Anode de carbone

Anode de carbone

Rôle de l’anode

L’anode en carbone joue un rôle très important dans le procédé de l’électrolyse de l’alumine aussi bien dans une cuve de Söderberg que dans une cuve à anodes précuites. Non seulement elle est source de carbone, mais elle joue le rôle de conducteur électrique. Elle représente environ 15-20 % du coût de production de l’aluminium .

Généralités sur les matières premières

Les anodes précuites, utilisées dans le procédé Hall-Héroult, sont composées du mélange de trois constituants à hauteur des proportions suivantes : coke de pétrole (̴65 %), brai de houille (̴15 %) et mégots recyclés plus déchets (̴20%) [20-22]. Ces pourcentages peuvent varier selon les propriétés des matières premières, la granulométrie utilisée, les fournisseurs de matières premières, la technologie utilisée, la philosophie de la compagnie, etc. [23]. Cependant, le brai de houille et le coke de pétrole demeurent les deux principales matières premières qui entrent dans la fabrication des anodes [4, 8, 24].

Coke de pétrole

Le coke de pétrole calciné est utilisé depuis plus de cent vingt ans pour la production des anodes de carbone [25]. Ce coke est obtenu par traitement thermique des fractions lourdes de la distillation du pétrole. Un premier procédé appelé cokéfaction retardée (delayed coking) permet d’obtenir du coke vert [26]. Les deux principales réactions impliquées lors de la cokéfaction sont le craquage et la polymérisation [26]. Ce procédé génère quatre produits : des gaz légers, du naphta, du diesel et du coke vert. Le coke vert obtenu après ce premier procédé possède une structure amorphe et peut contenir 5 à 15 % de matières volatiles et de l’eau [4, 26]. Un deuxième procédé de traitement thermique qu’est la calcination est donc nécessaire afin d’obtenir un coke ayant les propriétés physico-chimiques désirées pour la fabrication d’anodes.

Les cokes verts recherchés par l’industrie de l’aluminium doivent respecter une certaine granulométrie. Ils doivent être résistants mécaniquement, contenir peu d’impuretés et être homogènes [26]. Ce coke de pétrole doit être d’une densité optimale, assurant une porosité suffisante pour l’interaction avec le brai liquide, et avoir une bonne conductivité électrique [27]. Ces propriétés peuvent varier en fonction des caractéristiques du pétrole utilisé et des conditions d’élaboration [4, 28].

Il existe plusieurs types de coke dont le coke anisotrope doté d’un arrangement parallèle de lamelles et le coke isotrope constitué de grains disposés aléatoirement [4]. Le coke utilisé pour la fabrication est le coke spongieux (sponge coke) qui possède une structure intermédiaire entre le coke anisotrope et le coke isotrope [4, 25, 28].

Brai de houille

Le brai de houille (charbon) joue le rôle de liant dans la fabrication des anodes depuis la création de l’industrie d’aluminium. Ce brai est produit à partir de goudron de houille par un procédé de distillation. Dans la plupart des régions du monde, ce liant est produit par détente sous vide par distillation atmosphérique [29, 30]. Dans ce processus, le goudron subit d’abord une distillation atmosphérique pour donner un brai mou qui a un point de ramollissement compris entre 80 °C et 90 °C. Le brai mou est ensuite distillé sous vide pour produire un brai avec un point de ramollissement d’environ 110 °C. Les conditions nécessaires à la réalisation de procédé sont une température comprise entre environ 325 °C et un temps de résidence de 5 minutes [4, 8, 30].

Le brai est un hydrocarbure polycyclique. Il est doté d’une structure complexe résultant de la présence de composés polycycliques aromatiques et hétérocycliques. Les propriétés du brai dépendent de celles du goudron de charbon d’origine ainsi que des conditions d’élaboration [4]. Les propriétés du brai définissent sa mouillabilité et sa pénétration dans l’agrégat de cokes, définissant ainsi son adhérence, et la matrice solide appelée coke de brai favorise la qualité de l’anode [4, 8, 31]. Tout comme le coke de pétrole, les propriétés du brai peuvent varier en fonction des caractéristiques (provenance) du charbon utilisé, du type de procédé et de l’opération du procédé [26].

Table des matières

CHAPITRE 1: INTRODUCTION
1.1. Généralités
1.2. Problématique
1.3. Objectifs
1.4. Méthodologie
1.5. Originalité
1.6. Portée du mémoire
CHAPITRE 2: RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1. Introduction
2.2. Anode de carbone
2.2.1 Rôle de l’anode
2.2.2. Généralités sur les matières premières
2.2.2.1. Coke de pétrole
2.2.2.2. Brai de houille
2.2.2.3. Mégots et rejets d’anode
2.2.3. Différentes étapes de fabrication des anodes en carbone
2.2.4. Propriétés et qualité de l’anode
2.3. Contrôle de la qualité des anodes
2.4. Contrôle de la qualité par analyse d’images
2.5. Conclusions
CHAPITRE 3: MÉTHODOLOGIE
3.1. Introduction
3.2. Fabrication des anodes
3.2.1. Anodes de laboratoire
3.2.1.1. Matières premières
3.2.1.2. Tamisage des fractions de coke
3.2.1.3. Préparation de la recette d’agrégats secs
3.2.1.4. Fusion du brai et préchauffage de la recette d’agrégats
3.2.1.5. Préparation de la pâte d’anode
3.2.1.6. Compaction de la pâte d’anode
3.2.1.7. Refroidissement de l’anode crue
3.2.1.8. Spécificités des anodes de laboratoire
3.2.2. Anodes industrielles
3.3. Analyse d’images
3.3.1. Matériels de prise d’images
3.3.2. Anodes de laboratoire
3.3.2.1. Effet du taux de brai sur l’analyse d’images
3.3.2.2. Effet des diverses spécificités de fabrication sur l’analyse d’images
3.3.3. Anodes industrielles
3.3.4. Les étapes d’analyse d’images
3.3.4.1. Première approche : basée sur l’état de surface des anodes
3.3.4.2. Deuxième approche : basée sur la distribution des couleurs primaires
3.4. Analyse chimique
3.4.1. Découpage des sections d’anodes
3.4.2. Moulinages des sections d’anode
3.4.3. Spectrophotométrie des échantillons d’anodes
3.4.4. Anodes de laboratoire
3.4.5. Anodes industrielles
3.5. Conclusions
CHAPITRE 4: RÉSULTATS ET DISCUSSION
4.1. Introduction.
4.2. Analyse d’images
4.2.1. Anodes de laboratoire
4.2.1.1. Effet du taux de brai sur l’analyse d’images
4.2.1.2. Influence du moule du vibro-compacteur froid sur l’analyse d’images
4.2.1.3. Influence des taches de brai grossières sur l’analyse d’images
4.2.1.4. Influence de la présence de taches d’huile à la surface de l’anode sur
l’analyse d’images
4.2.1.5. Influence de jets d’eau à la surface de l’anode sur l’analyse d’images
4.2.1.6. Influence de la granulométrie sur l’analyse d’images
4.2.1.7. Influences des tailles des particules de mégots sur l’analyse d’images
4.2.1.8. Remarques
4.2.2. Anodes industrielles
4.2.2.1. Étude préliminaire avec une anode industrielle rejetée
4.2.2.2. Anodes issues des vibro-compacteur V1 et V2
4.3. Analyse chimique
4.3.1. Anodes de laboratoire
4.3.2. Analyse spectrophotométrique complète des anodes de laboratoire
4.3.3. Anodes industrielles
4.4. Conclusions
CHAPITRE 5: CONCLUSION