Thermomechanical properties of spinel ferrite based cermets: influence of oxidation
Propriétés thermomécaniques de cermets à base de ferrite spinelle : influence de l'oxydation
Résumé
In order to replace consumable carbon electrodes in the Hall-Heroult electrolysis process, the development of inert anodes resistant to oxidation is a technical challenge for main leaders in aluminum production. Some of the recent researches were focused on promising and original cermets constituted of a dual phase ceramic matrix and dispersed metallic particles, which have sufficient electric conductivity and corrosion resistance at high temperature. However, up to now, the studies did not really take into account the thermomechanical aspect which is a major concern for ceramics, because of their brittle behaviour and their thermal shock sensitivity. Supervised by the Rio Tinto-Alcan company and its Voreppe Research Centre, the present work has been focused on the development of a numerical tool integrating the mechanical behaviour of the material in order to calculate anodes failure probabilities. The work has been initially based on an experimental investigation of the mechanical properties from room temperature to electrolysis temperature: Weibull statistics parameters, elastic modulus, thermal conductivity, thermal expansion coefficient, creep resistance... The finite elements calculations also take into account the progressive oxidation of the material and the thermomechanical loadings induced by the environment.
Afin de remplacer les électrodes de carbone consommables dans le procédé d'électrolyse Hall-Héroult, le développement d'anodes inertes résistantes à l'oxydation est un défi technique pour les principaux leaders de la production d'aluminium. Certaines recherches actuelles se focalisent sur des cermets prometteurs et originaux constitués d'une matrice céramique biphasée et de particules métalliques dispersées, ayant une conductivité électrique et une résistance à la corrosion suffisantes à haute température. Jusqu'à présent, les études n'ont pas réellement pris en compte l'aspect thermomécanique qui est d'une importance primordiale pour les céramiques, en raison de leur comportement fragile et de leur sensibilité aux chocs thermiques. Supervisé par le groupe Rio Tinto Alcan et son Centre de recherche de Voreppe, le travail de thèse est axé sur le développement d'outils numériques intégrant le comportement mécanique du matériau pour le calcul des probabilités de rupture d'anodes. Le travail se base sur une étude expérimentale des propriétés mécaniques de la température ambiante à la température de l'électrolyse : paramètres statistiques de Weibull, module d'élasticité, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique, résistance au fluage... Les calculs par éléments finis tiennent également compte de l'oxydation progressive du matériau et des chargements thermomécaniques induits par l'environnement.
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