Endommagement en cours d'électrolyse des cathodes carbone et graphite pour la fabrication de l'aluminium primaire

Les cathodes carbone ou graphite utilisées dans les cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium sont réalisées à partir de grains de diverses nuances carbonées et dont les tailles sont distribuées selon un empilement optimisé. L'ensemble est assemblé par un liant (brai), mis en forme par extrusion et traité thermiquement jusqu'à 1200C pour les carbones et 2800C pour les graphites. Ces structures, de grandes dimensions, subissent des efforts thermomécaniques lors de la mise en œuvre, de la mise en route de la cuve et lors du fonctionnement. Elles subissent aussi des sollicitations physico-chimiques par le bain d'électrolyse. Les facteurs qui déterminent la durée de vie d'un assemblage cathodique sont divers : technologiques, mécaniques, chimiques et électrochimiques .L'objectif de notre travail est double. Il s'agit d'abord de développer un dispositif d'essai mécanique permettant de tester une éprouvette de carbone ou graphite qui est mise dans des conditions d'électrolyse proches de la réalité : à environ 1000C, en contact avec le bain fondu d'électrolyte et en présence du courant d'électrolyse. Ce dispositif permet d'enregistrer la courbe force - flèche d'une éprouvette de flexion. Nous montrons que l'accroissement de volume dû à l'insertion de sodium joue un rôle important sur l'évolution de la contrainte ultime en fonction du temps d'électrolyse et une amorce de modélisation est proposée. Les matériaux carbones possèdent un comportement nettement différent des graphites, en particulier l'insertion de sodium entraîne une très forte non-linéarité du comportement des carbones alors que le comportement des graphites, bien moins non-linéaire, est très peu affecté. Le second objectif est de mieux comprendre la relation entre les microstructures et les propriétés. Pour cela, nous avons caractérisé, du point de vue des propriétés mécaniques, un ensemble de nuances de carbones et graphites qui couvrent l'éventail des microstructures utilisées actuellement pour les matériaux pour cathodes. Ces nuances ont ensuite été testées dans notre dispositif in-situ. D'une manière générale le comportement à l'insertion est d'autant meilleur que la microstructure, liée à la nature des grains de départ, s'approche du cristal de graphiteCathodes carbon or graphite used in the tank of electrolysis for the production of aluminium are realized from grains of different carbon nuances and the sizes of which are distributed according to an optimized pile. The set is assembled by caol tar pitch, shaped by extrusion and thermal treated at 1200C for carbons and 2800C for graphites. These structures, big dimensions, undergo efforts thermo-mechanicals in course of manufacture, during the started of the tank and during the functioning. They undergo as well physico-chemical solicitation by the bath of electrolysis. The factors which determine the Iife of a cathodic assembly are different: technological, mechanical, chemical and electro chemical. The objective of our work is double. It is a question at first of developing a device of mechanical attempt allowing to test a test tube of carbon or graphite which is put in conditions of electrolysis close to the reality: In approximately 1 000C, in touch with the melted bath of electrolyte and in the presence of the current of electrolysis. This device allows to record the curve force - arrow of a test specimen in flexion. We show that the increase of volume due to the insertion of sodium plays an important role on the evolution of the ultimate bending strenght according to the time of electrolysis. The second objective is to understand better the relation between microstructures and properties. For that purpose, we characterized, from the point of view of the mechanical properties, a set of nuances of carbons and graphites which cover the range of microstructures used for materials for cathodes. These nuances were then tested in our device. In a general way the behavior in the insertion is as much better than the microstructure, bound to the nature of the grains, approaches the monocrystal of graphiteVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF