Structural and compositional changes resulting from interruptions in the steady-state heat balance of an electroslag remelted ingot have been investigated on a laboratory scale electroslag furnace. An attempt was also made to solve some of the fundamental problems introduced by the proposed production of large commercial ingots in a tandem electrode change furnace. The investigation was carried out on three commercially available alloy steels: 1) EN-25, 2) AISI 4340, and 3) AISI 630 (17-4 P.H.). Power interruption experiments on EN-25 and AISI 4340 steels revealed only minor structural changes but did show carbon concentration banding. Carbon rich bands were also produced by periodic variations in the slag skin thickness. Power interruption experiments on AISI 630 produced some structural changes but no change in the concentrations of the major alloying elements was detected. The mixing action in the liquid metal pool appears to be due to a slow convective motion which causes the liquid to approach a state of complete mixing at the solidification rates found in the ESR process. A general heat balance was calculated for a 10 cm dia. ESR ingot. The various volume fractions solidified were calculated for different durations of the "power-off" mode. The results of the heat balance were extended to a large (61 cm dia.) commercial ingot and the volume solidified during a 60 second power interruption was estimated. A heat transfer program was written to determine the unsteady state temperature profiles in an electrode as a function of temperature of the slag bath and time after immersion. The resulting profiles indicated that in order to avoid any major structural and/or compositional changes during an electrode change operation, electrode preheating is mandatory. / Applied Science, Faculty of / Materials Engineering, Department of / Graduate

The electroslag remelting process combines both a chemical refining ability and a better control on solidification which produces materials of more uniform properties. In spite of the advantages of this process, segregation-prone alloys are still difficult to produce via ESR, particularly when large ingot diameters are involved. In this context the study of externally applied electromagnetic fields is of great interest. An AC operated stirring device was designed and laboratory-scale experiments were conducted. The solidification structures resulting from the stirring as well as the mixing conditions prevailing in the liquid pool were investigated. Also, modelling studies on the electromagnetic body force produced by the stirrer and the resulting thermal field were conducted. The start of stirring results in a clearly defined band in both steady- and unsteady-state regimes. The microstructure was not significantly modified in the center of the ingot but a loss in directionality was found at the mould wall. It seems apparent that the stirred liquid does not penetrate significantly inside the interdendritic region. Mixing studies revealed that the degree of mixing in the pool is enhanced by the stirring. The theoretical calculations show that most of the electromagnetic body force is confined to the magnetic skin depth at the mould wall and the metal-slag interface. Using a previously developed two-dimensional heat transfer model it was not possible to reproduce the experimental pool profiles obtained when stirring was applied. / Applied Science, Faculty of / Materials Engineering, Department of / Graduate

Previous attempts at a quantitative description of alloy losses in electroslag remelting (ESR) operations have not adequately reflected the true nature of this process. In the current work a mass transfer model was developed which takes into account four reaction sites and mass transfer of all species at each site. An experimental program was subsequently devised to test extensively the provisions of the model. The overall system was simplified by avoiding complex alloys and multicomponent slags and also by excluding air. Care was taken to deal only with species whose thermochemistry was known in,both slag and metal phases. The electrode material used was mild steel in which manganese was the onlyoxidizable species. Slags used throughout the melt program were CaV - 20% CaO, for which system the activity data for FeO, MnO were available. The melt program provided data on Mn losses in a variety of ESR operating conditions including steady and unsteady state, live and insulated mold configurations. The effects of melting in air and of direct current operation were also investigated. Several melts undertaken with Armco iron were designed to permit direct calculation of certain mass transfer coefficients. The mass transfer model was applied to each melt and the predictions compared to the experimental data. There was generally good agreement between the two, confirming that the manganese losses were controlled entirely by mass transfer effects. Further study of the model showed mass transfer of species in the slag phase to be the predominant rate controlling step. The relative roles of the various reaction sites in contributing to the overall mass transfer were also elaborated by this analysis. In order to assess the full potential of this mass transfer approach, the model was extended to the manganese, sulphur reaction system and to larger, commercial-sized ESR furnaces. Projections of alloy losses based on this scale-up study appeared to be consistent with the sparse information that is currently available. / Applied Science, Faculty of / Materials Engineering, Department of / Graduate

The aim of this work was to determine whether (ASTM E-45) D-type inclusions are a necessary component of ESR ingots. Therefore, experiments were undertaken to ascertain the origin of the inclusions. Pure iron (FVE) and electrolytic nickel were melted through CaF₂+CaO+Al₂0₃ slags, and the changes in the metal compositions (with respect to calcium, aluminum and oxygen) were measured. The composition changes could not be accounted for by simple chemical slag/metal reactions. Hence, electrochemical slag/metal reactions were inferred. These reactions were detected, and the accompanying rectification of the 60 Hz A.C. melting current was measured. It was thus concluded that both chemical and electrochemical slag metal reactions contribute to the final composition of the metal. The cooling and solidification paths of the various metal compositions were then studied. With the use of the classical nucleation theory it was found that the metal compositions after reacting with the slag, provide sufficient supersaturation for inclusion nucleation at the latter stages of solidification. As in the latter stages of solidification little time and material is available for inclusion growth it was concluded that small inclusions are to be expected in the ESR solidification mode. Since the chemical and electrochemical reactions are an inherent part of the electroslag process, we are able to conclude that small globular oxide inclusions are a necessary result of the normal method of electroslag melting. / Applied Science, Faculty of / Materials Engineering, Department of / Graduate

Grinding circuits are an essential part of a mineral processing plant. Grinding is very energy intensive, and can have major effects on the following separation stages of mineral processing. This sets high requirements for the design and operation of grinding circuits. Early on in the resource evaluation, ore samples used in metallurgical testing tend to be composited samples from drill cores. These composited samples can have broad mineralogical variations in them. Geometallurgy aims to create a predictive model to improve plant operation and design, based on the inherent variability of ore blocks in an ore deposit. Thus to apply geometallurgy, mineralogical information and data about the variability in ore blocks is essential. This creates a need for variability testing, where test methods are fast, inexpensive and require low volumes of sample. In this thesis the common Bond ball mill grindability test is conducted on three different sample materials. The samples show good variability in terms of mineralogy and grindability. Along with the Bond test, the Mergan ball mill grindability test is also conducted on the same sample materials. The Mergan test is faster than the Bond test, and uses less sample material than the Bond test. The aim of the testwork is to analyze the differences between the two test methods, and see if there is a correlation between them. This correlation can then be used to create a new grindability test method, where the test is done with the Outotec Mergan mill, but the test results can be scaled to estimate Bond work index for the sample. Results show that there is indeed a correlation between the two grindability test methods. Using a linear model, an experimental model is presented, where the Mergan mill can be used to approximate the Bond work index for an ore with good correlation. To