Par Fatemeh Khademian, Ph.D en génie minier, métallurgique et des matériaux de l’Université Laval
Dans le cadre du mois de septembre et de sa thématique « Je lis la science », le magazine Al13 présente chaque semaine un texte de la communauté universitaire du Centre de recherche sur l’aluminium REGAL.
Fatemeh Khadermian, au doctorat à l’Université Laval, présente cette semaine un aspect invisible de la recherche : comment peut-on densifier les anodes nécessaires à la fabrication de l’aluminium pour les rendre plus performantes et moins polluantes. Sa recherche montre bien que c’est parfois grâce aux détails que les processus s’améliorent pour un meilleur avenir.
Houshang Alamdari
Directeur du Centre de recherche sur l’aluminium REGAL
Professeur titulaire
Département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux, Université Laval
[FR] Fatemeh Khademian est doctorante en génie minier, métallurgique et des matériaux à l’Université Laval et au Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL, où elle travaille sous la direction du professeur Houshang Alamdari. Ses recherches portent sur la production d’anodes de carbone, l’imprégnation au brai et l’optimisation des procédés destinés à des applications dans l’industrie de l’aluminium.
[EN] Fatemeh Khademian is a PhD student in mining, metallurgical, and materials engineering at Université Laval and the Aluminium Research Centre – REGAL, where she works under the supervision of Prof. Houshang Alamdari.
Her research focuses on carbon anode production, pitch impregnation, and process optimization for aluminum industry applications.
Résumé en français
Un regard à l’intérieur des pores du coke de pétrole : comment l’imprégnation du brai influence la performance des anodes de carbone
La vie moderne repose sur l’aluminium, présent dans nos voitures, nos avions, nos emballages et les lignes qui acheminent l’hydroélectricité du Québec. Pour transformer l’alumine en métal, les alumineries utilisent le procédé Hall-Héroult, où un courant électrique traverse un bain en fusion. Ce courant entre dans le bain par de grands blocs appelés anodes de carbone. Leur performance dépend de détails souvent invisibles à l’œil nu, dont l’un des plus importants est la façon dont le brai de houille pénètre dans les pores du coke de pétrole calciné lors du mélange. Une imprégnation incomplète laisse des vides et réduit la densité et la qualité de l’anode.
Dans le mélange conventionnel, le brai et les particules de coke grossières et fines sont mélangés simultanément, ce qui permet aux fines d’obstruer les pores ouverts des grains grossiers avant que le brai n’y pénètre. Pour remédier à ce problème, nous étudions une approche de mélange séquentiel : les grains grossiers sont d’abord préimprégnés de brai, puis le reste du brai et les fines sont ajoutés.
La question centrale est de savoir quelle quantité de brai est nécessaire pour remplir ces pores. En combinant l’analyse d’images et des mesures de densité, nous avons quantifié la porosité ouverte avant et après imprégnation. Les résultats montrent que seulement un quart environ des pores se remplit (de 26 à 28 %), et qu’ajouter davantage de brai n’y change presque rien : les pores atteignent un point de saturation. Environ 30 % du brai total suffit à l’étape de pré-imprégnation, le reste servant à enrober les fines. À l’échelle d’une industrie produisant des millions de tonnes, cette précision permet des anodes plus denses, moins de gaspillage et une réduction de l’énergie et des émissions.
Full version in English – A Look Inside the Pores of Petroleum Coke: How Pitch Impregnation in Coke Pores
Affects Carbon Anode Performance Modern life runs on aluminum. It is used in cars and planes, packages our food and beverages, and carries the hydroelectricity that powers Quebec. To turn alumina into metal, smelters use the Hall–Héroult process, passing a powerful electric current through a molten bath. That current enters the bath through large blocks called carbon anodes. Carbon anodes are essential to aluminum production, yet their performance depends on details often invisible to the naked eye. One of the most important of these details is how well coal-tar pitch penetrates the pores of calcined petroleum coke during mixing. When this impregnation is incomplete, the final anode may contain more voids and have lower density and lower quality.
In conventional anode production, pitch, coarse coke, and fine coke are mixed at the same time. However, this approach can allow fine particles to block the open pores of coarse coke particles before the pitch has enough time to enter them. As a result, some of the pores remain unfilled, which can affect the anode’s structure and performance later in the process. To address this issue, we are studying a sequential mixing approach. In this method, coarse coke particles are first pre impregnated with pitch, after which the remaining pitch and fine particles are added. The idea is simple: give the pitch a better chance to enter the accessible pores before those pores become obstructed by fine material. This could lead to a more homogeneous paste and, ultimately, stronger anodes.
However, the more important question is how much of the total pitch is required to fill the pores of coarse coke particles? A key part of my study is finding a way to quantitatively measure pitch impregnation. To do this, we combined image analysis and density measurements to estimate the open porosity of the coke particles before and after impregnation. By comparing these values, we could determine how much pore volume was filled by the pitch.
Our results showed that only about a quarter of those pores were filled with pitch, about 26–28%. Adding more pitch barely moved that number. The accessible pores reach a saturation point, beyond it, extra binder simply covers the outer surface of the particles rather than penetrating deeper. It is a small adjustment to a recipe, but anodes are produced in millions of tonnes. Turning a guess into a measured target means denser anodes, less wasted binder, and, across an entire industry, a meaningful nudge toward lower energy use and fewer emissions per tonne of metal. From an industrial perspective, this is an important message. If about 30% of the total pitch is enough for the initial impregnation step, the remaining pitch can be used later to coat and bind the fine particles more effectively. That could improve paste structure, reduce waste, and support better anode quality. In an aluminum smelting plant, which is demanding and energy-intensive, even small improvements in anode performance can have a meaningful impact.
This research is still part of a broader effort to optimize carbon anode manufacturing, but it already points to a practical conclusion: better anodes may come not from simply adding more binder, but from understanding where that binder goes. By rethinking pitch impregnation, we may be able to improve both the efficiency and the quality of carbon anode production. This work was carried out at Université Laval and the Aluminum Research Center – REGAL, with the support of Alcoa Corporation, NSERC, and the Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT).
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