La qualité des matières premières utilisées lors de la fabrication des anodes en carbone pour la production de l’aluminium primaire par le procédé Hall-Héroult se dégrade de jour en jour. Afin de pouvoir améliorer la qualité et du fait même la durée de vie ainsi que les coûts de production de ces anodes, dans le cadre de ce projet, l’intérêt est porté au procédé de vibro-compaction. Ce procédé fait partie des étapes importantes de la fabrication des anodes en carbone. Actuellement, dans la plupart des industries; ce sont les vibro-compacteurs qui sont utilisés pour la production des anodes. Les vibro-compacteurs sont plus performants en plus d’avoir un meilleur rendement. Cependant, ces machines nécessitent un contrôle de même qu’un suivi en continu afin d’éviter des bris majeurs vu leur fonction de base qui est la vibration. L’objectif de cette étude est de comprendre ce procédé et ainsi faire le lien entre les paramètres de vibro-compaction et les propriétés mécaniques des anodes crues. La méthodologie élaborée pour répondre à la problématique et ainsi atteindre les objectifs de cette étude est basée simultanément sur des approches expérimentales et analytiques. L’approche expérimentale porte sur les caractérisations physiques et mécaniques des anodes industrielles et aussi sur les analyses des mesures vibratoires des vibro-compacteurs industriels et celui du laboratoire. Cette approche englobe également la fabrication des anodes en laboratoire avec des paramètres de vibro-compaction variables. Pour ce qui est de l’approche analytique, c’est le développement de modèles dynamiques du vibro-compacteur à un degré de liberté 1-DDL et à deux degrés de liberté 2-DDL qui ont été réalisés. La première campagne de caractérisation porte sur la cartographie des propriétés physiques et mécaniques dans les trois directions de quatre anodes crues industrielles formées avec le même matériel et les mêmes conditions de malaxage et de vibro-compaction. Les résultats obtenus montrent que la qualité des anodes produites est largement affectée par les vibro-compacteurs qui sont utilisés lors de la formation de ces anodes. Par la suite, une autre campagne de caractérisation plus poussée a été réalisée sur huit anodes industrielles crues, mais cette fois-ci en prenant des mesures vibratoires afin de comprendre ce qui se passe réellement au niveau de la mécanique de fonctionnement des vibro-compacteurs. Les anodes testées ont été formées avec des matières premières et des conditions de vibro-compaction variables. Les résultats obtenus montrent que les propriétés des parties du bas de ces anodes sont relativement faibles comparées à celles du haut dans tous les cas étudiés. Ce résultat est relié aux accélérations générées entre les tables de vibration et les tiges-guides des vibro-compacteurs. Une évaluation des principaux paramètres de vibro-compaction a été effectuée par l’équipe de vibro-compactage de la chaire UQAC-AAI sur le carbone. Les principaux paramètres ont été fournis à une entreprise externe pour la conception du vibro-compacteur du laboratoire. Par la suite, une calibration de ce vibro-compacteur a été réalisée en effectuant des mesures vibratoires. Des procédures de suivi et de diagnostic de l’état du vibro-compacteur du laboratoire ont été établies dans ce projet. Actuellement, tous ceux qui utilisent cet équipement suivent ces procédures afin de mieux contrôler leur fabrication d’anodes. D’un autre côté, des anodes à l’échelle du laboratoire ayant la même recette de pâte que le partenaire industriel ont été fabriquées avec des paramètres de vibro-compaction variables. Les résultats obtenus montrent les relations existantes entre la variation des paramètres de vibro-compaction et la qualité des anodes formées. Cette campagne a permis aussi de calculer expérimentalement la rigidité de la pâte d’anode qui par la suite a été intégrée dans un modèle dynamique à deux degrés de liberté du vibro-compacteur développé dans ce projet de recherche. Ce modèle à 2-DDL développé est unique, car il permet de simuler les vibrations générées par les vibro-compacteurs en prenant en considération une rigidité de pâte actuelle mesurée expérimentalement. La validation de ce modèle est réalisée avec les données tirées de la revue de littérature de même qu’avec les données expérimentales obtenues durant la réalisation de cette thèse. Au final, les travaux qui ont été réalisés durant ce projet ont permis d’avoir une meilleure compréhension du procédé de vibro-compaction de même qu’au niveau de la variation de la qualité des anodes crues. Cette étude a aidé à mieux diagnostiquer les problèmes mécaniques des vibro-compacteurs. The quality of raw materials used for the fabrication of anodes utilized, in primary aluminum production, by the Hall-Héroult process is degrading with time. In order to improve the quality, the life, and the production cost of anodes, this project focuses on the vibro-compaction process. This process is one of the important steps of carbon anode production. Nowadays, most of the anode manufacturing plants use vibro-compactors for the fabrication of anodes. The vibro-compactors perform well and have high efficiency. However, these machines require continuous control as well as monitoring to avoid a major breakdown due to vibration which is their basic function. The objectives of this study are to understand the vibro-compaction process and to identify the relationship between the vibro-compaction parameters and the mechanical properties of the green anodes. The methodology that has been developed to address the above issues and to achieve the objectives of this study is