Dans le procédé Hall-Héroult, les produits carbonés tels que les anodes de carbone et la pâte à brasquer sont des composants essentiels du processus d'électrolyse. Ils sont produits en quantités massives le long d'une chaîne de production, dont le processus de mise en forme est l'une des étapes essentielles qui influencent la qualité finale de ces produits. Des produits de carbone bien compactés sont nécessaires pour augmenter l'efficacité du procédé d'électrolyse, diminuer la surconsommation de carbone, augmenter le rendement électrique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Ce projet a deux objectifs principaux ; le premier est d'étudier expérimentalement le comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à des charges de compactage afin d'identifier l'effet des paramètres de chargement (taux de déformation et niveau de contrainte) sur sa densification. Le second objectif est de développer une loi constitutive capable de prédire la variation de densité de la pâte de carbone tout au long des essais de compactage cycliques. La thèse débute par deux études expérimentales du comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à différents types de chargement de compactage. Tous les essais ont été réalisés en utilisant le même dispositif expérimental qui consiste en un moule à paroi mince monté sur une presse hydraulique. La pâte de carbone étant considérée comme un matériau viscoélastique dans les travaux de modélisation trouvés dans la littérature, la première étude expérimentale a commencé par une série d'essais de relaxation. Chaque essai était effectué à une densité imposée différente. La densité souhaitée pendant la relaxation a été obtenue par un précompactage monotone des échantillons. Les résultats de ces essais ont montré un comportement fortement dépendant du temps de la pâte de carbone pendant la relaxation, avec une réduction de cette dépendance pour des densités imposées plus élevées. Sur la base de ces derniers résultats, la dépendance du comportement de la pâte de carbone en fonction du temps pendant le compactage monotone a été étudiée par une série d'essais de compactage monotone avec différents taux de déplacement allant de 1 mm/s à 100 mm/s. Les résultats ont montré que lorsque le taux de déplacement est inférieur à 5 mm/s, il n'a aucun effet sur le comportement de la pâte de carbone pendant le compactage. Par contre, les échantillons qui ont été compactés avec des taux de déplacement plus élevés (50 mm/s et 100 mm/s) ont montré une capacité de densification plus faible que les échantillons compactés avec des taux de déplacement plus faibles, sachant qu'ils ont tous été soumis au même niveau de contrainte maximale. Ensuite, le comportement de la pâte de carbone soumise à des essais de compactage cyclique a été étudié. Plus précisément, l'effet de l'amplitude maximale de déplacement a été déterminé en effectuant une série de tests de compactage cyclique avec des amplitudes maximales de déplacement allant de 0,25 mm à 2 mm. Les résultats de ces tests ont révélé que la contrainte maximale requise pour atteindre la densité cible est plus faible lorsque l'amplitude de déplacement est plus faible. De plus, un comportement de durcissement des échantillons a été observé dès le début de chaque cycle et passe à un comportement de ramollissement lorsque la densité de l'échantillon pendant le cycle en cours atteint une valeur égale à la densité maximale enregistrée lors du cycle précédent. La première étude expérimentale a été terminée par une série de tests de vibrocompactage avec une amplitude de contrainte maximale constante de 1 MPa, chaque test étant effectué à une fréquence différente allant de 0,1 Hz à 7 Hz. Ces tests ont mis en évidence l'effet de la fréquence, montrant que plus la fréquence augmente, plus il faut de cycles pour atteindre la densité cible. En outre, des tests de rigidité effectués sur les échantillons qui ont été vibrocompactés pour atteindre la densité cible ont montré qu'ils avaient tous la même rigidité finale, quelle que soit la fréquence utilisée pendant le vibrocompactage. Pour étudier l'effet de l'amplitude de contrainte maximale, de la vitesse de déformation et du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone soumise à des chargements cycliques, une deuxième étude expérimentale a été réalisée. Cette deuxième étude a commencé par une série d'essais de compactage cyclique, chaque essai étant effectué à une amplitude de contrainte maximale différente allant de 0,5 MPa à 1,5 MPa. Chaque essai avec une contrainte maximale définie a été effectué trois fois à différents taux de déplacement (1 mm/s, 5 mm/s et 10 mm/s). L'effet de la contrainte maximale et de la vitesse de déplacement sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation et sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du nombre de cycles a été examiné. Les résultats ont montré que le taux de déplacement n'avait aucun effet sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation ni sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du numéro du cycle. D'autre part, en observant la pente de la courbe contrainte-déformation, on a constaté que deux échantillons de même densité et soumis à des contraintes maximales différentes pendant le compactage n'ont pas la même rigidité. Une rigidité plus faible est trouvée pour les échantillons compactés avec des contraintes plus élevées. En ce qui concerne l’effet du numéro du cycle sur la rigidité de la pâte de carbone, les échantillons qui ont été compactés avec des contraintes maximales différentes et soumis au même nombre de cycles, ont la même rigidité (c'est-à-dire la pente des courbes de contrainte-déformation) malgré