https://doi.org/10.83048/vrqa-ya32">

Date of Award

12-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Khalifa Hamad Harib

Second Advisor

Dr. Sangarapillai Sivaloganathan

Abstract

Newly installed cathode blocks in an aluminium reduction cell, expand due to a rapid increase of temperature when passing a high current at the start-up of the cell. High thermal stresses may result if cathode blocks are lined without gaps, and this can lead to cracking of the cathodes and failure of the cell. On the other hand, leaving gaps would cause failure due to molten metal infiltration in the gaps. To overcome these problems carbon-based ramming material is used to fill these gaps. Currently ‘Filling’ is carried out manually or partially automated, but this needs to be fully automated in line with Industry 4.0. Automation here means the making of an apparatus, a process, or a system to operate with minimum inputs from humans and produce consistent filling of the ramming paste. The main objective of this project was to establish the needed characteristics of ramming paste under different conditions so that one can make decisions to optimize the life of the carbon paste in the cell while designing the automatic system. Experimental analysis was carried out to visualize and investigate the manual compaction of ramming paste in the gaps and identify forms and defects after the compaction. Building on this, characterization of ramming paste was carried out under different conditions by varying applied pressure. At room temperature, it had the ability to bond and solidify under pressure with increasing young’s modulus value as pressure increases. But it was observed that over-compaction initiated internal cracks in the solidified sample. Then, characterization was carried out by varying the baking temperature, so blocks were fabricated to be heated to different temperatures and then investigate their behaviours, the baking temperatures were from 200˚C to 600˚C. The achieved yield strength of 200˚C was high however similar strength was achieved at room temperature for unbaked samples as well, on the other hand, it was observed that the higher the temperature with the presence of oxygen the more fragile the ramming paste became. Further, to achieve a consistent flow of the ramming paste into the filling, the Principle of Fused Deposition Modelling was tested to extrude ramming paste using a nozzle with different nozzle profiles and various applied loads. This set of experiments concluded that ramming paste cannot be extruded using a nozzle as it gets compacted at the nozzle exit and compaction builds up on the top layers. The paste does not flow because of its strong bonding nature and the resulting consolidation under pressure. Based on the findings a machine was designed and built to extrude ramming paste using a two-stage process comprising of, firstly a screw conveyor to positively convey the material and secondly a roller to compact the material coming out from the screw conveyor. Test runs were carried out with the machine and the results show that the machine can produce ramming paste flow, at the desired density in a consistent fashion. Based on the findings of this research and the prototype machine, industry scale machines automating the ‘Aluminum Cell Ramming Process’ can be built.

Arabic Abstract

تمتد كتل الكاثود المثبتة حديثاً في خلية اختزال الألمنيوم عندما تتعرض لارتفاع في درجة الحرارة نتيجة إمرار تيار كهربائي عالٍ عند بدء تشغيل الخلية. تنتج ضغوط حرارية عالية إذا كانت كتل الكاثود مصفوفة بدون فجوات بينها، وهذا يمكن أن يؤدي إلى تشقق الكاثود وفشل الخلية. من ناحية أخرى، فإن ترك الفجوات قد يؤدي إلى فشل الخلية بسبب تسرب المعدن المنصهر في الفجوات. للتغلب على هذه المشاكل، يتم استخدام معجون قائم على الكربون لملء هذه الفجوات ويسمى معجون الضغط. حالياً يتم الملء يدوياً أو آلياً بشكل جزئي، ولكن تماشياً مع الثورة الصناعية الرابعة لابد أن يكون ذلك مؤتمتاً بالكامل. كان الهدف العام من هذا المشروع هو تحديد خصائص عجينة الضغط في ظل ظروف مختلفة بحيث يمكن للمرء اتخاذ قرارات لتحسين عمر عجينة الكربون في الخلية. سيساعد هذا في تسريع العملية وتقليل عدد الطبقات المضغوطة.

كذلك تم إجراء تحليل تجريبي لتصور وفحص كيفية انضغاط عجينة الضغط في الفجوات وتحديد بنيتها والعيوب الناتجة. ثم تم إجراء تجارب لتحديد خصائص معجون الضغط في ظل ظروف مختلفة عن طريق تغيير الضغط المطبق على عجينة الضغط في القوالب المستخدمة للعجينة للحصول على إعدادات التشغيل المحسنة. هذه التجارب نتجت عن قيم مرتفعة لمعامل يونج (Young’s Modulus) تنتج عند ارتفاع الضغط المطبق. كذلك تتكون بداية تشققات في العينات التي تتعرض لضغط عالٍ جداً. في المرحلة التالية، تم تعريض عينات العجينة المنتجة لدرجات حرارة مختلفة وتم التحقق من سلوكها حيث كانت مقاومة عجينة الضغط للضغط المطبق عالية عند التسخين لدرجة حرارة تتراوح بين 200°C و400°C بينما أصبحت هشة عند الدرجات الأعلى.

علاوة على ذلك، تم استخدام مبدأ الطباعة الثلاثية الأبعاد لحقن معجون الضغط باستخدام فوهة ذات رأس بأشكال مختلفة وتغيير الضغط المستخدم لإخراج المعجون. كانت خلاصة هذه المجموعة من التجارب أنه لا يمكن حقن معجون الضغط باستخدام فوهة حيث أنه يبدأ بالتصلب عندما تقل مساحة المقطع العرضي لمسار مخرج الفوهة، وبذلك لا يتدفق المعجون بسبب طبيعته اللزجة وما ينتج عنه من تصلب نتيجة الضغط. وكان لابد من إضافة مصدر خارجي لدفع المعجون. نتيجة لذلك، تم إجراء محاولة لبثق معجون الضغط باستخدام عملية تتكون من مرحلتين؛ الأولى هي ناقل لولبي لنقل المواد بشكل موحد والثانية هي استخدام أسطوانة متدرجة لضغط المادة عند الخروج. في نهاية هذه التجارب تم ضغط معجون الضغط بنجاح بالكثافة المطلوبة وبثقها عبر قناة الخروج؛ كذلك تم التحكم في كثافة المعجون للحصول على قيم مختلفة للكثافة. يمكن أن تساعد هذه النتائج في تطوير طرق الضغط الآلي لعجينة الضغط في الفجوات بين كتل الكاثود.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: خلية اختزال الألمنيوم، معجون الضغط، أتمتة عملية التعبئة، تبطين خلية الألمنيوم، بثق معجون الضغط.

Download
COinS