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Développement de matériaux d'anodes inertes pour la production d'aluminium.

Helle, Sébastien (2014). Développement de matériaux d'anodes inertes pour la production d'aluminium. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 104 p.

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Résumé

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Les travaux réalisés au cours de cette thèse avaient pour objectif la synthèse et la caractérisation d'anodes inertes pour la production d'aluminium. Du fait de leurs nombreux avantages, notre étude s'est concentrée sur des anodes de type métallique et plus précisément, sur des anodes à base de Cu-Al et de Cu-Ni-Fe. Ces matériaux, préparés par des méthodes de synthèses conventionnelles, ont démontré leur limite en terme de résistance à la corrosion. En effet, les hétérogénéités chimiques qui en découlent induisent une corrosion sélective qui limite leur utilisation en milieu cryolithique. La synthèse de matériaux homogènes représente donc un des défis majeurs de cette étude. Afin de produire ces alliages, nous nous sommes tournés vers le broyage mécanique à haute énergie comme méthode de synthèse. Cette technique de synthèse hors-équilibre permet de produire des alliages métastables avec une grande homogénéité chimique. Par la suite, leur comportement électrochimique a été étudié dans un électrolyte à basse température (700°C) à base de cryolithe de potassium (KF-AIF3). La première partie de cette thèse a été consacrée à l'étude d'alliages de la famille des cupro-aluminiums. Pour ce faire, des électrodes de composition CU92-xAlxNi5Fe3 avec x variant de 0 à 20 % pds. ont été synthétisées. Le comportement électrochimique s'est montré être fortement influencé par la composition de l'anode. Les meilleurs résultats en termes de stabilité du potentiel et de pureté de l'aluminium produit ont été obtenus pour une électrode de stoechiométrie CU82Al10Ni5Fe3. En comparant cette dernière avec un alliage obtenu par métallurgie conventionnelle et présentant de fortes hétérogénéités chimiques, il a été démontré que le matériau synthétisé par broyage mécanique présentait une meilleure résistance à la corrosion. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux alliages Cu-Ni-Fe en étudiant l'influence de leur composition. Des composés de stoechiométrie CuxNi85-xFel5 avec x variant de 0 à 85 % pds. et (Cu3,25Ni)100-xFex avec x variant de 0 à 30 % pds. ont été synthétisés par broyage mécanique. Au terme de cette étude, plusieurs phénomènes ont pu être mieux compris. En premier lieu, une trop forte concentration en nickel dans l'anode semble favoriser la formation d'une couche électriquement trop résistive entrainant une forte augmentation du potentiel de cellule. D'un autre coté, lorsque la teneur en cuivre est trop élevée, la contamination de l'aluminium produit devient très importante. Finalement, la présence de fer dans le matériau permet la formation de NiFe2O4 qui joue un rôle essentielle vis-à-vis de la résistance à la corrosion du fait de sa faible dissolution dans la cryolithe. Ainsi, cette étude nous a conduit à la sélection d'une électrode de composition CU65Ni20Fel5 qui présente un comportement électrochimique stable et permet de produire un aluminium avec une pureté de 99,3 %. Afin d'améliorer les propriétés de cet alliage, nous avons décidé de produire des composites métal/oxyde à partir de l'alliage CU65Ni20Fel5 en lui ajoutant différentes proportions d'oxygène. Cette étude a démontré qu'il est ainsi possible de synthétiser des composites qui consistent en une matrice d'alliage Cu-Ni-Fe dans laquelle sont dispersés des précipités d'oxydes de fer dont la taille et la distribution dépendent fortement de la concentration en oxygène. Des résultats très encourageants ont été obtenus avec une électrode (Cu65Ni20Fe25)98,6O1,4 qui présente un très bon comportement électrochimique et permet d'atteindre une pureté supérieure à 99,7 %. Les performances de cette anode ont pu être attribuées à la fine dispersion de précipités de Fe2O3 qui favorise la formation rapide d'une couche dense et hautement protectrice de NiF2O 4 à la surface de l'électrode.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Roué, Lionel
Co-directeurs de mémoire/thèse: Guay, Daniel
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: anode inerte; résistance; corrosion; milieu cryolithique; broyage mécanique; aluminium
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 11 avr. 2014 21:26
Dernière modification: 20 nov. 2015 16:01
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2144

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