le fait qu'ils ont chacun une densité différente. Une deuxième série d'essais de compactage a été réalisée pour examiner l'effet du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone lors d'essais de compactage cyclique. Pour cela, deux séries d'essais cycliques ont été réalisées, les essais de chaque série ayant la même amplitude de contrainte maximale (série 1 : MPa, série 2 : 1,5 MPa), mais des contraintes minimales différentes allant de 0,1 MPa à 0,5 MPa. La comparaison des résultats des essais réalisés avec la même contrainte maximale a montré que les essais avec une amplitude de contrainte minimale plus faible présentaient une déformation permanente plus importante en fonction du nombre de cycles. Enfin, une étude numérique basée sur les résultats des études expérimentales 1 et 2 a été réalisée. Une loi constitutive basée sur la théorie de la plasticité endochronique couplée à l’élasticité non linéaire a été choisie pour représenter le comportement indépendant du temps de la pâte de carbone soumise à une compaction cyclique. Des modifications ont été appliquées à la théorie originale endochronique pour prendre en compte le changement majeur de la densité de la pâte de carbone qui conduit à des changements significatifs dans les propriétés élastiques de la pâte et sa capacité à subir des déformations permanentes pendant la compaction cyclique. Ensuite, les paramètres de la loi constitutive développée ont été identifiés à partir des résultats de la deuxième étude expérimentale. Des simulations numériques d'essais cycliques avec plusieurs niveaux de contrainte maximale ont été réalisées. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été montré, ce qui confirme la capacité de la théorie endochronique à prédire l'évolution de la densité de la pâte de carbone pendant le chargement cyclique. / In the Hall-Héroult process, carbon products such as carbon anodes and ramming paste are essential components of the electrolysis process. They are produced in massive quantities along a production line, of which the shaping process is one of the essential steps that influence the final quality of these products. Well compacted carbon products are required to increase the efficiency of the electrolysis process, to decrease carbon overconsumption, to increase electrical efficiency, and to decrease greenhouse gas emissions. This project has two main objectives, the first is to investigate experimentally the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to compaction loadings in order to identify the effect of loading parameters (strain rate and stress level) on its densification. The second objective is to develop a constitutive behaviour law that is able to predict the density variation of the carbon paste throughout cyclic compaction tests. The thesis starts with two experimental studies of the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to different compaction loadings. All the tests were carried out using the same experimental set-up which consists of a thin-walled mould mounted on a hydraulic press. As carbon paste is considered a viscoelastic material in the modelling works found in the literature, the first experimental study started with a series of relaxation tests, each test being performed at a different imposed density. The desired density during relaxation was obtained by monotone pre-compaction of the paste. The results of these tests showed a highly timedependent behaviour of the carbon paste during relaxation, with a reduction in this dependence at higher imposed densities. Driven by these latter results, the dependence of the carbon paste behaviour on time during monotone compaction was investigated by a series of monotone compaction tests with different displacement rates ranging from 1mm/s to 100 mm/s. The results showed that when the displacement rate is less than 5 mm/s, it has no effect on the behaviour of the carbon paste during the compaction. On the other hand, the samples that were compacted with higher displacement rates (50 mm/s and 100 mm/s) showed a lower capacity of densification than the samples compacted with lower displacement rates, even though they were all subjected to the same level of maximum stress. Afterwards, the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic compaction tests was studied. Specifically, the effect of the maximum displacement amplitude was determined by performing a series of cyclic compaction tests with maximum displacement amplitudes ranging from 0.25 mm to 2 mm. The results of these tests revealed that the maximum stress required to achieve the target density is lower when the displacement amplitude is lower. Furthermore, a hardening behaviour of the samples was observed from the start of each cycle which changes to a softening behaviour when the sample density during the current cycle reaches a value equal to the maximum density recorded in the previous cycle. The first experimental study was completed with a series of vibro-compaction tests with a constant maximum stress amplitude of 1 MPa, with each test performed at a different frequency ranging from 0.1 Hz to 7 Hz. These tests have highlighted the effect of frequency, showing that as frequency increases more cycles are required to reach the target density. In addition, stiffness tests carried out on samples that were vibro-compacted to reach the target density have shown that they all have the same final stiffness regardless of the frequency used during vibro-compaction. To study the effect of the maximum stress amplitude, the strain rate, and the unloading level on the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic loadings a second experimental study was done. The