based on simultaneous experimental and analytical approaches. The experimental approach involves the physical and mechanical characterization of the industrial anodes as well as the analysis of the vibration measurements on the industrial and laboratory vibro-compactors. This approach also includes the fabrication of laboratory anodes using different parameters of vibro-compaction. The analytical approach covers the development of dynamic models of the vibro-compactor with one and two degrees of freedom (1-DDL and 2-DDL). The first characterization study was on the 3D mapping of the physical and mechanical properties of four industrial green anodes produced using the same raw material as well as mixing and vibro-compaction conditions. The analysis of results showed that the quality of the anodes was significantly affected by the vibro-compactors used to fabricate the anodes. Subsequently, an industrial measurement and characterization campaign was carried out on eight industrial green anodes; but this time, vibration measurements were also conducted in order to understand the mechanical aspect of the operation of the vibro-compactors. The anodes tested were fabricated using different raw materials and under various vibro-compaction operating conditions. The results showed that the properties of the bottom part of these anodes were relatively inferior compared to those of the top part for all the cases studied. These results were related to the differences in acceleration generated between the vibration table and the guide rod of the top charge of the vibro-compactors. The principal vibro-compaction parameters were evaluated by the vibro-compactor team of the Carbon Chair, and these were supplied to an external company for the design of the laboratory vibro-compactor. Then, the vibro-compactor was calibrated by carrying out vibration measurements. Procedures for the diagnosis and the monitoring of the state of the laboratory vibro-compactor were established in this project. All those who use this equipment follow these procedures now to better control the anode fabrication process. In addition, different vibro-compaction parameters were used to produce laboratory scale anodes with the same paste recipe applied in industrial anode production. The results showed the relationships between the vibro-compaction parameters and the variation in the quality of the anodes formed. The analysis in the current project also helped determine experimentally the rigidity of the anode paste which was later used in the dynamic model of the vibro-compactor with two degrees of freedom. This 2-DDL model is unique because it can simulate the vibrations generated by the vibro-compactor taking into consideration the rigidity parameter of the paste as a function of vibro-compaction time. The validation of this model was carried out using published data from the literature and experimental data obtained during the realization of this thesis. In conclusion, the work undertaken during this project led to a better understanding of the vibro-compaction process as well as its impact on the green anode quality depending on the conditions. In this study, diagnosis techniques have also been developed to determine the mechanical problems of vibro-compactors.

In cold regions, overhead line cables and their supporting structures are usually fully exposed to atmospheric icing. In addition, rising temperatures due to climate changes are expected to increase the risks associated with extreme weather events which in turn could possibly increase the frequency and severity of storms such as winter blizzards and ice storms. Atmospheric icing is one of the major problems in cold climate regions, which can cause serious damage to transmission line structures, such as overhead transmission networks. Towers or pylons, usually steel lattice structures, represent an important part of the cost of transmission lines. Ice deposits on exposed structures can be the source of several mechanical problems. On transmission line towers in particular, the loads due to heavy ice accretion, coupled with wind-on-ice loads, may lead to aerodynamic effects and cause structural damages, or failure and even cascading collapse of towers. The present investigation is mainly focused on the study of aerodynamic characteristics of angle member icing. The objective is to understand the influence of ice accretion on drag, lift and moment in respect to different ice profiles. In most of the previous experimental studies of ice effects on aerodynamic characteristics, aerodynamic bodies such as airfoils and wings were modeled, whereas in this research, the ice effects on bluff bodies is studied. Experimental models that explicitly consider different glaze ice profiles by including the thermo-physical properties of ice during accretion are proposed. Drag, lift and moment coefficient of those angle member reproduced using cement molded glaze ice profiles are thus measured in a wind tunnel. The models serve as a basis to study various criteria of atmospheric glaze ice effects in terms of aerodynamic coefficient and, aerodynamic forces. Various tower section geometries with glaze ice profiles can also be readily investigated using these models. Several aerodynamic scenarios of an angle member are simulated in order to investigate how variables including ice thickness, liquid water content (LWC), droplet size distribution (DSD) and Reynolds number affect the drag, lift and moment coefficients of an iced angle member subjected to air velocity. Ice morphology of an angle member for different aerodynamic angles and different model orientations