Titre de l'écran-titre (visionné le 8 août 2023) / Les anodes de carbone sont des composants essentiels du procédé Hall-Héroult utilisé dans l'industrie de l'aluminium primaire. La mise en forme des anodes par compactage ou vibrocompactage a un impact significatif sur leur qualité et leurs différentes propriétés. La présence de gradients de densité dans les anodes peut causer leur surconsommation dans les cuves d'électrolyse et réduire leur performance. Ce projet vise à étudier le comportement thermomécanique de la pâte d'anode lors de sa mise en forme, à modéliser ce comportement et à examiner l'effet de la géométrie du moule sur la distribution de la densité dans l'anode. L'effet de la température de la pâte d'anode sur son comportement mécanique lors de la compaction a été étudié expérimentalement. Dans ce contexte, des essais de compaction monotones et des essais de friction ont été menés à des températures situées entre 130 °C et 170 °C. Les résultats ont révélé les effets importants de la température sur le comportement non linéaire de la pâte et ont également permis de déterminer les coefficients de friction statique et dynamique de l'interface pâte/acier. Une loi de comportement thermoviscoplastique non linéaire a été développée afin de modéliser le comportement de la pâte d'anode lors de sa compaction. Cette loi est basée sur un cadre thermodynamique, la théorie des grandes déformations et le concept de configuration naturelle. Les paramètres de la loi évoluent durant la compaction en fonction de la densité et de la température. Ils ont été identifiés à l'aide d'une procédure d'identification inverse. La loi de comportement a été implémentée dans le logiciel de simulation par éléments finis Abaqus à travers une sous-routine VUMAT, destinée à l'analyse dynamique explicite. Les simulations par éléments finis portant sur la mise en forme par compaction de géométries complexes ont été en mesure de prédire avec une bonne précision les profils de densité mesurés par tomodensitométrie. L'effet de la température ainsi que de différentes caractéristiques géométriques, telles que des arêtes chanfreinées et arrondies, des tourillons et des rainures de différentes dimensions, ont été étudié à l'aide de simulations par éléments finis. Dans cette optique, de petites anodes ont été compactées par éléments finis afin de déterminer si les paramètres susmentionnés peuvent améliorer l'uniformité de la densité. Par la suite, des simulations par éléments finis ont été réalisées sur une anode industrielle et différentes modifications de la géométrie du moule ont été proposées. Les résultats de ces simulations suggèrent que la réduction de la taille des rainures et la modification de leur géométrie pourraient améliorer de façon significative l'uniformité de la densité des anodes industrielles. / Carbon anodes are essential components of the Hall-Héroult process used in the primary aluminium industry. The anode forming process by compaction or vibrocompaction has a significant impact on their quality and properties. The presence of density gradients in the anode can cause carbon overconsumption in the electrolysis cells and negatively affect their performance. This project aims to study the thermomechanical behavior of the anode paste during compaction, to model this behavior and to examine the effect of the mold geometry on the density distribution in the anode. The effect of the anode paste temperature on its mechanical behavior during compaction was studied experimentally. In this context, monotonic compaction tests and friction tests were conducted at temperatures between 130 °C and 170 °C. The results revealed the significant effect of temperature on the nonlinear behavior of the paste and also allowed the determination of the static and kinetic friction coefficients of the paste/steel interface. A nonlinear thermo-viscoplastic constitutive law was developed to model the behavior of the anode paste during compaction and is based on a thermodynamic framework, the finite strain theory and the concept of natural configuration. The constitutive law's material parameters evolve during compaction as a function of density and temperature and were identified using an inverse identification procedure. The constitutive law was implemented in the finite element simulation software Abaqus through a VUMAT subroutine, intended for explicit dynamic analysis. The finite element simulations of the compaction of complex geometries were able to predict with good accuracy the density profiles measured by X-ray computed tomography. The effect of temperature as well as of different geometrical features, such as chamfered and rounded edges, stub holes and slots of different dimensions, was investigated using finite element analysis. To this end, small anodes were compacted through finite element simulations to determine if the aforementioned parameters can improve the density uniformity. Additional finite element simulations were performed on an industrial anode and different modifications to the mold geometry were proposed. The results of these simulations show that reducing the size of the slots and modifying their geometry could improve the density uniformity of industrial anodes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/122866 |
| Date | 25 March 2024 |
| Creators | Lacroix, Olivier |
| Contributors | Fafard, Mario, Darvishi Alamdari, Houshang |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxiii, 195 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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