Caractérisation des propriétés mécaniques de la pâte de carbone à 150°C dans le but d’optimiser la mise en forme des anodes utilisées dans les cuves Hall-Héroult

Les anodes de carbone sont des éléments consommables servant d’électrode dans la réaction électrochimique d’une cuve Hall-Héroult. Ces dernières sont produites massivement via une chaine de production dont la mise en forme est une des étapes critiques puisqu’elle définit une partie de leur qualité. Le procédé de mise en forme actuel n’est pas pleinement optimisé. Des gradients de densité importants à l’intérieur des anodes diminuent leur performance dans les cuves d’électrolyse. Encore aujourd’hui, les anodes de carbone sont produites avec comme seuls critères de qualité leur densité globale et leurs propriétés mécaniques finales. La manufacture d’anodes est optimisée de façon empirique directement sur la chaine de production. Cependant, la qualité d’une anode se résume en une conductivité électrique uniforme afin de minimiser les concentrations de courant qui ont plusieurs effets néfastes sur leur performance et sur les coûts de production d’aluminium. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la conductivité électrique de l’anode n’est influencée que par sa densité considérant une composition chimique uniforme. L’objectif est de caractériser les paramètres d’un modèle afin de nourrir une loi constitutive qui permettra de modéliser la mise en forme des blocs anodiques. L’utilisation de la modélisation numérique permet d’analyser le comportement de la pâte lors de sa mise en forme. Ainsi, il devient possible de prédire les gradients de densité à l’intérieur des anodes et d’optimiser les paramètres de mise en forme pour en améliorer leur qualité. Le modèle sélectionné est basé sur les propriétés mécaniques et tribologiques réelles de la pâte. La thèse débute avec une étude comportementale qui a pour objectif d’améliorer la compréhension des comportements constitutifs de la pâte observés lors d’essais de pressage préliminaires. Cette étude est basée sur des essais de pressage de pâte de carbone chaude produite dans un moule rigide et sur des essais de pressage d’agrégats secs à l’intérieur du même moule instrumenté d’un piézoélectrique permettant d’enregistrer les émissions acoustiques. Cette analyse a précédé la caractérisation des propriétés de la pâte afin de mieux interpréter son comportement mécanique étant donné la nature complexe de ce matériau carboné dont les propriétés mécaniques sont évolutives en fonction de la masse volumique. Un premier montage expérimental a été spécifiquement développé afin de caractériser le module de Young et le coefficient de Poisson de la pâte. Ce même montage a également servi dans la caractérisation de la viscosité (comportement temporel) de la pâte. Il n’existe aucun essai adapté pour caractériser ces propriétés pour ce type de matériau chauffé à 150°C. Un moule à paroi déformable instrumenté de jauges de déformation a été utilisé pour réaliser les essais. Un second montage a été développé pour caractériser les coefficients de friction statique et cinétique de la pâte aussi chauffée à 150°C. Le modèle a été exploité afin de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte par identification inverse et pour simuler la mise en forme d’anodes de laboratoire. Les propriétés mécaniques de la pâte obtenues par la caractérisation expérimentale ont été comparées à celles obtenues par la méthode d’identification inverse. Les cartographies tirées des simulations ont également été comparées aux cartographies des anodes pressées en laboratoire. La tomodensitométrie a été utilisée pour produire ces dernières cartographies de densité. Les résultats des simulations confirment qu’il y a un potentiel majeur à l’utilisation de la modélisation numérique comme outil d’optimisation du procédé de mise en forme de la pâte de carbone. La modélisation numérique permet d’évaluer l’influence de chacun des paramètres de mise en forme sans interrompre la production et/ou d’implanter des changements coûteux dans la ligne de production. Cet outil permet donc d’explorer des avenues telles la modulation des paramètres fréquentiels, la modification de la distribution initiale de la pâte dans le moule, la possibilité de mouler l’anode inversée (upside down), etc. afin d’optimiser le processus de mise en forme et d’augmenter la qualité des anodes.

