Non-destructive quality control of carbon anodes using modal analysis, acousto-ultrasonic and latent variable methods

La performance des cuves d’électrolyse utilisées dans la production d’aluminium primaire par le procédé Hall-Héroult est fortement influencée par la qualité des anodes de carbone. Celles-ci sont de plus en plus variables en raison de la qualité décroissante des matières premières (coke et braie) et des changements de fournisseurs qui deviennent de plus en plus fréquents afin de réduire le coût d’achat et de rencontrer les spécifications des usines. En effet, les défauts des anodes, tels les fissures, les pores et les hétérogénéités, causés par cette variabilité, doivent être détectés le plus tôt possible afin d’éviter d’utiliser des anodes défectueuses dans les cuves et/ou d’apporter des ajustements au niveau du procédé de fabrication des anodes. Cependant, les fabricants d’anodes ne sont pas préparés pour réagir à cette situation afin de maintenir une qualité d'anode stable. Par conséquent, il devient prioritaire de développer des techniques permettant d’inspecter le volume complet de chaque anode individuelle afin d’améliorer le contrôle de la qualité des anodes et de compenser la variabilité provenant des matières premières. Un système d’inspection basé sur les techniques d’analyse modale et d’acousto-ultrasonique est proposé pour contrôler la qualité des anodes de manière rapide et non destructive. Les données massives (modes de vibration et signaux acoustiques) ont été analysées à l'aide de méthodes statistiques à variables latentes, telles que l'Analyse en Composantes Principales (ACP) et la Projection sur les Structures Latentes (PSL), afin de regrouper les anodes testées en fonction de leurs signatures vibratoires et acousto-ultrasoniques. Le système d'inspection a été premièrement investigué sur des tranches d'anodes industrielles et ensuite testé sur plusieurs anodes pleine grandeur produites sous différentes conditions à l’usine de Alcoa Deschambault au Québec (ADQ). La méthode proposée a permis de distinguer les anodes saines de celles contenant des défauts ainsi que d’identifier le type et la sévérité des défauts, et de les localiser. La méthode acousto-ultrasonique a été validée qualitativement par la tomographie à rayon-X, pour les analyses des tranches d’anodes. Pour les tests réalisés sur les blocs d’anode, la validation a été réalisée au moyen de photos recueillies après avoir coupé certaines anodes parmi celles testées.The performance of the Hall-Héroult electrolysis reduction process used for the industrial aluminium smelting is strongly influenced by the quality of carbon anodes, particularly by the presence of defects in their internal structure, such as cracks, pores and heterogeneities. This is partly due to the decreasing quality and increasing variability of the raw materials available on the market as well as the frequent suppliers changes made in order to meet the smelter’s specifications and to reduce purchasing costs. However, the anode producers are not prepared to cope with these variations and in order to maintain consistent anode quality. Consequently, it becomes a priority to develop alternative methods for inspecting each anode block to improve quality control and maintain consistent anode quality in spite of the variability of incoming raw materials.A rapid and non-destructive inspection system for anode quality control is proposed based on modal analysis and acousto-ultrasonic techniques. The large set of vibration and acousto-ultrasonic data collected from baked anode materials was analyzed using multivariate latent variable methods, such as Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares (PLS), in order to cluster the tested anodes based on vibration and their acousto-ultrasonic signatures. The inspection system was investigated first using slices collected from industrial anodes and then on several full size anodes produced under different conditions at the Alcoa Deschambault in Québec (ADQ). It is shown that the proposed method allows discriminating defect-free anodes from those containing various types of defects. In addition, the acousto-ultrasonic features obtained in different frequency ranges were found to be sensitive to the defects severities and were able to locate them in anode blocks. The acousto-ultrasonic method was validated qualitatively using X-ray computed tomography, when studying the anode slices. The results obtained on the full size anode blocks were validated by means of images collected after cutting some tested anodes

17. Simpozij „Materijali i metalurgija“ – dopuna „Zbornik sažetaka”

In Metalurgija 63 (2024) 2,303-320 published „ Book of Abstracts “ (224). Deadline for received of Abstracts was November, 30,2023 y. Many authors have request new deadline by March, 25, 2024 y. Organizing committee have accept new deadline. Now it published supplements of 103 Abstracts.U Metalurgiji 63 (2024) 2,303-320 objavljen je Zbornik sažetaka (224). Rok za primitak sažetke je bio 30. studeni 2023. god. Mnogi autori zatražili novi rok do 25.03.2024. Organizacijski odbor Simpozija je prihvatio novi termin. Objavljuje se sada dodatnih još 160 sažetaka