validate and improve the experimental model presented, more testing should be conducted in the future. / Jauhatuspiirit ovat tärkeä osa rikastamoa. Jauhatus vaatii erittäin paljon energiaa, ja sillä voi olla merkittäviä vaikutuksia rikastuksen seuraaviin osaprosesseihin. Tämä asettaa korkeat vaatimukset jauhatuspiirien suunnittelulle ja käytölle. Malmiesiintymän tutkimuksen varhaisissa vaiheissa metallurgiseen tutkimukseen saatavat näytteet ovat yleensä komposiittinäytteitä kairasydämistä, joissa voi olla suuria mineralogisia eroja. Geometallurgian tarkoituksena on luoda ennustava malli, joka perustuu malmiesiintymässä olevien eri malmioiden eroavaisuuksiin. Tätä mallia voidaan käyttää kaivoksien suunnittelun ja toiminnan optimoimiseen. Geometallurgian hyödyntämiseen tieto malmioiden eroavaisuuksista ja mineralogiasta on siis välttämätöntä. Tämä on saanut aikaan tarpeen testimenetelmille, joilla tätä vaihtelevuutta voidaan testata, ja näiden testimenetelmien tulee olla nopeita, halpoja, ja testien käyttämien näytemäärien täytyy olla pieniä. Tämän työn kokeellisessa osuudessa yleistä Bondin kuulamyllyjauhautuvuustestiä käytetään kolmen eri malminäytteen jauhautuvuuden testaamiseen. Työssä käytettävät malminäytteet eroavat toisistaan paljon niin mineralogian kuin jauhautuvuudenkin puolesta. Samojen näytteiden jauhautuvuutta testataan myös Mergan kuulamyllyjauhautuvuustestillä. Mergan menetelmän etuja ovat Bondin testiin verrattuna se että Mergan on nopeampi tehdä, ja sen näytevaatimus on Bondin testiä pienempi. Koetoiminnan tarkoituksena on verrata näiden kahden jauhautuvuustestien tuloksia ja eroavaisuuksia, ja analysoida löytyykö näiden testimenetelmien väliltä korrelaatiota. Tätä korrelaatiota voidaan sitten käyttää uuden jauhautuvuustestin kehittämiseen, jossa näytteen jauhautuvuuden testaamiseen käytetään Outotecin Merganmyllyä, ja saatu tulos skaalataan Bondin ”työindeksiin”. Koetulosteen perusteella jauhautuvuustestien väliltä löytyi korrelaatio. Tätä korrelaatiota käytetään kokeellisen lineaarisen mallin luomiseen, jossa malmin jauhautuvuutta voidaan testata Merganmyllyllä ja arvioida siitä Bondin ”työindeksi” hyvällä korrelaatiolla. Kokeellisen mallin toimivuuden vahvistamiseen ja parantamiseen tarvitaan kuitenkin vielä lisää testejä tulevaisuudessa.

Tämän diplomityön aiheena oli tutkia Metso IQ Surface -mittausjärjestelmän soveltuvuutta LWC-paperikoneella sekä parantaa LWC-paperin sileyttä syväpainoon soveltuvammaksi. Pääkohteena mittauksessa olivat mittarin antamat karheus- sekä sileys-indeksit, joita verrattiin laboratorio arvoihin eli pohjapaperin bendtsen-karheuteen sekä lopputuotteen PPS-sileyteen. Metso IQ Surface -mittausjärjestelmä mittaa liikkuvan paperin laatua ottamalla 3D -kuvia paperin pinnasta ja analysoimalla niitä. Kuvattava pinta valaistaan usealla led-viistovalolla eri kulmista kameran ympäriltä. Kuvan varjostumien avulla fotometrinen stereo-menetelmä tuottaa paperin pinnan gradienttikentät. Pinnan topografia tuotetaan puolestaan integroimalla gradienttikenttiä. Pinnan topografian avulla paperille voidaan laskea joukko muita pinnan rakennetta kuvaavia piirteitä. Mittaus osoitti hyvää korrelaatiota bendtsen-karheuteen pohjapaperissa. Myös lopputuotteen osalta mittaus havaitsi oikein sileyden muutokset. Lopputuotteen sileyden osalta korrelaatio oli hyvä, mutta vähäisten mittauspisteiden vuoksi tulosta ei voida pitää yhtä merkittävänä. Mittaus korreloi myös hyvin hiokkeen annostelun freenes arvosta johtuvaan karheus vaihteluun noin kahden vuorokaudenkin ajanjaksoissa. Topografiamittaus havaitsi jo pohjapaperissa muutoksen, joka näkyi myös lopputuotteen sileyden paranemisena. Tämän diplomityön kirjallisuusosassa käsitellään LWC-paperintekoprosessia sen pääpiirteissään. Esille on tuotu asioita, jotka voivat vaikuttavat paperinpinnan topografiaan. Syväpainoprosessia on esitelty kirjallisen osuuden lopussa. Kokeellisessa osassa suoritettiin paperikoneella seuraavat koeajot: formeritelan alipainemuutos, teränvaihto päällystyskoneella sekä superkalanterin ajonopeus koeajot. Formeritelan alipainemuutos pienempään sekä päällystyskoneen teränvaihto koeajot tuottivat parempaa sileyttä lopputuotteelle. Myös superkalanterin ajonopeuden laskulla oli positiivinen vaikutus lopputuotteen sileyteen. Parempi sileys johti parempiin syväpainotuloksiin kaikissa muissa paitsi teränvaihtokoeajossa. / The topic of this master thesis was to study the suitability of Metso IQ Surface measurement on a LWC-papermachine and also improve the