Numerical study of anodic voltage drop in the Hall-Héroult cells by finite element method = Étude numérique de la chute de voltage anodique dans les cuves Hall-Héroult par la méthode des éléments finis

Aluminum production using the Hall-Héroult process requires an intensive electric current. With an increasing demand for aluminum due to the growth in use of raw materials such as aluminum, and economic developments, aluminum producers are striving to reduce their production costs to remain competitive in a difficult market. One way of doing this is to reduce the voltage drop in the Hall-Héroult cells, which yields a remarkable amount of savings in the long term from only a slight optimization. For this reason, a thorough understanding of the phenomena taking place during operation is necessary. In this research work, anode assembly as one of the major components of the Hall- Héroult cell was modeled using APDL (ANSYS® Parametric Design Language). The newly presented features of the full anode assembly model, which make it a robust one in terms of geometrical modeling, were introduced in detail. A submodel was extracted from the fall model to carry out primary numerical simulations to investigate the Thermo- Electro-Mechanical (TEM) phenomena taking place in the stub hole region to where up to 25% of the total voltage drop in the anode assembly, caused by contact resistance at the interfaces, is attributed. Special attention was paid to the good prediction of contact conditions at the cast iron to carbon interface. In comparison to previous research work, a more thorough and precise approach was taken to employ equations used to predict the initial air gap at the cast iron to carbon interface, which has an influential role in controlling contact particularly at lower temperatures (400°-600°). In order to calibrate the model, experimental tests, performed by the Arvida Research and Development Centre (ARDC) at Rio Tinto Alcan (RTA), were utilized. FESh++ was used to calibrate the fally coupled TEM model using the results obtained by RTA; subsequently, sensitivity analysis (SA) was performed to investigate the influences of changes in material properties and cast iron/carbon interface characteristics. Also, one study on the geometrical sensitivity, namely, SA on the change in the diameter of the stub, was fulfilled. After detailed discussions using the various simulation results as well as statistical data obtained from the newly implemented feature in FESh++, conclusions were drawn as to the importance of precise prediction of the initial air gap, contact establishment and condition at the interface, essentiality of the carbon constitutive law, significance of phase change of cast iron, temperature dependency of some materials and anisotropy of electrical resistance of carbon, etc. Finally, suggestions were proposed for future research work and developments such as: considering a better constitutive law for carbon, taking account of creep in cast iron, evaluation of the initial air gap distribution through simulation of cast iron solidification, etc. - La production de l'aluminium primaire via le procédé hall-Héroult nécessite l'utilisation d'un courant de très forte intensité. Conséquent d'une demande croissante de l'aluminium et du coût élevé des matières premières nécessaires à la production du métal gris, il devient prioritaire pour les producteurs d'aluminium d'assurer un meilleur contrôle du procédé et ce, afin de réduire les coûts de production et ainsi, demeurer compétitif à l'échelle mondiale. Une façon d'atteindre cet objectif consiste à identifier les zones les plus résistives électriquement dans la cellule d'électrolyse et de réduire, lorsque possible, ces résistances, afin de minimiser sa consommation énergétique. Dans cette optique, une compréhension approfondie des phénomènes qui prennent place pendant l'opération ainsi que leurs interactions demeurent de toute première importance est essentiel. Dans le cadre de ce travail, on s'attarde plus précisément à l'étude des chutes de voltage dans les assembles anodiques, constituante hautement résistive de la cellule d'électrolyse. L'assemblage anodique est modélisé sous ANSYS à l'aide du langage APDL® (ANSYS Parametric Design Language), un langage de programmation utilisé dans le logiciel de simulation ANSYS. Ce langage est également utilisable dans le volet Mechanical du logiciel ANSYS Workbench. Totalement paramétré, le modèle géométrique peut être transformé afin de peraiettre l'étude spécifique de diverses composantes selon certaines hypothèses simplificatrices. En particulier, un sous-modèle a été extrait du modèle afin de réaliser des simulations numériques dans la zone du tourillon et ce, afin d'étudier les phénomènes Thermo-électro-mécaniques (TEM) prenant place dans cette zone critique de l'assemblage où près de 25% de la chute de voltage anodique se produit; chute de voltage attribuable à la résistance de contact électrique à l'interface fonte/carbone. Une attention particulière a été portée sur la bonne représentation des conditions de contact TEM à cette interface. En particulier, une extension de la méthode simplifiée proposée par Richard a été utilisée afin de quantifier l'espace d'air initial à l'interface fonte/carbone; élément crucial dans le comportement de l'assemblage anodique et qui a un rôle déterminant dans l'évolution des conditions de contact, particulièrement à basses températures (400°C - 600°C). L'ensemble des simulations numériques a été réalisé à l'aide d'une application spécifique développée dans l'environnement FESh++ via une approche fortement couplée des champs de voltage, température et déplacement en régime établi. La calibration du modèle a été réalisée à l'aide de résultats issus d'essais expérimentaux réalisés au Centre de Recherche et de Développement Arvida (CRDA) de Rio Tinto Alcan (RTA). Par la suite, une étude de sensibilité a été conduite afin d'étudier l'impact de certaines modifications matérielles et/ou géométriques sur le comportement de l'assemblage anodique. Plus spécifiquement il apparait clairement que les congés du tourillon, la température nominale du rondin au moment du scellement ainsi que le changement de phase de l'acier et de la fonte ont un impact majeur sur la chute de voltage. Finalement, les recommandations proposées permettront d'améliorer la performance des assemblages anodiques et d'orienter les travaux futurs dans ce domaine de recherche. On pense ici à l'utilisation d'une loi de comportement représentative pour le carbone (comportement quasi-fragile), à la prise en compte du comportement en fluage de l'acier du rondin et de la fonte de scellement ainsi qu'à la prédiction par simulation numérique de l'étape de scellement afin d'obtenir une représentation plus précise de l'espace d'air à l'interface fonte/carbone