Advanced Process Monitoring for Industry 4.0

This book reports recent advances on Process Monitoring (PM) to cope with the many challenges raised by the new production systems, sensors and “extreme data” conditions that emerged with Industry 4.0. Concepts such as digital-twins and deep learning are brought to the PM arena, pushing forward the capabilities of existing methodologies to handle more complex scenarios. The evolution of classical paradigms such as Latent Variable modeling, Six Sigma and FMEA are also covered. Applications span a wide range of domains such as microelectronics, semiconductors, chemicals, materials, agriculture, as well as the monitoring of rotating equipment, combustion systems and membrane separation processes

Process Modeling in Pyrometallurgical Engineering

The Special Issue presents almost 40 papers on recent research in modeling of pyrometallurgical systems, including physical models, first-principles models, detailed CFD and DEM models as well as statistical models or models based on machine learning. The models cover the whole production chain from raw materials processing through the reduction and conversion unit processes to ladle treatment, casting, and rolling. The papers illustrate how models can be used for shedding light on complex and inaccessible processes characterized by high temperatures and hostile environment, in order to improve process performance, product quality, or yield and to reduce the requirements of virgin raw materials and to suppress harmful emissions

Monitoring of a carbon anode paste manufacturing process using machine vision and latent variable methods

Le procédé de réduction électrolytique Hall-Héroult est utilisé pour la fabrication industrielle d’aluminium primaire. Ce procédé nécessite l’utilisation d'anodes de carbone. L’uniformité de la qualité de celles-ci est un paramètre très important pour assurer la stabilité et des performances optimales des cuves d’électrolyse. Malheureusement, les fabricants d'anodes sont actuellement confrontés à une augmentation de la variabilité des matières premières. Cette situation est due à une diminution de la disponibilité de matières premières de bonne qualité à faibles coûts. Pour compenser, les fabricants d'anodes doivent diversifier leur choix de fournisseurs, ce qui augmente la variabilité. Cependant, les usines ne sont pas préparées pour réagir à cette situation tout en maintenant une qualité d'anode stable. Cette situation est due, entre autres, à un manque de mesures quantitatives en temps réel de la qualité des anodes. Plusieurs exemples d’applications industrielles de vision numérique ont été présentés dans la littérature. Par conséquent, il existe une opportunité de développer un tel système pour obtenir une mesure non destructive et en temps réel de la qualité de la pâte d'anode. Le développement du capteur a été fait avec de la pâte et des anodes pressées à l'échelle laboratoire. Un ensemble de caractéristiques de texture d'images calculées à partir de la transformée en ondelettes discrète (DWT) et de matrices de cooccurrence de niveaux de gris (GLCM) ont été sélectionnées. Ces caractéristiques étaient sensibles aux variations dans la formulation et de la quantité de brai dans la pâte. Le capteur est aussi capable de détecter la quantité optimale de brai (OPD) pour différents cokes. Ensuite, la sensibilité et la robustesse du capteur ont été testées avec de la pâte industrielle. Finalement, les usines collectent déjà beaucoup de mesures de procédé en temps réel. Ces données peuvent être utilisées dans une stratégie de monitorage statistique pour détecter et investiguer des déviations de qualité. Une nouvelle méthode statistique multivariée par variables latentes PLS multi-blocs séquentiels (SMB-PLS) a été développée pour améliorer l'interprétation des données industrielles par rapport aux méthodes usuelles de PLS multi-blocs. Cette méthode a également été utilisée pour discuter de la pertinence d’utiliser les caractéristique d'image de la pâte à un modèle statistique pour la surveillance de la variabilité du procédé.The Hall-Héroult electrolysis reduction process used for the industrial aluminium smelting relies on the consumption of carbon anodes. The quality and consistency of these anodes are very important for the stability and performance of the reduction cells. Unfortunately, the anode manufacturers currently face an increase in the raw material variability. This is due to the declining availability of high quality, low cost and consistent materials on the market forcing the anode manufacturers to diversify their suppliers. However, the anode plants are not prepared to compensate for this increase in variability and still maintain consistent anode quality. There is a lack of real-time quality monitoring and control of the baked anodes properties and the most important raw material and process parameters. Machine vision applications have been successful in many industrial applications. Therefore there is an opportunity to develop such a system to obtain a non destructive and online measurement of the anode paste quality. This sensor could then be used in a feedback/feedforward control strategy for attenuating the unmeasured raw material and process variations. The sensor development was performed using laboratory scale paste and pressed anodes. A set of image texture features computed from discrete wavelet transform (DWT) and gray level co-occurrence matrix (GLCM) methods were selected. These features could capture variations in formulation, pitch ratio in the paste and in pitch demand. The sensor was also found to be sensitive to the optimum pitch demand (OPD) of two different cokes. Then, the sensitivity and robustness of the sensor was tested using industrial paste. Finally, the anode plants already collect some real-time process measurement and off-line raw material and baked anode properties that can be used to monitor and troubleshoot process and quality deviations. A new sequential multi-block PLS (SMB-PLS) method was developed to improve the interpretation of complex industrial dataset compared to already available multi-block PLS methods. This method was also used to discuss the relevance of adding real-time paste image feature to a statistical model for monitoring of the process variability

