SEME 2011

"Anticiper la formation de défauts sur les anodes des cuves à électrolyse utilisées pour fabriquer l'aluminium"

Le sujet sera présenté par André Augé, responsable de la Cellule Suivi Technique de Rio Tinto Alcan

L'aluminium est obtenu par électrolyse de l'alumine. Les cuves d’électrolyse sont montées en série (au sens électrique) et alimentées par un courant à fort ampérage (plusieurs centaines de kA). En haut de chaque cuve sont disposées plusieurs anodes de carbone, qui se consomment au fur et à mesure de la réaction d’oxydation. L'aluminium résultant de l'électrolyse se dépose en bas de la cuve sur la cathode.

Un peu de chimie et de procédé : l’alumine (oxyde d’aluminium Al2O3) est dissous dans un bain (électrolyte) fluorée (cryolithe : fluorure double de sodium et d’aluminium AlF3.3NaF) à 950°C. Les ions O2- sont oxydés à l’anode et produisent du gaz carbonique (CO2). Les ions Al3+ sont réduits à la cathode et produisent de l’aluminium.

Il faut environ 1 tonne d’alumine, 400 kg de carbone et 13 000 kWh pour produire une tonne d’aluminium. L’alumine est produite à partir de la bauxite.
Les anodes se consomment et sont remplacées tous les 27 jours. En pratique, environ 1 anode est changée chaque jour. L’aluminium est aspiré tous les 2 jours. Il reste toujours une nappe d’aluminium sur la cathode. Le maintien en température de l’ensemble est assuré par effet Joule.

Un problème récurrent se pose dans les usines de production : des anomalies dans la consommation des anodes en carbone perturbent la réaction, déséquilibrent la réaction d'électrolyse, obligent à un remplacement plus fréquent des anodes et ont en fin de compte un impact important sur la production.

Les ingénieurs de Rio Tinto Alcan disposent de quantités de mesures portant sur la composition chimique du bain électrolytique, la température, les variations du courant, le type de carbone utilisé, les anodes où des anomalies se sont formées, etc.

Le sujet proposé présente deux aspects. Il s'agira, à partir de toutes les données dont on dispose, de :

a) Comprendre l’origine de ces anomalies
b) Trouver les indicateurs (variable(s), seuil, …) permettant d'anticiper la présence de ces anomalies.
Il s'agira plus précisément de détecter l'influence relative de chaque variable, les phénomènes non réversibles, les effets de seuil, le déphasage entre les changements d'état de différentes variables et le lien avec la formation des défauts.

L'analyse croisée des courbes pourra éventuellement être couplée avec une modélisation numérique de la présence des anomalies, afin de mieux cerner l'importance de chaque variable.