La production d'aluminium par le procédé de Hall-Héroult est influencée, entre autres, par la variation des propriétés de l'anode précuite en carbone. Les propriétés de celles-ci sont plus difficiles à contrôler en raison de la dégradation de la qualité et l'augmentation de la variabilité des propriétés des particules de coke de pétrole utilisées pour fabriquer les anodes en carbone. Actuellement, les propriétés du coke sont mesurées en laboratoire, sur des petits échantillons et sur une base peu fréquente. D'où l'importance de développer une méthode rapide et non destructive qui pourra être intégrée à la chaîne de production d'anodes et qui mesurera en temps réel les propriétés des particules de coke permettant d’ajuster la formulation de la pâte d’anode, telles que la densité apparente et la porosité ouverte des particules de coke. Dans une étude précédente, un montage d'analyse acoustique a été conçu et testé pour estimer la densité et la porosité des particules de coke en utilisant la transformée de Fourier (FFT) pour la décomposition en fréquences des signaux sonores, couplée à des méthodes de régression multivariées pour l'estimation de modèles prédictifs. Cette étude vise à améliorer les résultats de prédiction par l’utilisation de la transformée en ondelettes continue (CWT) et à appliquer la méthode proposée à des mélanges de particules de coke ayant une plus grande plage de variations dans leurs propriétés. Cette méthode de décomposition temps-fréquence permet d’obtenir une signature acoustique plus spécifique des particules de coke de différentes tailles et provenant de plusieurs fournisseurs. Le potentiel de l’approche proposée semble très prometteur en raison de la bonne capacité prédictive de la densité apparente et de la porosité ouverte des particules obtenues jusqu’à présent, sur des échantillons non-mélangés et mélangés provenant de différentes fournisseurs et tamisés en plusieurs fractions de tailles granulométriques. / The production of primary aluminum using the Hall-Héroult process is influenced by the variations in pre-baked carbon anode properties. Controlling their quality is a challenge due to the raw material quality degradation and variability. Petroleum coke is one of the main raw materials used to produce the carbon anodes. Currently, coke properties are measured in laboratory by using small samples and on an infrequent basis. Therefore, it is important to develop a fast and non-destructive sensing method that can be integrated into the anode production line in order to measure in real time coke particle properties allowing to adjust the anode paste formulation, such as the apparent density and open porosity of the coke particles. In a previous study, an experimental set-up based on an acoustic analysis was developed and tested to estimate the density and the porosity of coke particles. Fourier Transform (FFT) was used for frequency decomposition of the acoustic signals, and multivariate regression methods to analyze the FFT signal features and predict coke properties. This study aims at improving the predictive performance of the model by using the Continuous Wavelet Transform (CWT) and apply the proposed technique to mixtures of coke particles having a wider range of properties. This time-frequency decomposition method allows capturing the acoustic signature of coke particles of different sizes obtained from several suppliers. So far, the approach shows promising results for predicting the apparent density and the open porosity of mixed and unmixed coke particles obtained from different suppliers and sieved into several size classes.

Les anodes en carbone font partie de la réaction chimique de réduction de l'alumine, qui est consommée lors du procédé d'électrolyse Hall-Héroult. Le comportement des agrégats secs de coke en tant que composant principal des anodes de carbone (environ 85 %) a un rôle clé et exceptionnel dans leurs propriétés finales. L'analyse de défaillance des agrégats de coke sec permet non seulement de mieux comprendre les mécanismes de déformation des matériaux granulaires sous charge compressive, mais peut également identifier les causes potentielles de défauts structurels des anodes en carbone, telles que les fissures horizontales. Dans ce travail, il sera montré qu'un mode de défaillance particulier peut être responsable de la génération de fissures dans les anodes en carbone. Le comportement de rupture des agrégats de coke n 'est pas seulement affecté par les paramètres du processus de compactage, tels que la pression de confinement et la vitesse de déformation axiale, mais il dépend également fortement de la distribution granulométrique et de la forme des particules de coke. La méthode des éléments discrets (DEM) est utilisée pour modéliser le comportement micromécanique des agrégats de coke sec pendant le processus de compactage. De plus, le critère de travail de second ordre est utilisé pour analyser la rupture des éprouvettes de granulats de coke. Les résultats révèlent que l'augmentation de la pression de confinement augmente la probabilité du mode de diffusion de la rupture dans l'éprouvette. D'autre part, l'augmentation de la vitesse de déformation augmente les chances du mode de localisation de la déformation de la rupture dans l'éprouvette. De plus, les résultats indiquent que l'utilisation de fines particules ainsi que la diminution de la sphéricité des particules de coke augmenteront la plage de stabilité des agrégats de coke. De plus, en utilisant l'analyse des évaluations de contour de micro-déformation pendant le processus de compactage, il est montré que, à la fois en ajoutant des particules fines aux agrégats de coke et en diminuant la sphéricité des particules de coke, la possibilité de créer une bande de compression