Discrete element method modeling of mechanical behavior of coke aggregates during compaction process

Les anodes en carbone font partie de la réaction chimique de réduction de l'alumine, qui est consommée lors du procédé d'électrolyse Hall-Héroult. Le comportement des agrégats secs de coke en tant que composant principal des anodes de carbone (environ 85 %) a un rôle clé et exceptionnel dans leurs propriétés finales. L'analyse de défaillance des agrégats de coke sec permet non seulement de mieux comprendre les mécanismes de déformation des matériaux granulaires sous charge compressive, mais peut également identifier les causes potentielles de défauts structurels des anodes en carbone, telles que les fissures horizontales. Dans ce travail, il sera montré qu'un mode de défaillance particulier peut être responsable de la génération de fissures dans les anodes en carbone. Le comportement de rupture des agrégats de coke n 'est pas seulement affecté par les paramètres du processus de compactage, tels que la pression de confinement et la vitesse de déformation axiale, mais il dépend également fortement de la distribution granulométrique et de la forme des particules de coke. La méthode des éléments discrets (DEM) est utilisée pour modéliser le comportement micromécanique des agrégats de coke sec pendant le processus de compactage. De plus, le critère de travail de second ordre est utilisé pour analyser la rupture des éprouvettes de granulats de coke. Les résultats révèlent que l'augmentation de la pression de confinement augmente la probabilité du mode de diffusion de la rupture dans l'éprouvette. D'autre part, l'augmentation de la vitesse de déformation augmente les chances du mode de localisation de la déformation de la rupture dans l'éprouvette. De plus, les résultats indiquent que l'utilisation de fines particules ainsi que la diminution de la sphéricité des particules de coke augmenteront la plage de stabilité des agrégats de coke. De plus, en utilisant l'analyse des évaluations de contour de micro-déformation pendant le processus de compactage, il est montré que, à la fois en ajoutant des particules fines aux agrégats de coke et en diminuant la sphéricité des particules de coke, la possibilité de créer une bande de compression dans le coke agrégats est réduit. Étant donné que la présence des bandes de compactage dans la pâte d'anode crée une zone sujette à la génération de fissures horizontales, les résultats de cette étude pourraient conduire à la production d'anodes en carbone avec moins de défauts structurels.Carbon anodes are part of the chemical reaction of alumina reduction, that is consumed during the Hall-Héroult electrolysis process. The behavior of dry coke aggregates as the main component of carbon anodes (about 85 %) has an exceptional key role in their final properties. The failure analysis of dry coke aggregates not only leads to a better understanding of the deformation mechanisms of granular materials under compressive loading but also can also identify the potential causes of structural defects in carbon anodes, such as horizontal cracks. In this work, it will be shown that a particular failure mode can be responsible for the crack generation in the carbon anodes. The failure behavior of the coke aggregates is not only affected by the compaction process parameters, such as the confining pressure and axial strain rate, but it is also strongly dependent on the size distribution and shape of coke particles. The discrete element method (DEM) is employed to model the micro-mechanical behavior of the dry coke aggregates during the compaction process. In addition, the second-order work criterion is used to analyze the failure of the coke aggregate specimens. The results reveal that increasing the confining pressure enhances the probability of the diffusing mode of the failure in the specimen. On the other hand, the increase of the strain rate augments the chance of the strain localization mode of the failure in the specimen. In addition, the results indicate the fact that the use of fine particles as well as decreasing the sphericity of coke particles will increase the stability range of the coke aggregates. Moreover, by using the analysis of micro-strain contour evaluations during the compaction process, it is shown that, both by adding fine particles to the coke aggregates and by decreasing the sphericity of coke particles, the possibility of creating a compression band in the coke aggregates is reduced. Since the presence of the compaction bands in the anode paste creates an area that is prone to horizontal crack generation, the results of this study could lead to the production of carbon anode with fewer structural defects