are also explored in order to study the flow characteristics effects on ice accretion. Dans les régions froides, les câbles des lignes de transport et leurs structures sont généralement exposés au givrage atmosphérique. En outre, l'élévation des températures en raison des changements climatiques devraient accroître les risques associés aux phénomènes météorologiques extrêmes, qui à leur tour pourraient éventuellement augmenter la fréquence et la gravité des tempêtes telles que les tempêtes de neige hivernales et les tempêtes de verglas. Dans les régions au climat froid, le givrage atmosphérique est un des problèmes majeurs qui peut causer de graves dommages aux structures des lignes aériennes de transport de l’énergie électrique. Les pylônes, dont les structures sont normalement composées de treillis métalliques, représentent une part importante du coût des lignes de transport. Les dépôts de glace sur les structures exposées peuvent être la source de plusieurs problèmes mécaniques. Plus spécifiquement sur les pylônes des lignes électriques, les charges occasionnées par une épaisse couche de glace, couplées avec celles créées par le vent, peuvent entraîner des charges aérodynamiques excessives et causer des dommages structuraux, des bris ou même un effondrement en cascade des pylônes. Cette recherche a principalement porté sur l'étude des caractéristiques aérodynamiques des cornières sous l'effet du givrage. L'objectif était de comprendre l'influence de différents profils de glace sur la traînée, la portance et le moment aérodynamique. Dans la plupart des études expérimentales précédentes sur les effets de la glace sur les caractéristiques aérodynamiques, des corps profilés tels des ailes d’avion ont été modélisés alors que dans cette recherche, ce sont les effets de la glace sur des corps non profilés qui ont été étudiés. Des modèles expérimentaux tenant explicitement compte de différents profils de glace, tout en incluant les propriétés thermo-physiques de la glace durant l'accrétion, ont été proposés. Les coefficients de traînée, de portance et le moment des profils de glace reproduits à l’aide de ciment moulé sur une cornière ont été mesurés en soufflerie. Les modèles développés peuvent servir de base pour l’étude des effets de la glace atmosphérique, tels les coefficients aérodynamiques et les forces aérodynamiques. Différentes géométries de section de pylônes avec des profils de glace peuvent également être plus facilement étudiées à l'aide de ces modèles. Plusieurs scénarios aérodynamiques sont simulés afin d'étudier comment des variables, tels que l’épaisseur de la glace, la teneur en eau liquide, la taille des gouttelettes et le nombre de Reynolds, affectent les coefficients de traînée, la portance et le moment d'une cornière givrée soumise à un écoulement d'air. La morphologie de la glace accumulée sur une cornière, pour différents angles d’attaque aérodynamiques et différentes orientations de la cornière, est également explorée afin d'étudier l’effet des paramètres du vent sur une accrétion de glace.

L'inventeur du moteur à combustion interne à allumage par compression, l’allemand Rudolf Diesel était mû par la volonté de remplacer la machine à vapeur fonctionnant au charbon par un moteur alimenté par des carburants d'origine fossile avec un rendement plus élevé et aussi plus propre. Ces considérations demeurent d'actualité aujourd'hui plus qu'hier. La volonté du législateur en matière de respect de l'environnement a obligé l'industrie automobile à se pencher sur d’autres sources d’énergie moins polluantes ou autres que les hydrocarbures et aussi sur l'optimisation des moteurs de nos véhicules. Dans l'attente de la généralisation de motorisations encore moins polluantes (moteurs fonctionnant à l’hydrogène, pile à combustible, véhicule électrique...etc.), les moteurs alimentés par des carburants de substitution représentent une alternative intéressante au moteur fonctionnant avec les carburants conventionnels (essence et carburant diesel). L'objectif de cette thèse consiste à évaluer le potentiel d'utilisation du gaz naturel et d’hydrogène à l’état pur et en mélanges dans les moteurs à combustion interne, ainsi que le potentiel du moteur à combustion externe. Le sujet de recherche abordé dans cette thèse marque le début d'une collaboration entre trois équipes de recherche de trois universités: l’Université de Québec à Trois Rivières, Canada, l’Université Polytechnique de Kharkov, Ukraine et l’Université Nationale de l’Automobile et des Ponts et chaussées de Kharkov, Ukraine. Lors de mon premier stage qui s’est déroulé à l’Université Polytechnique de Kharkov, la recherche était axée sur l’utilisation de l’hydrogène à l’état pur dans les moteurs à combustion interne et sur l’élaboration d’un modèle d’optimisation du moteur à combustion externe. Un modèle mathématique de la phase combustion-détente dans un moteur fonctionnant à l’hydrogène a été réalisé et des tests sur un nouveau concept de moteur à combustion externe ont été effectués. Au cours du deuxième stage qui a eu lieu à l’Université Nationale de l’Automobile et des Ponts et chaussées de Kharkov, l'aspect expérimentation du moteur constituait la ligne directrice parallèle au premier stage. Ainsi, tests et calculs ont été réalisés pour un moteur fonctionnant avec du gaz naturel à l’état pur et un autre alimenté par un mélange gaz naturel/hydrogène. Ainsi, une méthode de calcul de la composition d'équilibre des produits de combustion du moteur à gaz à l'aide de la méthode Zeldovitch-Polarny a été élaborée et comparée avec les données expérimentales. Des tests expérimentaux d’un moteur à gaz converti