© Hanae Maali, 2018
Caractérisation physique, mécanique et électrique de la
pâte à brasquer et l'effet du vieillisement sur ses
performances
Mémoire
Hanae Maali
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Caractérisation physique, mécanique et électrique de la
pâte à brasquer et l’effet du vieillissement sur ses
performances
Mémoire
Hanae Maali
Sous la direction de :
Mario Fafard, directeur de recherche
iii
Résumé
La pâte à brasquer joue un rôle fondamental dans la durée de vie d’une cuve d’électrolyse et son efficacité énergétique. D’une part, elle empêche l’infiltration de l’aluminium liquide dans la cuve et, d’autre part, elle fait office de joint entre les blocs cathodiques ce qui les protège de la fissuration et de l’endommagement. Le vieillissement de ce matériau granulaire, en raison de l’évaporation des agents adoucissants assurant sa malléabilité à température ambiante, est susceptible d’influencer ses propriétés physiques, mécaniques et électriques. D’un autre côté, lors de la mise en forme de la pâte à brasquer, le liant présent dans sa composition libère des produits cancérigènes tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques, ce qui constitue un réel danger pour la santé. Afin de pallier cette problématique, plusieurs pâtes écologiques ont été développées. Toutefois, les propriétés physiques de ces nouvelles pâtes et leurs effets sur l’efficacité du procédé ne sont pas encore bien connus. Ce travail a pour objectif l’étude de l’effet du phénomène de vieillissement sur les propriétés physiques, mécaniques et électriques de la pâte à brasquer. Dans cette perspective, une pâte standard et une autre écologique ont été considérées. La caractérisation de l’effet du vieillissement est axée sur la mesure de grandeurs telles que la densité apparente, la perte de masse, le changement volumétrique, le module de Young, le coefficient de Poisson, la résistance à la compression et à la traction ainsi que la résistivité électrique. Les résultats de cette étude révèlent que le vieillissement de la pâte à brasquer affecte principalement la perte de masse après cuisson, le coefficient de Poisson ainsi que les propriétés mécaniques de la pâte crue.
iv
Abstract
The ramming paste plays a fundamental role in the life of an electrolysis cell and its energy efficiency. On the one hand, it prevents the infiltration of liquid aluminum into the cell and, on the other hand, it seals the cathode blocks which protects them from damage and ultimately from failure. The aging of the coal tar pitch based ramming paste, due to the evaporation of the softeners ensuring its malleability at room temperature, is likely to influence its physical, mechanical and electrical properties. Also, during the compaction of the coal tar pitch based ramming paste, the binder present in its composition releases carcinogenic products such as polycyclic aromatic hydrocarbons, which constitutes a real danger for health. To overcome this problem, several eco-friendly ramming pastes have been developed in recent years. However, the physical properties of these new pastes and their effects on the process efficiency are not yet well known. This work aims to study the aging effect on the physical, mechanical and electrical properties of the ramming paste. In this perspective, a standard coal tar pitch based ramming paste and an eco-friendly one were investigated. The characterization of the aging effect is focused on the measurement of quantities such as apparent density, mass loss, volumetric change, Young’s modulus, Poisson’s ratio, compressive and tensile strength as well as electrical resistivity. The results of this study reveal that the aging of the ramming pastes mainly affects the mass loss, the Poisson’s ratio and the mechanical properties of the green paste.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des figures ... vii
Liste des tableaux ... xiii
Remerciement ... xiv Chapitre 1 : Introduction ... 1 1.1. Généralités ... 1 1.2. Procédé de Hall-Héroult ... 2 1.3. Cuve d’électrolyse ... 2 1.4. Problématique ... 4 1.5. Objectifs ... 6 1.6. Méthodologie ... 6 1.7. Organisation du document ... 7
Chapitre 2 : Revue de littérature ... 8
2.1. Généralités ... 8
2.2. Pâte à brasquer ... 8
2.2.1. Rôle de la pâte à brasquer ... 8
2.2.2. Évolution de la pâte à brasquer ... 9
2.2.3. Pâtes écologiques ... 10
2.2.4. Vieillissement de la pâte à brasquer ... 12
2.3. Propriétés de la pâte à brasquer ... 14
2.3.1. Densité ... 14
2.3.2. Mise en forme des échantillons ... 17
2.3.3. Perte de masse ... 18
2.3.4. Expansion/rétrécissement ... 20
2.3.5. Propriétés mécaniques ... 21
2.3.6. Conductivité thermique et résistivité électrique ... 24
2.4. Conclusion ... 25
Chapitre 3 : Procédures expérimentales ... 27
3.1. Généralités ... 27
3.2. Pâtes à brasquer utilisées dans cette étude... 27
3.3. Stockage de la pâte à brasquer ... 27
3.4. Méthode de fabrication des échantillons ... 28
3.4.1. Description du compacteur mécanique ... 29
3.4.2. Description du système d’alimentation ... 31
3.4.3. Échantillons compactés en continu ... 33
3.4.4. Échantillons compactés en deux couches ... 34
3.5. Densité apparente ... 35
3.6. Cuisson des échantillons ... 36
3.7. Analyse de la distribution de la densité par tomodensitométrie à rayon X ... 39
vi
3.8.1. Module de Young ... 42
3.8.2. Coefficient de Poisson ... 43
3.8.3. Résistance à la compression ... 43
3.9. Essais de traction ... 44
3.9.1. Essai de traction directe ... 44
3.9.2. Essai brésilien ... 45
3.10. Résistivité électrique ... 47
3.11. Conclusion ... 49
Chapitre 4 : Résultats et discussions ... 50
4.1. Généralités ... 50 4.2. Courbes de calibration ... 50 4.2.1. Calibration de la densité ... 50 4.2.2. Perte de masse ... 52 4.2.3. Changement volumétrique ... 53 4.2.4. Résistance à la compression ... 55 4.3. Tomodensitométrie à rayon X ... 56
4.3.1. Échantillons compactés en continu ... 56
4.3.2. Échantillons compactés en deux couches ... 58
4.4. Étude du vieillissement ... 59
4.4.1. Densité apparente ... 59
4.4.2. Perte de masse ... 60
4.4.3. Changement volumétrique ... 63
4.4.4. Propriétés mécaniques de la pâte crue ... 65
4.4.4.1. Module de Young ... 65
4.4.4.2. Résistance à la compression ... 70
4.4.5. Propriétés mécaniques de la pâte cuite ... 75
4.4.5.1. Module de Young ... 75
4.4.5.2. Coefficient de Poisson ... 81
4.4.5.3. Résistance à la compression ... 82
4.4.5.4. Influence du temps entre la compaction et la cuisson des échantillons sur leurs propriétés...89
4.4.5.5. Résistance à la traction directe... 91
4.4.5.6. Résistance à la traction - essais brésiliens ... 93
4.4.6. Résistivité électrique ... 95 4.5. Conclusion ... 99 Chapitre 5 : Conclusion ... 100 5.1. Conclusion ... 100 5.2. Recommandations ... 102 Bibliographie ... 103 Annexe A ... 106
vii
Liste des figures
Figure 1-1: Schéma d’une cuve Hall-Héroult [6]. ... 3
Figure 1-2: Rétrécissement de la pâte à brasquer dans le joint périphérique, âge: 28 jours [9]. ... 5
Figure 1-3: Carbure d'aluminium (flèches rouges) dans les interfaces entre les couches de la pâte à brasquer, causé par le surcompactage de celle-ci [9]. ... 5
Figure 1-4: Joint de la pâte à brasquer avec une mauvaise liaison entre les couches [9]. ... 6
Figure 2-1: Schéma d’une cuve d’électrolyse [5]. ... 9
Figure 2-2: Croquis de quelques agrégats d’anthracite enrobés de liant [13]. ... 10
Figure 2-3: Évolution de l’indice de brasquage en fonction de l’âge de la nouvelle pâte NeO2 [11]. ... 13
Figure 2-4: Évolution de l’expansion volumétrique en fonction de l’âge de la nouvelle pâte NeO2 [11]. ... 13
Figure 2-5 : Résistance en compression (a) et en traction (b) en fonction de la densité crue. La partie ombragée montre la zone où les agrégats sont fragmentés [10]. ... 15
Figure 2-6: Résistivité électrique en fonction de la densité crue pour certains types de pâtes à brasquer [10]. ... 15
Figure 2-7: Comportement lors du compactage d'une pâte sèche en fonction de la température de compaction [17]. ... 16
Figure 2-8: Échantillon de la pâte à brasquer dans le moule représentatif du joint périphérique [18]. ... 17
Figure 2-9: Profil de densité d’un échantillon compacté en 10 couches en utilisant 170 impacts [19]. ... 18
