Abstract The CAS-OB (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) process is used in secondary steelmaking to adjust the composition and temperature of the steel melt. The steel melt can be heated by oxidizing aluminium in process which feeds aluminium particles and oxygen to the melt surface. Oxygen is in fed by a top lance, which is an important part of many metallurgical processes and is typically used to deliver oxygen to steel melt surface by supersonic blowing. Because observing and measuring the metallurgical processes is challenging due to the high temperature, numerical models predicting the processes are especially important. In this thesis, both top lances and the heat-up stage of the CAS-OB process were studied, and numerical models were constructed. CFD (computational fluid dynamics) were used to study top lances. A turbulence model was adjusted for supersonic flows with experimental data from literature. The CAS-OB process model involves chemical reactions and fluid flows. In order to keep the computation times reasonable, a full fluid flow calculation is not included in the model but is calculated in advance. Heat and mass transfer correlations are calculated with CFD, and the results are then used in the process simulation model. Chemical reactions are calculated based on the law of mass action and thermodynamics. The results were validated with industrial measurements. The CAS-OB heat-up stage model can be used in its current state in process development, and in the future for online control of the process. The CFD model for the top lance can be applied to a lance in any other process. / Tiivistelmä CAS-OB-prosessia (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) käytetään teräksen valmistuksessa sulan teräksen koostumuksen ja lämpötilan säätämiseen. Terässulaa voidaan tarvittaessa lämmittää syöttämällä alumiinikappaleita ja happea sulan pinnalle. Hapen syöttö tapahtuu yliäänilanssilla, jota käytetään monissa metallurgisissa prosesseissa, yleensä toimittamaan happea sulan pinnalle yliäänisellä puhalluksella. Metallurgisten prosessien havainnointi ja mittaaminen ovat haastavia korkeiden lämpötilojen vuoksi, joten numeeriset mallit ovat erityisen tärkeitä prosessien ennustamisessa. Tässä työssä on tutkittu yliäänilansseja ja CAS-OB-prosessin lämmitysvaihetta ja luotu niille numeeriset mallit. Yliäänilanssien tutkimiseen käytettiin numeerista virtauslaskentaa (CFD, computational fluid dynamics). Lanssien mallinnusta varten olemassa olevaa turbulenssimallia muokattiin paremmin yliäänivirtausta kuvaavaksi kirjallisuudesta löytyvän mittaustiedon perusteella. CAS-OB-prosessimallissa huomioidaan virtaus ja kemialliset reaktiot. Koska laskenta-ajat haluttiin pitää käytännöllisinä, virtauslaskentaa ei suoriteta mallissa, vaan se tehdään etukäteen. Aineen- ja lämmönsiirtokertoimet lasketaan CFD-laskennalla, ja tuloksia käytetään prosessimallissa. Kemialliset reaktiot lasketaan perustuen massavaikutuksen lakiin ja termodynamiikkaan. CAS-OB-mallin tulokset on validoitu terästehtaalla tehtyjen kokeiden perusteella. Mallia voidaan käyttää nykyisessä muodossaan prosessin kehityksessä ja tulevaisuudessa myös prosessin ohjauksessa. Yliäänilanssin CFD-mallia voidaan soveltaa myös muihin metallurgisiin prosesseihin.

Abstract Composition Adjustment by Sealed argon bubbling – Oxygen Blowing (CAS-OB) process is a ladle treatment process that was developed for chemical heating and alloying of steel. The main stages of the process are heating, (possible) alloying and reduction of slag. The CAS-OB process aims for homogenization and control of the composition and temperature of steel. In this dissertation, a mathematical reaction model was developed for the slag reduction stage of the CAS-OB process. Slag reduction is carried out by applying vigorous bottom stirring from porous plugs at the bottom of the ladle. Due to the bottom stirring a circular steel flow is induced which disrupts top slag layer and due to shear stress at the steel-slag interface small slag droplets are detached. This induces an immense increase in the interfacial area between steel and slag which provides favourable conditions for the reduction reactions. In order to model reduction reactions, a sub-model for describing the interfacial area was needed. For this the slag droplet formation was studied using computational fluid dynamics (CFD) and based on these studies, a sub-model for droplet formation was developed. The model for the reduction stage of the CAS-OB process takes into account not only the reaction during the reduction but also the heat transfer between the phases, ladle and surroundings. The reduction stage model was validated using validation data obtained from the CAS-OB station of the SSAB Raahe steel plant in Finland. It was concluded that the model was able to predict steel and slag compositions as well as the steel temperature very well. / Tiivistelmä CAS-OB -prosessi on sulametallurgiassa käytettävä senkkakäsittelyprosessi, joka on kehitetty teräksen kemialliseen lämmittäseen ja seostukseen. CAS-OB-prosessin pääprosessivaiheet ovat lämmitysvaihe, mahdollinen seostusvaihe ja kuonan pelkistysvaihe. CAS-OB -prosessilla tavoitellaan teräksen koostumuksen homogenisointiin ja lämpötilan kontrollointiin. Tässä tutkimuksessa kehitettiin matemaattinen reaktiomalli CAS-OB -prosessin kuonan pelkistysvaiheen kuvaamiseen. Kuonan pelkistys tapahtuu senkan pohjassa olevien huuhtelutiilien avulla suoritettavan voimakkaan kaasuhuuhtelun avulla. Pohjahuuhtelu aiheuttaa kiertävän teräsvirtauksen senkassa. Teräsvirtaus irrottaa teräksen päällä olevasta kuonakerroksesta pisaroita ja kuonan ja teräksen välinen reaktiopinta-ala kasvaa voimakkaasti. Tämä tarjoaa suotuisat olosuhteet pelkistysreaktiolle senkassa. Pelkistysreaktioiden mallintamiseksi tässä työssä kehitettiin CFD-simulaatioiden avulla alimalli, jonka avulla voidaan kuvata teräksen ja kuonan välisen pinta-alan suuruutta. Pelkistysvaiheen mallissa huomioidaan reaktioiden lisäksi myös systeemissä tapahtuva lämmösiirto. Pelkistysmalli validoitiin mittausdatalla, joka hankittiin SSAB Raahen terässulaton CAS-OB -asemalla järjestetyssä validointikampanjassa. Tutkimuksessa havaittiin, että malli kykenee hyvin ennustamaan teräksen ja kuonan koostumuksen sekä teräksen lämpötilan.