à partir d’un moteur Diesel ont été réalisés et un modèle mathématique basé sur le modèle de Wiebe avec le calcul précis du paramètre de la combustion m a été élaboré. On a réalisé aussi des tests sur un moteur à gaz naturel avec ajout constant d’hydrogène et élaboré des cartographies pour le système de gestion avec microprocesseur de ce même moteur. Une approche analytique basée sur le modèle de Wiebe a été élaborée et des tests sur un moteur à petite cylindrée fonctionnant avec le mélange du gaz naturel comprimé et d'hydrogène ont été réalisés. Cette thèse est le fruit de travaux résultant de ce partenariat et constitue la fondation d'un axe de recherche porteur qui sera certainement poursuivi. The inventor of the compression ignition engine, German Rudolf Diesel was motivated by the desire to replace the coal fueled steam engine by an engine running on fossil fuels with a higher efficiency and also much cleaner. These considerations remain topical today more than ever. The will of legislator to ensure environmental compliance has forced the auto industry to focus on other alternate cleaner source of energy or other than hydrocarbons and also on engine optimization of our vehicles. While we await the generalization of even cleaner vehicles (hydrogen fueled engines, fuel cell, electric vehicle ... etc.), engines fueled by substitute fuels represent an interesting alternative to those operating on conventional fuels (gasoline and diesel). The objective of this thesis is to evaluate the potential of natural gas and hydrogen in pure form or mixed with other fuels, in internal combustion engines, as well as the potential of the external combustion engine. The research topic addressed in this paper marks the beginning of a collaboration between three research teams from three universities: the Université du Québec à TroisRivières, Canada, the National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Ukraine and Kharkov National Automobile and Highway University, Ukraine. During my first training course held at the Kharkov Polytechnic Institute, the research focused on the use of pure hydrogen in internal combustion engines and the development of an optimization model for an external combustion engine. A mathematical model of the combustion-expansion phase in a hydrogen fueled engine was developed and tests on a new concept of external combustion engine were carried out. In the second training course, which was held at the Ukraine and Kharkov National Automobile and Highway University, engine experimental aspect was the guideline parallel to the first training course. Thus, tests and calculations were carried out for an engine running on pure natural gas and another fueled by a mixture natural gas / hydrogen. A method of calculation of the equilibrium composition of the combustion products of the gas engine using the Zeldovitch-Polarny method was developed and compared with the experimental data. Experimental tests of a gas engine converted from a diesel engine have been carried out and a mathematical model based on the Wiebe model with the accurate calculation of the parameter of burning m was developed. We also carried out tests on a natural gas engine with constant addition of hydrogen and developed maps for the management system with microprocessor of the same engine. An analytical approach based on the Wiebe model was developed and tests on a small engine running on a mixture of compressed natural gas and hydrogen has been achieved. This thesis is the fruit of works resulting from this partnership and it is the foundation of a promising research axis which will certainly be continued in the future.

Dans l’industrie de l’aluminium de première fusion, les anodes en carbone sont consommées continuellement en grande quantité durant la réduction de l’alumine dans les cellules d’électrolyse. Les anodes sont fabriquées à partir du coke calciné, des mégots, des anodes recyclées et du brai de goudron de houille comme liant entre les particules des agrégats solides. Les anodes crues sont cuites dans des fours très larges où elles atteignent les propriétés voulues en termes de densité, de résistance mécanique et de conductivité électrique. La cuisson est l’une des plus importantes et la plus couteuse des étapes de production des anodes en carbone. Le fonctionnement approprié du four permet de fournir les anodes de bonne qualité. Un modèle mathématique 3D transitoire du four horizontal de cuisson d’anodes a été développé pour prendre en compte les phénomènes les plus importants se produisant durant la cuisson et parmi ces phénomènes : l’écoulement turbulent, la combustion du carburant, le transfert de chaleur par tous les modes, la dévolatilisation, la combustion des matières volatiles, l’infiltration de l’air et le transfert de masse des espèces chimiques qui interviennent durant la cuisson des anodes (combustion et dévolatilisation). Les prédictions du modèle global permettent de donner des informations très détaillés sur les différentes étapes de la cuisson des anodes dans le four. Le modèle 3D a été conçu afin de simuler le feu de cuisson en entier parcourant ainsi lors d’une seule simulation les trois phases de cuisson : le préchauffage, le chauffage et le refroidissement. En parallèle au développement du modèle, plusieurs campagnes de mesures ont été réalisées sur un four industriel. Les mesures ont servi à collecter un grand nombre de paramètres de la cuisson ainsi que leur variation durant le fonctionnement du four. Les mesures effectuées par le système de contrôle du four ainsi que les enregistrements des compagnes de mesures ont servi comme références pour comparer les prédictions obtenues du modèle. Une validation du modèle a été effectuée aussi à l’aide des différents résultats collectés. Les prédictions faites par le modèle sont très proches des mesures. Donc le modèle a été jugé fiable pour la reproduction des phénomènes qui se passent durant le fonctionnement du four. Le modèle mathématique 3D transitoire est décrit dans tous ses détails. Son utilisation en tant qu’outil de prédiction est présentée et permet de voir l’impact de n’importe quel paramètre géométrique ou opérationnel sur la cuisson des anodes. Le modèle donne la distribution de la température au niveau de toutes les anodes et la température maximale atteinte dans toutes les positions des anodes. Le modèle développé dans ce projet de recherche est parmi les modèles les plus complets construits à ce jour. La considération de la géométrie détaillée de toutes les composantes du four, la considération des phénomènes les plus importants lors de la cuisson, la résolution en détail de la cinétique de la dévolatilisation, la combustion de l’huile et de matières volatiles et la capacité à simuler le feu au complet représentent les points important d’originalité pour ce travail. Selon les résultats obtenus du modèle, il a été constaté que l’évolution de la température des anodes durant la cuisson est sensible à l’écoulement des gaz dans la cloison, la structure du four, les propriétés des matériaux du four et les paramètres d’opération tels que le débit du carburant. Le modèle est le seul capable de prédire les résultats de la cuisson dans le cas des déformations des cloisons du four horizontal. L’effet de la géométrie des entretoises et du nombre de briques entretoises dans la cloison et leur rôle dans les distributions de l’écoulement et de la température des anodes ont été montrés par le modèle. Il a été trouvé qu’une bonne distribution de l’écoulement assure une homogénéité du chauffage des anodes. Concernant la largeur de la cloison, les résultats ont montré que le chauffage des anodes est plus important pour la cloison la plus large du fait que le temps de résidence des gaz est relativement plus élevé pour permettre un échange de chaleur plus important entre les gaz et les surface des briques. Pour la taille des anodes, les résultats montrent que sa variation change la résistance thermique entre les gaz et les anodes. Une épaisseur raisonnable doit être présente entre les anodes et le mur afin de diffuser la chaleur et d’avoir des profils de température homogènes. Les propriétés thermiques des briques et des anodes ont été testées à l’aide du modèle ainsi que la variation de la quantité des matières volatiles dégagée par les anodes. Les résultats montrent l’importance de la variation des propriétés thermiques des anodes et leurs effets sur la cuisson. Pour les briques, une diffusivité thermique plus petite engendre une mauvaise distribution de la température et le contraire résulte en une consommation supplémentaire du carburant. Il a été trouvé que la variation de même 1% de la quantité des matières volatiles produit des écarts de température importants durant la cuisson des anodes. Enfin, la consommation du carburant et la déformation de la cloison changent les paramètres de la cuisson des anodes. La déformation de la cloison résulte en un chauffage non-homogène des anodes et la quantité de carburant consommée peut engendrer une sur-cuisson ou sous-cuisson des anodes. In the primary aluminum industry, carbon anodes are continually consumed in large quantities during the reduction of alumina in electrolysis cells. The anodes are made from calcined coke, recycled anodes, butts, and coal tar pitch as the binder between the particles of solid aggregates. The green anodes are baked in large furnaces where they reach the desired properties in terms of density, mechanical strength, and electrical conductivity. Baking is one of the most important and most expensive steps of carbon anode production. The proper operation of the furnace results in good quality carbon anodes. A transient 3D mathematical model was developed for horizontal anode baking furnaces that takes into account the most important phenomena occurring during baking such as turbulent flow, combustion of fuel, different modes of heat transfer, devolatilization, the combustion of volatiles, air infiltration as well as mass transfer for all chemical species. The predictions of the global model give detailed information in all stages of the baking of anodes in the furnace. The 3D model developed simulates the complete baking cycle in a single simulation which takes all three stages of baking (preheating, heating, and cooling) into account. In parallel to the model development, a number of industrial measurement campaigns were carried out in the plant. The campaigns provided a large range of data on baking parameters and their variations during the furnace operation. These data as well as the data collected by the furnace control system in the plant were used as reference for comparison with model predictions. Model validation was carried out using these measurements. The predictions of the model were found to be in agreement with the plant data showing that the model represents well all the phenomena taking place during baking. The transient 3D mathematical model is described in detail in the thesis. Its use as a predictive tool allows the understanding of the impact of any geometric or operational furnace parameter on the temperature distribution of all anodes and the maximum temperature reached in any position in the pit. The transient mathematical model developed in this project is one of the