dans le coke agrégats est réduit. Étant donné que la présence des bandes de compactage dans la pâte d'anode crée une zone sujette à la génération de fissures horizontales, les résultats de cette étude pourraient conduire à la production d'anodes en carbone avec moins de défauts structurels. / Carbon anodes are part of the chemical reaction of alumina reduction, that is consumed during the Hall-Héroult electrolysis process. The behavior of dry coke aggregates as the main component of carbon anodes (about 85 %) has an exceptional key role in their final properties. The failure analysis of dry coke aggregates not only leads to a better understanding of the deformation mechanisms of granular materials under compressive loading but also can also identify the potential causes of structural defects in carbon anodes, such as horizontal cracks. In this work, it will be shown that a particular failure mode can be responsible for the crack generation in the carbon anodes. The failure behavior of the coke aggregates is not only affected by the compaction process parameters, such as the confining pressure and axial strain rate, but it is also strongly dependent on the size distribution and shape of coke particles. The discrete element method (DEM) is employed to model the micro-mechanical behavior of the dry coke aggregates during the compaction process. In addition, the second-order work criterion is used to analyze the failure of the coke aggregate specimens. The results reveal that increasing the confining pressure enhances the probability of the diffusing mode of the failure in the specimen. On the other hand, the increase of the strain rate augments the chance of the strain localization mode of the failure in the specimen. In addition, the results indicate the fact that the use of fine particles as well as decreasing the sphericity of coke particles will increase the stability range of the coke aggregates. Moreover, by using the analysis of micro-strain contour evaluations during the compaction process, it is shown that, both by adding fine particles to the coke aggregates and by decreasing the sphericity of coke particles, the possibility of creating a compression band in the coke aggregates is reduced. Since the presence of the compaction bands in the anode paste creates an area that is prone to horizontal crack generation, the results of this study could lead to the production of carbon anode with fewer structural defects.

Les propriétés physiques, mécaniques et chimiques des matières premières ont un effet majeur sur la qualité des anodes en carbone pour le procédé de production d’aluminium. Ce travail tente d’étudier la faisabilité de l’application de simulation de la Méthode des Élément Discrets (DEM) à la technologie de production d’anodes. L’effet de la forme des particules et de la distribution de leurs tailles sur la densité apparente vibrée (VBD) d’échantillons de coke sec est étudié. Les particules de coke sont numérisées en utilisant des techniques d’imagerie à deux et trois dimensions. Ces images donnent les formes et les aspects réels des particules qui sont utilisées pour les modèles DEM pour les tests VBD pour le codage de flux de particules (PFC). Le coefficient de friction interne des particules de coke est estimé par la méthode de mesure d’angle au repos. Les résultats ont montrés comme attendu, que la VBD des échantillons de coke est affectée par la forme et la distribution de taille des particules. Les simulations à deux dimensions ont confirmé qu’en général, les échantillons formés de particules de tailles poly-dispersées ont une VBD plus haute que ceux dont la taille des particules est mono-dispersée. De plus, la VBD des échantillons augmente lorsque la fraction de grosses particules augmente. Cependant, la présence de 10 % massique de particules fines est nécessaire pour remplir les pores entre les grosses particules. De même pour la simulation 3D, le modèle suit la tendance des données expérimentales montrant que dans une éprouvette de 2,9 cm de diamètre, l’augmentation de la quantité de particules de - 4+6 mesh (de 3,36 à 4,76 mm) engendre une augmentation de la VBD. En conclusion, un modèle DEM approprié est capable de prédire le réarrangement des particules et l’évolution de la densité pendant le processus de vibration. / Physical, mechanical and chemical properties of raw materials have considerable effects on quality of carbon anodes for aluminium smelting process. The present work attempts to investigate the feasibility of application of Discrete Element Method (DEM) simulations in anode production technology. Effects of coke particles shape and size distribution on vibrated bulk density (VBD) of dry coke samples are studied. Coke particles are digitized using two-dimensional and three-dimensional imaging techniques and real-shape particles are used in DEM models of VBD test in Particle Flow Code (PFC). Internal friction coefficient of coke particles were estimated by means of angle of repose tests. Results showed that, as expected, VBD of coke samples is affected by shape and size distribution of the particles. Two-dimensional simulations confirmed that in general, mixed-sized samples have higher VBD than mono-sized cokes and as the fraction of coarse particles increases vibrated bulk density increases. However, existence of 10 wt.% of fine particles to fill the pores between coarse particles is essential. For 3D simulations also, the model follows the trend of experimental data showing that in the container of 2.9 mm diameter, as the content of -4+6 mesh (3.36-4.76 mm) particles increase, VBD increases. It can be concluded that a well-tailored DEM model is capable of predicting the particle rearrangement and density evolution during the vibration process.