SnO2 dense ceramic microwave sintered with low resistivity

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Dégradation chimique de l’interface cathodique carbone-fonte de cellules de production d’aluminium

Les producteurs d’aluminium sont des acteurs majeurs dans l’économie du Québec. Le métal gris est apprécié pour sa légèreté et sa résistance à la corrosion. Bien qu’il possède des qualités indéniables, sa production consomme une quantité considérable d’électricité. L’amélioration de l’efficacité énergétique du procédé est donc primordiale d’un point de vue économique et environnemental. L’étude du contact électrique entre le carbone et la fonte à l’intérieur de l’ensemble cathodique fait partie de la liste des paramètres pour optimiser la consommation énergétique de la cellule Hall-Héroult. Ce contact doit offrir une résistance minimale au passage du courant nécessaire pour la réaction d’électrolyse. Au cours du temps, la qualité du contact se dégrade en raison de la transformation physique et chimique des matériaux. Cette thèse se concentre sur l’étude de la dégradation chimique de la surface de la fonte. La première partie étudie la pénétration des composés chimiques provenant du bain d’électrolyse à l’intérieur du bloc de carbone. Le gonflement sodique suit généralement la diffusion du sodium, un sous-produit de la réaction cathodique, et du bain. Le gonflement causé par le sodium a été mesuré directement à l’aide de LVDT alors que la diffusion du bain électrolytique a été déterminée par microtomographie à rayons X. La seconde partie évalue le mécanisme de la dégradation du contact électrique entre le carbone et la fonte. Des travaux en laboratoire ont été réalisés pour quantifier l’impact des paramètres d’opération. Les résultats obtenus ont été comparés par la suite à des échantillons industriels provenant de deux technologies pour évaluer leur degré de dégradation. Un modèle numérique a été calibré à partir de ces résultats pour estimer l’effet de la dégradation de la fonte sur la chute de voltage cathodique. Les résultats démontrent que les paramètres d’opération de la cellule d’électrolyse ont des effets sur la vitesse de pénétration des espèces chimiques dans le bloc de carbone. Un bain plus riche en sodium ou une densité de courant cathodique plus élevée augmente la vitesse de pénétration. La présence d’une nappe d’aluminium au démarrage de l’électrolyse au contraire divise le gonflement et la pénétration du bain de moitié. La vitesse de dégradation de la fonte suit la même tendance. De plus, une augmentation de température de 50 °C provoque une fusion partielle de la surface de la fonte. Ces résultats intégrés au modèle numérique montre que la dégradation du contact entre le carbone et la fonte augmente la chute de voltage cathodique mais aussi change la distribution du courant à la surface du bloc de carbone. La détermination du mécanisme de dégradation de la fonte par des essais en laboratoire combinée avec la pénétration des espèces chimiques constitue l’apport original de cette thèse et ceci permet d’éclaircir le processus d’évolution de ce contact électrique sous condition d’opération.

Business Leaders Hall of Fame collection

"Qld Business Leaders Hall of Fame" is a research project that includes interviews with eminent Qlders that produced oral history interviews and digital stories about their life/company's achievements. This model was able to test and evaluate the use of oral history and digital storytelling for learning and community heritage purposes. Interviewees include; Sir John and Valmai Pidgeon, Joseph Saragossi, Robert Bryan, Clem Jones, Jim Kennedy, Sr Angela Mary, Castelmaine Perkins, Burns and Philp, Qantas, Don Argus & Steve Irwin.