most complete models available. Consideration of the detailed geometry, the most important phenomena taking place during baking, the inclusion of volatile evolution in detail, the combustion of fuel and volatile matter as well as the simulation of a complete cycle for a baking furnace constitute the originality of this work. The results obtained from the model can be visualized in 3D for each time step of the simulation. The evolution of temperature during anode baking is sensitive to the gas flow in the flue, the furnace design, the properties of the materials, and the operating parameters such as fuel flowrate. Only a 3D model is able to simulate the baking process in a horizontal furnace with deformed flue walls. The effect of the geometry and the number of tie bricks in the flue, their role in the distribution of flow and anodes temperatures have been demonstrated by the model. It was found that a good flow distribution ensures a uniform heating of anodes. Regarding the width of the flue, the results showed that the heating of the anodes is more effective for larger flue because of the fact that the gas residence time is greater to allow a higher heat exchange between the gas and the brick surface. For the size of the anodes, the results show that the variation changes the thermal resistance between the gas and the anodes. There must be a reasonable thickness between the anodes and the wall to diffuse the heat and have a homogeneous temperature profile. The thermal properties of bricks and anodes as well as the variation in the devolatilization rate were tested using the model. The results show the importance of variable (temperature-dependant) thermal properties of anodes and their effects on baking. For bricks, a low diffusivity causes a non-uniform temperature distribution and a high diffusivity increases the fuel consumption. It was found that even 1% change in the amount of volatiles produced significant temperature variation during anode baking. Finally, the consumption of fuel and the deformation of a flue wall affect the anodes baking parameters. The deformation of a wall results in a non-homogeneous heating of anodes, and the amount of fuel consumed can cause over-baking or under- baking of the anodes.

La dispersion et la dissolution de l’alumine dans le bain électrolytique sont des étapes critiques au bon fonctionnement du procédé Hall-Héroult. La présence d’agrégats d’alumine dans le bain ou dans la couche de métal nuit à la fois au taux de dissolution de l’alumine et à la stabilité de la cuve. L’objectif de ce projet est de développer un modèle mathématique décrivant le comportement des agrégats d’alumine dans une cuve d’électrolyse. Les mécanismes de transfert de chaleur et de masse rencontrés durant la durée de vie d’un agrégat, tels que la solidification/fusion de la gelée, l’évacuation de l’humidité, l’infiltration par le bain, la transition γ-α, la dissolution interne et externe, ont été modélisés en utilisant la méthode des différences finies. La programmation du modèle mathématique a été effectuée dans le logiciel MatLab® et le logiciel FactSage® est utilisé pour les calculs d’équilibre thermodynamique. Des séries de simulations ont été effectuées pour des agrégats de 2, 5 et 10 mm de rayon afin de déterminer les paramètres ayant le plus d’impact sur leur durée de vie. Ces modélisations ont permis d’obtenir des corrélations reliant les principaux paramètres (concentration d’alumine dans le bain, surchauffe, composition du bain, vitesse d’écoulement) au taux de dissolution de l’agrégat. Dissolution and distribution of alumina in the electrolyte bath are critical steps for the proper functioning of the Hall-Heroult process. The presence of alumina agglomerates in the bath or in the metal pad affects both the alumina dissolution rate and the stability of the cell. The objective of this project is to develop a mathematical model describing the behavior of alumina agglomerate in an electrolysis cell. The mechanisms of heat and mass transfer encountered during the lifetime of an agglomerate such as the solidification/melting of the freeze, moisture evolution, infiltration by the bath, γ-α transition, internal and external dissolution, were modelled using the finite difference method. The programming of the mathematical model was performed in MatLab® and the software FactSage® is used for thermodynamic equilibrium calculations. A series of simulations were performed for agglomerates of 2, 5 and 10 mm radius to determine the parameters that have the greatest impact on their lifetime. These simulations have yielded correlations between the main parameters (alumina concentration in the bath, superheat, chemical bath composition, velocity) and the agglomerate dissolution rate.

Dans ce mémoire nous avons étudié la conductivité thermique, la diffusivité thermique, la capacité thermique et la granulométrie de produits du carbone comme le coke et l'anthracite. Ces propriétés thermo physiques ont été analysées dans la gamme de températures de 20 - 1 000° C. À faible température, une méthode en régime stationnaire (guarded hot plate technique) a été utilisée. Pour mesurer la diffusivité thermique jusqu'à 1 000°C, un dispositif basé sur un principe de chauffage monotonique, a été développé. La méthode flash a aussi été utilisée pour les mesures de certaines particules de grandes dimensions. De plus, la porosité et la granulométrie ont été déterminées. Pour l'interprétation des données expérimentales, des modèles faisant appel à des conductivités équivalentes ont été appliqués. La dépendance de la température sur les résultats fait l'objet d'une discussion.