Figure 2-10 : Effet de la densité crue sur la perte de masse à différentes températures de cuisson [20]. ... 19
Figure 2-11 : Pourcentage de la perte de masse pour les échantillons cuits à différentes températures [21]. ... 19
Figure 2-12 : Perte de masse de la pâte à brasquer durant la cuisson pour différents taux de chauffage [22]. ... 19
Figure 2-13: Courbes d’expansion/rétrécissement de la pâte à brasquer pour différents taux de chauffage [22]. ... 21
Figure 2-14: Courbes d’expansion linéaire durant la cuisson pour différentes pâtes à brasquer [23]. ... 21
Figure 2-15 : Infiltration du métal liquide à l’intérieure du revêtement [20]. ... 21
Figure 2-16 : Résistance à la compression en fonction de la température de cuisson [21]. ... 22
Figure 2-17 : Module de Young en fonction de la température de cuisson [21]. ... 23
Figure 2-18 : Coefficient de Poisson en fonction de la température de cuisson [21]. ... 23
Figure 2-19 : Évolution de la résistance en compression en fonction de la température de cuisson [13]. ... 24
Figure 2-20 : Conductivité thermique en fonction de la température de cuisson [23]. ... 25
Figure 3-1 : Contenants hermétiques destinés au stockage de la pâte à brasquer. ... 28
Figure 3-2 : Compacteur mécanique automatique et son système d'alimentation... 28
viii
Figure 3-4: Moule employé pour la fabrication des échantillons. ... 30
Figure 3-5: Pilon. ... 31
Figure 3-6: Impacts du pilon sur la surface de la pâte [25]. ... 31
Figure 3-7: Système d'alimentation utilisé. ... 32
Figure 3-8: Bras mélangeurs de la trémie d'alimentation. ... 32
Figure 3-9: Échantillon avant le démoulage. ... 34
Figure 3-10 : Mesures de la longueur et du diamètre nécessaires pour le calcul du volume de l’échantillon [27]. ... 36
Figure 3-11 : Exemple de la disposition de quatre échantillons dans le contenant de cuisson [28]. . 37
Figure 3-12: Boîte d’Inconel® employée pour la cuisson des échantillons. ... 37
Figure 3-13 : Four Pyradia utilisé pour la cuisson des échantillons. ... 38
Figure 3-14 : Courbe de cuisson de la pâte à brasquer. ... 39
Figure 3-15: Somatom Sensation 64 du centre de recherche INRS-ETE [29]. ... 40
Figure 3-16 : Instrumentation d’un échantillon lors d’un essai de compression sur la presse MTS 322. ... 41
Figure 3-17: Contrainte en fonction du temps pour l'essai de compression d'un échantillon de la pâte standard cuite. ... 42
Figure 3-18 : Courbe contrainte-déformation des trois cycles charge/décharge typique d’un échantillon de la pâte à brasquer standard cuite. ... 43
Figure 3-19: Échantillon durant un essai de traction directe sur la presse MTS 322... 45
Figure 3-20: (a) Configuration de l’essai brésilien (b) état de contrainte au sein de l’échantillon et (c) rupture de l’échantillon [35]. ... 46
Figure 3-21: (a) Essai brésilien sur la presse MTS 322 (b) Mode de rupture de l’échantillon... 47
Figure 3-22: Vue détaillée du gabarit utilisé [34]. ... 47
Figure 3-23: Montage utilisé pour la mesure de la résistivité électrique. ... 48
Figure 3-24: Résistivité électrique de la pâte à brasquer standard en fonction du courant appliqué. 49 Figure 4-1 : Courbes de calibration des densités apparentes pour la pâte à brasquer standard, crue et cuite, en fonction du taux d’alimentation. ... 51
Figure 4-2 : Perte de masse des échantillons de la pâte à brasquer standard en fonction de leur densité crue. ... 52
Figure 4-3 : Changement volumétrique des échantillons de la pâte standard en fonction de leur densité crue. ... 54
Figure 4-4 : Perte de masse en fonction du changement volumétrique des échantillons de la pâte standard. ... 55
Figure 4-5 : Résistance à la compression des échantillons cuits de la pâte standard en fonction de leur densité apparente crue ... 56
Figure 4-6 : Distribution de la densité le long d’un échantillon de la pâte à brasquer standard compacté en continu et cuit à 1000 °C. ... 57
Figure 4-7 : Distribution de la densité le long d’un échantillon de la pâte à brasquer écologique compacté en continu et cuit à 1000 °C. ... 57
Figure 4-8: Distribution de la densité d’un échantillon de la pâte à brasquer standard compacté en deux couches et cuit à 1000 °C... 58
Figure 4-9: Distribution de la densité d’un échantillon de la pâte à brasquer écologique compacté en deux couches et cuit à 1000 °C... 59
ix
Figure 4-10 : Densités apparentes crues et cuites des pâtes à brasquer, standard et écologique, en fonction de leurs âges. ... 60 Figure 4-11 : Perte de masse des pâtes à brasquer, standard et écologique, en fonction de leurs âges. ... 61 Figure 4-12: Perte de masse (axe des ordonnées à gauche) et densité crue (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard en fonction de son âge. ... 62 Figure 4-13: Perte de masse (axe des ordonnées à gauche) et densité crue (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique en fonction de son âge. ... 62 Figure 4-14 : Changement volumétrique de la pâte à brasquer standard et celui de la pâte écologique en fonction de leurs âges. ... 64 Figure 4-15: Changement volumétrique (axe des ordonnées à gauche) et densité crue (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique en fonction de son âge... 64 Figure 4-16: Changement volumétrique (axe des ordonnées à gauche) et densité crue (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard en fonction de son âge. ... 65 Figure 4-17 : Module de Young des pâtes à brasquer, standard et écologique, crues en fonction de leurs vieillissements. ... 66 Figure 4-18: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et densité (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard crue en fonction de son vieillissement. ... 67 Figure 4-19: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard crue en fonction de son vieillissement. ... 67 Figure 4-20: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard crue en fonction de son vieillissement. ... 68 Figure 4-21: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et densité (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique crue en fonction de son vieillissement... 68 Figure 4-22: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique crue en fonction de son vieillissement. ... 69 Figure 4-23: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique crue en fonction de son vieillissement. ... 69 Figure 4-24 : Résistance à la compression des pâtes à brasquer, standard et écologique, crues en fonction de leurs âges. ... 71 Figure 4-25: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et densité (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique crue en fonction de son vieillissement. ... 71 Figure 4-26: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique crue en fonction de son vieillissement. ... 72 Figure 4-27: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique crue en fonction de son vieillissement. ... 72 Figure 4-28 : Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et densité (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard crue en fonction de son vieillissement. ... 73 Figure 4-29: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard crue en fonction de son vieillissement. ... 73 Figure 4-30: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard crue en fonction de son vieillissement. ... 74 Figure 4-31: Mode de rupture d’un échantillon de la pâte à brasquer crue. ... 74 Figure 4-32 : Module de Young de la pâte à brasquer standard cuite en fonction de son âge. ... 76
x
