Abstract The target in this thesis was to study selected special measurements in a basic oxygen furnace (BOF) and develop a model to predict the steel temperature at the end of the oxygen blow. Furthermore, the work aimed at increasing knowledge on measurements and phenomena in the converter and in this way improve the possibility of more efficient monitoring and control of the process. Special measurements were investigated to obtain more knowledge about their usability in running the converter process. Analysing the measurement results also led to new process knowledge. The usage of a Radio Wave Interferometer (RWI) was seen as beneficial as it makes it possible to see the rising trend of the liquid surface level in advance and to perform some corrective actions to avoid excessive foaming and possible splashing out from the converter. Acoustic measurement could also detect trends in advance, but it was found to be sensitive to disturbing noise from the surroundings. Splashing measurement gives information about the current state of the slag but not advance information. Nevertheless, the measurements revealed several factors that usually increase splashing. It would be best to use the knowledge from two different measurements, for example RWI and splashing measurement, to predict increasing splashing, which causes significant iron losses. The development of the models for end temperature prediction and additional materials provided a lot of knowledge about the factors affecting the temperature. Factors that were used in grouping were the BOF number, heat size and end carbon content. However, there were many heats that did not satisfy the target. Furthermore, there is a need for additional research into temperature progress and its control in BOF. It would also be useful to study the effect of additional materials more systematically. There are other factors, such as the oxygen flow rate and lance height, which affect the temperature that are not included in the models. Some of the factors are measurable and some are not. There is still a need for more research in this area. This work strengthens the impression that the converter process is a complex one. It was noticed; as always in process development, that continuous monitoring and efforts are required to observe the changes in process conditions, raw materials or running practices. Otherwise, the benefit of the improvements and models will be lessened. However, it would be possible to set acknowledged routines and warnings into the improved monitoring system to help the operators notice the need for system tuning. A monitoring system would provide financial benefits in terms of having fewer reblowings, better yield and better quality of final product. Savings in raw materials can also be attained as the controllability of the process becomes better. As the monitoring system contains a database of guidelines, it would form a good basis for new employees to become familiar with the process and thus facilitate their training. / Tiivistelmä Tämän opinnäytteen tarkoitus oli tutkia teräskonvertterin valittuja erikoismittauksia ja kehittää malli ennustamaan teräksen lämpötilaa happipuhalluksen lopussa. Työn tarkoituksena oli lisätä tietämystä mittauksista ja ilmiöistä konvertterissa ja tällä tapaa lisätä mahdollisuuksia prosessin tehokkaampaan monitorointiin ja ohjaukseen. Erikoismittauksia tutkittiin lisätietämyksen saamiseksi niiden käytettävyydestä konvertteriprosessin ajossa. Mittausten analysointi tuotti myös uutta prosessitietämystä. Radioaaltointerferometrin (RWI) käyttö koettiin hyödylliseksi, koska on mahdollista havaita kuonan pinnankorkeuden nousu ennakkoon ja suorittaa joitakin korjaavia toimenpiteitä liiallisen kuohumisen ja lopulta roiskumisen estämiseksi ulos konvertterista. Äänimittaus voi myös havaita trendin ennakkoon, mutta huomattiin sen olevan herkkä ympäristön häiriöäänille. Roiskemittaus antaa tietoa kuonan sen hetkisestä tilasta, mutta ei ennakkoon. Mittaukset toivat kuitenkin esiin useita tekijöitä, jotka yleensä lisäävät roiskumista. Olisi parasta käyttää kahden eri mittauksen tietoa, RWI ja roiskemittaus, ennustettaessa lisääntyvää roiskumista, joka aiheuttaa huomattavia rautahäviöitä. Loppulämpötilan ennustamiseen kehitetyn mallin ja lisäainemallin kehittäminen antoi paljon tietoa tekijöistä, jotka vaikuttavat lämpötilaan. Tekijät, joita käytettiin ryhmittelyssä, olivat konvertterinumero, panoskoko ja loppuhiilipitoisuus. Mallin soveltamisesta huolimatta jäi edelleen useita sulatuksia, jotka eivät osuneet tavoitteeseen. On edelleen tarve teräskonvertterin lämpötilakäyttäytymisen ja sen hallinnan lisätutkimukselle konvertterissa. Myös lisäaineiden vaikutusta lämpötilaan olisi hyödyllistä tutkia systemaattisemmin. On edelleen muita tekijöitä, esimerkiksi hapen virtausnopeus ja lanssin korkeus, jotka vaikuttavat lämpötilaan, mutta jotka eivät ole mukana malleissa. Osa näistä tekijöistä on mitattavia suureita ja osa ei. Lisätutkimukselle on edelleen tilaa tällä alueella. Tämä työ vahvistaa edelleen käsitystä, että konvertteriprosessi on monimutkainen. Huomattiin, kuten aina prosessikehityksessä, että jatkuvaa kehitystyötä pitää tehdä prosessiolosuhteiden, raaka-aineiden ja ajopraktiikoiden muutosten huomaamiseksi. Muuten parannusten ja mallien antama hyöty heikkenee. Monitorointijärjestelmään olisi mahdollista kehittää rutiineja ja varoituksia operaattorien avuksi, jotta he huomaisivat järjestelmävirityksen tarpeen. Monitorointijärjestelmä toisi taloudellista hyötyä, mm. lisäpuhallusten vähentymisen, lopputuotteen paremman saannon ja laadun muodossa. Raaka-ainesäästöjä voidaan saavuttaa prosessin ohjattavuuden parantuessa. Monitorointijärjestelmän sisältäessä sääntötietokannan, se luo hyvän pohjan uusille työntekijöille tutustua prosessiin ja näin heidän koulutuksensa onnistuisi helpommin.

Abstract The objective of this thesis is to demonstrate multi-dimensional carbon nanotube (CNT) structures in combination with various active materials in order to evaluate their performance in electrode applications such as cold emitters, electric double-layer capacitors (EDLC), and electrochemical sensor/catalyst devices. As the host materials for other active materials, the construction of multi-dimensional CNT nanostructures in this thesis is achieved by two different approaches. In the first, direct growth of 3-dimensional carbon nanostructures by catalytic chemical deposition to produce filamentary carbon as well as vertically aligned forests was applied. The second route that was utilized encompassed the immobilization of CNTs from dispersions to form 2-dimensional surface coatings as well as self-supporting porous buckypapers. Carbonaceous nanocomposites of the active materials are obtained by a number of different methods such as (i) growing nanotubes and filamentous structures on porous Ni catalyst structures, (ii) impregnating CNTs with organic receptor molecules or with Pd nanoparticles, (iii) plating and replacing Cu with Pd on the nanotubes by chemical and galvanic reactions, (iv) annealing W evaporated on CNTs to form CNT-WC composites in solid-solid reactions and (v) reacting S vapor with W coated on CNTs to synthesize CNT-WS2 edge-on lamellar structures of the dichalcogenide in the vertically aligned CNT forests. The 3-dimensional carbon-Raney®Ni composite electrodes show reasonable specific capacitance of ~12 F·g-1 in electric double-layer capacitors as well as a low turn-on field (<1.0 V·µm-1) in field emitter devices. CNT-Nafion®-trifluoroacetylazobenzene coatings on glassy carbon electrodes outperform their Nafion®-trifluoroacetylazobenzene counterparts in electrochemical sensing of different amine compounds (e.g. 10 mM cadaverine, putrescine or ammonia). Cu and CuPd/buckypaper composites