La production de l'aluminium primaire est réalisée par le procédé Hall-Héroult dans des cuves d'électrolyse. La cuve d'électrolyse se compose principalement de matériaux carbonés, tels que les cathodes en carbone et les anodes en coke de pétrole qui jouent le rôle d'électrodes. Les cathodes représentent le fond de la cuve d'électrolyse et elles sont disposées de manière à laisser un espace entre elles pour permettre leur expansion à haute température. Ces espaces sont remplis par un matériau carboné nommé la pâte à brasquer. Cette pâte est constituée d'agrégats d'anthracite/graphite et une matrice liante. Il existe différents types de pâte à brasquer sur le marché où, la différence principale est située dans la composition de la matrice liante. Une pâte à brasquer à base de brai de houille comme matrice liante est utilisée depuis longtemps et son comportement dans les cuves d'électrolyse est bien connu. De nouvelles pâtes ont été développées afin d'éliminer la pâte à base de brai de houille qui contient des hydrocarbures aromatiques polycycliques et qui ont un impact néfaste sur l'environnement et sur la santé. Les pâtes à brasquer de la nouvelle génération sont appelées des pâtes propres. Ces pâtes sont récentes, il y a très peu de travaux de recherche sur leurs propriétés physiques et sur l'impact de leur utilisation sur la durée de fonctionnement des cuves. Dans ce travail, nous allons étudier l'une des pâtes de nouvelle génération actuellement utilisée dans l'industrie. Les propriétés de la pâte à brasquer utilisée dans la cuve sont très importantes en termes de résistance mécanique, de conductivité électrique et de durabilité. Les caractéristiques opérationnelles de la pâte à brasquer sont liées à ses propriétés, au processus de sa mise en place et aux sollicitations qu'elle subit entre les blocs cathodiques. La densité après compaction est l'un des paramètres qui peuvent influencer considérablement le comportement thermomécanique de la pâte à brasquer. Pour révéler la relation entre la densité crue et les propriétés physiques après cuisson, une investigation expérimentale est menée à l'échelle industrielle afin d'analyser la distribution de la densité dans le joint périphérique de la cuve. Des échantillons à l'échelle laboratoire ont été fabriqués à différents niveaux de compaction, pour reproduire les densités observées dans le joint, puis cuits à 1000 °C. Les échantillons sont caractérisés pendant et après la cuisson par des tests thermogravimétriques et mécaniques. Ce mémoire présente l'objectif du projet de recherche, la méthodologie utilisée et les résultats obtenus sur la pâte à brasquer étudiée. / The production of primary aluminium is carried out by the Hall-Héroult process in electrolysis cells. The electrolytic cell consists mainly of carbonaceous materials, such as carbon cathodes and petroleum coke anodes which act as electrodes. The graphite cathodes represent the bottom of the electrolytic cell and they are arranged so as to leave a space between them to allow their expansion at high temperature. These spaces are filled with a carbonaceous material called the ramming paste. This paste consists of anthracite/graphite aggregates and a binder matrix. There are different types of ramming paste in the market where the main difference is in the composition of the binder matrix. A paste based on coal tar pitch as a binding matrix has been used for a long time and its behavior in electrolytic cells is well known. New pastes have been developed to eliminate coal tar pitch-based paste which contains polycyclic aromatic hydrocarbons and which have a negative impact on the environment and on health. The new generation of the ramming pastes are called clean pastes. These pastes are recent, there is a little research on their physical properties and the impact of their use on the life of the cell. In this work, we will study one of the new generation pastes currently used in the industry. The properties of the ramming paste used in the electrolysis cell are very important in terms of mechanical strength, electrical conductivity and durability. The operational characteristics of the ramming paste are linked to its properties, the process of its installation and to the stresses, it undergoes between the cathode blocks. The density after compaction is one of the parameters which can considerably influence the thermomechanical behavior of the paste. To reveal the relationship between green density and physical properties after baking, an experimental investigation is carried out at an industrial scale, to analyze the density distribution in the peripheral seal of the cell. Laboratory-level samples were fabricated at different compaction levels, to reproduce the densities observed in the joint, then baked at 1000 °C. The samples are characterized during and after baking by thermogravimetric and mechanical tests. This thesis presents the objective of the project, the methodology used and the results obtained on the paste to be studied.

