Χρήση εργαλείων μοριακής δυναμικής και τεχνητής νοημοσύνης για τον προσδιορισμό των καμπυλών liquidus και άλλων ιδιοτήτων κρυολιθικού λουτρού

Μπέτσης, Κωνσταντίνος; Betsis, Konstantinos

dc.contributor.author	Μπέτσης, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Betsis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2026-07-16T11:46:21Z
dc.date.available	2026-07-16T11:46:21Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/65530
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.33224
dc.rights	Default License
dc.subject	Ηλεκτρόλυση αλουμινίου	el
dc.subject	Hall–Héroult	en
dc.subject	Μοριακή Δυναμική	el
dc.subject	Machine Learning	en
dc.title	Χρήση εργαλείων μοριακής δυναμικής και τεχνητής νοημοσύνης για τον προσδιορισμό των καμπυλών liquidus και άλλων ιδιοτήτων κρυολιθικού λουτρού	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Μεταλλουργία	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2026-05-15
heal.abstract	Η αναγωγή της αλουμίνας με σκοπό την παραγωγή αλουμινίου στηρίζεται στη μέθοδο Hall-Héroult, μια ηλεκτρολυτική μέθοδο με πολύ μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις. Λαμβάνει χώρα σε κελιά ηλεκτρόλυσης που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες, συχνά άνω των 940 °C, όπου η αλουμίνα αρχικά διαλύεται σε τηγμένο κρυόλιθο και μετά ανάγεται προς αλουμίνιο. Ο ακριβής έλεγχος και ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας λειτουργίας αποτελούν βασικό πρόβλημα, ιδιαίτερα κρίσιμης σημασίας όσον αφορά την απαιτούμενη ενέργεια. Η θερμοκρασία λειτουργίας του κελιού ηλεκτρόλυσης πρέπει να είναι ανώτερη από τη θερμοκρασία έναρξης στερεοποίησης (θερμοκρασία liquidus) του κρυολιθικού λουτρού, το οποίο είναι ένα μείγμα κρυολίθου με άλλες φθοριούχες ενώσεις του αλουμινίου, ασβεστίου κ.α., μέσα στο οποίο διαλύεται το οξείδιο του αλουμινίου, και ηλεκτρολύεται για την παραγωγή μεταλλικού αλουμίνιο. Η διαφορά της θερμοκρασίας λειτουργίας από τη θερμοκρασία Liquidus συνιστά τη θερμοκρασία υπερθέρμανσης (superheat), που πρέπει να βρίσκεται σε αποδεκτά επίπεδα για να εξασφαλιστεί η ομαλή λειτουργία του κελιού. Η θερμοκρασία liquidus εξαρτάται άμεσα από τη χημική σύσταση του λουτρού. Ο προσδιορισμός της είναι απαραίτητος προκειμένου να καθοριστεί η τελική θερμοκρασία λειτουργίας του κελιού και ο βαθμός υπερθέρμανσης. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί μαθηματικές εξισώσεις όπου η θερμοκρασία έναρξης στερεοποίησης του λουτρού υπολογίζεται με βάση την επί τις εκατό αναλογία των ενώσεων που συνθέτουν το λουτρό. Ωστόσο, η εφαρμογή αυτών των εξισώσεων σε βιομηχανικά συστήματα, έχουν δείξει ότι σε πολλές περιπτώσεις δίδουν αποκλίνουσες από την πραγματικότητα τιμές, με τελικό αποτέλεσμα την μη καθοδήγηση της λειτουργίας των λεκανών στις βέλτιστες κάθε φορά συνθήκες. Στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι η ανάπτυξη ενός νέου, ακριβούς και αξιόπιστου μαθηματικού προτύπου για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας liquidus. Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε για τον υπολογισμό του προτύπου αυτού, περιλάμβανε αρχικά την παραγωγή δεδομένων θερμοκρασίας liquidus για διάφορες συστάσεις του κρυολιθικού λουτρού τόσο με την εκτέλεση πειραματικών μετρήσεων και δοκιμών, όσο και την εφαρμογή υπολογιστικών μεθόδων, που παράλληλα εξυπηρέτησαν στην καλύτερη κατανόηση της δομής των τηγμάτων αυτών. Τα ως άνω δεδομένα αποτέλεσαν την βάση για τον προσδιορισμό με χρήση μηχανικής μάθησης των παραμέτρων εκείνων που επιδρούν σημαντικά στην μεταβολή της θερμοκρασίας έναρξης στερεοποίησης του λουτρού καθώς επίσης και στην ποσοτικοποίηση της ως άνω επίδρασης. Πιο συγκεκριμένα, το συγκεκριμένο εγχείρημα ξεκίνησε με μια εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση για την έρευνα που έχει εκπονηθεί ευρύτερα και εστιασμένα πάνω στον υπολογισμό της θερμοκρασίας liquidus και άλλων ιδιοτήτων του κρυολιθικού λουτρού. Στη συνέχεια με τη χρήση του λογισμικού FactSage έγινε η θερμοδυναμική μελέτη ιδιοτήτων όπως η θερμοκρασία έναρξης στερεοποίησης του λουτρού, της πυκνότητας κ.