La production à grande échelle de l'aluminium passe inévitablement par le procédé de Hall-Héroult et requiert un vaste champ d'expertises pour être mis en œuvre. Les aspects mécanique, thermique, chimique, électrique, magnétique de même que la mécanique des fluides sont tous présents dans une cuve d'électrolyse, qui comporte une multitude de matériaux: carbone, bétons réfractaires, métaux, alumine, etc. Afin de demeurer compétitives face à la concurrence, les alumineries se doivent de réduire les coûts de production qui passe nécessairement par l'optimisation des cuves d'électrolyse, demandant ainsi une compréhension approfondie du procédé et des matériaux utilisés, dont les matériaux carbonés. Les matériaux carbonés utilisés dans les cuves, plus spécifiquement dans le revêtement de celles-ci, sont des matériaux granulaires et poreux qui sont composés d'agrégats de graphite liés par du brai de goudron cokefié. Le comportement mécanique de ces matériaux a déjà été le sujet de quelques études jusqu'à maintenant. Or, aucune ne s'est réellement attaquée au comportement à long terme de ces matériaux qui plus est, dans un cadre tridimensionnel. Afin de complémenter les connaissances et les modèles déjà existants, cette thèse présente la caractérisation de comportement viscoélastique tridimensionnel à long terme des matériaux carbonés et le développement d'un modèle tridimensionnel constitutif, utilisable dans un code d'éléments finis, basé sur la thermodynamique des processus irréversibles combinée à la rhéologie des matériaux. Basé sur des observations expérimentales, le modèle rhéologique choisi consiste en un nombre indéterminé, a priori, d'éléments de Kelvin-Voigt placés en série. Originalement unidimensionnel, le modèle rhéologique est étendu au cas tridimensionnel en posant différentes hypothèses. La détermination des paramètres du modèle est essentiellement basée sur des essais de fluage en compression uniaxiale réalisés à la température ambiante. Des évolutions de paramètres permettant de prendre en considération la cuisson d'un matériau carboné de même que des variations de températures sont ensuite proposées. Aussi, tirés des connaissances du vaste domaine que sont les graphites, des mécanismes de fluage sont proposés. L'implémentation numérique du modèle viscoélastique a été réalisée avec le code éléments finis FESh++. Le comportement viscoélastique a également intégré à d'autres lois déjà existantes afin de les complémenter. Ainsi, une loi de comportement thermo-chimiovisco-élasto-plastique avec prise en compte de l'adoucissement et du durcissement est maintenant disponible pour les matériaux cathodiques de carbone. Des simulations sont présentées pour illustrer l'influence de la prise en compte du comportement viscoélastique sur différents matériaux, tels que les blocs cathodiques de carbone et la pâte à brasquer. / The large scale aluminium production is done through the Hall-Héroult electrolysis process, which requires a wide array of expertise for a proper achievement. The mechanical, thermal, chemical, electrical, magnetic and the fluid mechanic aspects are all present at the same time in the electrolysis cell, which is built with many different materials: carbon, refractory concrete, metals, alumina, etc. In order to stay competitive, aluminium producers must lower their production cost. This can only be achieved by optimising the cells, which requires a better knowledge of the process and of the materials used in the cell fabrication, including the carbon cathode materials. The carbon materials used in the cells, more specifically in the lining, arc porous materials composed of graphitic aggregates mixed up with a coal tar pitch binder. The mechanical behaviors of these materials have already been the subject of few studies up to now. However, no one has addressed the long term behavior, even less in a three dimensional context. To perfect the knowledge and the existing models, this thesis presents the characterization of the long term three-dimensional visco-elastic behavior of the carbon cathode materials and the three-dimensional constitutive model development based on the on the materials rheology and the thermodynamic of irreversible processes. The model is also suitable in a finite elements code. From experimental observations, the chosen rheological model is built up with a series of undetermined, a priori, number of Kelvin-Voigt elements. Originally one-dimensional, the rheological model has been extended to the three-dimensional case through few hypotheses. Determination of the model parameters is essentially based on uniaxial creep tests at room temperature. The evolution of these parameters in function of the temperature and the baking are also proposed. Moreover, creep mechanisms arc advised based on the knowledge of the wide array that are the graphitic materials. The numerical implementation of the visco-elastic model has been done in the finite elements code FESh++. The visco-elastic behavior has also been added to others constitutive laws in order to perfect them. Therefore, a constitutive thermo-chemo-visco-elasto-plastic law, which also takes into account the hardening and the softening, is now available for the carbon lining materials. Simulations are also presented to show the influence of the visco-elasticity on the cathode carbon material and on the ramming paste.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/19182 |
| Date | 12 April 2018 |
| Creators | Picard, Donald |
| Contributors | Fafard, Mario, Soucy, Gervais |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | xv, 212 f., application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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