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. / 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.

Un des éléments du revêtement carboné dans une cuve de Hall-Héroult est la pâte à brasquer. Au cours du préchauffage et dans la période de démarrage d'une cuve de Hall-Héroult permettant de passer de la température ambiante à près de 1000 °C, la pâte est cuite sous des charges variables et elle subit plusieurs phénomènes physiques tels que les effets chimiques et mécaniques. Le fluage/relaxation est l'un des phénomènes mécaniques que la pâte supporte pendant la cuisson. Afin de proposer une loi constitutive de fluage/relaxation de la pâte à brasquer, il était nécessaire de définir son comportement viscoélastique-viscoplastique en se basant sur des expériences. A cet effet, des essais de fluage ont été conduits pour des pâtes ayant été cuites à différentes températures variant de 200 °C à 1000 °C. Sur la base de ces nouvelles observations, un modèle rhéologique a été proposé pour modéliser le comportement en fluage/relaxation de la pâte. En utilisant le modèle rhéologique, en trois dimensions, une loi constitutive a été conçue et développée qui représente le comportement en fluage/relaxation non linéaire des matériaux sensibles à la pression hydrostatique. Un nouveau potentiel de dissipation a été postulé qui inclut l'effet de la pression hydrostatique et en cisaillement. Le modèle mis au point a été développé pour le cas de fluage sous contrainte constante. Afin d'obtenir la déformation par fluage, une solution analytique, a été établie quand elle existe, et des solutions numériques à partir d'un système d'équations différentielles non linéaires ont été élaborées. Pour la mise en œuvre numérique, la discrétisation a été réalisée en utilisant schéma d'Euler implicite et les non-linéarités ont été traitées à l'aide de la méthode de Newton-Raphson. A cet effet, certains codes ont été développés dans le logiciel Matlab pour résoudre la partie volumétrique et déviatorique du modèle. L’optimisation des paramètres a été réalisée en employant l’algorithme « pattern search » disponible dans le logiciel Matlab. La comparaison des modèles avec les résultats expérimentaux ont montré que le modèle représente bien le comportement non linéaire viscoélastique-viscoplastique de la pâte cuite à différentes températures. / One of the components of the carbonaceous lining of a Hall-Héroult cell is ramming paste. During preheating and start-up periods of the Hall-Héroult cell from room temperature to 1000 °C, the paste is baked under varying loads and it experiences several phenomena such as chemical and mechanical ones. Creep/relaxation is one of the mechanical phenomena that the paste experiences during baking. Few papers have been published on the modelling of creep/relaxation behaviour of the ramming paste. In order to propose a constitutive model, it was necessary to have some insight into its creep behaviour. To this end, creep tests were carried out on the paste which had been baked at different temperatures ranging from 200 to 1000 °C. Based on the new observations obtained from these tests, a rheological model was proposed for the creep behaviour of the paste. Using the rheological model, a three-dimensional constitutive law was devised that represents nonlinear creep/relaxation behaviour of the materials sensitive to hydrostatic pressure. A novel dissipation potential was postulated which includes the effect of the hydrostatic pressure in addition to shear. The devised model was developed for the creep case under constant stress. In order to obtain the creep strain, it was necessary to obtain analytical, when they existed, and numerical solutions from a system of nonlinear differential equations. For numerical implementation, discretization was performed using implicit Euler scheme and nonlinearity was treated using Newton-Raphson iterative process. To this end, some codes were developed in Matlab software. The model parameters were identified using axial and radial strains obtained from uniaxial creep tests on the paste baked at 250 °C and tested at room temperature. Furthermore, the model parameters were identified using the axial strain obtained from uniaxial creep tests on the paste baked at 350, 560 and 1000 °C as well as tested at 300, 300 °C and room temperature, respectively. Optimization of the parameters was performed employing pattern search algorithm available in the Matlab software. Comparison of the model with experimental results showed that the model well represents the nonlinear viscoelastic-viscoplastic behaviour of the paste baked at different temperatures.