Cyber-Physical Systems theory is a new concept that is about to revolutionize the way computers interact with the physical world by integrating physical knowledge into the computing systems and tailoring such computing systems in a way that is more compatible with the way processes happen in the physical world. In this master’s thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGA) are studied as a potential technological asset that may contribute to the enablement of the Cyber-Physical paradigm. As an example application that may benefit from cyber-physical system support, the Electro-Slag Remelting process - a process for remelting metals into better alloys - has been chosen due to the maturity of its related physical models and controller designs. In particular, the Particle Filter that estimates the state of the process is studied as a candidate for FPGA-based computing enhancements. In comparison with CPUs, through the designs and experiments carried in relationship with this study, the FPGA reveals itself as a serious contender in the arsenal of v computing means for Cyber-Physical Systems, due to its capacity to mimic the ubiquitous parallelism of physical processes. / text

<p> The dominant slag-metal reaction site in AC electro-slag remelting (ESR) has been directly determined by estimating the rate of sulphur transfer at the electrode tip/slag and metal pool/slag interfaces. In this investigation, negligible sulphur transfer has been assumed at the droplet/slag interface, and the basis for such assumption is discussed. Using a 5.825" diameter mould and CaF2-CaO slags, it has been established that the electrode tip/slag interface is the dominant reaction site. Calculations indicate that the pool sulphur is close to equilibrium with the slag. The importance of all six reaction sites in AC ESR are discussed. The results indicate the importance of the slag/atmosphere interface, especially when using slags of low lime content. Conventonal overall sulphur balances have been carried out and the results are in agreement with the rates obtained at the different interfaces, thus indicating internal consistency of the results. </p> / Thesis / Master of Engineering (MEngr)