second experimental study started by a series of cyclic compaction tests with each test performed at a different maximum stress amplitude ranging from 0.5 MPa to 1.5 MPa. Each test with a definite maximum stress was performed three times at different displacement rates (1 mm/s, 5 mm/s, and 10 mm/s). The effect of the maximum stress and the displacement rate on the shape of the stress-strain hysteresis and on the evolution of the permanent deformation in function of the cycle number were examined. The results showed that the displacement rate had no effect on the shape of the stress-strain hysteresis nor on the evolution of the permanent deformation as a function of the number of cycles. On the other hand, by observing the slope of the stress-strain curve, it was found that two samples with the same density and subjected to different maximum stresses during compaction do not have the same stiffness, as lower stiffness is found for the samples compacted with higher stresses. Furthermore, samples that have been compacted with different maximum stresses but have been subjected to the same number of cycles have the same stiffness (i.e., slope of stress-strain curves) despite the fact that they each have a different density. A second series of compaction tests was carried out to examine the effect of the level of unloading on the behaviour of the carbon paste under cyclic compaction tests. To this end, two series of cyclic tests were carried out, with the tests in each series having the same maximum stress amplitude (series 1: MPa, series 2: 1.5 MPa) but different minimum stresses ranging from 0.1 MPa to 0.5 MPa. Comparison of the results of the tests carried out with the same maximum stress showed that the tests with a lower minimum stress amplitude showed a higher permanent deformation as a function of the number of cycles. Finally, a numerical study based on the results of experimental studies 1 and 2 was done. A constitutive behaviour law based on the endochronic plasticity theory coupled with non-linear elasticity was chosen to represent the time-independent behaviour of carbon paste subjected to cyclic compaction. Modifications have been applied to the original endochronic theory to take into account the major change in the density of the carbon paste which leads to significant changes in the elastic properties of the paste and its ability to undergo permanent deformations during cyclic compaction. Afterwards, the parameters of the developed constitutive law were identified from the results of the second experimental study and numerical simulations of cyclic tests with several levels of maximum stress were made. A good agreement between the experimental and numerical results was shown which confirms the ability of the endochronic theory to predict the evolution of carbon paste density during cyclic loading.

Dans le procédé Hall-Héroult, les produits carbonés tels que les anodes de carbone et la pâte à brasquer sont des composants essentiels du processus d'électrolyse. Ils sont produits en quantités massives le long d'une chaîne de production, dont le processus de mise en forme est l'une des étapes essentielles qui influencent la qualité finale de ces produits. Des produits de carbone bien compactés sont nécessaires pour augmenter l'efficacité du procédé d'électrolyse, diminuer la surconsommation de carbone, augmenter le rendement électrique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Ce projet a deux objectifs principaux ; le premier est d'étudier expérimentalement le comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à des charges de compactage afin d'identifier l'effet des paramètres de chargement (taux de déformation et niveau de contrainte) sur sa densification. Le second objectif est de développer une loi constitutive capable de prédire la variation de densité de la pâte de carbone tout au long des essais de compactage cycliques. La thèse débute par deux études expérimentales du comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à différents types de chargement de compactage. Tous les essais ont été réalisés en utilisant le même dispositif expérimental qui consiste en un moule à paroi mince monté sur une presse hydraulique. La pâte de carbone étant considérée comme un matériau viscoélastique dans les travaux de modélisation trouvés dans la littérature, la première étude expérimentale a commencé par une série d'essais de relaxation. Chaque essai était effectué à une densité imposée différente. La densité souhaitée pendant la relaxation a été obtenue par un précompactage monotone des échantillons. Les résultats de ces essais ont montré un comportement fortement dépendant du temps de la pâte de carbone pendant la relaxation, avec une réduction de cette dépendance pour des densités imposées plus élevées. Sur la base de ces derniers résultats, la dépendance du comportement de la pâte de carbone en fonction du temps pendant le compactage monotone a été étudiée par une série d'essais de compactage monotone avec différents taux de déplacement allant de 1 mm/s à 100 mm/s. Les résultats ont montré que lorsque le taux de déplacement est inférieur à 5 mm/s, il n'a aucun effet sur le comportement de la pâte de carbone pendant le compactage. Par contre, les échantillons qui ont été compactés avec des taux de déplacement plus élevés (50 mm/s et 100 mm/s) ont montré une capacité de densification plus faible que les échantillons compactés avec des taux de déplacement plus faibles, sachant qu'ils ont tous été soumis au même niveau de contrainte maximale. Ensuite, le comportement de la pâte de carbone soumise à des essais de compactage cyclique a été étudié. Plus précisément, l'effet de l'amplitude maximale