Figure 4-33: Module de Young de la pâte standard cuite (axe des ordonnées à gauche) et sa densité crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de son âge. ... 76 Figure 4-34: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard cuite en fonction de son âge. ... 77 Figure 4-35: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard cuite en fonction de son âge. ... 77 Figure 4-36: Module de Young de la pâte standard cuite (axe des ordonnées à gauche) et celui de la pâte standard crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de l’âge de la pâte. ... 78 Figure 4-0-37 : Module de Young de la pâte à brasquer écologique cuite en fonction de son âge. .. 79 Figure 4-38: Module de Young de la pâte écologique cuite (axe des ordonnées à gauche) et sa densité crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de l’âge de la pâte. ... 79 Figure 4-39: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique cuite en fonction de son âge. ... 80 Figure 4-40: Module de Young (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique cuite en fonction de son âge. ... 80 Figure 4-41: Module de Young de la pâte écologique cuite (axe des ordonnées à gauche) et celui de la pâte écologique crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de l’âge de la pâte. ... 81 Figure 4-42 : Coefficient de Poisson des pâtes à brasquer, standard et écologique, cuites en fonction de leurs âges. ... 82 Figure 4-43 : Résistance à la compression de la pâte à brasquer standard cuite en fonction de son âge. ... 83 Figure 4-44: Résistance à la compression de la pâte standard cuite (axe des ordonnées à gauche) et sa densité crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de son âge. ... 83 Figure 4-45: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard cuite en fonction de son âge. ... 84 Figure 4-46: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte standard cuite en fonction de son âge. ... 84 Figure 4-47: Résistance à la compression de la pâte standard cuite (axe des ordonnées à gauche) et celle de la pâte standard crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de l’âge de la pâte. ... 85 Figure 4-48 : Résistance à la compression de la pâte écologique cuite en fonction de son vieillissement. ... 86 Figure 4-49: Résistance à la compression de la pâte écologique cuite (axe des ordonnées à gauche) et sa densité crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de son âge. ... 86 Figure 4-50: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et perte de masse (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique cuite en fonction de son âge. ... 87 Figure 4-51: Résistance à la compression (axe des ordonnées à gauche) et changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) de la pâte écologique cuite en fonction de son âge. ... 87 Figure 4-52 : Résistance à la compression de la pâte écologique cuite (axe des ordonnées à gauche) et celle de la pâte écologique crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de l’âge de la pâte... 88 Figure 4-53 : Mode de rupture d'un échantillon de la pâte à brasquer cuite. ... 88 Figure 4-54 : Résistance de la jonction des échantillons de la pâte à brasquer standard compactés en deux couches et cuits à 1000 °C en fonction de l’âge de la pâte. ... 92 Figure 4-55 : Résistance de la jonction des échantillons de la pâte à brasquer écologique compactés en deux couches et cuits à 1000 °C en fonction de l’âge de la pâte. ... 92
xi
Figure 4-56: Résistance de la jonction des échantillons de la pâte écologique cuite (axe des ordonnées à gauche) et leur densité crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de l’âge de la pâte. ... 93 Figure 4-57 : Rupture au niveau des extrémités de l’échantillon de la pâte standard. ... 93 Figure 4-58 : Rupture au niveau de la jonction entre les deux couches de l’échantillon de la pâte écologique... 93 Figure 4-59 : Résistance à la traction brésilienne des échantillons compactés en continu et cuits à 1000 °C de la pâte à brasquer standard en fonction de son âge. ... 94 Figure 4-60 : Résistance à la traction brésilienne des échantillons compactés en continu et cuits à 1000 °C de la pâte à brasquer écologique en fonction de son âge. ... 95 Figure 4-61 : Résistivité électrique des pâtes à brasquer, standard et écologique, cuites en fonction de leur âge. ... 96 Figure 4-62: Résistivité électrique de la pâte écologique cuite (axe des ordonnées à gauche) et sa densité crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de son âge. ... 97 Figure 4-63: Résistivité électrique de la pâte écologique cuite (axe des ordonnées à gauche) et son changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) en fonction de son âge... 97 Figure 4-64: Résistivité électrique de la pâte standard cuite (axe des ordonnées à gauche) et sa densité crue (axe des ordonnées à droite) en fonction de son âge. ... 98 Figure 4-65: Résistivité électrique de la pâte standard cuite (axe des ordonnées à gauche) et son changement volumétrique (axe des ordonnées à droite) en fonction de son âge... 98 Figure A-1: Perte de masse de la pâte standard cuite en fonction de sa densité crue. ... 106 Figure A-2: Perte de masse de la pâte écologique cuite en fonction de sa densité crue. ... 107 Figure A-3: Changement volumétrique de la pâte standard cuite en fonction de sa densité crue.... 107 Figure A-4: Changement volumétrique de la pâte écologique cuite en fonction de sa densité crue. ... 108 Figure A-5: Module de Young de la pâte standard crue en fonction de sa densité. ... 109 Figure A-6: Module de Young de la pâte standard crue en fonction de sa perte de masse. ... 109 Figure A-7: Module de Young de la pâte standard crue en fonction de son changement volumétrique. ... 110 Figure A-8: Module de Young de la pâte écologique crue en fonction de sa densité. ... 110 Figure A-9: Module de Young de la pâte écologique crue en fonction de sa perte de masse. ... 111 Figure A-10: Module de Young de la pâte écologique crue en fonction de son changement volumétrique. ... 111 Figure A-11: Résistance à la compression de la pâte standard crue en fonction de sa densité. ... 112 Figure A-12: Résistance à la compression de la pâte standard crue en fonction de sa perte de masse. ... 112 Figure A-13: Résistance à la compression de la pâte standard crue en fonction de son changement volumétrique. ... 113 Figure A-14: Résistance à la compression de la pâte écologique crue en fonction de sa densité. ... 113 Figure A-15: Résistance à la compression de la pâte écologique crue en fonction de sa perte de masse. ... 114 Figure A-16: Résistance à la compression de la pâte écologique crue en fonction de son changement volumétrique. ... 114 Figure A-17: Module de Young de la pâte standard cuite en fonction de sa densité crue. ... 115 Figure A-18: Module de Young de la pâte standard cuite en fonction de sa perte de masse. ... 115
xii
Figure A-19: Module de Young de la pâte standard cuite en fonction de son changement volumétrique. ... 116 Figure A-20: Module de Young de la pâte écologique cuite en fonction de sa densité crue. ... 116 Figure A-21: Module de Young de la pâte écologique cuite en fonction de sa perte de masse. ... 117 Figure A-22: Module de Young de la pâte écologique cuite en fonction de son changement volumétrique. ... 117 Figure A-23: Résistance à la compression de la pâte standard cuite en fonction de sa densité crue. ... 118 Figure A-24: Résistance à la compression de la pâte standard cuite en fonction de sa perte de masse. ... 118 Figure A-25: Résistance à la compression de la pâte standard cuite en fonction de son changement volumétrique. ... 119 Figure A-26: Résistance à la compression de la pâte écologique cuite en fonction de sa densité crue. ... 119 Figure A-27: Résistance à la compression de la pâte écologique cuite en fonction de sa perte de masse. ... 120 Figure A-28: Résistance à la compression de la pâte écologique cuite en fonction de son changement volumétrique. ... 120 Figure A-29: Résistivité électrique de la pâte standard cuite en fonction de sa densité crue. ... 121 Figure A-30: Résistivité électrique de la pâte standard cuite en fonction de son changement volumétrique. ... 121 Figure A-31: Résistivité électrique de la pâte écologique cuite en fonction de sa densité crue. ... 122 Figure A-32: Résistivité électrique de la pâte écologique cuite en fonction de son changement volumétrique. ... 122
xiii
Liste des tableaux
Tableau 2-1 : Comparaison de la teneur en HAP de la nouvelle pâte avec la pâte standard et la pâte
écologique [11]. ... 12
Tableau 2-2: Conductivité thermique et résistivité électrique à 1000 °C [16]... 25
Tableau 3-1: Quantité de la pâte à brasquer versée par seconde correspondant à chaque taux d’alimentation ... 33
Tableau 4-1: Propriétés de la pâte à brasquer standard. ... 90
Tableau 4-2: Propriétés de la pâte à brasquer écologique. ... 90
xiv
Remerciement
Avant tout, je remercie Dieu, qu’Il soit exalté, pour m’avoir donné la volonté et le courage à la réalisation de ce travail.