smoothness of LWC-paper to more suitable for rotogravure printing. The main targets of the study were the smoothness and roughness indexes given by the Metso IQ Surface measuring. These indexes were compared to the laboratory values of bendtsen roughness and PPS smoothness. Metso IQ Surface measurement measures the surface quality of a moving paper sheet by using high-speed image capture and image analysis technology. The illumination of the measured area is done with several LED flash lights from different directions around the camera. Surface topography measurement is based on photometric stereo method. Photometric stereo method provides surface gradient fields using shading information. Surface topography is obtained by integrating the gradient fields. Using this topography information roughness and smoothness indexes can be calculated. The Topography Measurement proved good correlation with laboratory bendtsen roughness on base paper. Also correlation between the PPS smoothness and smoothness index given by the measurement was good, but with small number of measure points, the result can’t be relevant. The Topography Measurement also showed good correlation to roughness variation which was caused by freeness of pulp dosage. The Measurement noticed change on a base paper which led up to better smoothness of the end product. This theory part of master thesis deals with main processes of making LWC-paper. Also some key elements that may affect the topography of paper surface during the process are drawn attention. The rotogravure printing process is demonstrated at the end of the theory part. In the experimental part following trial runs were produced on the papermachine: former roll vacuum trial, blade exchange of couter trial and driving speed trials of supercalander. Turning down the former roll’s vacuum and exchange of the blade on the couter showed better smoothness of the end product. Also lowering the speed of the supercalander improved the smoothness. The better smoothness led up to better rotogravure printing result in all other cases but not in the blade exchange of couter trial.

This research is a Master’s thesis that has made for Parker Hannifin Oy in the University of Oulu in Department of Process and Environmental engineering. Parker Hannifin Oy ordered a market research of the Finnish mining market. A subject was a limited research to the northern Fennoscandian and Greenland mining market but the main focus is in Finnish mining industry and technology market. The research produced new information about the mining market for the decision makers of Parker Hannifin Oy. The research problem was to clarify which delivery models would work with mining industry, what is the commercial potential with mining industry and which are the technology areas where the supply of Parker Hannifin Oy and the demand of the mining industry would meet. Qualitative and quantitative methods were used in the market research. A sample for market research was collected from public sources and with interviews and questionnaires. The market research begun with desk research in which the researcher investigated the mining market by public information. After this there were a qualitative interviews and questionnaires for the mining industry and for the company which ordered of research. The data sample was treated with qualitative research methods. The commercial potential for Parker Hannifin Oy is huge in Finnish and Swedish mining market. The mining is developing and growing very fast in both countries. It was estimated that Parker Hannifin Oy could be increased their revenue 10 % by sales to Finnish mining industry in 2012. It has been estimated that the production of Finnish mining industry will triple by the year 2022. Also, the Swedish mining industry will need 10 000–15 000 new employees by year 2025 which two or three times more than Finnish mining industry. The potential mining industry customers considered that site container and a spare part store of mining company are efficient and effective delivery models. One result of the questionnaire was that most of the Finnish mining companies have a store of critical spare parts of mining machines. Products of Parker Hannifin Oy are mostly used in underground mining machines in Finland. In the research came out that the easiest way for Parker Hannifin Oy to increase its sales could be by finding cooperation partners from those local stores and contactors which already do business with local mining companies.