de déplacement a été déterminé en effectuant une série de tests de compactage cyclique avec des amplitudes maximales de déplacement allant de 0,25 mm à 2 mm. Les résultats de ces tests ont révélé que la contrainte maximale requise pour atteindre la densité cible est plus faible lorsque l'amplitude de déplacement est plus faible. De plus, un comportement de durcissement des échantillons a été observé dès le début de chaque cycle et passe à un comportement de ramollissement lorsque la densité de l'échantillon pendant le cycle en cours atteint une valeur égale à la densité maximale enregistrée lors du cycle précédent. La première étude expérimentale a été terminée par une série de tests de vibrocompactage avec une amplitude de contrainte maximale constante de 1 MPa, chaque test étant effectué à une fréquence différente allant de 0,1 Hz à 7 Hz. Ces tests ont mis en évidence l'effet de la fréquence, montrant que plus la fréquence augmente, plus il faut de cycles pour atteindre la densité cible. En outre, des tests de rigidité effectués sur les échantillons qui ont été vibrocompactés pour atteindre la densité cible ont montré qu'ils avaient tous la même rigidité finale, quelle que soit la fréquence utilisée pendant le vibrocompactage. Pour étudier l'effet de l'amplitude de contrainte maximale, de la vitesse de déformation et du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone soumise à des chargements cycliques, une deuxième étude expérimentale a été réalisée. Cette deuxième étude a commencé par une série d'essais de compactage cyclique, chaque essai étant effectué à une amplitude de contrainte maximale différente allant de 0,5 MPa à 1,5 MPa. Chaque essai avec une contrainte maximale définie a été effectué trois fois à différents taux de déplacement (1 mm/s, 5 mm/s et 10 mm/s). L'effet de la contrainte maximale et de la vitesse de déplacement sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation et sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du nombre de cycles a été examiné. Les résultats ont montré que le taux de déplacement n'avait aucun effet sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation ni sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du numéro du cycle. D'autre part, en observant la pente de la courbe contrainte-déformation, on a constaté que deux échantillons de même densité et soumis à des contraintes maximales différentes pendant le compactage n'ont pas la même rigidité. Une rigidité plus faible est trouvée pour les échantillons compactés avec des contraintes plus élevées. En ce qui concerne l'effet du numéro du cycle sur la rigidité de la pâte de carbone, les échantillons qui ont été compactés avec des contraintes maximales différentes et soumis au même nombre de cycles, ont la même rigidité (c'est-à-dire la pente des courbes de contrainte-déformation) malgré le fait qu'ils ont chacun une densité différente. Une deuxième série d'essais de compactage a été réalisée pour examiner l'effet du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone lors d'essais de compactage cyclique. Pour cela, deux séries d'essais cycliques ont été réalisées, les essais de chaque série ayant la même amplitude de contrainte maximale (série 1 : MPa, série 2 : 1,5 MPa), mais des contraintes minimales différentes allant de 0,1 MPa à 0,5 MPa. La comparaison des résultats des essais réalisés avec la même contrainte maximale a montré que les essais avec une amplitude de contrainte minimale plus faible présentaient une déformation permanente plus importante en fonction du nombre de cycles. Enfin, une étude numérique basée sur les résultats des études expérimentales 1 et 2 a été réalisée. Une loi constitutive basée sur la théorie de la plasticité endochronique couplée à l'élasticité non linéaire a été choisie pour représenter le comportement indépendant du temps de la pâte de carbone soumise à une compaction cyclique. Des modifications ont été appliquées à la théorie originale endochronique pour prendre en compte le changement majeur de la densité de la pâte de carbone qui conduit à des changements significatifs dans les propriétés élastiques de la pâte et sa capacité à subir des déformations permanentes pendant la compaction cyclique. Ensuite, les paramètres de la loi constitutive développée ont été identifiés à partir des résultats de la deuxième étude expérimentale. Des simulations numériques d'essais cycliques avec plusieurs niveaux de contrainte maximale ont été réalisées. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été montré, ce qui confirme la capacité de la théorie endochronique à prédire l'évolution de la densité de la pâte de carbone pendant le chargement cyclique. / In the Hall-Héroult process, carbon products such as carbon anodes and ramming paste are essential components of the electrolysis process. They are produced in massive quantities along a production line, of which the shaping process is one of the essential steps that influence the final quality of these products. Well compacted carbon products are required to increase the efficiency of the electrolysis process, to decrease carbon overconsumption, to increase electrical efficiency, and to decrease greenhouse gas emissions. This project has two main objectives, the first is to investigate experimentally the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to compaction loadings in order to identify the effect of loading parameters (strain rate and stress level) on its densification. The second objective is to develop a constitutive behaviour law that is able to predict the density variation of the carbon paste throughout cyclic compaction tests. The thesis starts with two experimental studies of