Development of an advanced artificial intelligent reliability analysis tool to enhance ship operations and maintenance activities

No Abstract availableNo Abstract availabl

Impact of a coastal ferronickel metallurgy on the marine ecosystem: The case of Larymna Bay

Στον Β. Ευβοικό κόλπο, στη Λάρυμνα, βρίσκεται μια από τις σημαντικότερες εξορυκτικές και μεταλλουργικές βιομηχανίες της Ελλάδα (ΛΑΡΚΟ) και μια απο τις μεγαλύτρες του είδους της στην Ευρώπη. Στο εργοστάσιο αυτό ορυκτή πρώτη ύλη από ορυχεία της Έυβοιας και της Β. Ελλάδας υφίσταται επεξεργασία και παράγεται σιδηρονικέλιο προς εξαγωγή. Επιπλέον όμως παράγονται και πολύ μεγάλες ποσότητες παραπροϊόντος (σκουριά). Η σκουριά απορρίπτεται στη θάλασσα από το 1969 σε καθορισμένη από την πολιτεία περιοχή. Η παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε ακολουθώντας κοντινή (παρόμοια;) μεθοδολογία με παλιότερες μελέτες και προγράμματα παρακολούθησης της ρύπανσης στην συγκεκριμένη περιοχή. Σκοπός της εργασίας ήταν να διερευνήσει τη μακροχρόνια επίδραση της απορριπτόμενη σκουριάς στο θαλάσσιο περιβάλλον, τόσο ακριβώς στην περιοχή απόθεσης όσο και στην ακτογραμμή. Προκειμένου να επιτευχθεί ο σκοπός της εργασίας συλλέχθησαν δείγματα τόσο από την περιοχή απόθεσης (ανοιχτά) όσο και από την ακτογραμμή (παράκτια) όπου βρίσκεται και το εργοστάσιο. Από την ανοιχτή θαλάσσια περιοχή (σημεία απόθεσης και από ένα σταθμό αναφοράς) λήφθησαν δείγματα επιφανειακού ιζήματος, θαλασσινού νερού από την επιφάνεια και τον πυθμένα (1 μ πάνω από το ίζημα) καθώς και δείγματα οργανισμών από τρία είδη καρκινοειδών (Munida rugosa, Liocarcinus depurator and Nephrops norvegicus) για τρία έτη (2009 έως 2011). Από την παράκτια περιοχή συλλέχθηκαν δείγματα νερού και οργανισμών (γαστερόποδα Phorcus turbinatus και Patella caerulea) σε τέσσερις εποχιακές δειγματοληψίες από 7 σταθμούς κοντά στο εργοστάσιο που αντιπροσωπεύουν συνθήκες υψηλής ρύπανσης και δύο σταθμούς αρκετά μακριά που αντιπροσωπεύουν συνθήκες αναφοράς. Για τις αναλύσεις βιοδεικτών επιλέχθηκαν δείγματα Munida rugosa από την ανοιχτή θαλάσσια περιοχή και δείγματα Ph.turbinatus από την παράκτια καθώς και ένα είδος ψαριού από κοντινή ιχθυοκαλλιέργεια (Sparus aurata). Στα επιφανειακά ιζήματα μετρήθηκαν τα μέταλλα Ni, Cr, Fe, Mn, Al, Zn, Cu και Hg. Επίσης όλα αυτά τα μέταλλα εκτός του Al και Hg προσδιορίστηκαν στα δείγματα θαλασσινού νερού, σε τρείς διαφορετικούς ιστούς των καρκινοειδών (βράγχια, μυς και εξωσκελετός) και στο μαλακό ιστό των γαστερόποδων. Ως προς τους βιοδείκτες, προσδιορίστηκαν οι AChE (ακετυλοχολινεστεράση), CAT (Καταλάση) and GST (μεταφοράση της γλουταθειόνης) στο μυ και το ηπατοπάγκρεας του (M.rugosa) καθώς και σε δείγματα από συκώτι, μάτια και βράγχια των ψαριών. Τα αποτελέσματα έδειξαν αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις Ni, Fe, Cr και Mn στο θαλασισινό νερό και τα ιζήματα τόσο από τη ρυπασμένη περιοχή όσο και από τις περιοχές αναφοράς. Οι συγκεντρώσεις Cu και Zn, είναι επίσης σχετικά υψηλές στο θαλασσινό νερό και αποδίδονται σε άλλες ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Οι συντελεστές εμπλουτισμού (EF) και Geo-Index (Igeo) στα ιζήματα που υπολογίστηκαν από βιβλιογραφικά δεδομένα από παλιό δείγμα πυρήνα της περιοχής (σε πάνω από 50 cm βάθος) και από τις περιεκτικότητες του μέσου φλοιού έδειξαν ότι η περιοχή είναι ιδιαίτερα επιβαρυμένη με μέταλλα που έχουν σχέση με τη μεταλλουργική δραστηριότητα και ιδιαίτερα με Cr. Οι συγκεντρώσεις του Ni και Cr στο ίζημα είναι υψηλότερες από τα ανώτερα κριτήρια ποιότητας της US EPA και άρα μπορούν με βεβαιότητα να προκαλέσουν επιβλαβείς βιολογικές επιπτώσεις σε οργανισμούς. Πάντως οι συγκεντρώσεις των