Fast development and complexity of modern automation has brought many challenges to automation solutions providers. One important part of modern automation is Plant Asset Management (PAM) tool, especially in field devices business where Company X is market leader. The communication between the field device and PAM tool is done via Device Type Manager (DTM). DTM is a Human Machine Interface (HMI) which provides the high sophisticated parameters of the device to a one interface. HMI or SCADA (Supervisory Control and Data Access) systems developers are facing serious problems to give users needed information in a package which is usable. This research will concentrate to clarify and improve current DTM usability for Company X (CX). First, the thesis will go through CX DTMs user types. User type’s clarification will be the basis information for usability benchmarking tests with the biggest competitors of CX. Benchmarking tests will concentrate on commissioning, because it is the most time spending and that is why the most money consuming, regular task in a field device plant life cycle. In the end, master thesis will provide a clarified user types with the user needs and goals towards the DTM. Plus the main thing, to a have an improvement proposals for DTM usability for today and future. Tests showed that CX is way behind in the efficiency and also in the satisfaction towards competitors. In usability satisfaction, CX was competing against Company M from the last place when Company V and Company E are fighting of the first place. Quite describing is the average rate of satisfaction, for Company E it was 6.05, Company V 5.71 and then comes CX with average rate 4.56. Only Company M had worse users’ satisfaction rate with 3.91. In the efficiency the situation was similar, CX where competing of the last place when Company M and Company E were almost twice faster. According to the benchmarking tests, in effectiveness CX where only one who had DTM where users made faults. In other issues, tasks performers asked help if there were problems. Fast development and complexity of modern automation has influenced also to CX DTM usability, making DTMs huge and complex from the usability and structure. It is shown in the test that DTM usability hasn’t been the focus of CX by this far. Anyway, now it should become one of the tasks to make a serious improve. / Automaatioteknologian nopea kehitys ja monimutkaisuus ovat tuoneet uudenlaisia haasteita automaatioratkaisuja tarjoaville yrityksille. Kenttälaitteita tarjoavassa liiketoiminnassa, jossa Yritys X (CX) on markkinajohtaja, laitostenhallintatyökalut ovat yksi tärkeä osa modernia automaatiota. Laitostenhallintatyökalujen ja kenttälaitteiden välillä Device Type Manager (DTM) on puuttuva kommunikoinnin palanen. DTM on ihmisille kehitetty käyttöliittymä (Human Machine Interface — HMI), joka tarjoaa laadullisesti tarkkoja mittalaiteparametrejä yhdelle näyttöpäätteelle. HMI ja SCADA eli käytön ja tiedonsiirron ohjauksen hallinta työkalu (Supervisory Control and Data Access) systeemin kehittäjät ovat kohdanneet todellisia haasteita yrittäessään tarjota tarpeellisen tiedon, joka olisi samalla myös käytettävyydessä toimiva. Diplomityö tulee keskittymään Yritys X:n DTM:n käytettävyyden analysointiin ja kehitykseen. Ensiksi diplomityössä tarkennetaan jo standardisoituja CX:n käyttäjätyyppejä, jonka jälkeen saatu tieto tullaan käyttämään alustavana tietona CX:n suurimpien kilpailijoiden vertailututkimukselle. Vertailututkimus tulee keskittymään käyttöönottoon, koska tämä on eniten aikaa vievä vaihe ja täten myös kallein normaalisti tehtävä työvaihe kenttälaitteiden elinkaaren aikana. Diplomityö tulee tarjoamaan tarkennetut käyttäjätyypit ja niiden tehtävät sekä tavoitteet DTM:lle. Lopuksi diplomityö esittää parannusehdotuksia DTM:n tämän hetkiselle ja tulevaisuuden käytettävyydelle. Testit osoittivat että CX:lla on paljon parannettavaa käytettävyyden suhteen. Sekä suorituskyvyssä että tyytyväisyydessä, CX oli vasta kolmannella sijalla, selvällä erolla kärkikaksikkoon. Myös tehokkuudessa huomattiin selkeitä puutteita