the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to different compaction loadings. All the tests were carried out using the same experimental set-up which consists of a thin-walled mould mounted on a hydraulic press. As carbon paste is considered a viscoelastic material in the modelling works found in the literature, the first experimental study started with a series of relaxation tests, each test being performed at a different imposed density. The desired density during relaxation was obtained by monotone pre-compaction of the paste. The results of these tests showed a highly time-dependent behaviour of the carbon paste during relaxation, with a reduction in this dependence at higher imposed densities. Driven by these latter results, the dependence of the carbon paste behaviour on time during monotone compaction was investigated by a series of monotone compaction tests with different displacement rates ranging from 1 mm/s to 100 mm/s. The results showed that when the displacement rate is less than 5 mm/s, it has no effect on the behaviour of the carbon paste during the compaction. On the other hand, the samples that were compacted with higher displacement rates (50 mm/s and 100 mm/s) showed a lower capacity of densification than the samples compacted with lower displacement rates, even though they were all subjected to the same level of maximum stress. Afterwards, the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic compaction tests was studied. Specifically, the effect of the maximum displacement amplitude was determined by performing a series of cyclic compaction tests with maximum displacement amplitudes ranging from 0.25 mm to 2 mm. The results of these tests revealed that the maximum stress required to achieve the target density is lower when the displacement amplitude is lower. Furthermore, a hardening behaviour of the samples was observed from the start of each cycle which changes to a softening behaviour when the sample density during the current cycle reaches a value equal to the maximum density recorded in the previous cycle. The first experimental study was completed with a series of vibro-compaction tests with a constant maximum stress amplitude of 1 MPa, with each test performed at a different frequency ranging from 0.1 Hz to 7 Hz. These tests have highlighted the effect of frequency, showing that as frequency increases more cycles are required to reach the target density. In addition, stiffness tests carried out on samples that were vibro-compacted to reach the target density have shown that they all have the same final stiffness regardless of the frequency used during vibro-compaction. To study the effect of the maximum stress amplitude, the strain rate, and the unloading level on the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic loadings a second experimental study was done. The second experimental study started by a series of cyclic compaction tests with each test performed at a different maximum stress amplitude ranging from 0.5 MPa to 1.5 MPa. Each test with a definite maximum stress was performed three times at different displacement rates (1 mm/s, 5 mm/s, and 10 mm/s). The effect of the maximum stress and the displacement rate on the shape of the stress-strain hysteresis and on the evolution of the permanent deformation in function of the cycle number were examined. The results showed that the displacement rate had no effect on the shape of the stress-strain hysteresis nor on the evolution of the permanent deformation as a function of the number of cycles. On the other hand, by observing the slope of the stress-strain curve, it was found that two samples with the same density and subjected to different maximum stresses during compaction do not have the same stiffness, as lower stiffness is found for the samples compacted with higher stresses. Furthermore, samples that have been compacted with different maximum stresses but have been subjected to the same number of cycles have the same stiffness (i.e., slope of stress-strain curves) despite the fact that they each have a different density. A second series of compaction tests was carried out to examine the effect of the level of unloading on the behaviour of the carbon paste under cyclic compaction tests. To this end, two series of cyclic tests were carried out, with the tests in each series having the same maximum stress amplitude (series 1: MPa, series 2: 1.5 MPa) but different minimum stresses ranging from 0.1 MPa to 0.5 MPa. Comparison of the results of the tests carried out with the same maximum stress showed that the tests with a lower minimum stress amplitude showed a higher permanent deformation as a function of the number of cycles. Finally, a numerical study based on the results of experimental studies 1 and 2 was done. A constitutive behaviour law based on the endochronic plasticity theory coupled with non-linear elasticity was chosen to represent the time-independent behaviour of carbon paste subjected to cyclic compaction. Modifications have been applied to the original endochronic theory to take into account the major change in the density of the carbon paste which leads to significant changes in the elastic properties of the paste and its ability to undergo permanent deformations during cyclic compaction. Afterwards, the parameters of the developed constitutive law were identified from the results of the second experimental study and numerical simulations of cyclic tests with several levels of maximum stress were made. A good agreement between the experimental and numerical results was shown which confirms the ability of the endochronic theory to predict the evolution of carbon paste density during cyclic loading.