Hall-petch relationship and strain rate sensitivity of nanocrystalline Mg - 5wt% A1 alloy

This study investigated the grain size dependence of mechanical properties and deformation mechanisms of microcrystalline (mc) and nanocrystalline (nc: grain size below 100 nm) Mg-5wt% Al alloys. The Hall-Petch relationship was investigated by both instrumented indentation tests and compression tests. The test results from the indentation tests and compression tests match well with each other. The breakdown of Hall-Petch relationship and the elevated strain rate sensitivity (SRS) of present Mg-5wt% Al alloys when the grain size was reduced below 58nm indicated the more significant role of GB mediated mechanisms in plastic deformation process. However, the relatively smaller SRS values compared to GB sliding and coble creep process suggested the plastic deformation in the current study is still dislocation mediated mechanism dominant.

Re-strengthening 20th century architectural heritage : A case study of Brisbane City Hall restoration

Restoring old buildings to conform the current building policies and standards is a great challenge to engineers and architects. The restoration of the Brisbane City Hall, a heritage building listed by the State of Queensland in Australia, developed an innovative approach to upgrade the building using the method called ‘concrete overlay’ following the guidelines of both the International Council on Monuments and Sites and the Burra Charter of Australia. Concrete overlay is a new method of structural strengthening by drilling new reinforcement and placing new concrete on top of the existing structure, akin to a bone transplant or bone grafting in the case of a human being. This method is popularly used for newer bridges which have suffered load stresses. However, this method had never been used on any heritage buildings which were built on different conditions and standards. The compatibility of this method is currently being monitored. Most of the modern historic buildings are rapidly deteriorating and require immediate interventions in order to be saved. As most of these heritage buildings are on the stage of advanced deterioration, significant attempts are being made and several innovations are being applied to upgrade these structures to conform with the current building requirements. To date, the knowledge and literature in regarding ‘concrete cancer’ in relation to rehabilitating these reinforced concrete heritage structures is significantly lacking. It is hoped that the method of concrete overlay and the case study of Brisbane City Hall restoration will contribute to the development of restoration techniques and policies for Modern Heritage Buildings.

Re-strengthening Brisbane City Hall

The restoration of Brisbane City Hall is an indication of a society that acknowledges the significance of cultural heritage. Preserving this historical icon required significant funding support, so the rehabilitation process must be thoroughly analysed and validated.

The social meaning of Brisbane City Hall

Three major periods of Brisbane's history were selected for examination of the social meaning of Brisbane City Hall: 1908 to 1920 – during which many debates about a 'new town hall' occurred, 1921 to 1930 – the construction phase, and the 1930s – City Hall's first decade of public use. This study shows that Brisbane City Hall is a central place where multiple social meanings have been made by residents and visitors. A broad range of views about City Hall existed during the periods studied; views and meanings that are not captured by its epithets or covered adequately by the existing literature. This thesis is an introductory study of the social meaning of Brisbane City Hall – what was said about it, how it was used and its significance to Brisbane's residents and visitors.

Re-strengthening Brisbane City Hall : a case study of heritage engineering

Upgrading old buildings with the evolution of building requirements, this project investigates new approaches that can be applied to strengthen our own heritage buildings using historical and comparative analysis of heritage building restorations locally and abroad. Within the newly developing field of Heritage Engineering, it evaluates the innovative Concrete Overlay technique adapted to building restoration of the Brisbane City Hall. This study aims to extend the application of Concrete Overlay techniques and determine its compatibility specifically to heritage buildings. Concrete overlay involves drilling new reinforcement and placing concrete on top of the existing structure. It is akin to a bone transplant or bone grafting in the case of a human being and has been used by engineers to strengthen newer bridges.

Built heritage management systems : the framework of a digital tool for the conservation of Brisbane City Hall