α. και δημιουργήθηκε μια νέα σχετικά μεγάλη βάση θερμοδυναμικών υπολογισμών της θερμοκρασίας liquidus για πολλές και διαφορετικές συστάσεις του κρυολιθικού λουτρού. Η βάση δεδομένων αυτή χρησιμοποιήθηκε ως είσοδος για την εκπαίδευση διάφορων μοντέλων μηχανικής μάθησης, με στόχο την επιλογή του καταλληλότερου που οδηγεί στις μικρότερες αποκλίσεις υπολογισμών και των σημαντικότερων παραμέτρων του. Στη συνέχεια έλαβαν χώρα οι πειραματικές μετρήσεις της θερμοκρασίας liquidus σύνθετων κρυολιθικών μιγμάτων με την τεχνική της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC) δημιουργώντας μια δεύτερη βάση πειραματικών μετρήσεων θερμοκρασίας liquidus. Η πιστοποίηση του τελικού μοντέλου μηχανικής μάθησης πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τη βάση των πειραματικών μετρήσεων οπότε και υπολογίστηκαν οι τελικοί συντελεστές του νέου μοντέλου. Η χρήση του μοντέλου της μηχανικής μάθησης που αναπτύχθηκε απέδειξε με την παράλληλη εκτέλεση βιομηχανικών μετρήσεων ότι προβλέπει με μεγαλύτερη ακρίβεια την θερμοκρασία έναρξης στερεοποίησης του λουτρού, για μεγαλύτερη εύρη συγκεντρώσεων σε σχέση με τις υπάρχουσες μαθηματικές εξισώσεις. Επιπλέον, για την κατανόηση της δομής των τηγμάτων σε μοριακό επίπεδο, η έρευνα στράφηκε προς τις προσομοιώσεις Κβαντικής Μοριακής Δυναμικής (QMD) με το λογισμικό CP2K. Χρησιμοποιώντας το ψευδοδυναμικό double zeta, οι προσομοιώσεις αυτές απεκάλυψαν τα βασικά δομικά συστατικά του λουτρού, με το ιόν AlF₅²⁻ να αναδεικνύεται ως η κυρίαρχη δομή σε όλα τα συστήματα που μελετήθηκαν, ενώ το ιόν OAl₂F₆²⁻ αποδείχθηκε το είδος με τη μεγαλύτερη παρουσία σε τήγματα που περιείχαν αλουμίνα. Με τη χρήση του δυναμικού Polarized Ion Model (PIM) και τη χρήση του λογισμικού metalwalls, έγινε προσπάθεια προσδιορισμού των ιδιοτήτων της πυκνότητας, του ιξώδους αλλά και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας με τη χρήση της Κλασικής Μοριακής Δυναμικής. Συμπερασματικά, η ερευνητική αυτή προσπάθεια οδήγησε στη δημιουργία ενός ισχυρού και πολύ αποτελεσματικού μαθηματικού προτύπου για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας liquidus. Ο συνδυασμός προηγμένων προσομοιώσεων, πειραματικών δεδομένων και καινοτόμων αλγοριθμικών τεχνικών προσφέρει ένα εργαλείο υψηλής ακρίβειας. Ο αλγόριθμος αυτός έχει άμεση δυνατότητα βιομηχανικής εφαρμογής στην πρωτογενή παραγωγή αλουμινίου, όπου μπορεί να συμβάλει καθοριστικά στη βελτιστοποίηση της λειτουργίας, στη μείωση του ενεργειακού αποτυπώματος και στην αύξηση της συνολικής απόδοσης της διεργασίας Hall-Héroult.	el
heal.advisorName	Ξενίδης, Άνθιμος	el
heal.committeeMemberName	Ξενίδης, Άνθιμος	el
heal.committeeMemberName	Πάνιας, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Χαλικιά, Ηλιάνα	el
heal.committeeMemberName	Παπασιώπη, Νυμφοδώρα	el
heal.committeeMemberName	Πέππας, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Κομνίτσας, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Παπαευθυμίου, Σπύρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών. Τομέας Μεταλλουργίας και Τεχνολογίας Υλικών. Εργαστήριο Μεταλλουργίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	278 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false