Caractérisation thermo-électro-mécanique des interfaces fonte-acier-carbone dans une cuve d'électrolyse

Depuis des milliers d'années, les métaux ont pourvu aux besoins matériels des gens. L'aluminium ne fait pas exception, et est certainement l'un des métaux les plus prisé en raison de sa légèreté. Ce n'est que dans les années 1800 que sa fabrication (son extraction en fait) est rendu possible avec le procédé de Hall-Héroult. Aujourd'hui encore, ce procédé est le seul utilisé à l'échelle industrielle, et requiert un appareillage complexe impliquant les domaines thermique et électrique.\ud \ud Étant donnée que certaines parties de la cuve de Hall-Héroult sont particulièrement importantes, elles font l'objet d'études particulières. C'est le cas notamment des anodes et des cathodes. \ud \ud Le but de ce présent ouvrage était de comprendre et de quantifier les phénomènes de résistance de contact thermique et électrique se produisant à la cathode ainsi qu'à l'anode d'une cuve d'électrolyse. Ces données ont été traduites sous formes de loi de comportement.\ud \ud La problématique du mauvais transfert électrique et de chaleur entre deux matériaux provient du fait que les aspérités et les cavités des surfaces en contact créent un espace interstitiel entre les solides; il peut même y avoir une couche de gaz emprisonnée dans les cavités. Si bien que les deux surfaces ne se touchent qu'avec moins de 3% de leur surface apparente, même si une énorme pression est appliquée sur les solides. Cela crée un étranglement des lignes de courant aux points de contact réels, engendrant la résistance de contact. Il existe plusieurs modèles théoriques de résistance de contact thermique et électrique. Ces modèles sont cependant basés sur des hypothèses assez restrictives ainsi que sur des propriétés des matériaux qui peuvent être très difficiles à obtenir pour des températures élevées. Une méthodologie expérimentale a donc été préférée à une approche théorique.\ud \ud Un montage expérimental a été conçu et fabriqué dans les laboratoires de l'Université. Des échantillons ont été fabriqués à l'usine Alcan Grande-Baie. Une attention particulière a été prise pour que la fabrication des échantillons soit la plus fidèle possible à la réalité des scellements d'anode et de cathode des usines Aîcan. Plusieurs essais ont été réalisés sur les échantillons de fonte/carbone et de fonte/acier anodiques et cathodiques.\ud \ud Tel que prévu, les résistances de contact thermiques et électriques diminuent avec la pression et la température. Cependant il semble que les valeurs des résultats expérimentaux soient plus élevées que celles prédites par les modèles théoriques. En effet, les résistances électriques sont de 3 à 5 fois supérieures aux modèles théoriques, tandis que les résistances thermiques sont 2 à 3 fois supérieures aux différents modèles théoriques. De plus, un comportement monotonique entre les valeurs des résistances de contact et la température était attendu. Or, une variation non-monotonique, vers 500°C, a été observée de façon récurrente.\ud \ud Ces phénomènes « non attendu » ne seraient peut-être pas étrangers à certaines observations faites en laboratoire. Effectivement, un durcissement de la fonte en surface, un recuit de relaxation de la fonte, une formation d'oxydes de surface, une décarburisation de la fonte, des zones de soudure entre la fonte et l'acier ont été observés tout au long des essais en laboratoire. Ces perturbations métalurgico-chimique qui surviennent sans doute également en usine, pourrait sans doute expliquer la variation des valeurs expérimentales par rapport aux modèles théoriques, de même que la non-monotonicité des résistances de contact selon la température.\ud \ud Ces perturbations sont en majorité des mécanismes se produisant principalement à hautes températures (mis à part le durcissement de la surface de la fonte). Une validation de ces mécanismes serait pertinente pour bien comprendre toutes les variables relatives aux résistances de contact