Brisbane City Hall (BCH) is arguably one of Brisbane’s most notable and iconic buildings. Serving as the public’s central civic and municipal building since 1930, the importance of this heritage listed building to cultural significance and identity is unquestionable. This attribute is reflected within the local government, with a simplified image of the halls main portico entrance supplying Brisbane City Council with its insignia and trademark signifier. Regardless of these qualities, this building has been neglected in a number of ways, primarily in the physical sense with built materials, but also, and just as importantly, through inaccurate and undocumented works. Numerous restoration and renovation works have been undertaken throughout BCH’s lifetime, however the records of these amendments are far and few between. Between 2010 and 2013, BCH underwent major restoration works, the largest production project undertaken on the building since its initial construction. Just prior to this conservation process, the full extent of the buildings deterioration was identified, much of which there was little to no original documentation of. This has led to a number of issues pertaining to what investigators expected to find within the building, versus what was uncovered (the unexpected), which have resulted directly from this lack of data. This absence of record keeping is the key factor that has contributed to the decay and unknown deficiencies that had amassed within BCH. Accordingly, this raises a debate about the methods of record keeping, and the need for a more advanced process that is able to be integrated within architectural and engineering programs, whilst still maintaining the ability to act as a standalone database. The immediate objective of this research is to investigate the restoration process of BCH, with focus on the auditorium, to evaluate possible strategies to record and manage data connected to building pathology so that a framework can be developed for a digital heritage management system. The framework produced for this digital tool will enable dynamic uses of a centralised database and aims to reduce the significant data loss. Following an in-depth analysis of this framework, it can be concluded that the implementation of the suggested digital tool would directly benefit BCH, and could ultimately be incorporated into a number of heritage related built form.

A motor controller using field oriented control and Hall effect rotor position sensors : simulation and implementation

A field oriented control (FOC) algorithm is simulated and implemented for use with a permanent magnet synchronous motor (PMSM). Rotor position is sensed using Hall effect switches on the stator because other hardware position sensors attached to the rotor may not be desirable or cost effective for certain applications. This places a limit on the resolution of position sensing – only a few Hall effect switches can be placed. In this simulation, three sensors are used and the position information is obtained at higher resolution by estimating it from the rotor dynamics, as shown in literature previously. This study compares the performance of the method with an incremental encoder using simulations. The FOC algorithm is implemented using Digital Motor Control (DMC) and IQ Texas Instruments libraries from a Simulink toolbox called Embedded Coder, and downloaded into a TI microcontroller (TMS320F28335) known as the Piccolo via Code Composer Studio (CCS).

Group 14 element-based non-centrosymmetric quantum spin hall insulators with large bulk gap

To date, a number of two-dimensional (2D) topological insulators (TIs) have been realized in Group 14 elemental honeycomb lattices, but all are inversionsymmetric. Here, based on first-principles calculations, we predict a new family of 2D inversion-asymmetric TIs with sizeable bulk gaps from 105 meV to 284 meV, in X2–GeSn (X = H, F, Cl, Br, I) monolayers, making them in principle suitable for room-temperature applications. The nontrivial topological characteristics of inverted band orders are identified in pristine X2–GeSn with X = (F, Cl, Br, I), whereas H2–GeSn undergoes a nontrivial band inversion at 8% lattice expansion. Topologically protected edge states are identified in X2–GeSn with X = (F, Cl, Br, I), as well as in strained H2–GeSn. More importantly, the edges of these systems, which exhibit single-Dirac-cone characteristics located exactly in the middle of their bulk band gaps, are ideal for dissipationless transport. Thus, Group 14 elemental honeycomb lattices provide a fascinating playground for the manipulation of quantum states.

Probing the Neutral Edge Modes in Transport across a Point Contact via Thermal Effects in the Read-Rezayi Non-Abelian Quantum Hall States

Non-Abelian quantum Hall states are characterized by the simultaneous appearance of charge and neutral gapless edge modes, with the structure of the latter being intricately related to the existence of bulk quasiparticle excitations obeying non-Abelian statistics. Here we propose a scenario for detecting the neutral modes by having two point contacts in series separated by a distance set by the thermal equilibration length of the charge mode. We show that by using the first point contact as a heating device, the excess charge noise measured at the second point contact carries a nontrivial signature of the presence of the neutral mode. We also obtain explicit expressions for the thermal conductance and corresponding Lorentz number for transport across a quantum point contact between two edges held at different temperatures and chemical potentials.