Je tiens à exprimer ma gratitude et ma plus haute reconnaissance à mon directeur de recherche Mario FAFARD pour son encadrement, sa disponibilité et la confiance qu’il m’a témoignée en acceptant de m’accueillir au sein de son équipe.
Je remercie très sincèrement mon codirecteur de recherche Houshang ALAMDARI pour son soutien, ses conseils et l’intérêt qu’il a porté à ce travail.
Je tiens à remercier Donald ZIEGLER et Jayson TESSIER d’Alcoa Inc. pour leurs disponibilités, leurs conseils ainsi que le matériel qu’ils m’ont fourni sans lequel ce travail n’aurait pas été possible.
Mes vifs remerciements s’adressent à Donald PICARD qui m’a supervisé tout au long de ce travail. Je tiens également à remercier Hugues FERLAND et Guillaume GAUVIN pour leurs soutiens techniques. Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde reconnaissance.
Je remercie Alcoa Inc., le conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, Mitacs-Accéleration et le centre de recherche sur l’aluminium - REGAL d’avoir permis la réalisation de ce travail sur le plan financier à travers la bourse d’étude qu’ils m’ont attribuée et tout le matériel mis à ma disposition.
Ma profonde gratitude s’adresse à mes parents qui ne cessent de me soutenir et de m'encourager. Les mots ne sauraient être suffisants pour les remercier. Un grand merci à mes sœurs et mes frères pour leur soutien inconditionnel et leur amour.
Je remercie chaleureusement mon cher époux pour ses encouragements, son soutien indéfectible, ses précieux conseils et sa confiance qui m’ont été d’un grand réconfort et ont contribué à l’aboutissement de ce travail.
Par crainte d’oublier de remercier toute personne ayant contribué au parachèvement de ce projet, je témoigne par le présent travail ma vive reconnaissance à tous ceux qui m’ont aidé de près ou de loin.
1
Chapitre 1 :
Introduction
1.1. Généralités
L’aluminium représente environ 8 % de l’écorce terrestre et constitue de ce fait un des métaux les plus abondants sur notre planète [1]. Il est retrouvé sous forme combinée dans environ 270 minéraux différents [1]. Cependant, son minerai principal est la bauxite qui se compose de 50 % d’alumine (oxyde d’aluminium Al2O3). Cette dernière est extraite du
minerai de bauxite à travers le procédé Bayer [1]. En raison de sa faible masse volumique, sa résistance à la corrosion et ses bonnes propriétés mécaniques [1], l’aluminium, dans sa forme pure ou alliée, est largement utilisé dans divers secteurs industriels tels que l’aéronautique, le transport, la construction, l’agroalimentaire, etc. En 2015, la production mondiale de l’aluminium primaire a atteint 58,3 millions de tonnes, dont les trois plus grands pays producteurs sont la Chine (32 millions de tonnes), la Russie (3,5 millions de tonnes) et le Canada (2,9 millions de tonnes) [2]. Au Canada, les entreprises productrices de l’aluminium sont Rio Tinto Aluminium, Alcoa Corporation et Aluminerie Alouette.
Dans ce chapitre, le procédé de Hall-Héroult et le principe de fonctionnement des cuves d’électrolyse sont succinctement présentés. Ensuite, la problématique ainsi que les objectifs de ce projet seront mis en exergue. Pour clore, la méthodologie envisagée pour réaliser le projet est décrite brièvement.
2
1.2. Procédé de Hall-Héroult
L’aluminium est produit à travers le procédé de Hall-Héroult, développé indépendamment et simultanément en 1886 par Charles Martin Hall (États-Unis) et Paul Héroult (France). Ce procédé consiste à dissoudre de l’alumine dans un bain électrolytique fondu à une température de 960 °C; différents additifs tels que le fluorure d’aluminium et le fluorure de calcium sont ajoutés au bain afin de réduire sa température de fusion à 960 °C [3]. Le bain est contenu dans une cuve d’électrolyse constituée principalement d’anodes, partiellement immergées dans le bain électrolytique, et de cathodes placées sous celui-ci. Ensuite, le passage d’un courant électrique de haute intensité entre les anodes et les cathodes, pouvant dépasser 400 kA, conduit à l’opération d’électrolyse. L’alumine réagit avec le carbone, présent dans l’anode, pour produire de l’aluminium liquide et du gaz carbonique selon la réaction chimique suivante[4] :
2Al2O3+3 C → 4 Al + 3CO2 (1-1)
Finalement, l’aluminium se dépose au fond de la cuve en raison de sa densité plus élevée que celle du bain électrolytique.
1.3. Cuve d’électrolyse
Bien que les alumineries fassent appel à des cuves d’électrolyse ne possédant pas exactement les mêmes caractéristiques et technologies, ces cuves opèrent en général selon les mêmes principes et partagent plusieurs éléments intervenant dans leurs conceptions. La figure 1-1 schématise une cuve de Hall-Héroult. Cette dernière se compose principalement de matériaux carbonés (anodes, blocs cathodiques, pâte à brasquer, etc.) et de matériaux réfractaires et isolants (briques réfractaires, panneaux isolants, etc.) contenus dans un caisson en acier. L’anode contribue à l’opération de l’électrolyse, tandis que les blocs cathodiques servent de contenants réfractaires pour le métal en fusion et conduisent l’électricité pour fournir une distribution uniforme en surface du courant électrique [5]. La pâte à brasquer joue, entre autres, le rôle de joints qui absorbent l’expansion thermique des cathodes. Les briques réfractaires et les panneaux isolants servent à protéger le caisson des effets corrosifs du bain électrolytique et à établir l’équilibre thermique de l’ensemble de la cuve d’électrolyse.
3
Figure 1-1: Schéma d’une cuve Hall-Héroult [6].
Avant que le bain d’électrolyte fondu ne soit versé dans la cuve, celle-ci doit être préchauffée de la température ambiante jusqu’à un niveau de température de l’ordre de 600 °C [7]. Actuellement, la méthode du préchauffage électrique est la plus utilisée dans l’industrie. Cette méthode consiste à appliquer le courant électrique progressivement par l’utilisation d’une série de résistances électriques. Au cours de cette étape de préchauffage, les anodes sont déposées sur un lit de coke résistif qui est étendu sur les cathodes. Le passage du courant électrique combiné à la résistivité électrique de ces matériaux génèrent une augmentation substantielle de la température de la cuve via l’effet Joule [5].
Cette opération de préchauffage électrique, qui peut durer entre 12 et 36 heures, est une étape clé pour la préservation de la cuve et son fonctionnement optimal. En effet, le préchauffage diminue considérablement la possibilité de chocs thermiques lors du versement du bain, protégeant ainsi les blocs cathodiques et la pâte à brasquer du phénomène de fissuration [6].
4
1.4. Problématique
L’industrie de l’aluminium a connu un grand développement au cours de ces dernières décennies et l’aluminium trouve de nos jours son application dans un grand nombre de secteurs industriels. Néanmoins, cette industrie demeure très énergivore et des efforts considérables sont déployés afin d’optimiser le procédé Hall-Héroult et de réduire sa facture énergétique. Dans ce contexte, parmi les défis majeurs pour l’industrie on cite, entre autres, l’optimisation du procédé à travers la réduction de la chute de voltage, la réduction des émissions des gaz à effet de serre (GES) ainsi que l’augmentation de la durée de vie des cuves d’électrolyse. Ce dernier point est d’un intérêt particulièrement vital pour l’industrie de l’aluminium. En effet, le remplacement d’une seule cuve d’électrolyse peut coûter, selon la technologie utilisée, entre de 80 000 $ à 500 000 $ [7]. Parmi les facteurs déterminants dans la durée de vie de la cuve d’électrolyse figure la qualité de la pâte à brasquer [8].
Les températures élevées au sein de la cuve d’électrolyse amènent certains de ses composants tels les blocs cathodiques à subir de l’expansion thermique. Afin d’éviter leurs endommagements, la pâte à brasquer est utilisée pour le scellement du revêtement cathodique. Cette pâte est soumise à d’importants chargements thermiques, mécaniques et chimiques durant le préchauffage et le démarrage de la cuve. Ces chargements entrainent des modifications au niveau de sa microstructure et influencent ses propriétés mécaniques. Une mauvaise qualité de la pâte à brasquer, de ses propriétés ou de sa mise en forme peuvent mener à sa fissuration, après le démarrage de la cuve, et éventuellement à son retrait excessif. De telles conséquences conduisent à l’infiltration de l’aluminium liquide et du bain dans le revêtement ce qui affecte considérablement la durée de vie de la cuve et son efficacité énergétique.
Plusieurs études ont révélé que la mise en forme de la pâte à brasquer ainsi que son rétrécissement excessif, dû à la solidification du liant, figurent parmi les causes principales de la défaillance d’une cuve [8-10]. Comme l’illustre la flèche de la figure 1-2, le rétrécissement de la pâte dans le joint périphérique a créé des ouvertures au niveau du plan cathodique, ce qui a causé l’infiltration du bain électrolytique à l’intérieure du revêtement, conduisant ainsi à la mort technique de la cuve après seulement 28 jours de fonctionnement [9]. De même, la figure 1-3 permet de visualiser plusieurs fissures entre les couches de la pâte à brasquer (indiqués par les flèches rouges). Ces fissures, causées par le surcompactage
5
de la pâte, ont conduit à l’infiltration du métal entre les couches, laissant derrière lui le carbure d’aluminium [9].
Figure 1-2: Rétrécissement de la pâte à brasquer dans le joint périphérique, âge: 28
jours [9].
Figure 1-3: Carbure d'aluminium (flèches rouges) dans les interfaces entre les couches de la pâte à brasquer, causé par le
surcompactage de celle-ci [9].
Il a été établi que l’ajout des agents adoucissants au liant assure la malléabilité de la pâte à brasquer à température ambiante. Vu que ces adoucisseurs sont des matières volatiles, le vieillissement de la pâte à brasquer est susceptible d’influencer ses propriétés physiques, mécaniques et électriques.
Lors de la mise en forme de la pâte à brasquer, le liant présent dans sa composition libère des produits cancérigènes tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), ce qui constitue un réel danger pour la santé. Afin de pallier à cette problématique et de se conformer aux nouvelles réglementations qui entrent progressivement en vigueur [11], de nouvelles pâtes écologiques ont été développées. Toutefois, les propriétés physiques de ces nouvelles pâtes et leurs effets sur l’efficacité du procédé ne sont pas encore bien connus. Outre ce qui a été mentionné plus haut, une mauvaise jonction entre les couches de la pâte à brasquer peut mener à l’apparition de fissures. Comme illustré dans la figure 1-4, une discontinuité de la densité entre les couches de la pâte à créer des ouvertures qui peuvent permettre au bain et à l’aluminium liquide de pénétrer dans le revêtement [9].
Pâte à brasquer Cathode
6
Figure 1-4: Joint de la pâte à brasquer avec une mauvaise liaison entre les couches [9].
1.5. Objectifs
Ce projet de maîtrise, réalisé au sein de la chaire de recherche industrielle CRSNG/ALCOA MACE3 de département de génie civil et de génie des eaux de l’université Laval, a pour objectif l’étude de l’effet du phénomène de vieillissement sur les propriétés physiques, mécaniques et électriques de la pâte à brasquer. Il vise notamment l’étude du problème de la délamination ayant lieu au niveau des jonctions entre les couches de la pâte à brasquer. Dans cette optique, deux types de pâte à brasquer, utilisées actuellement par le partenaire industriel Alcoa, ont été étudiés à savoir une pâte standard à base de brai de goudron (ancienne génération) et une pâte écologique (nouvelle génération).
1.6. Méthodologie
La méthodologie envisagée pour mener à terme ce projet repose sur l’étude de l’évolution des propriétés physiques, mécaniques et électriques en fonction du vieillissement de la pâte à brasquer. Les propriétés ciblées sont : la densité, la perte de masse, le changement volumétrique, le module de Young, le coefficient de Poisson, la résistance à la compression et à la traction ainsi que la résistivité électrique. Le partenaire industriel nous a fourni une pâte à brasquer standard et une deuxième écologique. Au moment de leur réception, correspondant à l’âge de 3 mois, celles-ci ont été divisées dans plusieurs contenants hermétiques. La campagne de mesures expérimentales s’est étalée sur une période de 10
7
mois. Dans ce qui suit, nous décrivons sommairement la méthodologie envisagée. Cette dernière sera présentée en détail au chapitre 3.
Des échantillons de 101,6 mm de diamètre et 203,2 mm de hauteur ont été mis en forme via une procédure de compaction, basée sur une alimentation continue et développée au sein de la chaire de recherche industrielle CRSNG/ALCOA MACE3 de l’université Laval. Cette procédure permet l’obtention d’échantillons d’une densité homogène, proche de celle obtenue en usine. Les échantillons compactés ont été cuits, puis analysés à l’aide de la tomographie à rayon X afin d’étudier la distribution de la densité tout au long de l’échantillon. Finalement, des essais de compression ont été réalisés à température ambiante sur des échantillons, crus et cuits à 1000 °C, pour évaluer le module de Young, le coefficient de Poisson et la résistance à la compression.
Il convient de rappeler que dans certaines alumineries, la pâte à brasquer est compactée en 6 couches où chaque couche possède une épaisseur de 150 mm [12]. Afin d’étudier la jonction entre les couches, des échantillons ont été compactés en deux couches, puis ils ont été cuits et analysés. Des essais de traction directe ont été réalisés sur ces échantillons pour déterminer leurs modes de rupture et leurs résistances à la traction.
Notons que la masse et le volume de chaque échantillon sont mesurés avant et après sa cuisson afin d’évaluer la perte de masse et le changement volumétrique. En ce qui concerne la résistivité électrique, un montage expérimental basé sur la norme ISO 11713 a été développé à cet effet.
1.7. Organisation du document
Ce mémoire comporte cinq chapitres. À la suite de cette introduction, une revue de littérature des travaux ayant un lien avec la pâte à brasquer sera présentée au second chapitre. Le troisième chapitre expose la méthodologie de la fabrication des échantillons ainsi que les procédures des essais expérimentaux. Le quatrième chapitre est dédié à la présentation des résultats obtenus ainsi que leurs analyses. Pour clore, le dernier chapitre présente les conclusions de ce travail et les recommandations pour les travaux futurs.
8
Chapitre 2 : Revue de littérature
2.1. Généralités
Ce chapitre constitue une revue de littérature des principaux travaux portant sur la pâte à brasquer et, plus particulièrement, ceux à caractère expérimental. La première section de ce chapitre est dédiée à la présentation de la pâte à brasquer, son rôle, les différentes pâtes existantes sur le marché ainsi que les résultats d’une étude récente sur le vieillissement d’une pâte écologique. La deuxième section est consacrée aux propriétés de la pâte à brasquer.
2.2. Pâte à brasquer
2.2.1. Rôle de la pâte à brasquer
La pâte à brasquer est compactée, à l’état cru, en plusieurs couches entre les blocs cathodiques ainsi qu’autour de ceux-ci (figure 2-1). Elle cuit progressivement durant l’opération du préchauffage de la cuve [13]. À la fin de cette opération, la pâte ne devrait pas être complètement cuite afin qu’elle puisse absorber une partie de l’expansion thermique des blocs cathodiques [6]. Sa cuisson sera complétée lors des premières heures du démarrage de la cuve. Le rôle principal de la pâte à brasquer est d’empêcher l’infiltration de l’aluminium liquide ou le bain dans le revêtement [13].
9
Figure 2-1: Schéma d’une cuve d’électrolyse [5].