Nästan 80 procent av den globala energitillförseln kommer från fossila källor, och behöver drastiskt minska. Industriell spillvärme är en energitillgång som blir allt attraktivare men är ofta lågtempererad, vanligtvis mellan 30°C och 100°C, genom att tillsätta en värmepump och låta värmen gå till fjärrvärmenätet blir ofta återbetalningstiden låg. Uddeholms AB använder idag fjärrvärme och en naturgasbaserad spetsvärme för att möta sitt energibehov. Uddeholm AB har stora mängder lågtempererad spillenergi i form av kylvatten från processtegen Electro slag remelting (ESR) och ljusbågsugnen (LBU) som i nuläget inte utnyttjas. Syftet är därför att skapa ett underlag för rekommendation om hur energi som genereras inom industrin kan utvinnas för att möta energibehovet och för att minska användandet av naturgasbaserad spetsvärme. Genom simuleringsprogrammet Simulink har en dynamisk modell byggts upp för att simulera 6 olika system över ett år med en timmes tidssteg. Systemen består av olika kombinationer av värmepumpar, värmeväxlare och ackumulatortank och använder kylvattenflödet från ESR och LBU. Referenssystemet är systemet som används idag, och det första systemet består av en värmepump som använder ESRs kylvattenflöde på värmepumpens kalla sida för att leverera energi till fjärrvärmereturen (VPESR). Det andra systemet består av en värmeväxlare på ljusbågsugnens kylvatten som återvinner energin från ljusbågsugnens kylvatten till fjärrvärmereturen (VVX). Det tredje systemet är en kombination av de två första systemen (VVX + VPESR). I det fjärde systemet tillsätts en extra värmepump efter värmeväxlaren på det tredje systemet (VVX + VPLBU + VPESR). Det femte systemet innebär en värmepump på ljusbågsugnens kylvatten och en värmepump på ESRs kylvatten (VPLBU + VPESR). Det sjätte systemet är samma som det femte men med undantaget att en ackumulatortank tillsätts på ljusbågsugnens kylvatten innan det går in i värmepumpen (VPLBU + Ack + VPESR). Studiens resultat visar att behovet av den naturgasbaserade spetsvärmen försvinner för samtliga fall och miljöpåverkan är lägre än vid referensfallet för samtliga system eftersom den naturgasbaserade spetsvärmen inte längre behöver användas. Vilken miljöpåverkan systemen har beror till stor del på vilken indata som används, och behöver därför tas i beaktning. Ekonomiskt så är samtliga system lönsamma över 20 år med en återbetalningstid på under 5 år. I framtiden bör möjligheten till att sälja energi som produceras till fjärrvärmeföretaget för att maximera lönsamheten ytterligare. Resultaten följer trenden att fler och större värmepumpar resulterar i en högre elförbrukning, lägre fjärrvärmebehov och högre miljöpåverkan. En ackumulatortank bidrar till ett jämnare COP och ett högre årsmedel COP men anses vara en mindre fördelaktig investering eftersom den inte genererar tillräckligt höga resultat för att täcka sin höga initiala kostnad. Det är av största grad viktigt att höja temperaturen på ljusbågsugnens kylvatten eftersom en höjd temperatur minskar energibehovet med ungefär 20%, och miljöpåverkan i form av koldioxidalstring sänks då med ungefär 20%. Systemet uppnår även ungefär 90% större lönsamhet med ökade temperaturer och ett år kortare återbetalningstid utan ackumulatortank och 5 år kortare med ackumulatortank. Det fjärde systemet (VVX + VPLBU + VPESR) har lägst energibehov på ungefär 2 000MWh och uppnår störst lönsamhet över 20 år på nästan 400 Mkr. System två (VVX) har lägst miljöpåverkan i form av koldioxidalstring med en minskning på ungefär 90% jämfört med referenssystemet och kortast återbetalningstid på under 2 år. Därav rekommenderas det andra systemet (VVX) om miljö och återbetalningstid prioriteras och det fjärde systemet (VVX + VPLBU + VPESR) om lönsamhet och ett minskat energibehov prioriteras. / Almost 80% of global energy supply comes from fossil sources and needs to be drastically reduced. Industrial waste heat is an increasingly attractive energy resource but is often low temperature, usually between 30°C and 100°C, and by adding a heat pump and letting the heat go to the district heating network, the payback time is often low. Uddeholm AB currently uses district heating and a natural gas-based peak heating to meet its energy needs. Uddeholm AB has large amounts of low-temperature waste energy in the form of cooling water from the process steps Electro slag remelting (ESR) and the electric arc furnace (LBU) that are currently not utilized. The purpose is therefore to create a basis for recommendations on how energy generated in industry can be recovered to meet the energy demand and to reduce the use of natural gas-based peak heat. Through the simulation program Simulink, a dynamic model has been built to simulate 6 different systems over a year with one hour time steps. The systems consist of different combinations of heat pumps, heat exchangers and storage tanks and use the cooling water flow from ESR and LBU. The reference system is the system used today, and the first system consists of a heat pump that uses the ESR cooling water flow on the cold side of the heat pump to supply energy to the district heating network (VPESR). The second system consists of a heat exchanger on the arc furnace cooling water that recovers the energy from the arc furnace cooling water to the district heating network (VVX). The third system is a combination of the first two systems (VVX + VPESR). The fourth system adds an additional heat pump after the heat exchanger of the third system (VVX + VPLBU + VPESR). The fifth system involves a heat pump on the arc furnace cooling water and a heat pump on the ESR cooling water (VPLBU + VPESR). The sixth system is the same as the fifth but with the exception that an accumulator tank is added to the arc furnace cooling water before it enters the heat pump (VPLBU + Ack + VPESR). The results of the study show that the need for the natural gas-based peak heat disappears for all cases and the environmental impact is lower than in the reference case for all systems because the natural gas-based peak heat no longer needs to be used. The environmental impact of the systems depends largely on the input data used, and therefore needs to be taken into account. Economically, all systems are profitable over 20 years with a payback period of less than 5 years. In the future, the possibility of selling the energy produced to the district heating company should be considered to further maximize profitability. The results follow the trend that more and larger heat pumps result in higher electricity consumption, lower district heating demand and higher environmental impact. An accumulator tank contributes to a more even COP and a higher annual average COP but is considered a less beneficial investment as it does not generate high enough results to cover its high initial cost. It is of utmost importance to increase the temperature of the cooling water of the electric arc furnace because an increased temperature reduces the energy demand by about 20%, and the environmental impact in terms of carbon dioxide generation is then reduced by about 20%. The system also achieves about 90% greater profitability with increased temperatures and a one year shorter payback period without a storage tank and 5 years shorter with a storage tank. The fourth system (VVX + VPLBU + VPESR) has the lowest energy demand of about 2 000 MWh and achieves the highest profitability over 20 years of almost 400 MSEK. System two (VVX) has the lowest environmental impact in terms of CO2 generation with a reduction of about 90% compared to the reference system and the shortest payback period of less than 2 years. Hence, the second system (VVX) is recommended if environment and payback time are prioritized and the fourth system (VVX + VPLBU + VPESR) if profitability and reduced energy demand are prioritized.

Nitrogen-alloyed tool steel is made at Uddeholms AB by adding high-nitrogen ferroalloy after vacuum degassing where introduced impurities are hard to remove. In this thesis two types of high-nitrogen ferrochromium are compared, a solid version and a powder cored wire. They are examined in crossection and 16 samples from four charges are examined with Pulse Distribution Analysis as well as systematic microscopy of polished cross sections. The PDA results missed smaller spinel inclusions shown in previous research to be detrimental. The wire form shows promise but more charges need to be evaluated before a conclusion is drawn. / Kvävelegerat verktygsstål tillverkas hos Uddeholms AB genom tillsats av kväverika ferrolegeringar efter vakumavgasning, och orenheter som introduceras i detta steg är svåra att avskilja. I den har uppsatsen jämförs två typer av kväverikt ferrokrom varav en i form av stycken och en i form av tråd med pulverkärna. De undersöks i tvärsnitt och totalt 16 prov från fyra charger undersöks med PDA (pulsfördelningsanalys) och systematisk mikroskopering i tvärsnitt. Resultaten från PDA missade mindre inneslutningar av spinell vilka tidigare har visat sig problematiska. Trådformen verkar lovande men fler charger behöver undersökas för att kunna dra en definitiv slutsats.