CX:n DTM:ssä. Kuvaava tieto CX:n heikohkosta menestyksestä käytettävyystesteissä kertoo käytettävyys tyytyväisyyden keskiarvot. Yritys E:n keskiarvo oli 6.05 ja kakkosena olevan Yritys V:n 5.71. Seuraavaksi tuli CX selkeällä erolla keskiarvoin 4.56. Ainoastaan Yritys M:n DTM sai huonomman keskiarvon 3.91. Nopea kehitys ja monimutkaisuus automaatioliiketoiminnassa ovat vaikuttaneet myös CX:n käytettävyyteen, tehden siittä valtavan ja monimutkaisen rakenteeltaan että käytettävyydeltään. Testit osoittivat että CX ei ole keskittynyt DTM:n käytettävyyden parantamiseen, joten nyt olisi aika alkaa tekemään todellisia uudistuksia käytettävyydenkin suhteen.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää, voidaanko hyperspektrikameraa hyödyntää teräskuonan koostumuksen ja koostumusmuutosten havaitsemisessa. Päätavoitteena oli selvittää havaitaanko alumiinioksidipitoisuuden nousu kuonassa. Tällä simuloitiin terästehtaalla suoritettavia senkkakäsittelyitä. Spektrikameraa voitaisiin hyödyntää teollisuudessa on-line -mittauksissa. Reaaliaikainen tieto valmistusprosessin aikana tapahtuvista muutoksista voi tuottaa merkittäviä säästöjä raaka-aineiden kulutuksen ja energiankulutuksen osalta. Työssä käydään läpi teoriatasolla senkkametallurgiset käsittelyt, sekä perusteet spektroskopiasta. Kokeellinen osuus suoritettiin prosessimetallurgian laboratoriotiloissa. Työ tehtiin yhteistyössä Specim Oy:n kanssa, joka tarjosi käyttöön kokeellisessa osuudessa käytetyn hyperspektrikameran, sekä tietoa spektrikuvantamisesta. Kokeellisessa osuudessa käytettiin Outokummulta ja Ruukilta saatuja kuonanäytteitä. Tutkittavana oli Outokummulta valokaariuuni- ja senkkakuonat, sekä Ruukilta senkkakuona. Tällä haluttiin tarkastaa, vaikuttavatko erilaiset kuonakoostumukset mittaustuloksiin. Kuonanäytteet asetettiin platinaupokkaassa gradienttiuuniin, jossa kuona sulatettiin 1600 °C:ssa. Tämän jälkeen kuonaan tehtiin 2 %-yksikön Al₂O₃-lisäys. Homogenisoinnin jälkeen kuona kuvattiin päältä päin hyperspektrikameralla. Yhteensä Al₂O₃-lisäyksiä kuonaan tehtiin kolme kappaletta. Kuonamittausten lisäksi tehtiin joukko referenssimittauksia matemaattisten ennustemallien luomiseksi. Referensseinä toimivat useimmat teräskuonista löytyvät oksidit kuten Al₂O₃, CaO, Cr₂O₃, MgO ja SiO₂. Myös eri oksidien binääriseoksia valmistettiin kymmenen kappaletta referenssiksi. Mittaustuloksia analysoitiin monimuuttujakuvien tarkasteluun tarkoitetulla Evince-ohjelmalla. Ohjelmaan syötettiin referenssimittauksista saadut arvot, jonka jälkeen luotiin matemaattinen PLS-DA -malli, jolla voidaan ennustaa tuntemattomasta näytteestä eri komponenttien pitoisuudet. Mallin antama ennuste Al₂O₃-pitoisuudelle ei vastannut laskennallisia analyysien antamia arvoja, mutta selkeä trendi tuloksissa oli nähtävissä. Ruukin kuonassa huomattiin tavoiteltu 6 %-yksikön Al₂O₃-pitoisuuden kasvu, vaikkei jokaista yksittäistä 2 %-yksikön muutosta voitu huomata. Outokummun uunikuonan tuloksissa oli suurta hajontaa, mutta ilmeisesti tämä johtui kyseisen kuonan koostumuksesta ja ominaisuuksista. Lisätutkimuksia eri kuonien kohdalla tarvitaan. Outokummun senkkakuonan kohdalla havaittiin 11 %-yksikön kokonaiskasvu Al₂O₃-pitoisuudessa, mutta kasvu oli tasaista mittausten välissä, joten ennusteen tarkkuutta voitaneen parantaa kalibroimalla mallia. Myös referenssimittauksia varten tehdyt oksidiseokset pystyttiin tunnistamaan tyydyttävästi. Kokeiden lopuksi tarkasteltiin, vaikuttaako lämpötilan muutos mittaustuloksiin, mutta tässä ei päästy varmoihin tuloksiin. Kaiken kaikkiaan hyperspektroskopia vaikuttaa potentiaaliselta työkalulta teräskuonien koostumustarkasteluihin. Jatkotutkimuksia on tehtävä eri kuonakoostumuksien kanssa, jotta voidaan selvittää mitkä aineet mahdollisesti vaikuttavat mittauksien toimivuuteen. Koska spektrikamera ei kerro näytteen kokonaiskemiallista koostumusta vaan molekyylikoostumuksen, on kuonan mineralogiaan perehdyttävä enemmän. Varsinkin eri faasien molekyyliyhdisteiden mittauksia on suoritettava enemmän parempien ennustemallien tueksi. Myös lämpötilan vaihtelun vaikutus mittauksiin on tutkittava, koska