Étude de la formation de boues dans la cellule Hall-Héroult

Abstract

La production d’aluminium comme un procédé métallurgique énergivore, joue un rôle majeur dans l’économie du Québec. Un facteur qui peut augmenter la consommation d'énergie correspondante est la formation de dépôts résistifs (des boues) à la surface de la cathode. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de clarifier davantage la nature complexe de la formation de boues dans le procédé Hall-Héroult, en tant que le procédé principal de production d'aluminium. Les objectifs de recherche sont: a) étudier l’effet possible de la nuance de cathode sur la formation ou la dissolution des boues; b) déterminer l'importance relative de trois paramètres opérationnels, à savoir la température d’opération, le ratio de cryolite (CR) ainsi que la nuance de cathode; c) étudier de façon expérimentale des boues induites chimiquement (c'est-à-dire précipitation des espèces cryolitiques dues au changement de la chimie du bain comme la consommation d'alumine ou la polarisation de concentration de sodium). La méthodologie expérimentale comporte une configuration expérimentale à l'échelle du banc d’essai, cinq nuances cathodiques différentes, une conception de plan expérimental factoriel complet ayant trois variables et deux niveaux pour chaque paramètre, à savoir la température d’opération (940 et 960 ° C), le ratio de cryolite (2,2 et 3,8) et deux nuances cathodiques. Les résultats de cette recherche sont: i. une combinaison de porosité ouverte et de perméabilité à l'air des cathodes affecte l'épaisseur des couches de carbure d'aluminium; ii. parmi plusieurs propriétés, la conductivité thermique et la porosité ouverte des cathodes affectent la tendance à la formation de boues en raison de la perte de chaleur au fond de la cellule et des phénomènes interfaciaux; iii. l'influence significative de la température d’opération par rapport au ratio de cryolite et à la nuance de cathode; iv. la précipitation des espèces cryolitiques solides est accélérée grâce à la polarisation de concentration plus élevée et le taux d'épuisement de l'aluminium plus rapide; v. le temps de réalimentation des boues est plus élevé pour les cathodes à porosités ouvertes plus élevées en raison de l'interaction des boues, avec des couches de carbure plus épaisses et des espèces carbonées au fond de la cellule.