Behaviour of alumina powder fed into molten electrolytic bath

The dissolution of alumina (aluminium-oxide) in an electrolyte is an essential process in the production of aluminium, the second most commonly used metal on Earth. In the state-of-the-art aluminium reduction cells, smelter grade alumina powder is added on the surface of the molten cryolitic bath in doses varying between 0.5-2 kg. While dissolving a powder in its solvent might seem trivial, there are several particularities to this process that hinder the rapid dispersion of alumina. The dubious dissolution may undermine the cell control, and the undissolved alumina could form agglomerates that can decrease the efficiency and lifetime of the cell. The objective of this PhD was to analyse the mechanisms that promote the formation of agglomerates, and hinder the fast dispersion of alumina added into cryolitic bath, mostly focusing on: • the raft formation: the spreading of the powder, injected onto the bath surface; • the evolution of alumina rafts, with regard to the flotation of the raft on the bath surface; • the flotation behaviour of agglomerates on the bath-metal interface. The methods used in this work include mathematical modelling, experiments in cryolitic bath, analysis of alumina rafts, and experiments in analog powder-liquid systems. A mathematical model was developed to analyse the conditions of steady-state flotation of axisymmetric objects on a liquid surface. The model was applied to the surface of the electrolytic bath. For the bath-metal interface, the static model was extended, to consider the initial velocity of the agglomerate and dynamics of the interface penetration. The contact angle between alumina and cryolitic bath (an important input parameter for the flotation model) was measured by Wilhelmy method. Experiments were conducted in the cryolitic bath to study and analyse raft formation. Moisture content was identified as an important property of alumina that influences the shape, structure, and microstructure of the alumina raft, forming upon injection. Raft samples were prepared by leaching to remove cryolite, revealing the underlying alumina structure, then the pore structure analysed. Compressed alumina discs as artificial alumina rafts were prepared to obtain rafts with controlled shape and size, while leaving the main processes (bath solidification, infiltration, sintering and dissolution) unchanged. The uniformity of the artificial rafts permitted the easy comparison between samples removed after different stages, and to follow the advancement of the line of infiltration in time. The density of the rafts, along with the video footage of the experiments proved that the surface tension can contribute to the flotation of alumina rafts. Two-dimensional thermal model of alumina rafts was created to predict bath solidification, infiltration and apparent density – therefore possibility of flotation for the raft. Thermal properties of primary smelter grade alumina were measured by monotonic ramp heating device, and due to the complex pore structure of the alumina, a two-level model was applied to be able to estimate its thermal conductivity with different packing densities. The detachment of infiltrated grains or clumps from the main body of the raft decreases its size and also its apparent density. The disintegration of a raft is controlled by the opposing effects and the dynamics of sintering and dissolution. While dissolution is often considered as the main goal of research concerning the behaviour of alumina in the electrolyte, it should rather be considered as an opposing but parallel process to sintering, and should be investigated simultaneously. In the frame of this work, carbon content was identified as a factor that aids disintegration via weakened sintering. Powder injections in low-temperature analog liquid-liquid systems were conducted to gain insight on their interactions. While in many aspects, the analog systems fail to represent faithfully the alumina-bath-aluminium system, certain phenomena may apply for the electrolysis cell. These observations are of special importance for the liquid-liquid interface. La dissolution de l'alumine (oxyde d'aluminium) dans l’électrolyte est un procédé essentiel dans la production d'aluminium, le deuxième métal le plus utilisé sur Terre. Dans les cellules actuelles de réduction d'aluminium, la poudre d'alumine de fonderie est ajoutée à la surface du bain cryolitique fondu à des doses variant entre 0,5 et 2 kg. Bien que la dissolution d'une poudre dans son solvant puisse sembler anodine, ce processus présente plusieurs particularités qui entravent la dispersion rapide de l'alumine. La dissolution douteuse peut saper le contrôle cellulaire, et l'alumine non dissoute peut former des agglomérats qui peuvent diminuer l'efficacité et la durée de vie de la cellule. L'objectif de cette thèse était d'analyser les mécanismes qui favorisent la formation d'agglomérats, et d'entraver ainsi la dispersion rapide de l'alumine ajoutée dans le bain cryolitique, en se concentrant principalement sur: • la formation du radeau: l'étalement de la poudre, injectée sur la surface du bain; • l'évolution des radeaux d'alumine, en ce qui concerne la flottation du radeau à la surface du bain; • le comportement à la flottation des agglomérats à l'interface bain-métal. Les méthodes utilisées dans ce travail comprennent la modélisation mathématique, des expériences en bain cryolitique, l'analyse de radeaux d'alumine et des expériences dans des systèmes analogiques poudre-liquide. Un modèle mathématique a été développé pour analyser les conditions de flottation en régime permanent d'objets axisymétriques sur une surface liquide. Le modèle a été appliqué à la surface du bain électrolytique. Pour l'interface bain-métal, le modèle statique a été étendu pour prendre en compte la vitesse initiale de l'agglomérat et la dynamique de la pénétration de l'interface. L'angle de contact entre l'alumine et le bain cryolitique (un paramètre d'entrée important pour le modèle de flottation) a été mesuré par la méthode Wilhelmy. Des expériences ont été menées dans le bain cryolitique pour étudier et analyser la formation de radeaux. La teneur en humidité a été identifiée comme une propriété importante de l'alumine qui influence la forme, la structure et la microstructure du radeau d'alumine, se formant lors de l'injection. Des échantillons de radeau ont été préparés par lixiviation pour éliminer la cryolite, révélant la structure d'alumine sous-jacente, puis la porosité était analysée. Des disques d'alumine compressés en tant que radeaux d'alumine artificiels ont été préparés pour obtenir des radeaux de forme et de taille contrôlée, tout en laissant les principaux processus inchangés. L'uniformité des radeaux artificiels a permis de comparer facilement les échantillons prélevés après différentes étapes et de suivre l'évolution de la ligne d'infiltration dans le temps. La densité des radeaux, ainsi que les séquences vidéo des expériences ont prouvé que la tension superficielle peut contribuer à la flottation des radeaux d'alumine. Un modèle bidimensionnel de radeaux d'alumine a été créé pour prédire la solidification du bain, l'infiltration et la densité apparente, donc la possibilité de flottation pour le radeau. Les propriétés thermiques de l'alumine primaire de fonderie ont été mesurées par un dispositif de chauffage à rampe monotone, et en raison de la structure complexe de la porosité de l'alumine, un modèle à deux niveaux a été appliqué pour pouvoir estimer sa conductivité thermique avec différentes densités. Le détachement des grains saturés ou des amas du radeau principal diminuerait sa taille ainsi que sa densité apparente. La désintégration d'un radeau est dictée par les effets concurrents et la dynamique du frittage et de la dissolution. Bien que la dissolution soit souvent considérée comme le but ultime de la recherche concernant le comportement de l'alumine dans l'électrolyte, elle devrait plutôt être considérée comme un processus parallèle mais opposé au frittage, et enquêter simultanément sur les deux. Dans le cadre de ce travail, la teneur en carbone a été identifiée comme un facteur favorisant la désintégration en affaiblissant le frittage. Des injections de poudre dans des systèmes liquide-liquide analogiques à basse température ont été effectuées pour mieux comprendre leurs interactions. Alors que dans de nombreux aspects, les systèmes analogiques ne représentent pas fidèlement le système alumine-bain-aluminium, certains phénomènes peuvent s'appliquer à la cellule d'électrolyse. Ces observations sont d'une importance particulière pour l'interface bain-métal