Modèles de tension de surface pour les sels fondus et les métaux liquides appliqués au procédé Hall-Héroult

L'aluminium, de par ses propriétés mécaniques, thermiques ou physicochimiques, est un métal très prisé dans de nombreux domaines. La demande en aluminium est de plus en plus élevée et donc la production ne cesse d'augmenter. Il est donc aujourd'hui nécessaire pour les industries de minimiser le coût de production de l'aluminium. Une des raisons principales de la baisse de rendement du procédé Hall-Héroult est l'apparition de boues sur le bloc cathodique. En effet la boue formée par le procédé provoque une résistivité supplémentaire pour le passage du courant électrique. Cette boue est tout d'abord formé à l'IBM de par un régime diffusif prépondérant à l'interface et à la dissolution non-complète de l'alumine alimentée. Pour estimer le taux de particules solides chutant sur le bloc cathodique, il est nécessaire de connaître la tension d'interface de l'IBM. Pour ce faire, la connaissance de la tension de surface du bain et du métal liquide doit être connues. Ces deux phases n'étant pas pures, un modèle théorique est nécessaire pour estimer la tension de surface. Malheureusement les modèles existants dans la littérature ne sont pas assez satisfaisants L'objectif de cette maîtrise est donc de créer un modèle estimant la tension de surface pour les systèmes liquides métalliques et de sels fondus et l'appliquer au procédé Hall-Héroult. Le modèle est basé sur le modèle de Guggenheim idéal avec l'ajout d'un système de poids sur les mélanges binaires. Notre modèle est ensuite étendu aux systèmes à n composés. Dans la majorité des cas, notre modèle est ensuite comparé aux points expérimentaux disponibles dans la littérature et au modèle de Butler-Tanaka, le modèle le plus répandu en recherche et en industrie. Sur les alliages étudiés, notre modèle possède une meilleure précision que le modèle de Butler-Tanaka, que ce soit sur les alliages métalliques ou de sels fondus et notamment pour les alliages d'aluminium, de fluorures et cryolithiques. Par ailleurs de nombreuses corrélations ont été trouvées afin de pouvoir estimer la tension de surface de la majorité des systèmes sans avoir besoin de points expérimentaux. Malheureusement notre modèle a encore besoin de données expérimentales pour estimer correctement la tension de surface de certains systèmes. De plus le travail de cette maîtrise ne suppose pas l'existence des particules solides dans les systèmes étudiés. Les objectifs de cette maîtrise sont donc atteints, même si le travail doit être poursuivi pour rendre notre modèle de plus en plus universel et prendre en compte toutes les spécificités des phases du procédé Hall-Héroult (notamment les particules solides).

Abstract

Aluminium, with its mechanical, thermal and physiochemical properties, is a metal widely used in various fields. The aluminium market gets bigger and bigger, and to cope with the demand, the production increases too. It is now necessary for companies to minimize the production cost of aluminium. One of the main reasons of a decreasing yield of the Hall-Heroult process is the formation of sludge on the cathode, which cause an additional resistivity against the electricity path. Indeed, the alumina fed to the process does not dissolve completely and condenses firstly at the molten-salt bath/metal interface (BMI). Furthermore, close to the BMI, the system is driven by diffusive regime, and the molten-salt bath composition changes compared to the bulk composition, which causes a possible crystallization of the bath. In order to determine the rate of falling particles on the cathode, it is necessary to know the interfacial tension of the BMI. But in order to estimate this, it is important to measure the surface tension of the molten-salt bath and aluminium. Unfortunately, the molten-salt bath and the aluminium are not pure species. It is important to have predictive models of surface tension of molten-salts alloys and metallic alloys. But none of the literature models proposed fit precisely to estimate correctly the surface tensions of the bath and aluminium. The objective of this Master is therefore to create a predicative model of the surface tension for molten-salt alloys and metallic alloys and apply it on the Hall-Héroult process. The model developed is based on ideal Guggenheim's model with addition of a weighting system on binary alloys. Then, our model is extended to systems with more species. In a wide majority of cases, our model has been compared to experimental points available in literature, and to the Butler-Tanaka model. On studied systems, our model has a greater precision compared to the Butler-Tanaka model, particularly on aluminium, fluorides and cryolitic alloys. Moreover, various correlations have been discovered to predict surface tension of systems without experimental data. But unfortunately, correlations do not include all systems. Furthermore, our work assumes liquid phases without solid particles in studied systems, whereas solid particles exists in Hall-Héroult process. The aims of this master are therefore achieved even if research must be continued to make our model more and more universal and included external events of Hall-Héroult process, particularly the existence of solid particles.