μετάλλων αυτών στο θαλασσινό νερό είναι χαμηλότερες από τα όρια χρόνιας και οξείας τοξικότητας της USEPA. Μετρήθηκαν αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις όλων των μετάλλων στα βράγχια των καρκινοειδών και στις δύο περιοχές (απόθεσης και αναφοράς). Επίσης μετρήθηκαν σχετικά υψηλότερες συγκεντρώσεις μετάλλων στα θηλυκά, κάτι που αποδόθηκε στις αυξημένες ανάγκες τους κατά τη διάρκεια του αναπαραγωγικού κύκλου και τις στρατηγικές διατροφής τους κατά τη διάρκεια της ωοτοκίας. Οι συγκετρντρώσεις όλων των μετάλλων, εκτός από το Mn, στους μαλακούς ιστούς των καρκινοειδών ήταν χαμηλότερες από τα διεθνή πρότυπα και όρια (FAO, 1993, WHO,1998 and USDA, 2009). Στα γαστερόποδα ανιχνεύτηκαν υψηλές συγκεντρώσεις των μετάλλων που σχετίζονται με τη μεταλλουργική δραστηριότητα. Τα αποτελέσματα επίσης έδειξαν ότι πιο καλός βιοδείκτης για το Mn είναι ο Patella ενώ για τα μέταλλα Fe, Ni and Zn. o Phorcus Η ξεκάθαρη αναστολή της δραστικότητας της AChE στα δείγματα από τη ρυπασμένη περιοχή σε σχέση με την περιοχή αναφοράς δείχουν ότι ο βιοδείκτης αυτός αποκρίνεται πολύ καλά στην ρύπανση από μέταλλα. Ο βιοδείκτης GST έδειξε αυξημένη δραστικότητα σε δείγματα από συκώτι του S.aurata από τη ρυπασμένη περιοχή. Πάντως δεν βρέθηκαν διαφορές στις δραστικότητες της GST και CAT στα M. rugosa και Ph. turbinatus. Τέλος, αναφέρεται ότι η μακροχρόνια απόθεση της σκουριάς στην περιοχή αυτή έχει επιδράσει πολύ αρνητικά στα ιζήματα αλλά έχει προκαλέσει και αυξημένες συγκετνρώσεις βιοσυσσωρευμένων μετάλλων σε θαλάσσιους οργανισμού.ς Λόγω αυτής της σημαντικής επιβάρυνσης που τεκμηριώνεται από την παρούσα και από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή θα πρέπει να γίνεται συστηματική παρακολούθηση με ιδιαίτερα έμφαση στα βρώσιμα θαλάσσια είδη. Επιπλέον θα πρέπει να γίνει και εκτίμηση της επίπτωσης της μεταλλουργίας στην ανθρώπινη υγεία και ενώ πρέπει να οργανωθούν και να διεκπεραιωθούν κατάλληλες επιδημιολογικές μελέτες.Larymna Bay in N. Evoikos hosts a leading mining and metallurgical company of Greece which is among the biggest of this type in Europe. Apart from the raw materials produced from domestic ores, large quantities of ferronickel by- product are also produced. The slag has been dumped in N. Evoikos in a government authorized area since 1969. This study was carried out accordingly to previous research and monitoring campaigns in this area to investigate the long term impact of the dumped slag to the marine environment including the deposition area and the coastline. For these purposes two suits of samples were collected in this area; one from the deposition area which is defined as offshore and one from the coastline, assigned as inshore (near shore area) where the smelting plant is located. Surface sediment, surface and bottom water (1 m above the sediment), along with three crustacean species (Munida rugosa, Liocarcinus depurator and Nephrops norvegicus) were collected from the slag dumping area and a reference station (Offshore area) for three years from 2009 to 2011. From the coastline (Inshore area), water samples were collected and two species of gastropods (Phorcus turbinatus and Patella caerulea) were handpicked from seven stations along the shore for four seasons representing a possibly contaminated area. In addition gastropods samples were also collected from two other stations far from the smelting plant possibly representing reference conditions. For biomarker analysis, crustacean samples (Munida rugosa) from the offshore area, gastropod samples (Ph.turbinatus) and one fish species (Sparus aurata) from the inshore area were taken. Ni, Cr, Fe, Mn, Al, Zn, Cu and Hg