Les producteurs d’aluminium sont des acteurs majeurs dans l’économie du Québec. Le métal gris est apprécié pour sa légèreté et sa résistance à la corrosion. Bien qu’il possède des qualités indéniables, sa production consomme une quantité considérable d’électricité. L’amélioration de l’efficacité énergétique du procédé est donc primordiale d’un point de vue économique et environnemental. L’étude du contact électrique entre le carbone et la fonte à l’intérieur de l’ensemble cathodique fait partie de la liste des paramètres pour optimiser la consommation énergétique de la cellule Hall-Héroult. Ce contact doit offrir une résistance minimale au passage du courant nécessaire pour la réaction d’électrolyse. Au cours du temps, la qualité du contact se dégrade en raison de la transformation physique et chimique des matériaux. Cette thèse se concentre sur l’étude de la dégradation chimique de la surface de la fonte. La première partie étudie la pénétration des composés chimiques provenant du bain d’électrolyse à l’intérieur du bloc de carbone. Le gonflement sodique suit généralement la diffusion du sodium, un sous-produit de la réaction cathodique, et du bain. Le gonflement causé par le sodium a été mesuré directement à l’aide de LVDT alors que la diffusion du bain électrolytique a été déterminée par microtomographie à rayons X. La seconde partie évalue le mécanisme de la dégradation du contact électrique entre le carbone et la fonte. Des travaux en laboratoire ont été réalisés pour quantifier l’impact des paramètres d’opération. Les résultats obtenus ont été comparés par la suite à des échantillons industriels provenant de deux technologies pour évaluer leur degré de dégradation. Un modèle numérique a été calibré à partir de ces résultats pour estimer l’effet de la dégradation de la fonte sur la chute de voltage cathodique. Les résultats démontrent que les paramètres d’opération de la cellule d’électrolyse ont des effets sur la vitesse de pénétration des espèces chimiques dans le bloc de carbone. Un bain plus riche en sodium ou une densité de courant cathodique plus élevée augmente la vitesse de pénétration. La présence d’une nappe d’aluminium au démarrage de l’électrolyse au contraire divise le gonflement et la pénétration du bain de moitié. La vitesse de dégradation de la fonte suit la même tendance. De plus, une augmentation de température de 50 °C provoque une fusion partielle de la surface de la fonte. Ces résultats intégrés au modèle numérique montre que la dégradation du contact entre le carbone et la fonte augmente la chute de voltage cathodique mais aussi change la distribution du courant à la surface du bloc de carbone. La détermination du mécanisme de dégradation de la fonte par des essais en laboratoire combinée avec la pénétration des espèces chimiques constitue l’apport original de cette thèse et ceci permet d’éclaircir le processus d’évolution de ce contact électrique sous condition d’opération.

La production d'aluminium est une industrie importante au Québec. Les propriétés de ce métal le vouent à de multiples usages présents et futurs dans le cadre d'une économie moderne durable. Toutefois, le procédé Hall-Héroult est très énergivore et des progrès demeurent donc nécessaires pour en diminuer les coûts financiers et environnementaux. Parmi les améliorations envisageables de la cellule d'électrolyse se trouve le contact entre la cathode et la barre collectrice, qui doit offrir une faible résistivité au passage du courant électrique. En cours d'opération de la cellule, ce contact a tendance à se dégrader, générant des pertes énergétiques significatives. Les causes de cette dégradation, pouvant provenir de phénomènes chimiques, thermiques, mécaniques et/ou électriques, demeurent mal comprises. Le but du présent projet était donc d'étudier les phénomènes chimiques se produisant au contact bloc-barre de la cellule d'électrolyse Hall-Héroult. En premier lieu, un aspect crucial à considérer est la pénétration du bain électrolytique dans la cathode, car des composés de bain atteignent éventuellement la barre collectrice et peuvent y réagir. À cet effet, une méthode novatrice a été développée afin d'étudier les cathodes et la pénétration du bain dans celles-ci à l'aide de la microtomographie à rayons X. Cette méthode rapide et efficace s'est avérée fort utile dans le projet et à un potentiel important pour l'étude future des cathodes et des phénomènes qui s'y produisent. Ensuite, une cellule d'électrolyse rectangulaire à petite échelle a été développée. Plusieurs phénomènes observés en industrie sur des autopsies de cellules post-opération et rapportés dans la littérature ont été reproduis avec succès à l'aide de cette cellule expérimentale. Puis, des tests sans électrolyse, ciblant l'effet du bain électrolytique sur l'acier, ont aussi été conçus et complétés afin de ségréger l'influence des différents paramètres en jeu. L'analyse des résultats de l'ensemble de ces tests a permis de constater différents phénomènes au contact bloc-barre, dont la présence systématique de NaF et, surtout, de béta-Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]. Outre la carburation inévitable de la barre collectrice, la formation d'une couche Fe-Al a aussi été observée, favorisée par une pénétration rapide du bain électrolytique dans la cathode ainsi que par une composition de bain acide en surface de la barre. Cette couche comportait par ailleurs des cristaux de béta-Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] pouvant nuire à sa conductivité électrique. Ensuite, à des ratios de bain entre 2.5 et 4.9, une mince couche contenant les éléments Al et N peut se former en surface de la barre. Pour un bain tres basique (> 6.0), c'est plutôt une couche Na [indice inférieur 2] O qui a été observée. En conditions d'électrolyse mais sans une pénétration rapide du bain dans la cathode, du Na a pu carrément pénétrer dans la barre collectrice, préférentiellement avec le carbone. De plus, de la corrosion ainsi que des couches de fer et d'oxyde de fer peuvent se former sur la barre et potentiellement dégrader la qualité du contact électrique. \Pour la suite des travaux, des mesures de résistivité ainsi que l'analyse des échantillons industriels permettraient d'évaluer l'impact de ces phénomènes sur la qualité du contact.

