In the steel industry, slag foaming plays a crucial role in many steel processes, given its positive impact on the thermal efficiency of the furnace and its life span. However, excessive foaming causes an overflow in the converter known as “slopping”. Slopping hinders the effectiveness of the processes, especially with the complex and unpredictable foaming rate. This problem occurs mainly in the BOS-processes and after melt tapping to the ladle furnace. The goal of this study is to test and relate a new foaming control system, by blowing a gas (nitrogen or argon) on the surface of the melt to suppress the foam. Firstly, the foaming index of the provided industrial heats for a general LD converter (21 heats) and Outokumpu’s ladle furnace (31 heats) were calculated to find which heat is most likely to slop. Then, a series of experiments were performed to investigate the new foam controlling system’s reliability using a cold model. The results demonstrated that blowing argon instead of nitrogen from the top nozzle suppresses the foam more effectively, which can be attributed to its higher density. Additionally, the optimal argon flow rate required to suppress the foam in worst-case slopping scenarios in the LD converter and the ladle furnace were 874 and 221 m3/min respectively. The provided data further supports the efficacy of this slopping prevention technique, in theoretical and practical aspects. / I stålindustrin spelar slaggskumning en avgörande roll i många stålprocesser, med tanke på dess positiva inverkan på ugnens termiska effektivitet och dess livslängd. Överdriven skumning orsakar emellertid ett överflöde i konvertern som kallas "utkok". Utkok hindrar processernas effektivitet, särskilt med den komplexa och oförutsägbara skumningshastigheten. Detta problem uppstår främst i BOS-processerna och efter tappning till skänkugnen. Målet med denna studie är att testa ett nytt kontrollsystem genom att blåsa en gas (kväve eller argon) på smältytan för att slå sönder skummet. Först beräknades skumindexet för de tillhandahållna industriella chargerna för en allmän LD (21 charger) och Avestas skänk (31 charger) för att hitta vilken charge som har störst risk för utkok. Därefter utfördes en serie experiment för att undersöka det nya skumstyrsystemets tillförlitlighet med hjälp av en kall modell. Resultaten visade att blåsning av argon istället för kväve från det övre munstycket undertrycker skummet mer effektivt, vilket kan hänföras till dess högre densitet. Dessutom var den optimala argonflödeshastigheten som krävdes för att undertrycka skummet i värsta fallet i LD och skänkanläggningen 871 respektive 221 m3/min. De tillhandahållna uppgifterna stöder ytterligare effekten av denna förebyggande teknik, i teoretiska och praktiska aspekter.

The filler-sand is a barrier between the slide gate system and the liquid metal in the steel ladle. During the casting process, the sintered sand should brake due to the ferrostatic pressure from the molten metal to initiate the teaming. This procedure is called a spontaneous opening in the casting context. However, this is not always the case, as the filler-sand that protects the sliding gate, through which the metal passes, often blocks the exit hole. This study, taking place at Uddeholm in Hagfors, Sweden, investigates the preheating, the refining and the casting process by analyzing the ladle cleaning, sand additions, amount of sand, sintering times and stirring. The aim of the study is to contribute to a better understanding concerning the reasons for complications with the spontaneous opening of the tapping hole. The study finds that the pre-sintering time has a bearing on whether the free opening is successful or not, as the longest and shortest pre-sintering times proved to have a higher rate of non-spontaneous openings. The time from when stirring is stopped to when the sliding gate is opened also correlates well, where longer times lead to more non-spontaneous openings. However, there is no evidence of any correlation between how thoroughly the filler-sand covers the hole and the occurrence of non-spontaneous openings. / Skivtärningssand agerar som en barriär mellan tappningshålet och stålsmältan i en skänk. Vid gjutning av metaller öppnas skivtärningen under skänken och skivtärningssanden som blockerar tappningshålet ska då falla till följd av stålsmältans tryck s.k. spontanöppning. Dock räcker inte alltid det ferrostatiska trycket från smältan för att ta sönder den sintrade sanden. I undersökningarna som utfördes under 5 dagar i Uddeholm i Hagfors ingick mätning av sintringstid, rengöring av varje skänk, placering och mängden skivtärningssand och omrörningen. Syftet med denna studie är att bidra till en bättre förståelse av orsakerna till icke spontanöppning vid gjutningsprocess. Studien visar att sinteringstiden under förvärmningen har den största påverkan på huruvida spontan öppningens presterande. Den längsta och kortaste sinteringstiden visade sig ha en högre grad av icke-spontana öppningar. Det finns emellertid inga tecken på något samband av hur noggrant fillersanden täcker hålet och förekomsten av icke-spontana öppningar.

Heat transfer is key to understanding many processes in engineering. At a steel mill heat transfer is absolutely crucial to understanding most of the processes. One such a process is the pre-heating of a freshly relined ladle. The goal of this project was to develop code which could solve the diffusion equation, in an arbitrary three-dimensional geometry, subject to Dirichlet, Robin, Neumann, and certain kinds of non-linear boundary conditions. In order to approximate the solution the code uses a cell centred finite volume methodology. In order to verify the computational correctness of the code it was used on three simple cases where analytic solutions are known, a rarity for three-dimensional boundary value problems. A mathematical model for the heat conduction inside a ladle at Ovako’s site in Hofors was developed. The model was evaluated based on measurements on the outside of the ladle as well as from a temperature probe inside the bottom of the ladle. The model was found to adequately agree with the measured temperature. The code can thus be used to find a more optimal heating regiment of the ladle, possibly reducing emissions. / Värmeöverföring är nyckeln till att förstå många processer inom teknik. På ett stålverk är värmeöverföring helt avgörande för att förstå de flesta av processerna. En sådan process är förvärmning av en nymurad skänk. Målet med detta projekt var att utveckla en kod som kunde lösa diffusionsekvationen i en godtycklig tredimensionell geometri under Dirichlet-, Robin-, Neumann- och vissa typer av icke-linjära randvillkor. För att approximera lösningen använder koden en cellcentrerad finita volymmetodik. För att verifiera kodens beräkningsmässiga korrekthet användes den i tre enkla fall där analytiska lösningar är kända, vilket är en sällsynthet för tredimensionella randvärdesproblem. En matematisk modell för värmeledningen i en skänk vid Ovakos anläggning i Hofors utvecklades. Modellen utvärderades utifrån mätningar på utsidan av skänken samt från ett termoelement inuti botten av skänken. Modellen visade sig stämma väl överens med den uppmätta temperaturen. Koden kan därför användas för att hitta ett mer optimalt uppvärmningsschema för skänken, vilket eventuellt kan minska utsläppen från processen.

Gas stirring is currently the most commonly used method of homogenizing liquid steel in commercial processes. However, due to the harsh environment during the process, physical models built out of e.g. plexiglass have been used to easier understand the complex phenomenon occurring in the process. The models are also used to optimize stirring conditions and estimate mixing times. Instead of liquid steel, water has been used for modelling, to increase safety and reduce costs. The water models are usually scaled down to sizes that are easier to handle. Scaling correctly requires fulfilling commonly used criteria and dimensionless numbers. This report investigated the accuracy of these dimensionless numbers and the relations commonly used for scaling. Existing studies and relations were evaluated, and the theoretically best suitable scaling equations were tested. Three bottom blown vessels were built, in order to test the existing relations. By applying scaling criteria and calculating gas flow rates accordingly, the correlation between theoretical mixing time and measured mixing time could be investigated. This thesis concluded that the correlation between the measured mixing times was not significant, however, by implementing the scale factor λ1/2 a better approximation seems to be given. / Gasomrörning är för tillfället den vanligaste metoden som används för att homogenisera flytande stål i kommersiella processer. På grund av de svåra förhållandena under processen har fysiska modeller, byggda av exempelvis plexiglas, använts. Detta för att enklare förstå de komplexa fenomen som uppstår under processen. Modellerna används också för att optimera omrörningsförhållandena och för att uppskatta blandningstider. Istället för flytande stål har vatten använts vid modellering för att öka säkerheten och minska kostnaderna. Vattenmodellerna är vanligtvis nedskalade till storlekar som är lättare att hantera. En korrekt skalning kräver att vanliga kriterier och dimensionslösa tal uppfylls. Denna rapport undersökte noggrannheten för dessa dimensionslösa tal samt relationer som vanligtvis används vid skalning. Befintliga studier och relationer utvärderades och de teoretiskt mest lämpliga skalningsekvationerna testades. Tre stycken kärl med bottenblåsning byggdes för att testa dessa relationer. Genom att tillämpa skalningskriterier och beräkna gasflödeshastigheterna, kunde korrelationen mellan de teoretiska och uppmätta blandningstiderna undersökas. Denna avhandling drog slutsatsen att korrelationen mellan de uppmätta blandningstiderna inte var signifikant. Dock verkade en bättre approximation fås när skalfaktorn λ1/2 implementerades.

It is well known that inclusions affect the properties of steels and alloys. Therefore, it is important to understand what type of inclusions that exist and how they behave and especially with a focus on large size inclusions. Thus, the large size non-metallic inclusions in ferroalloy FeTi70R were investigated in two dimensions (2D) by using scanning electron microscopy (SEM) in combination with an energy dispersive technique (EDS). It was found that the FeTi70R ferroalloy contain complex oxide inclusions consisting mostly of CaO, SiO2 and TiOx. Furthermore, experimental trials were performed to investigate how these inclusions behaved when entering a melt. More specifically, a comparison between pure Fe and an Alloy 825 grade were made. These results determined the parameters effect on the transformation of the inclusions in the melt. The large size non-metallic inclusions in Alloy 825 during the ladle treatment were investigated during industrial trials by using both two dimensional (2D) and three dimensional (3D) microscopic investigations. The results showed that inclusions consisted of spherical oxides and clusters made up of oxides and nitrides. Further investigations found that the spherical inclusions were transformed from existing NMI in the FeTi70R ferroalloy and slag particles. As for the clusters, they originate from deoxidation products. Furthermore, small inclusions precipitated in the local zones around the added FeTi70R ferroalloy and titanium nitrides. Investigations also found that only Al2O3-MgO and TiN clusters exist after casting. Industrial trials were performed during the last period of the ladle treatment and using a combined electromagnetic (EMS) and gas (GS) stirring. The purpose to investigate the effect of different EMS directions on the agglomeration and on the removal of Al2O3-MgO and TiN clusters. The investigations were then performed in 3D after an electrolytic extraction of the metal samples. The results show that electromagnetic stirring in the upwards direction is best for the agglomeration of the Al2O3-MgO and TiN clusters. However, electromagnetic stirring in the downwards direction is more effective to remove clusters from the melt. This is in agreement with the theoretical predictions based on Stokes’, Brownian and Turbulent collisions. Also, the calculations showed that for Al2O3-MgO clusters with sizes &lt;20 μm the Turbulent collision is the defining factor for agglomeration. However, both Stokes’ and Turbulent collisions are dominant for larger inclusions. For the TiN clusters, turbulent collisions is the dominant factor. Further investigations with more heats and stirring modes were done by using 2D microscopic investigations. More specifically, the number, size, composition and morphology of different inclusions were determined by using SEM in combination with EDS and Inca Feature analyses. The results show that the EMS in downwards direction with a 0.04 m3 min-1 gas flow rate promotes a general removal of Al2O3-MgO and TiN inclusions. Furthermore, that the upwards EMS direction promotes a drastically increase of inclusions having an equivalent size smaller than 11.2 μm. Moreover, the stirring with a 0.02 m3 min-1 gas flow rate has a better removal rate for both downwards and upwards stirring directions compared to the stirring with a 0.04 m3 min-1 gas flow rate. However, no influence on the inclusion composition and morphology could be seen from the different stirring modes. / Det är välkänt att inneslutningar påverkar egenskaperna i stål och legeringar. Därför är det viktigt att förstå vilken sorts inneslutningar som existerar samt hur de beter sig, särskilt stora inneslutningar. Således undersöktes de stora icke-metalliska inneslutningarna i ferrolegeringen FeTi70R i två dimensioner (2D) genom att använda svepelektronmikroskopi (SEM) i kombination med energidispersionsteknik (EDS). Det visade sig att ferrolegeringen FeTi70R innehåller komplexa oxidinneslutningar bestående huvudsakligen av CaO, Si02 och TiOx. Vidare utfördes laborativa försök för att undersöka hur dessa inneslutningar uppträder när de kommer ner i det smälta stålet. Mer specifikt så gjordes en jämförelse mellan rent Fe och Alloy 825 legeringen. Dessa resultat fastställde hur olika parametrar påverkade inneslutningarnas omvandling i smältan. De stora icke-metalliska inneslutningarna i Alloy 825 legeringen under skänkugnsbehandlingen undersöktes vid industriella försök med hjälp av både tvådimensionella (2D) och tredimensionella (3D) mikroskopiska undersökningar. Resultaten visade att inneslutningarna bestod av sfäriska oxider och kluster uppbyggda av oxider och nitrider. Ytterligare undersökningar visade att de sfäriska inneslutningarna omvandlades från befintliga icke-metalliska inneslutningar i ferrolegeringen FeTi70R och slaggpartiklar. När det gäller kluster härrör de från desoxidationsprodukter. Vidare så bildades små inneslutningar i de lokala zonerna kring den tillsatta FeTi70R legeringen och kring titanitriderna. Undersökningarna fann också att endast Al2O3-MgO och TiN-kluster existerar efter gjutning. De industriella försöken utfördes under den sista perioden av skänkugnsbehandlingen och med en kombinerad elektromagnetisk (EMS) och gas (GS) omröring. Syftet med detta var att undersöka effekten av olika riktningar på EMS omrörningen på agglomerationen och avskiljningen av Al2O3-MgO- och TiN klustren. Undersökningarna utfördes sedan i 3D efter en elektrolytisk extraktion av metallproverna. Resultaten visar att en uppåtriktad elektromagnetisk omröring är bäst för agglomereringen av Al2O3-MgO inneslutningar och TiN kluster. Emellertid så är en nedåtriktad elektromagnetisk omröring effektivare för att avlägsna kluster från smältan. Dessa resultat överensstämmer med de teoretiska förutsägelserna baserade på Stokes, Brownian och Turbulent kollisionsvolymer. Dessutom visade beräkningarna att för Al2O3-MgO kluster med storlekar &lt;20 μm är det turbulenta kollisioner som är den avgörande faktorn för agglomerering. Dock är det både Stokes och de Turbulenta kollisionerna som dominerar för större inneslutningar. För TiN klustren är det de turbulenta kollisionerna som är den dominerande faktorn. Ytterligare undersökningar med fler charger av Alloy 825 och olika omrörningsmetoder gjordes baserade på 2D mikroskopiska undersökningar. Mer specifikt så bestämdes antalet, storleken, sammansättningen och morfologin för olika inneslutningar med användning av SEM i kombination med EDS och Inca Feature analyser. Resultaten visar att en nedåtriktad EMS i kombination med ett gasflöde på 0,04 m3 min-1 främjar ett generellt avlägsnande av Al2O3-MgO och TiN inneslutningar. Vidare främjar den uppåtriktade EMS omrörningen en drastisk ökning av inneslutningar med en ekvivalent storlek av 11,2 μm eller mindre. Vidare har omröringen med ett gasflöde på 0,02 m3 min-1 en bättre avskiljningshastighet för inneslutningar i både nedåt och uppåtgående omrörningsriktningar jämfört med omrörningen med ett gasflöde på 0,04 m3 min-1. Emellertid kunde inget inflytande på sammansättningen och morfologin ses från de olika omrörningssätten. / <p>QC 20171122</p>

It is well known that inclusions affect the properties of steels and alloys. Therefore, it is important to understand what type of inclusions that exist and how they behave and especially with a focus on large size inclusions. Thus, the large size non-metallic inclusions in ferroalloy FeTi70R were investigated in two dimensions (2D) by using scanning electron microscopy (SEM) in combination with an energy dispersive technique (EDS). It was found that the FeTi70R ferroalloy contain complex oxide inclusions consisting mostly of CaO, SiO2 and TiOx. Furthermore, experimental trials were performed to investigate how these inclusions behaved when entering a melt. More specifically, a comparison between pure Fe and an Alloy 825 grade were made. These results determined the parameters effect on the transformation of the inclusions in the melt. The large size non-metallic inclusions in Alloy 825 during the ladle treatment were investigated during industrial trials by using both two dimensional (2D) and three dimensional (3D) microscopic investigations. The results showed that inclusions consisted of spherical oxides and clusters made up of oxides and nitrides. Further investigations found that the spherical inclusions were transformed from existing NMI in the FeTi70R ferroalloy and slag particles. As for the clusters, they originate from deoxidation products. Furthermore, small inclusions precipitated in the local zones around the added FeTi70R ferroalloy and titanium nitrides. Investigations also found that only Al2O3-MgO and TiN clusters exist after casting. Industrial trials were performed during the last period of the ladle treatment and using a combined electromagnetic (EMS) and gas (GS) stirring. The purpose to investigate the effect of different EMS directions on the agglomeration and on the removal of Al2O3-MgO and TiN clusters. The investigations were then performed in 3D after an electrolytic extraction of the metal samples. The results show that electromagnetic stirring in the upwards direction is best for the agglomeration of the Al2O3-MgO and TiN clusters. However, electromagnetic stirring in the downwards direction is more effective to remove clusters from the melt. This is in agreement with the theoretical predictions based on Stokes’, Brownian and Turbulent collisions. Also, the calculations showed that for Al2O3-MgO clusters