Étude de l’écoulement dans la cloison d’un four horizontal de cuisson d’anodes

Abstract

Les anodes de carbone sont utilisées dans le procédé d’électrolyse pour la production de l’aluminium primaire. Cette étape contribue à environ 15% du coût total de production de l’aluminium. Les anodes sont consommées régulièrement dans la cellule d’électrolyse et nécessitent en général un remplacement toutes les 2 à 4 semaines. L’étape la plus coûteuse de la fabrication des anodes est la cuisson où les propriétés des anodes sont fixées; donc, il s’agit d’une étape importante. Dans ces fours, les gaz qui circulent dans les cloisons fournissent la chaleur nécessaire pour la cuisson et le profil de vitesses influence énormément la distribution de chaleur. Une distribution uniforme favorise l’homogénéité de la cuisson. Cependant, la mesure de vitesses et du débit des gaz est difficile à cause de la complexité de l’écoulement créé par la géométrie particulière des cloisons. L’objectif de ce projet est de développer une technique pour déterminer le débit du gaz dans les cloisons d’un four horizontal de cuisson d’anodes. Une maquette d’une cloison a été conçue et construite pour tester les différentes méthodes de mesure et établir les critères sur lesquels la prise de mesure à l’usine est effectuée. Le comportement des gaz a été démontré en laboratoire par la visualisation de l’écoulement avec de la fumée et par la mesures des vitesses rencontrées dans deux configurations : une cloison issue de la littérature ayant deux rangées de briques et une autre industriel dont les détails (dimensions, géométrie) sont confidentiels. Des mesures de vitesses à l’entrée et sortie de la maquette cloison ont permis de déterminer les bilans de masse pour chaque cas de section du four de cuisson d’anodes simulé. Ces données ont aussi permis d’estimer les taux d’infiltration ou d’exfiltration selon la section étudiée. Suivant cette même démarche, une campagne de mesure a été effectuée à l’usine d’anodes. Des mesures ont été prises dans les différentes sections du four de cuisson d’anodes, surtout la section de refroidissement compte tenu des températures relativement basses qui permettent d’effectuer des mesures convenables. Ces données ont été donc recueillies (ΔP, emplacement des mesures, températures et vitesses d’écoulement des gaz chauds) permettant ainsi de faire une analogie avec les données déjà obtenus avec les travaux sur la maquette cloison pour cette configuration. Cette analogie a permis de comparer l’écoulement des gaz chauds au niveau de l’usine et de l’air au niveau de la maquette. Cette comparaison est essentielle pour déterminer les facteurs de correspondance entre l’usine et le laboratoire compte tenu de la différence substantielle des paramètres opératoires. En utilisant ces facteurs de correspondance, l’écoulement des gaz chauds a été calculé dans les sections du four de cuisson d’anodes où on a pu prendre des mesures. Ces résultats sont présentés dans ce mémoire. Carbon anodes are used in the electrolytic process for the production of primary aluminum. This step constitutes approximately 15% of the total cost of aluminum production. The anodes are regularly consumed in the electrolysis cell, and they are generally changed every 2 to 4 weeks. The most costly step of the anode manufacturing process is the baking process where the anode attains its final properties; thus, this is an important step. In these furnaces, the gas that circulates in the flues provides the heat necessary for the baking, and the velocity profile affects significantly the distribution of heat. A uniform distribution promotes homogeneous heating. However, the measurement of the velocities and the gas flow rate is difficult because of the complexity of the flow created by the particular geometry of the flues. The objective of this project is to develop a technique to measure the gas flow rate in the flues of a horizontal anode baking furnace. A physical model of a flue was designed and built to test different methods of measurement and to establish the criteria on which the measurements can be carried out in the plant. The gas behavior was characterized in the laboratory by flow visualization with fume. The velocity measurements were carried out in two different configurations: a flue from the literature with two rows of bricks and an industrial flue for which the details (dimensions, geometry) are confidential. The measurements at the entrance and exit of the model were used to determine the mass balance for each case section of the simulated anode baking furnace. These data were also used to estimate the rate of infiltration or exfiltration depending on the section studied. Following this same approach, a measurement campaign was carried out in an anode plant. Measurements were taken in different sections of the anode baking furnace, particularly the cooling section given the relatively low temperatures, which makes the measurement of velocities possible. These data were thus collected (ΔP, measurement location, temperatures, and flow rates of the hot gases), and an analogy was assumed with the physical model of the flue. This analogy was used to compare the flow of hot gas at the plant and the air in the model. This comparison is essential for determining the corresponding factors between the plant and the laboratory given the substantial difference in the operating parameters. These factors were used to calculate the flow in the industrial flues where the measurements were done. In this thesis, these results are presented