tehdasympäristössä ei aina voida tietää tarkasti kuonan lämpötilaa. Menetelmän toimivuus reaaliaikaiseen koostumusmuutosten tunnistamiseen on myös selvitettävä. / The purpose of this thesis was to evaluate the feasibility of hyperspectral methods to determine the composition and composition changes in steel slag. The primary objective was to investigate whether an increase of aluminum oxide can be detected in slag. This functioned as a simulation of secondary metallurgical processes in steel mills. A spectral camera could be used in on-line measuring to supply real-time information of the manufacturing process, which could be used to save raw-material and energy. This thesis contains a theoretical discussion of secondary metallurgical processes and ladle metallurgy and the basics of spectroscopy. The experimental part of this thesis was done in the Laboratory of Process Metallurgy. The thesis was done in cooperation with Specim Ltd. which provided the hyperspectral camera used in the experiments and expertise in spectral imaging. Slags used in the experimental phase were provided by Outokumpu and Ruukki. Outokumpu provided both electric arc furnace slag and ladle slag, while Ruukki provided ladle slag. Different kinds of slags were used to see if the results were affected. Slag samples were melted in a platinum crucible in a gradient furnace at 1600 °C. Once the slag had melted, 2 percentage point (pp) increase in Al₂O₃ content was made. After homogenization the top of the slag was scanned with a hyperspectral camera. All in all three increases of Al₂O₃ were made resulting in a total increase of 6 pp of Al₂O₃ in the slag. A group of reference measurements were made using the most common oxides found in steel slags like Al₂O₃, CaO, Cr₂O₃, MgO and SiO₂. Ten binary mixtures of different oxides were also made for reference. Reference measurements were made for the mathematical model in order to predict the composition of an unknown sample. The spectral images were analyzed with Evince, a program designed for multivariate image analysis. Reference measurements were imported to Evince to make a mathematical PLS-DA model that predicts the composition of an unknown sample. Absolute results given by the model did not match the calculated values for the slags in question but a rising trend was clearly visible. Total 6 pp increase of Al₂O₃ was predicted correctly in Ruukki slag, even though every 2 pp increase was not visible in the prediction. The prediction for Outokumpu ladle slag was also successful. Although a total of 11 pp increase was predicted, it was deemed successful, because the prediction showed linear growth between measurements. Similar results were found using different models, so it should be possible to achieve the 6 pp prediction with fine tuning the model. Outokumpu EAF slag proved to be difficult to analyze. The prediction showed a great deal of deviation in results and no clear trend was spotted. It was determined that the composition of the slag made it difficult to analyze with spectral imaging. Further study should be made for slags of different composition to see how they affect the spectral imaging properties. The composition prediction of oxide mixtures was satisfactory. Finally, a short investigation was made to see if temperature changes affect the results of the spectral imaging. However, the results were inconclusive. Hyperspectral imaging proved to be a potential tool to determine the composition of steel slag. Further study is needed to see what compounds in slags affect the imaging. More study in mineralogy of slags is also needed because the method used detects only the molecular composition and not the exact chemical composition. Many different molecular compounds found in slags should be measured to make more accurate predictive models. Also effects of temperature change in spectral imaging should be studied as it is difficult to determine the exact temperature on the surface of the slag especially in factory conditions. Feasibility of real time detection of composition changes should be also investigated.

