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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/36753 |
| Date | 02 October 2019 |
| Creators | Lacroix, Olivier |
| Contributors | Gosselin, Louis, Fafard, Mario |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | mémoire de maîtrise, COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 1 ressource en ligne (xviii, 245 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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