display catalytic activity in electrocatalytic oxidation of methanol in alkaline media. On the other hand, nanocomposites of WC and WS2 with aligned CNT forest exhibit a promising performance in hydrogen evolution reactions with an overpotential between -0.5 and -0.7 V at pH~1. In addition, these respective CNT forest aligned nanocomposites also demonstrate a novel method to obtain macroscopic 3-dimensional catalytic electrode assemblies. The results in this thesis elucidate the combination of carbon based nanostructures with organic and inorganic materials as a feasible and versatile approach to produce electrodes for several applications. The following studies of each active carbonaceous composite are expected to boost the technological innovation in relevant fields and initiate further development for commercial exploitation. / Tiivistelmä Työn tavoitteena oli demonstroida moniulotteisia hiilinanoputkirakenteita (CNT), joihin yhdistetään erilaisia aktiivisia materiaaleja sekä arvioida niiden suorituskykyä elektrodisovelluksissa, kuten kenttäemitterissä, sähköisissä kaksoiskerroskondensaattoreissa ja sähkökemiallisissa anturi- ja katalyyttikomponenteissa. Moniulotteisten CNT-nanorakenteiden konstruoiminen muiden aktiivisten materiaalien isäntämateriaaliksi toteutettiin kahdella tavalla. Ensimmäisessä toteutuksessa sovellettiin katalyyttis-kemiallista pinnoitusta, jolla kasvatettiin suoraan kolmiulotteisia hiilinanorakenteita sekä kuitumaisena hiilenä että pystysuuntaan orientoituneina hiilinanoputkimetsinä. Toinen päämenetelmä oli hiilinanoputkien immobilisointi dispersioista kaksiulotteisiksi pinnoitteiksi ja itsetukeutuviksi huokoisiksi hiilinanoputkipapereiksi. Hiiltä sisältäviä aktiivisten materiaalien nanokomposiitteja valmistettiin useilla menetelmillä, kuten (i) kasvattamalla nanoputkia ja kuitumaisia rakenteita huokoisiin Ni-katalyyttirakenteisiin, (ii) kyllästämällä hiilinanoputkia orgaanisilla reseptorimolekyyleillä tai Pd-nanopartikkeleilla, (iii) pinnoittamalla ja korvaamalla nanoputkien päällä olevaa kuparia palladiumilla kemiallisten ja galvaanisten reaktioiden avulla, (iv) hehkuttamalla hiilinanoputkien pinnalle höyrystettyä wolframia (W) muodostamaan CNT-WC-komposiitteja kiinteä–kiinteä-reaktiolla sekä (v) antamalla rikkihöyryn reagoida W-pinnoitettujen hiilinanoputkien kanssa lamellaaristen CNT-WS2-kalkogenidirakenteiden syntetisoimiseksi pystysuuntaan orientoituneisiin CNT-metsiin. Kolmiulotteisilla hiili–Raney®Ni-komposiittielektrodeilla saavutetaan kohtuullinen ominaiskapasitanssi (~12 F·g-1) sähköisissä kaksoiskerroskondensaattoreissa ja pieni kytkeytymiskenttä (<1,0 V·μm-1) kenttäemitterikomponenteissa. CNT-Nafion®-trifluoroasetyyliatsobentseeni-pinnoitteet lasimaisilla hiilielektrodeilla ovat selvästi parempia erilaisten amiiniyhdisteiden (esimerkiksi 10 mM kadaveriini, putreskiini tai ammoniakki) sähkökemiallisessa havaitsemisessa kuin vastaavat Nafion®-trifluoroasetyyliatsobentseeni-pinnoitteet. Cu- ja CuPd-hiilinanoputkipaperikomposiitit osoittavat katalyyttistä aktiivisuutta metanolin sähkökatalyyttisessä hapettumisessa emäksisessä väliaineessa. Toisaalta WC- ja WS2-yhdisteiden ja orientoituneiden CNT-metsien muodostamat nanokomposiitit osoittavat lupaavaa suorituskykyä vedynmuodostamisreaktiossa -0,5…-0,7 V ylipotentiaalilla, ja nämä myös demonstroivat uutta menetelmää makroskooppisten kolmiulotteisten katalyyttisten elektrodirakenteiden toteuttamiseksi. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että hiilipohjaisten nanorakenteiden ja orgaanisten/epäorgaanisten materiaalien yhdistäminen on toteuttamiskelpoinen ja monipuolinen lähestymistapa elektrodien valmistamiseksi useisiin sovelluksiin. Kunkin työssä esitetyn aktiivista hiiltä sisältävän komposiitin tutkimuksen odotetaan lisäävän kyseisen alan teknisiä innovaatioita ja synnyttävän lisää kehitystyötä tutkimuksen kaupalliseksi soveltamiseksi.