Depuis des milliers d'années, les métaux ont pourvu aux besoins matériels des gens. L'aluminium ne fait pas exception, et est certainement l'un des métaux les plus prisé en raison de sa légèreté. Ce n'est que dans les années 1800 que sa fabrication (son extraction en fait) est rendu possible avec le procédé de Hall-Héroult. Aujourd'hui encore, ce procédé est le seul utilisé à l'échelle industrielle, et requiert un appareillage complexe impliquant les domaines thermique et électrique. Étant donnée que certaines parties de la cuve de Hall-Héroult sont particulièrement importantes, elles font l'objet d'études particulières. C'est le cas notamment des anodes et des cathodes. Le but de ce présent ouvrage était de comprendre et de quantifier les phénomènes de résistance de contact thermique et électrique se produisant à la cathode ainsi qu'à l'anode d'une cuve d'électrolyse. Ces données ont été traduites sous formes de loi de comportement. La problématique du mauvais transfert électrique et de chaleur entre deux matériaux provient du fait que les aspérités et les cavités des surfaces en contact créent un espace interstitiel entre les solides; il peut même y avoir une couche de gaz emprisonnée dans les cavités. Si bien que les deux surfaces ne se touchent qu'avec moins de 3% de leur surface apparente, même si une énorme pression est appliquée sur les solides. Cela crée un étranglement des lignes de courant aux points de contact réels, engendrant la résistance de contact. Il existe plusieurs modèles théoriques de résistance de contact thermique et électrique. Ces modèles sont cependant basés sur des hypothèses assez restrictives ainsi que sur des propriétés des matériaux qui peuvent être très difficiles à obtenir pour des températures élevées. Une méthodologie expérimentale a donc été préférée à une approche théorique. Un montage expérimental a été conçu et fabriqué dans les laboratoires de l'Université. Des échantillons ont été fabriqués à l'usine Alcan Grande-Baie. Une attention particulière a été prise pour que la fabrication des échantillons soit la plus fidèle possible à la réalité des scellements d'anode et de cathode des usines Aîcan. Plusieurs essais ont été réalisés sur les échantillons de fonte/carbone et de fonte/acier anodiques et cathodiques. Tel que prévu, les résistances de contact thermiques et électriques diminuent avec la pression et la température. Cependant il semble que les valeurs des résultats expérimentaux soient plus élevées que celles prédites par les modèles théoriques. En effet, les résistances électriques sont de 3 à 5 fois supérieures aux modèles théoriques, tandis que les résistances thermiques sont 2 à 3 fois supérieures aux différents modèles théoriques. De plus, un comportement monotonique entre les valeurs des résistances de contact et la température était attendu. Or, une variation non-monotonique, vers 500°C, a été observée de façon récurrente. Ces phénomènes « non attendu » ne seraient peut-être pas étrangers à certaines observations faites en laboratoire. Effectivement, un durcissement de la fonte en surface, un recuit de relaxation de la fonte, une formation d'oxydes de surface, une décarburisation de la fonte, des zones de soudure entre la fonte et l'acier ont été observés tout au long des essais en laboratoire. Ces perturbations métalurgico-chimique qui surviennent sans doute également en usine, pourrait sans doute expliquer la variation des valeurs expérimentales par rapport aux modèles théoriques, de même que la non-monotonicité des résistances de contact selon la température. Ces perturbations sont en majorité des mécanismes se produisant principalement à hautes températures (mis à part le durcissement de la surface de la fonte). Une validation de ces mécanismes serait pertinente pour bien comprendre toutes les variables relatives aux résistances de contact.

Le procédé Hall-Héroult, permettant la production de l'aluminium par electrolyse, est très énergivore et polluant. Le rendement de production de ce procédé se nomme efficacité de courant et est défini comme étant le rapport entre la production de métal réelle et théorique, obtenue par la loi de Faraday. La compagnie Process Performance Technologies a développé un projet dans le but d'augmenter l'efficacité de courant du procédé Hall-Héroult. Ce projet est divisé en deux volets distincts, soit la mise au point d'un système de contrôle ainsi que le développement d'un système d'analyse statistique incluant un modèle mathématique de prédiction d'efficacité de courant. Le travail de recherche de cette maîtrise, mené en collaboration avec la compagnie P.P.T., porte essentiellement sur le modèle mathématique de prédiction d'efficacité de courant. L'objectif principal était de valider et d'améliorer le modèle utilisée par P.P.T.. Pour ce faire, une large recherche bibliographique a été effectuée afin de comparer les équations du modèle P.P.T. à celles présentes dans la littérature. D'autre part, une banque de relations empiriques concernant les propriétés de l'électrolyte, tirées de la littérature, a été remise à la compagnie afin de permettre à l'utilisateur du système de choisir les équations les plus appropriées au type de bain qu'il utilise. Une étude approfondie, portant sur un des paramètres importants du modèle, l'épaisseur de la gelée, a aussi été effectuée. L'analyse de plusieurs modèles globaux à résistances thermiques a permis de mieux comprendre l'influence du coefficient de transfert de chaleur bain-gelée sur l'épaisseur de la couche de gelée. De plus, diverses modélisations numériques, réalisées à l'aide d'un logiciel commercial d'éléments finis, ont été effectuées afin d'étudier le comportement de la gelée et aussi dans le but d'obtenir une équation généralisée reliant les pertes de chaleur et l'épaisseur de la gelée.