2.2.2. Évolution de la pâte à brasquer
Au début des 1970, le liant utilisé dans la pâte à brasquer était identique à celui retrouvé dans les pâtes d’anodes ainsi que les cathodes [11]. De ce fait, la mise en forme de la pâte à brasquer dans les cuves nécessitait le préchauffage de celle-ci à la température de 140 °C [11], rendant ainsi les conditions de compaction difficiles. Dans ce contexte, l’ajout d’agents adoucissants au liant, conduisant à la diminution de la température de ramollissement du brai, a permis le développement au cours des années 1990 d’une nouvelle pâte à brasquer maniable à la température de 40 °C [11]. Actuellement, la compaction de la pâte à brasquer dans les cuves s’effectue à température ambiante [11].
Même après les améliorations faites dans la composition de la pâte à brasquer, cette dernière demeure dangereuse et néfaste pour la santé et l’environnement. Par conséquent, sa manipulation nécessite le port d’équipements de protection individuels [11].
La pâte à brasquer à base de brai de goudron, ou la pâte froide utilisée à grande échelle dans les alumineries, est un mélange d’agrégats d’anthracite calcinés et/ou de graphite et d’un liant à base de brai de goudron et d’huiles carbochimiques [13]. La figure 2-2 illustre quelques agrégats d’anthracite enrobés de liant qui sont présents dans la pâte à brasquer. En général, la pâte à brasquer est composée de 80 % à 85 % d’agrégats d’anthracite calcinés ou de graphite artificiel ou de coke et de 10 % à 15 % de liant. Le rôle du liant est de fixer les agrégats ensemble en mouillant et en lubrifiant suffisamment ces derniers et en remplissant
10
les pores [13]. Une quantité trop importante de liant peut engendrer des fissures dues au dégagement des matières volatiles lors de la cuisson de la pâte. Inversement, un manque de liant affectera ses propriétés mécaniques comme la diminution de la résistance mécanique. Ainsi, la quantité de liant composant la pâte est très importante, car elle influence directement le comportement physico-chimique de celle-ci [13].
Figure 2-2: Croquis de quelques agrégats d’anthracite enrobés de liant [13].
2.2.3. Pâtes écologiques
Lors de la mise en forme de la pâte à brasquer standard (à base de brai de goudron), le liant présent dans sa composition libère des produits cancérigènes tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), ce qui constitue un réel danger pour la santé. Or, les lois européennes (2004/107/CE), en vigueur depuis quelques années, exigent le remplacement des composants jugés cancérigènes par d’autres, moins dangereux et moins toxiques [11]. Ainsi, le développement de nouvelles pâtes à brasquer à faible toxicité respectant les normes européennes et possédant les propriétés requises au bon fonctionnement de la cuve est devenu une priorité.
11
Afin de pallier cette problématique, plusieurs pâtes à brasquer écologiques ont été développées. Parmi celles-ci figurent les pâtes à base du liant de résine de furane1 [14] et du
liant de résine phénol2-formaldéhyde3 [15]. L’étude de ces deux nouvelles pâtes a révélé que, non seulement, elles présentent une faible toxicité par rapport à la pâte standard, mais aussi elles possèdent des propriétés physiques meilleures que la pâte standard au niveau de la résistance à la compression, de la résistivité électrique, de l’expansion thermique et de la résistance à la pénétration du sodium [14, 15]. Néanmoins, ces pâtes écologiques contiennent tout de même un facteur toxique non nul, ce qui nécessite des équipements de protection et un suivi médical. De plus, le phénol est aussi classé comme étant cancérigène [11].
La compagnie Carbone Savoie, spécialisée dans le développement et la production des produits carbonés, a poussé les recherches encore plus loin. En 2011, elle a développé une pâte, appelée NeO2, qui ne contient aucun composant toxique selon les lois en vigueur [11]. Elle n’est basée ni sur un liant de résine ni de brai de houille ou de brai de pétrole. Allard et al. [11] ont réalisé une comparaison de la teneur en HAP entre la pâte à brasquer standard, la pâte écologique (basé sur le liant de brai de goudron chimiquement modifié pour diminuer les HAP les plus dangereux) et la nouvelle pâte NeO2. Les résultats de cette comparaison révèlent que la méthode utilisée pour la mesure des HAP ne détecte aucun composant HAP pour la pâte NeO2, contrairement aux autres pâtes (voir tableau 2-1).
1 Composé volatil organique incolore.
2 Extrait du goudron de houille obtenu par synthèse à partir du benzène. 3 Composé organique très volatil appartenant à la famille des aldéhydes.
12
Tableau 2-1 :Comparaison de la teneur en HAP de la nouvelle pâte avec la pâte standard et la pâte écologique [11].
Pour montrer le potentiel de ces nouvelles pâtes, une étude comparative des propriétés physico-chimiques de différentes pâtes a été réalisée [16]. Les pâtes à brasquer considérées dans cette étude sont : i) la pâte standard, ii) deux pâtes écologiques et iii) deux pâtes de nouvelle génération (NeO2 et CleO2). Les résultats de cette étude démontrent que les
nouvelles pâtes écologiques (NeO2 et CleO2) se caractérisent par une meilleure expansion
volumique, des propriétés mécaniques élevées et par l’absence totale d’émanations toxiques. Cependant, elles présentent un indice de brasquage plus élevé, ce qui signifie la nécessité d’une durée de compaction plus longue avec tout ce que cela implique comme coût. Ces pâtes ont d’ailleurs été utilisées dans les différentes cuves d’électrolyse des sites d’Emirates Global Aluminium (EGA) pour tester leurs performances. Les résultats montrent que ces nouvelles pâtes présentent un niveau de performance (résistivité électrique, distribution de courant, chute de voltage, etc.) similaire à celui des autres pâtes [16].
2.2.4. Vieillissement de la pâte à brasquer
Très peu de travaux ont été menés sur le vieillissement de la pâte à brasquer. Allard et al. [11] ont étudié l’évolution de deux propriétés, l’indice de brasquage et l’expansion volumétrique, de la pâte à brasquer NeO2 en fonction de son âge. Les chercheurs ont défini
13
après cuisson. Selon les auteurs, il est préférable que l’expansion volumétrique soit supérieure ou égale à 1 % pour éviter le rétrécissement de la pâte durant le démarrage de la cuve. L’indice de brasquage permet de déterminer le degré de mouillabilité de la pâte. Lorsque cet indice est important, on aura une pâte sèche, ce qui rend sa compaction difficile et nécessite beaucoup d’énergie de compaction. Inversement, un indice faible correspond à une pâte mouillée facile à compacter. Les figures 2-3 et 2-4 montrent qu’après 12 mois de stockage l’indice de brasquage a subi une légère augmentation, synonyme d’une pâte plus sèche, tandis que l’expansion volumétrique a connu une légère diminution qui, néanmoins, demeure supérieure au seuil de 1 % préconisé par les auteurs de l’étude. Basés sur ces deux résultats, les auteurs ont conclu que la durée de vie de cette pâte est d’au moins 11 mois.
Figure 2-3: Évolution de l’indice de brasquage en fonction de l’âge de la nouvelle pâte NeO2 [11].
Figure 2-4: Évolution de l’expansion volumétrique en fonction de l’âge de la nouvelle pâte NeO2 [11].
À la lumière de nos connaissances et de la revue de littérature effectuée, hormis le travail d’Allard et al. [11], nous n’avons trouvé aucune référence à un autre travail portant
14
sur l’effet du vieillissement de la pâte à brasquer, standard ou écologique, sur ses propriétés physiques, mécaniques et électriques.
2.3. Propriétés de la pâte à brasquer
2.3.1. Densité
Faaness et al. [10] ont souligné l’influence de la densité de la pâte crue sur ses propriétés mécaniques, thermiques et électriques après cuisson. Une compaction trop intense de la pâte peut causer l’écrasement des particules et donc la création de nouvelles surfaces qui ne sont pas mouillées par le liant, ce qui détériore ses propriétés physiques [10]. En effet, selon les figures 2-5 (a) et 2-5 (b) les résistances à la compression et à la traction évoluent linéairement en fonction de la densité de la pâte crue jusqu’à un certain seuil. Au-delà de ce seuil, les agrégats subissent de l’endommagement causant la diminution de la résistance de la pâte à brasquer. Cet écrasement des agrégats conduit notamment à l’augmentation de la résistivité électrique (figure 2-6). Toutefois, le niveau optimal de la compaction dépend de la recette utilisée pour chaque pâte (variation de la teneur en liant et granulométrie des agrégats). Dans cette optique, Sørlie et Øye [17] ont proposé un modèle mathématique pour prédire la densité de la pâte à brasquer et dont les paramètres représentent des indicateurs de la qualité de celle-ci. Selon cette étude [17], chaque pâte possède une température et une méthode de compaction appropriées. À titre d’exemple, comme l’illustre la figure 2-7, plusieurs impacts sont requis à température ambiante afin d’atteindre la densité maximale d’une pâte dite sèche, ce qui augmente le risque d’écrasement des particules, alors qu’à une température supérieure la même pâte peut facilement être compactée [17].