The aim of this thesis was to model mixing in a 150 ton AOD converter with physical water model experiments. The mixing of a tracer at different tuyere blowing rates and injection depths was investigated. Water model experiments were carried out in the laboratory of the Process Metallurgy Group at the University of Oulu. The geometric ratio of the model to the real converter was 1:9. All dimensions of the model corresponded to the ratio except the diameter of the tuyeres. There were 7 tuyeres located in the sidewall, near the bottom of the model. Pressurized air was blown from the tuyeres into the system at volumetric air flow rates of 0.140, 0.350 and 0.560 Nm³/min. Sulfuric acid (98%) was used as a tracer in these water model experiments and the changes of the pH were measured with a pH-meter. Mixing time experiments were executed in three series. Volumetric air flow rates followed the previously mentioned volumes. In addition to this, the injection depths of the tracer were set to be 0.1 m and 0.2 m. The influence of the injected tracer on the pH value of the water bath, was measured with a pH-meter which was connected to a laptop computer. It was therefore possible to calculate the mixing time of the tracer from the collected data. The experiment indicated that increased volumetric air flow rates from the tuyeres significantly expedited mixing. The average mixing times with volumetric air flow rates of 0.140, 0.350 and 0.560 Nm³/min and an injection depth of 0.1 m were 25.2, 12.1 ja 6.72 seconds. With the same volumetric air flow rates, an injection depth of 0.2 m gave different mixing times. The average mixing times with the previously mentioned values were 25.59, 17.76 and 10.56 seconds. Based on the experiments of this thesis, an increased volumetric air flow rate was verified as decreasing the mixing time. On the other hand, increasing the injection depth of a tracer increased the mixing time. / Tämän diplomityön tarkoituksena oli mallintaa 150 tonnin AOD-konvertterin sekoittumista fysikaalisten vesimallikokeiden avulla. Tutkimuksessa selvitettiin veteen injektoitavan merkkiaineen sekoittumisnopeutta eri suutinpuhalluksen tilavuusvirroilla ja merkkiaineen injektiosyvyyksillä. Laboratoriokokeet suoritettiin Oulun yliopiston Prosessimetallurgian tutkimusryhmän vesimallilla. Mallin geometrinen suhde todelliseen konvertteriin oli 1:9. Mallin kaikki dimensiot vastasivat geometrista suhdetta pois lukien suuttimien halkaisijat. Suuttimien lukumäärä oli 7 ja ne oli sijoitettu vesimallin sivuseinämään pohjan läheisyyteen. Vesimalliin puhallettiin suuttimien kautta paineistettua ilmaa tilavuusvirroilla 0,140, 0,350 ja 0,560 Nm³/min. Merkkiaineena kyseisissä vesimallikokeissa käytettiin rikkihappoa (98 %), jonka sekoittumista veteen mitattiin vesimalliin asennetulla pH-mittarilla. Sekoittumisaikamittaukset suoritettiin kolmessa osiossa, joissa kaikissa pohjapuhalluksen tilavuusvirrat noudattivat edellä mainittuja tilavuusvirtoja. Tämän lisäksi, injektoitavan merkkiaineen injektiosyvyyksinä käytettiin 0,1 ja 0,2 m. Injektoidun merkkiaineen vaikutusta veden pH-arvoon mitattiin tietokoneeseen yhdistetyllä pH-mittarilla, jotta merkkiaineen sekoittumisaika vesimallissa olisi laskettavissa. Sekoittumisaikamittauksista havaittiin, että pohjasuuttimista puhallettavan paineistetun ilman tilavuusvirran kasvattaminen nopeutti sekoittumista huomattavasti. Injektiosyvyyden ollessa 0,1 m keskimääräiset sekoittumisajat 0,140, 0,350 ja 0,560 Nm³/min tilavuusvirroilla olivat 25,2, 12,1 ja 6,72 sekuntia. Samoilla tilavuusvirroilla tehdyt testit merkkiaineen injektiosyvyyden ollessa 0,2 m, tuottivat eri erilaisia sekoittumisaikoja. Sekoittumisen keskimääräiset ajat kyseisillä tilavuusvirroilla ja merkkiaineen 0.2 m injektiosyvyydellä olivat 25,59, 17,76 ja 10,56 sekuntia. Tämän diplomityön sekoittumisaikamittauksien pohjalta todettiin pohjapuhalluksen tilavuusvirran kasvattamisen lyhentävän sekoittumisaikaa kyseisellä vesimallilla. Merkkiaineen injektiosyvyyden kasvattaminen puolestaan kasvatti sekoittumisaikaa.