measured in the surface sediment samples. All the mentioned metals expect for Al and Hg were determined in the seawater samples, in the three different tissues of crustaceans (gill, muscle and exoskeleton) and in the soft tissue of gastropods. In terms of biomarkers; AChE (acetylcholinesterase), CAT (Catalase) and GST (glutathione-s-transferase) were analyzed in the muscle, hepatopancreas (M.rugosa), liver (fish), eye and gill of biota samples. The results showed high concentrations of Ni, Fe, Cr and Mn in seawaters and sediment samples from both the contaminated and reference areas. The concentrations of Cu and Zn which are mostly attributed to other anthropogenic sources of pollution are also relatively high in seawater samples. The Enrichment factors (EF) and Geo-Index (Igeo) calculated from bibliographic data of a deep core sample from the area and the average shale showed that area is heavily impacted from the metals related to the smelting plant and in particular Cr. The concentrations of two metals, Ni and Cr, in the sediment are higher than the US EPA criteria and could definitely cause adverse biological effects. However, the dissolved concentrations of these metals in the sea water were lower than the chronic and acute toxicity concentrations of USEPA standards. Quite high concentrations of all metals were detected in the gill tissue of all the crustacean samples from both areas. Besides, the higher concentrations of metals found in female specimens are mostly attributed to the physiological needs of females during the reproduction cycle and their specific strategy of food uptake during ovigerous cycle. The concentration of all metals in the soft tissues of all the crustacean species from the off shore area except for Mn are lower than the international standards proposed by FAO, 1993, WHO,1998 and USDA, 2009. High concentrations of all metals related to the smelting plant were also detected in the gastropod samples. The results show that Patella is a good indicator for Mn and Phorcus seems to better accumulate Fe, Ni and Zn. The clear inhibition of AChE activities in the samples from the contaminated area in comparison to those from the reference area showed that this enzyme responds well to metal pollution. GST showed obvious increased activities in the liver of S.aurata samples from the contaminated area. However no significant differences were found in the activities of GST and CAT in M. rugosa and Ph. turbinatus. Finally, the long term slag discharging in this area has highly impacted not only the sediments, but has also caused elevated concentrations of metals bioaccumulated by marine organisms. Due to the severe impact of the smelting plant to the marine organisms based on the findings from this study and the previous researches carried out in this area, it is suggested that regular monitoring of this area is implemented, focusing mostly to edible marine organisms. Furthermore, the assessment of possible impacts of the smelting plant on human health should be seriously taken into consideration, planned and executed

ESSE 2017. Proceedings of the International Conference on Environmental Science and Sustainable Energy

Environmental science is an interdisciplinary academic field that integrates physical-, biological-, and information sciences to study and solve environmental problems. ESSE - The International Conference on Environmental Science and Sustainable Energy provides a platform for experts, professionals, and researchers to share updated information and stimulate the communication with each other. In 2017 it was held in Suzhou, China June 23-25, 2017