ENCYCLOPÉDIE DE LA RECHERCHE SUR L’ALUMINIUM AU QUÉBEC 2013 | Page 21

PRODUCTION DE L’ALUMINIUM
ALUMINIUM PRODUCTION

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BILAN DE MATIÈRE DYNAMIQUE D’UNE CUVE D’ÉLECTROLYSE : UN MODÈLE BASÉ SUR
DES NOTIONS THÉORIQUES, DES RÉSULTATS PUBLIÉS ET DES MESURES PRATIQUES
DYNAMIC MASS BALANCE OF AN ELECTROLYSIS CELL : A MODEL BASED
ON THEORITICAL NOTIONS, PUBLISHED RESULTS AND MEASUREMENTS
Lukas Dion1, László I. Kiss1 , Patrice Chartrand2, Charles-Luc Lagacé3
1

Université du Québec à Chicoutimi
2 École Polytechnique
3 Aluminerie Alouette inc.

Méthodologie

Problématique
Le développement du bilan de matière dynamique
d’une cuve d’électrolyse est un élément essentiel
d’un projet de plus grande envergure visant à faire
le bilan de matière de l’ensemble d’aluminerie
Alouette.

• Puissance du bain (kW)
• Événements ponctuels
• Opérations standards

Intrants

• Âge de la cuve
• Composition d’entrée
• Dosage des additifs

Centre de
Captation

Salles d’électrolyses
(594 cuves)

Traitement
du bain
Usine
d’anode

Centre de coulée
Usine
d’anode
Centre de
Captation

Cuve
d’électrolyse

Traitement
du bain

Extrants

Le bilan matériel de la cuve d’électrolyse doit être
représentatif des conditions réelles d’opération
malgré les variations de certaines propriétés.

Le bilan de matière est développé au moyen du logiciel de simulation
METSIM. Plusieurs unités d’opérations sont utilisées pour représenter
le procédé complet de l’usine. La cuve d’électrolyse correspond à un
sous-modèle permettant de diviser adéquatement
(en bonne
proportion) les extrants provenant des salles d’électrolyse.

Modèle de la cuve d’électrolyse
Le modèle développé requiert deux unités d’opération permettant de représenter
l’inventaire de la cuve. Ces unités peuvent comporter différentes phases distinctes
au sein de la même unité.

Pour assurer l ‘équilibre de la cuve
d’électrolyse, différents phénomènes
doivent être considérés parmi les 5
phases de l’unité d’opération.
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Dissolution ou fusion des additifs
Électrolyse de l’alumine
Réoxydation de l’aluminium
Réactions secondaires (CaO, Na2O, etc.)
Érosion cathodique
Diffusion du sodium
Distribution des impuretés
Oxydation des anodes
Production de HF, SO2 et CFX

Exemple d’application : Érosion cathodique
1. Identifier les réactions chimiques expliquant le phénomène.
L’érosion chimique est le phénomène expliquant l’érosion moyenne d’une cathode
(≈4,4 kg C/cuve/jour). Les régions ayant subi le plus d’érosion (≈8,8 kg C/cuve/jour)
peuvent être la conséquence de plus grandes vitesses de métal localisées. D’autres
phénomènes chimiques et mécaniques ont aussi une incidence sur cette érosion.

Validation
Corrélation entre
les valeurs
publiées3 et les
mesures sur le site

Lukas Dion
László I. Kiss
Université du Québec
à Chicoutimi
Patrice Chartrand
École Polytechnique
de Montréal

Érosion chimique : 4 Al(l) + 3 C(s) = Al4C3(s)
Dissolution de l’Al4C3 : Al4C3(s)+5 AlF3(diss)+9 NaF(s)=3 Na3Al3CF8(diss)
2. Définir les mécanismes gérant la vitesse des réactions chimiques.
Selon certaines études1,2, la formation du carbure d’aluminium est limitée, car son
mécanisme de dissolution est plus lent. Le carbure d’aluminium doit être dissous pour
permettre aux surfaces réactives d’entrer en contact.
Les mécanismes expliquant la dissolution de l’Al4C3 sont encore en validation et ces
hypothèses font appel à des concepts difficilement implantables dans le modèle de
bilan de matière utilisé.

3. Faire converger le modèle à l’aide de valeurs publiées3.

Durée de vie >2000 jours ; 2 cuves ; érosion moyenne : 3,8-4,1 kg C / jour / cuves
Valeur déterminée en utilisant des méthodes d’autopsie 3D.
• Erreur non négligeable dans la mesure provenant du gonflement cathodique.

Journée des étudiants – REGAL

Les données implantées dans le modèle corrèle t’il
avec les valeurs mesurées à l’usine ? Oui,
cependant la corrélation peut être améliorée.

Charles-Luc Lagacé
Aluminerie Alouette Inc.

Références
1 Pietrzyk, S. (2011). Aluminium carbide formation on cathodic carbon lining in

hall-heroult cells. 5th international conference on electrodes & Support
services for primary aluminium smelters. Reykjavik.
2 Vasshaug, K., T. Foosnæs, et al. (2007). Wear of carbon cathodes in
cryolite-alumina melts. TMS - Light metals. M. Sorlie: p. 821-826.
3 Skybakmoen, E., S. Rørvik, et al. (2011). Investigation of cathode wear
profiles obtained by the laser scanner method. 10th australasian aluminium
smelting technology conference. Launceston.

To simulate the dynamic material balance of an aluminium smelter, it is necessary
Pour simuler le bilan de matière dynamique global d’une aluminerie, il est
Palais des congrès de Montréal, QC, Canada, 22 octobre 2013
nécessaire de bien comprendre le bilan matériel de ce qui circule dans les
to adequately understand the material balance of the potrooms. Accordingly,
salles d’électrolyse. Pour ce faire, un sous-modèle représentant une seule cuve
a sub-model has been created to represent a single electrolysis cell and
d’électrolyse a été créé afin de représenter les nombreux phénomènes qui doivent
the numerous phenomena that need to be simulated. These simulations are
être simulés. Ces simulations sont effectuées au moyen du logiciel METSIM. Le
performed using the METSIM software. The sub-model of the cell is composed of
sous-modèle de la cuve est composé principalement de deux unités d’opération
two operation units. One of these units has five phases, where each phase has a
et l’une de ces unités contient cinq phases de compositions distinctes. Pour
specific composition. To have an accurate modeling of the exchanges between
modéliser adéquatement les échanges entre les différentes phases/unités, il est
the different phases and units, a literature review is the first step to undertake. It
essentiel de bien identifier les réactions chimiques et de définir les mécanismes
is imperative to identify