15
.
Figure 2-5 : Résistance en compression (a) et en traction (b) en fonction de la densité crue. La partie ombragée montre la zone où les agrégats sont fragmentés [10].
16
Figure 2-7: Comportement lors du compactage d'une pâte sèche en fonction de la température de compaction [17].
Afin de simuler les conditions de la consolidation de la pâte à brasquer dans la cuve d’électrolyse, Orangi et al. [18] ont placé un moule, ayant des dimensions représentatives des joints périphériques, à l’intérieur de la cuve. À l’aide d’une machine Brochot, une pâte à brasquer standard a été compactée en deux couches et en quatre étapes (figure 2-8). Ensuite, les chercheurs ont mesuré la distribution de la densité crue dans cet échantillon. Celle-ci se situe entre 1,51 g/cm3 et 1,76 g/cm3. Finalement, ils ont conclu que la densité crue moyenne de la pâte à brasquer dans les joints périphériques est égale à 1,61 g/cm3.
17
Figure 2-8: Échantillon de la pâte à brasquer dans le moule représentatif du joint périphérique [18].
2.3.2. Mise en forme des échantillons
Pour fabriquer des échantillons ayant la même densité que celle des joints périphériques et qui permettent d’avoir une déformation radiale significative (requise pour le calcul du coefficient de Poisson), St-Arnaud et al. [19] ont développé un nouveau compacteur mécanique, inspiré de la norme ASTM-D1557-09 et permettant la mise en forme de grands échantillons. Une description détaillée de ce compacteur sera présentée au chapitre suivant. Après avoir testé deux configurations de compaction en utilisant la pâte standard, St-Arnaud et al. [19] ont conclu que la compaction en 11 couches avec 14 impacts/couche en deux tours, et 275 g/couche permet l’obtention d’échantillons relativement homogènes avec une densité crue proche de celle obtenue par Orangi et al. [18]. La dernière couche est retirée après la cuisson, vu que c’est la partie la moins compactée de l’échantillon (figure 2-9).
18
Figure 2-9: Profil de densité d’un échantillon compacté en 10 couches en utilisant 170 impacts [19].
2.3.3. Perte de masse
Orangi [20] a étudié l’influence de la densité sur la perte de masse à différentes températures de cuisson. Le pourcentage de la perte de masse a été calculé, en se basant sur la norme ISO 20202, avec la relation suivante :
% crue cuite 100 crue m m m m (2-1)où mcrue et mcuite représentent les masses crue et cuite de l’échantillon de pâte à brasquer, respectivement.
Les résultats obtenus ont montré que la densité n’a aucune influence sur la perte de masse (figure 2-10) dans la gamme de densité étudiée [20]. Cependant, en augmentant la température de 200 à 350 °C la perte de masse a augmenté de 2 % à 7 %. Toutefois, la perte de masse est stable autour de 10 % pour les températures entre 445 °C et 1000 °C [20]. Ces résultats concordent avec les travaux de St-Arnaud et al. [21] présentés dans la figure 2-11. La légère différence au niveau de la perte de masse entre les deux travaux pour les températures allant de 350 °C à 1000 °C est due probablement à la variation des recettes de pâtes utilisées.
19 Figure 2-10 : Effet de la densité crue sur la perte de
masse à différentes températures de cuisson [20].
Figure 2-11 : Pourcentage de la perte de masse pour les échantillons cuits à différentes
températures [21].
Tremblay et al. [22] ont mené des essais thermogravimétriques sur des échantillons de pâte à brasquer à différents taux de chauffage. Les résultats, présentés dans la figure 2-12, révèlent que le taux de chauffage n’affecte pas la perte de masse.
Figure 2-12 : Perte de masse de la pâte à brasquer durant la cuisson pour différents taux de chauffage [22].
Cette perte de masse est attribuée au liant, étant donné que les agrégats d’anthracite ont déjà été calcinés [13]. Par ailleurs, D’amours [13] a résumé le comportement du liant du brai de houille de la façon suivante :
Ramollissement du brai : la viscosité du brai diminue au voisinage de la température de 100 °C ;
20
Distillation de l’huile : l’huile se volatilise entre 150 °C et 250 °C, causant l’augmentation de la viscosité du liant ;
Distillation du brai : les goudrons condensables se volatilisent entre les températures de 200 °C et 500 °C ;
Création d’un semi-coke : de 400 à 500 °C la composition du liant évolue par polymérisation et polycondensation ;
Carbonisation du semi-coke : entre 550 °C et 1000 °C les produits volatils plus légers s’éliminent modifiant ainsi la microstructure du matériau.
2.3.4. Expansion/rétrécissement
Durant l’opération de démarrage de la cuve, la pâte est soumise à d’importants chargements mécaniques (expansion thermique des blocs cathodiques, pression des gaz générés par la pyrolyse, gonflement, etc.). Au début de la cuisson, la pâte subit une expansion, autour des températures 100-150 °C, causée généralement par la pression des gaz ainsi que le dégagement des volatiles [6]. Ensuite, au voisinage de la température 300 °C la pâte se rétrécit à cause de la cokéfaction du liant [6]. Cette expansion et ce rétrécissement de la pâte à brasquer dépendent de la composition de celle-ci, de sa densité apparente, de la température et du taux de chauffage [22, 23]. L’influence du taux de chauffage et la composition de la pâte sont illustrées par les figures 2-13 et 2-14, respectivement. D’après la figure 2-13, les courbes d’expansion/rétrécissement ont à peu près la même tendance, quoique plus le taux de chauffage soit faible plus les réactions commencent à de basses températures et les déformations possèdent de faibles valeurs [22]. La figure 2-14 illustre l’évolution de l’expansion/rétrécissement de différentes pâtes à brasquer. Notons que les pâtes A et C sont analogues du fait qu’elles sont à base du même liant, alors que les autres pâtes, faites avec différents types de liants, présentent des comportements différents [23].
21 Figure 2-13: Courbes d’expansion/rétrécissement de
la pâte à brasquer pour différents taux de chauffage [22].
Figure 2-14: Courbes d’expansion linéaire durant la cuisson pour différentes pâtes à brasquer [23].
D’un autre côté, un rétrécissement important de la pâte à brasquer durant sa cuisson peut mener à l’infiltration du métal liquide et par conséquent à la défaillance de la cuve d’électrolyse [9] (figure 2-15). Pour remédier à ce problème, Faaness et al. [10] ont proposé de diminuer la largeur du joint périphérique. La valeur optimale de cette dernière pourra être calculée à partir des données sur le rétrécissement de la pâte et sur l’expansion des blocs cathodiques. En outre, une bonne formulation d’agrégats, de teneur en liant ainsi que le choix de ce dernier peuvent contribuer à réduire considérablement le rétrécissement de la pâte [10].
Figure 2-15 : Infiltration du métal liquide à l’intérieure du revêtement [20].
2.3.5. Propriétés mécaniques
Pour déterminer les propriétés mécaniques des échantillons de la pâte à brasquer, St-Arnaud et al. [21] ont mené des essais de compression à température ambiante sur des échantillons cuits à différentes températures. Les résultats montrent que le module de Young et la résistance à la compression dépendent de la température de cuisson de la pâte. Ceci a
Revêtement
Pâte à brasquer
22
été confirmé par Tremblay et al. [22]. Comme illustré dans les figures 2-16 et 2-17, entre 350 °C et 1000 °C la résistance à la compression et le module de Young ont augmenté de 1 MPa à 17 MPa et de 2 GPa à 6 GPa, respectivement. Quant aux températures de cuisson inférieures à 200 °C, Tremblay et al. [22] ont constaté que le module de Young et la résistance à la compression sont très faibles. Ceci a été expliqué par la grande déformabilité du liant à cette phase de cuisson. Cependant, pour le coefficient de Poisson, présenté dans la figure 2-18, aucune conclusion ne pourra être faite à cause de la dispersion des valeurs expérimentales qui pourrait s’expliquer par le mauvais alignement des appareils de mesures lors des essais expérimentaux ou par l’incertitude des valeurs enregistrées par les extensomètres puisque leur résolution est faible par rapport aux faibles valeurs des déformations radiales mesurées. Ce coefficient varie de 0,2 pour 500 °C à 0,17 pour 1000 °C, ce qui correspond à un matériau quasi fragile [21].
23
Figure 2-17 : Module de Young en fonction de la température de cuisson [21].
Figure 2-18 : Coefficient de Poisson en fonction de la température de cuisson [21].
Néanmoins, les résultats susmentionnés peuvent changer lorsque les essais de compression sont menés à haute température. Richard et al. [24] ont comparé la résistance à la compression des échantillons testés à haute température et ceux testés à température ambiante. Les résultats de la figure 2-19 montrent que pour les températures inférieures à 400 °C la résistance à la compression des échantillons testés à température ambiante est supérieure à celle des échantillons testés à haute température. Les chercheurs ont expliqué ceci par la faible viscosité du liant durant les essais à haute température [24].
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Figure 2-19 : Évolution de la résistance en compression en fonction de la température de cuisson [13].
Dans le but de caractériser l’effet de la température sur le fluage de la pâte à brasquer, des essais de fluage ont été menés par St-Arnaud et al. [21]. Les résultats révèlent que la déformation axiale du fluage la plus élevée correspond à la température 560 °C, tandis que la plus faible est celle obtenue à 1000 °C. Ainsi, les auteurs ont confirmé que la température de cuisson de la pâte à brasquer a une influence marquée sur le fluage de cette dernière [21].
2.3.6. Conductivité thermique et résistivité électrique
Allard et al. [16] ont mesuré la conductivité thermique et la résistivité électrique de cinq différentes pâtes à brasquer, cuites à 1000 °C. Les résultats de la résistivité électrique, consignés dans le tableau 2-2, indiquent trois catégories de pâtes : i) pâtes semi-graphitiques qui correspondent aux pâtes D et E puisqu’elles possèdent les valeurs les plus faibles, ii) pâtes 100 % anthracitiques concordant avec les pâtes B et C et iii) pâte A, faite probablement avec un autre type de matériau, étant donné sa grande résistivité électrique. Ainsi, le matériau utilisé dans la composition de la pâte à brasquer influence sa résistivité électrique. Pour ce qui est de la conductivité thermique, les résultats montrent que celle-ci varie entre 12 et 16 W/mK et qu’elle est légèrement affectée par la composition de la pâte à une telle température [16].
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Tableau 2-2: Conductivité thermique et résistivité électrique à 1000 °C [16]
Dans un autre travail, Allard et al. [23] ont déterminé l’évolution de la conductivité thermique en fonction de la température. Ils ont mené l’étude sur deux pâtes anthracitiques (A et B) et trois pâtes semi-graphitiques (C, D et E). Les résultats, illustrés dans la figure 2-20, révèlent que la conductivité thermique augmente en augmentant la température de cuisson.
Figure 2-20 : Conductivité thermique en fonction de la température de cuisson [23].
2.4. Conclusion
Les émanations générées par la pâte à brasquer standard à base de brai de goudron ont des effets néfastes sur la santé et l’environnement. De ce fait, la migration de la pâte standard vers la pâte écologique semble inévitable. Par conséquent, la caractérisation des pâtes écologiques, outre celles mentionnées dans ce chapitre, devient une priorité. Dans ce
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mémoire, l’étude sera menée sur une pâte écologique de dernière génération utilisée par Alcoa Corporation, partenaire industriel de ce projet.
Par ailleurs, peu de travaux ont jusqu’à présent étudié l’influence du vieillissement de la pâte à brasquer sur ses propriétés physiques, mécaniques et électriques. En effet, le seul travail portant sur le vieillissement de la pâte, présenté dans cette revue de littérature [11], n’étudie que l’évolution de deux propriétés en fonction de l’âge de la pâte, soit l’indice de brasquage et le changement volumétrique. Ainsi, la caractérisation de l’évolution d’autres propriétés physiques, mécaniques et électriques en fonction de l’âge de la pâte serait grandement bénéfique et est susceptible de contribuer à une meilleure compréhension du comportement de la pâte à brasquer.
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Chapitre 3 : Procédures expérimentales
3.1. Généralités
Dans le but de caractériser les propriétés physiques, mécaniques et électriques de la pâte à brasquer, des échantillons de laboratoire ont été fabriqués, cuits et testés. Le présent chapitre traitera les techniques relatives à la fabrication des échantillons, à la détermination de la densité apparente ainsi que la procédure de la cuisson. La distribution de la densité tout au long de l’échantillon sera aussi abordée. Finalement, une description des différents essais prévus pour caractériser la pâte à brasquer sera présentée. Ces essais portent sur la compression uniaxiale, la traction directe, la traction indirecte (ou essai brésilien) et la résistivité électrique.
3.2. Pâtes à brasquer utilisées dans cette étude
Les deux pâtes à brasquer utilisées dans cette étude ont été fournies par Alcoa. Il s’agit de la pâte à brasquer standard, utilisée depuis plusieurs années dans l’industrie, et la pâte à brasquer écologique, récemment introduite dans les usines d’Alcoa. Pour des raisons de confidentialité, les pâtes seront nommées standard et écologique sans divulguer ni leurs désignations commerciales ni leurs caractéristiques.
3.3. Stockage de la pâte à brasquer
Pour empêcher l’émanation des volatils de la pâte à brasquer, celle-ci est protégée par des bâches hermétiques dans l’usine. Afin de simuler ces conditions de stockage, au moment de la réception de la pâte, elle est divisée dans plusieurs contenants hermétiques et elle est
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stockée à température ambiante (figure 3-1). Notons que les pâtes utilisées dans cette étude avaient déjà l’âge de 3 mois au moment de leur réception.
Figure 3-1 : Contenants hermétiques destinés au stockage de la pâte à brasquer.
3.4. Méthode de fabrication des échantillons
La compaction de la pâte à brasquer est réalisée à l’aide du compacteur mécanique automatique M100-2 et de son système d’alimentation en continu développés au sein de la chaire MACE3 de l’université Laval (figure 3-2).
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3.4.1. Description du compacteur mécanique
Le compacteur mécanique est le même que celui utilisé par St-Arnaud et al. [19, 21]. Il est inspiré de la normeASTM D1557-09 [25]. Cette norme est utilisée en géotechnique pour consolider des échantillons de sol et pour déterminer la relation entre la teneur en eau et la densité du sol. Ce compacteur est composé d’un plateau rotatif, d’un moule et d’un pilon tel qu’illustré à la figure 3-3.
Figure 3-3: Compacteur mécanique automatique.
Le moule possède une forme cylindrique avec un diamètre interne de 101,6 mm (4 po) et une hauteur de 250 mm (9,8 po). Il est séparable en deux pièces pour un démoulage facile de l’échantillon. Afin d’assurer son alignement lors de la compaction, le moule doit se positionner sans oscillations au centre du plateau rotatif. Pour ce faire, un disque mince, ayant le même diamètre que celui du moule, est introduit à sa base. À noter que ce disque est vissé sur la plaque de maintien du moule et que celle-ci possède les mêmes dimensions que le plateau rotatif. Ensuite, le moule est maintenu en étau par des tiges filetées avec un disque, ayant un diamètre interne de 101,6 mm (4 po), placé à son extrémité supérieure de telle sorte
Pilon
Plateau rotatif Moule