Étude de phénomènes chimiques au contact entre le bloc cathodique et la barre collectrice d'une cellule d'électrolyse d'aluminium

La production d'aluminium est une industrie importante au Québec. Les propriétés de ce métal le vouent à de multiples usages présents et futurs dans le cadre d'une économie moderne durable. Toutefois, le procédé Hall-Héroult est très énergivore et des progrès demeurent donc nécessaires pour en diminuer les coûts financiers et environnementaux. Parmi les améliorations envisageables de la cellule d'électrolyse se trouve le contact entre la cathode et la barre collectrice, qui doit offrir une faible résistivité au passage du courant électrique. En cours d'opération de la cellule, ce contact a tendance à se dégrader, générant des pertes énergétiques significatives. Les causes de cette dégradation, pouvant provenir de phénomènes chimiques, thermiques, mécaniques et/ou électriques, demeurent mal comprises. Le but du présent projet était donc d'étudier les phénomènes chimiques se produisant au contact bloc-barre de la cellule d'électrolyse Hall-Héroult. En premier lieu, un aspect crucial à considérer est la pénétration du bain électrolytique dans la cathode, car des composés de bain atteignent éventuellement la barre collectrice et peuvent y réagir. À cet effet, une méthode novatrice a été développée afin d'étudier les cathodes et la pénétration du bain dans celles-ci à l'aide de la microtomographie à rayons X. Cette méthode rapide et efficace s'est avérée fort utile dans le projet et à un potentiel important pour l'étude future des cathodes et des phénomènes qui s'y produisent. Ensuite, une cellule d'électrolyse rectangulaire à petite échelle a été développée. Plusieurs phénomènes observés en industrie sur des autopsies de cellules post-opération et rapportés dans la littérature ont été reproduis avec succès à l'aide de cette cellule expérimentale. Puis, des tests sans électrolyse, ciblant l'effet du bain électrolytique sur l'acier, ont aussi été conçus et complétés afin de ségréger l'influence des différents paramètres en jeu. L'analyse des résultats de l'ensemble de ces tests a permis de constater différents phénomènes au contact bloc-barre, dont la présence systématique de NaF et, surtout, de béta-Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]. Outre la carburation inévitable de la barre collectrice, la formation d'une couche Fe-Al a aussi été observée, favorisée par une pénétration rapide du bain électrolytique dans la cathode ainsi que par une composition de bain acide en surface de la barre. Cette couche comportait par ailleurs des cristaux de béta-Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] pouvant nuire à sa conductivité électrique. Ensuite, à des ratios de bain entre 2.5 et 4.9, une mince couche contenant les éléments Al et N peut se former en surface de la barre. Pour un bain tres basique (> 6.0), c'est plutôt une couche Na [indice inférieur 2] O qui a été observée. En conditions d'électrolyse mais sans une pénétration rapide du bain dans la cathode, du Na a pu carrément pénétrer dans la barre collectrice, préférentiellement avec le carbone. De plus, de la corrosion ainsi que des couches de fer et d'oxyde de fer peuvent se former sur la barre et potentiellement dégrader la qualité du contact électrique. \Pour la suite des travaux, des mesures de résistivité ainsi que l'analyse des échantillons industriels permettraient d'évaluer l'impact de ces phénomènes sur la qualité du contact