Étude par éléments finis du préchauffage des cuves Hall-Héroult

La durée de vie des cuves d'electrolyse est influencée par plusieurs facteurs qui jouent un rôle plus au moins important. Un des facteurs jouant un rôle prépondérant est le préchauffage de la cuve d'electrolyse, étape nécessaire avant que celle-ci commence sa production d'aluminium. Pour cette raison, la compréhension des phénomènes qui prennent place dans la cuve d'électrolyse est plus qu'importante pour améliorer ou optimiser le procédé existant. Conséquemment, ce travail de recherche, réalisé en partenariat avec la société Rio Tinto Alcan (RTA), porte sur le développement d'un modèle prédictif permettant la bonne représentation du comportement thermo-électro- mécanique d'une cuve d'électrolyse en phase de préchauffage. Les objectifs à plus long terme d'un tel projet consistent à fournir à l'industrie de l'aluminium un outil efficace qui leur assurera, dans un premier temps, une meilleure compréhension du comportement de la cuve mais également, d'en optimiser le fonctionnement. L'approche retenue consiste à effectuer une discrétisation par éléments finis d'un modèle quart de cuve Hall-Héroult avec prise en compte de la nature des matériaux ainsi que des interfaces de contact présentes dans la cuve. Des lois constitutives appropriées ainsi que les paramètres associés sont utilisées pour la plupart des matériaux et interfaces de contact. La stratégie de mise en régime de la cuve consiste à appliquer la totalité du courant au moment du préchauffage de la cuve d'électrolyse comme c'est le cas lors du démarrage des cuves PI55 chez RTA. La résolution est réalisée à l'aide d'une application spécialisée développée à l'aide de l'outil numérique FESh++. Ce noyau de calcul par élément finis, possédant une grande flexibilité ainsi qu'une grande robustesse, permet la résolution des problèmes transitoires multi-physiques avec prise en compte des interfaces de contact. Quant au modèle géométrique proprement dit, il est construit à l'aide du module de prétraitement du logiciel ANSYS et ce, via la construction d'un script intensément parametrise à l'aide du langage APDL. Le post-traitement des résultats est également réalisé dans le logiciel ANSYS. Dans un premier temps, une étude de sensibilité sur les coefficients de pénalisation de contact normaux a été réalisée et ce, afin de s'assurer de l'objectivité de ces derniers en regard de la solution tout en maintenant un temps de calcul raisonnable. La validation des résultats du modèle avec des données in situ fournies par RTA a également été réalisée avant l'analyse des résultats de préchauffage afin de s'assurer que le modèle est représentatif de la réalité. Les écarts entre les résultats du modèle et les données in situ disponibles sont très satisfaisants et démontre les capacités du modèle. Dans un deuxième temps, l'analyse des résultats après 24h de préchauffage ont permis de constater que si les conditions de préchauffage ne sont pas rigoureusement respectées, les possibilités d'infiltration peuvent être élevées. En effet, le haut niveau de cuisson de la pâte, les faibles pressions de contact entre les blocs cathodiques et la pâte ainsi que les contraintes principales maximales élevées sur les arêtes des blocs cathodiques sont des facteurs déterminants qui peuvent mener à des infiltrations si le scénario de préchauffage prévu n'est pas respecté. Un possible décollement a été observé au terme du préchauffage à l'intersection des petits joints et du grand joint de pâte. Une attention particulière en regard des différents mécanismes de déformations de la pâte (élastique, plastique, thermique et chimique) aura permis de constater l'intérêt de discerner l'effet de ces mécanismes durant le préchauffage. De plus, l'analyse des efforts dans le caisson et les berceaux a permis de constater l'absence de plastification dans l'acier durant le préchauffage et que les efforts les plus importants sont localisés au voisinage des fenêtres. Finalement, des recommandations sont proposées afin d'améliorer les performances du modèle quart de cuve actuel ainsi que pour orienter adéquatement les travaux à venir