Les travaux présentés ici ont pour objet l'étude fondamentale de l'écoulement gaz-liquide dans un canal ouvert vers le bas. Cette étude permettra de mieux comprendre l'effet des rainures de l'anode sur la cuve d'électrolyse. La complexité du phénomène étudié fait en sorte qu'il est nécessaire d'avoir recours à l'expérimentation en utilisant un modèle à eau de l'écoulement dans un canal ouvert. Ces expériences permettent tout d'abord de décrire en détail la morphologie de l'écoulement. Comme il a déjà été observé dans d'autres écoulements gaz-liquides, différents régimes d'écoulement sont répertoriés pour le canal ouvert vers le bas. La mesure de différentes variables dans l'écoulement notamment la fraction volumique des phases, la taille des bulles, de même que la vitesse des bulles et du liquide permet de mieux comprendre les régimes d'écoulement et les transitions et permettra l'élaboration et la validation d'un modèle mathématique de l'écoulement dans la rainure. En plus de s'intéresser à l'écoulement dans un canal ouvert vers le bas, les travaux réalisés ont permis d'étudier l'effet de cet écoulement sur la couche de bulles sous l'anode. Grâce à l'expérimentation sur un modèle à eau, les variables comme le taux de couverture par le gaz ou la distribution de la taille des bulles ont pu être mesurées sur une anode rainurée ou non. Des techniques non intrusives basées sur l'analyse d'image ont permis de recueillir toutes les données nécessaires sur l'écoulement. Les caractéristiques précises de l'écoulement étudié ainsi que la nature des mesures devant être effectuées ont rendu nécessaire le développement d'outils d'analyse d'image spécifiquement pour l'étude de l'écoulement dans la rainure. Ces outils utilisent les principes fondamentaux de traitement et d'analyse des images et peuvent être utilisés à la fois pour un écoulement confiné entre deux plaques ou le mouvement des bulles sous une surface.

Au cours des années doctorales, deux des principaux aspects concernant le rôle des bulles dans une cuve d'électrolyse ont été étudiés : l'écoulement engendré par celles-ci et l'augmentation de la résistance électrique causée par leur présence sous l'anode. Les quatre premiers chapitres de la thèse sont principalement dédiés au premier aspect tandis que le dernier porte sur la résistance électrique. Dans le premier chapitre, une modélisation numérique de l'écoulement engendré par les bulles a été effectuée. Pour la première fois, un modèle polyphasique euler-euler a été utilisé. Les résultats obtenus numériquement ont été comparés à ceux mesurés dans un modèle physique à eau. La comparaison a montré que le champ d'écoulement global est similaire dans les deux cas, mais que la grandeur du champ de vitesse est légèrement supérieure dans le cas du modèle numérique. Une partie de cette différence est attribuée au fait que les données quantitatives concernant le mouvement d'une bulle sous une surface légèrement inclinée n'étaient pas disponibles. Au deuxième chapitre, les influences de l'inclinaison de la surface, du volume des bulles et des propriétés du liquide sur le mouvement d'une bulle sous une surface légèrement inclinée sont étudiées expérimentalement. Pour l'ensemble des études réalisées, les bulles se déplaçaient en régime de mouillage complet, c.-à-d. que la bulle et la surface solide sont séparées par un mince film de liquide. Au chapitre 3, un capteur à fibres optiques a été développé pour mesurer l'épaisseur de ce film de liquide. Cette dernière est un paramètre important pour comprendre le rôle du film liquide sur le mouvement de la bulle. Le capteur tient compte de la perturbation engendrée par la présence de l'interface inférieure de la bulle. Par la suite, deux régimes asymptotiques du mouvement d'une bulle sous une surface ont été étudiés au chapitre 4. Le premier est dominé par la dissipation visqueuse associée à l'existence du film tandis que le deuxième est principalement contrôlé par l'inertie. Finalement, dans le dernier chapitre, un modèle mathématique qui évalue l'augmentation de la résistance électrique engendrée par la présence d'un grand nombre de bulles sous des conditions normales d'électrolyse est présenté. Le modèle mathématique proposé prend comme données d'entrée les sorties du simulateur de la couche gazeuse développé à l'Université du Québec à Chicoutimi. Auparavant, une étude quantifiant l'influence de la forme de la bulle sur l'augmentation de la résistance électrique est effectuée.