with sizes &lt;20 μm the Turbulent collision is the defining factor for agglomeration. However, both Stokes’ and Turbulent collisions are dominant for larger inclusions. For the TiN clusters, turbulent collisions is the dominant factor. Further investigations with more heats and stirring modes were done by using 2D microscopic investigations. More specifically, the number, size, composition and morphology of different inclusions were determined by using SEM in combination with EDS and Inca Feature analyses. The results show that the EMS in downwards direction with a 0.04 m3 min-1 gas flow rate promotes a general removal of Al2O3-MgO and TiN inclusions. Furthermore, that the upwards EMS direction promotes a drastically increase of inclusions having an equivalent size smaller than 11.2 μm. Moreover, the stirring with a 0.02 m3 min-1 gas flow rate has a better removal rate for both downwards and upwards stirring directions compared to the stirring with a 0.04 m3 min-1 gas flow rate. However, no influence on the inclusion composition and morphology could be seen from the different stirring modes. / Det är välkänt att inneslutningar påverkar egenskaperna i stål och legeringar. Därför är det viktigt att förstå vilken sorts inneslutningar som existerar samt hur de beter sig, särskilt stora inneslutningar. Således undersöktes de stora icke-metalliska inneslutningarna i ferrolegeringen FeTi70R i två dimensioner (2D) genom att använda svepelektronmikroskopi (SEM) i kombination med energidispersionsteknik (EDS). Det visade sig att ferrolegeringen FeTi70R innehåller komplexa oxidinneslutningar bestående huvudsakligen av CaO, Si02 och TiOx. Vidare utfördes laborativa försök för att undersöka hur dessa inneslutningar uppträder när de kommer ner i det smälta stålet. Mer specifikt så gjordes en jämförelse mellan rent Fe och Alloy 825 legeringen. Dessa resultat fastställde hur olika parametrar påverkade inneslutningarnas omvandling i smältan. De stora icke-metalliska inneslutningarna i Alloy 825 legeringen under skänkugnsbehandlingen undersöktes vid industriella försök med hjälp av både tvådimensionella (2D) och tredimensionella (3D) mikroskopiska undersökningar. Resultaten visade att inneslutningarna bestod av sfäriska oxider och kluster uppbyggda av oxider och nitrider. Ytterligare undersökningar visade att de sfäriska inneslutningarna omvandlades från befintliga icke-metalliska inneslutningar i ferrolegeringen FeTi70R och slaggpartiklar. När det gäller kluster härrör de från desoxidationsprodukter. Vidare så bildades små inneslutningar i de lokala zonerna kring den tillsatta FeTi70R legeringen och kring titanitriderna. Undersökningarna fann också att endast Al2O3-MgO och TiN-kluster existerar efter gjutning. De industriella försöken utfördes under den sista perioden av skänkugnsbehandlingen och med en kombinerad elektromagnetisk (EMS) och gas (GS) omröring. Syftet med detta var att undersöka effekten av olika riktningar på EMS omrörningen på agglomerationen och avskiljningen av Al2O3-MgO- och TiN klustren. Undersökningarna utfördes sedan i 3D efter en elektrolytisk extraktion av metallproverna. Resultaten visar att en uppåtriktad elektromagnetisk omröring är bäst för agglomereringen av Al2O3-MgO inneslutningar och TiN kluster. Emellertid så är en nedåtriktad elektromagnetisk omröring effektivare för att avlägsna kluster från smältan. Dessa resultat överensstämmer med de teoretiska förutsägelserna baserade på Stokes, Brownian och Turbulent kollisionsvolymer. Dessutom visade beräkningarna att för Al2O3-MgO kluster med storlekar &lt;20 μm är det turbulenta kollisioner som är den avgörande faktorn för agglomerering. Dock är det både Stokes och de Turbulenta kollisionerna som dominerar för större inneslutningar. För TiN klustren är det de turbulenta kollisionerna som är den dominerande faktorn. Ytterligare undersökningar med fler charger av Alloy 825 och olika omrörningsmetoder gjordes baserade på 2D mikroskopiska undersökningar. Mer specifikt så bestämdes antalet, storleken, sammansättningen och morfologin för olika inneslutningar med användning av SEM i kombination med EDS och Inca Feature analyser. Resultaten visar att en nedåtriktad EMS i kombination med ett gasflöde på 0,04 m3 min-1 främjar ett generellt avlägsnande av Al2O3-MgO och TiN inneslutningar. Vidare främjar den uppåtriktade EMS omrörningen en drastisk ökning av inneslutningar med en ekvivalent storlek av 11,2 μm eller mindre. Vidare har omröringen med ett gasflöde på 0,02 m3 min-1 en bättre avskiljningshastighet för inneslutningar i både nedåt och uppåtgående omrörningsriktningar jämfört med omrörningen med ett gasflöde på 0,04 m3 min-1. Emellertid kunde inget inflytande på sammansättningen och morfologin ses från de olika omrörningssätten.