The purpose of this work was to determine the liquidus surface of the cryolite-rich portion of the ternary system Na₃AlF₆-CaF₂-AlF₃ and to establish the effect of Al₂O₃ on the operation of the Hall cell electrolysis. A series of isotherm of the cryolite-rich portion were graphed. It was shown that pseudo-binary phase diagrams of Al₂O₃ and bulk composition in the cryolite-rich portion of the Na₃AlF₆-CaF₂-AlF₃ system were found to be simple eutectic. The temperatures and the alumina contents of the double solubility limit, two important parameters for the Hall cell, of the joins 95 Na₃AlF₆/5 AlF₃-Na₃AlF₆, 90 Na₃AlF₆/ 10 NaCaAlF₆ and 85 Na₃AlF₃/15 AlF₃-NaCaAlF₆ were determined. The cryolite liquidus temperature of the quaternary system Na₃AlF₆-CaF₂-AlF₃-Al₂O₃ was found to be expressed by: T_Liq.. (C) = 1009.4 + 4.059(CaF₂) - 1.167(CaF₂)² + 0.968 x (CaF₂)(AlF₃) - 0.105(CaF₂)(AlF₃)² + 0.073 x (CaF₂)²(AlF₃) + 0.002(CaF₂)² (AlF₃)² - 4.165 x (AlF₃) - 0.054(AlF₃)² - 5.33(Al₂O₃) for CaF₂ 3.8~11.25%, AlF₃ 5~20%. / M.S.

La cathode est responsable d’environ 10 % de la chute de potentiel totale d’une cuve Hall- Héroult. Une partie significative de cette perte, sous forme d’effet Joule, provient d’un mauvais contact entre la couche de fonte et le bloc de carbone. De plus, une distribution non uniforme de la densité de courant à l’intérieur de la cuve engendre une érosion prématurée des extrémités des blocs cathodiques, limitant la durée de vie des cuves. Le présent projet vise à réduire la chute de potentiel ainsi qu’à uniformiser la densité de courant de l’assemblage cathodique par l’amélioration du contact entre la barre collectrice et le bloc de carbone. Il explore plus particulièrement l’utilisation de barres collectrices cylindriques comprenant des insertions de cuivre ne nécessitant aucune couche de fonte lors de l’opération de scellage. Différentes configurations de cathode sont explorées à l’aide d’un modèle numérique thermoélectromécanique dans le but d’en comprendre le comportement et d’évaluer leur impact sur la consommation énergétique et sur la durée de vie d’une cuve. Une analyse économique est également réalisée afin de mesurer la rentabilité des concepts. Celle-ci sert finalement à l’optimisation de la géométrie afin de maximiser les performances de nouveaux concepts. Les résultats indiquent que la chute de voltage peut être réduite et que la distribution de courant peut être uniformisée par l’amélioration de la qualité du contact entre le bloc de carbone et les barres collectrices. / The cathode, located at the bottom of a Hall-Héroult cell, is responsible for nearly 10 % of the total cell voltage drop. Poor contact between the carbon block and the cast-iron layer surrounding the collector bars increase energy losses in the form of Joule heating. In addition, a non-uniform current density distribution inside the cell results in premature erosion of the carbon block extremities, limiting the cell’s life expectancy. This project aims to reduce the voltage drop and to improve the current density uniformity in the cathode assembly by improving the contact between the collector bars and the carbon block. To do so, a new cathode design using cylindrical collector bars with copper inserts is investigated using finite element modeling. The thermal expansion during the cell start up is used to generate contact between the collector bars and the carbon block, thus not requiring any cast iron or sealing operations. Different geometry configurations are explored using a thermo-electro-mechanical model to understand its behavior and to determine their effect on energy consumption and cell life expectancy. An economic analysis is also performed to evaluate the cost effectiveness of those configurations. The geometry is finally optimized to maximize the new design’s performance. Results indicate that a significant voltage drop reduction and a more uniform current distribution can be achieved by improving the contact quality between the carbon block and the collector bars.

