Il est donc important d’effectuer l’étape de cuisson en utilisant un taux de chauffage bien limité pour éviter de développer des fissures par augmentation de la pression.
Phase 1 : Libération des contraintes (surpression) internes
Selon la géométrie de l’anode, la surpression est orientée vers la surface et conduit à des fissures verticales passant par le centre de l’anode. D’autres types de fissuration sont provoqués si les contraintes déjà présentes à l’intérieur de l’anode atteignent un certain seuil lors du compactage et du refroidissement. Ces contraintes sont diminuées lorsque la viscosité du brai est assez faible. Il est possible de refroidir les anodes crues par l’air ou par l’eau (par pulvérisation ou dans un bain). Le processus de libération de la surpression emprisonnée à l’intérieur de l’anode est arrêté rapidement lorsque le refroidissement est réalisé par l’eau. Cela augmente encore de façon importante la pression dans l’anode. Dans le cas où le refroidissement est réalisé par l’air, le taux de chauffage pendant la cuisson peut se faire à une vitesse plus élevée [6].
Les taux maximums de chauffage, jusqu’à une température de 200 °C, sont : - 5 °C/h pour le refroidissement par l’eau,
- 100 °C/h pour le refroidissement par l’air.
Ces conditions sont valables pour les anodes formées par compression à une température de 120 °C. Un taux de chauffage élevé peut engendrer des fissures lors de la cuisson. Généralement, lorsqu’un taux de chauffage élevé est utilisé, l’opération demande plus d’énergie (surtout au début de cuisson) [47]. Selon Dagoberto et al. [48], un taux de chauffage maximum de 15 °C/h ne doit pas être dépassé pour éviter la formation des fissures.
Phase 2 : Volatilisation du brai
La qualité des anodes utilisées dans la cellule d’électrolyse dépend énormément de la phase de cuisson (leur durée de vie et leur consommation sont liées directement à la température finale de cuisson) [49]. Dans cette étape, l’apparition des fissures peut être provoquée par les procédés de préparation de l’anode ou par le dégagement des volatils du brai entre 200 C et 600 °C. Bien que ces deux mécanismes soient complètement différents et indépendants l’un de l’autre, la forme des fissures est identique dans les deux cas, ce qui rend l’origine exacte des fissures difficile à déterminer. La fissuration des anodes pourrait être provoquée par les gradients de température les plus élevés pendant la dévolatilisation du brai [50].
Le tableau 2.4 représente les différentes conditions publiées par les chercheurs décrivant les gammes et les taux de chauffage utilisés lors de la cuisson des anodes crues.
Tableau 2.4 : Différentes conditions de cuisson des anodes crues. Gamme de températures (°C) Taux de chauffage (°C/h) Température finale (°C) et le temps de maintien (h) Référence 20-150 100 1100 °C 20 h [51] 150-300 10 300-1100 50 20-150 100 1100 °C 20 h [52] 150-300 10 300-1100 50 200-600 10-14 1050-1200 °C [53] 20-150 100 1100 °C 20 h [54] 150-300 10 300-1100 50 Initiale-800 - 1100 °C (950-1250 °C) 20 h [55] 800-1100 - 200-600 <12 1100 °C [56] 200-600 10-14 1050-1200 °C [57]
L’augmentation du taux de chauffage de 10 °C/h à 15 °C/h entraine une augmentation de 36 % du flux maximum de composés volatils à partir de l’anode, aussi la pression interne maximale du gaz est augmentée de 36 % [58]. Une meilleure distribution du brai dans le bloc d’anode entraine une réduction de la pression interne (due à la dé- volatilisation) pendant la cuisson; cela conduit à une anode avec moins de fissures [59].