Un modèle éléments finis d'une cathode dotée d'un insert de cuivre dans la barre collectrice a été développé. Ce modèle thermo-électro-mécanique inclut des interfaces afin de simuler le contact entre différents matériaux de l'assemblage. Afin d'optimiser ce modèle, une analyse économique basée sur le coût électrique d'opération, le coût de revêtement des cuves ainsi que l'espérance de vie des cuves a été effectuée. La géométrie du modèle de référence est ensuite variée afin de générer une surface de réponse multidimensionnelle basée sur le critère économique. Les résultats indiquent que des économies substantielles peuvent être réalisées en réduisant la résistivité de la barre collectrice et en améliorant le contact à l'interface. De nouveaux designs de cathode sont également analysés. Un design muni d'une tige de cuivre insérée dans un trou percé à même le bloc de carbone afin d'en collecter le courant électrique est prometteur. Finalement ce modèle a permis d'étudier la qualité du contact entre différents matériaux de la cathode et l'effet de ce contact sur la performance des cuves. / A finite element model of a cathode assembly including a copper insert inside the steel collector bar was developed. This thermo-electro-mechanical model includes interfaces to simulate the contact between different materials. In order to optimize this model, an economic analysis based on the electrical operating cost, the relining cost and the life expectancy of a pot is proposed. The geometry of the model is subsequently varied in order to generate a multidimensional response surface based on these economic criteria. Results indicate that substantial economies can be achieved by reducing the collector bar's resistivity and by improving contact at the interface. New promising cathode assembly designs are also analysed. A design using a copper rod inserted in a hole drilled in the carbon block to collect the current is promising. Finally, this model provides some insight in the contact between the different materials of the cathode assembly and its effect on the cell performance.

Les cuves d'électrolyse utilisées pour la production aluminium sont soumises à des variations de la qualité des matières premières, à des perturbations diverses encourues en cours de production ou en cours de démarrage. Il est connu que ces perturbations ont un impact sur la durée de vie des cuves ainsi que sur l'efficacité de production, métallurgique et énergétique. L'amélioration des performances passe nécessairement par une meilleure compréhension des sources de variations. Plusieurs travaux ont été présentés jusqu'à présent par le biais d'études univariées entre les différents facteurs et les performances. Cependant, dans ces études, le comportement des cuves n'est pas étudié de manière multivariée, ce qui ne permet pas d'étudier les interactions entre les différentes variables. Cette thèse propose d'étudier les facteurs affectant les performances des cuves d'électrolyse, précisément la duré de vie, le rendement Faraday et la consommation énergétique, par le biais de méthodes statistiques multivariées (PCA et PLS). Premièrement, il est démontré que la durée de vie des cuves est expliquée à 72% en utilisant l'information provenant des préchauffages, des démarrages et de l'opération transitoire, démontrant ainsi l'effet de ces étapes sur la durée de vie des cuves. Cette étude est suivie d'une analyse des facteurs affectant l'efficacité de courant et la consommation énergétique des cuves. L'effet de la qualité de l'alumine, des anodes, des variables manipulées, et des variables d'états des cuves permet d'expliquer 50% des variations des performances. Cette étude démontre l'importance du contrôle de la hauteur de bain. Ainsi, une étude approfondie des facteurs affectant la hauteur de bain est effectuée. La composition du produit de recouvrement des anodes a un impact majeur sur la hauteur de bain. Malheureusement, il est présentement impossible de bien effectuer le suivi et le contrôle de cette composition puisque seulement quelques échantillons sont analysés quotidiennement. Afin de palier à ce manque, cette thèse présente une nouvelle approche, basée sur l'analyse d'image, pour prédire la composition du produit de recouvrement. Cette application faciliterait le suivi et le contrôle de la composition, ce qui améliorerait le contrôle de la hauteur de bain permettant ainsi d'améliorer les performances des cuves.

The NaCaAlF₆-Al₂O₃ and Na₃AlF₆-Al₂O₃-NaCaAlF₆ phase diagrams were determined using DTA, x-ray diffraction, quench analysis, and optical microscopy. The NaCaAlF₆-Al₂O₃ system was a simple eutectic system with the eutectic located below 0.5 weight percent NaCaAlF₆. The ternary system was a eutectic system showing solid solution of NaCaAlF₆ in both polymorphs of Na₃AlF₆. Alumina exhibited no appreciable solubility in Na₃AlF₆ and, in the ternary system, less than 2% solubility above 15% NaCaAlF₆. / Master of Science

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.