Rapporten behandlar Kandidatarbete i maskinteknik som utfördes mot Outokumpu Stainless AB, Avesta. Syftet med arbetet var att optimera placeringen för kalkinjektionen som inte sitter optimalt placerat ur ett processoptimeringsperspektiv. Målet var att utveckla placeringen och nyttjandet av kalktillsatsen i ungen, det genom att ändra designen av valvstrukturen och kylpanelen där injektionen satt ursprungligen. Positionen för kalkinjektionen i ljusbågsugnar är normalt sett placerad i hotspotten, området i ugnen där elektronerna är närmst väggen och ger mest slitage på tegelinfodringen. För att hitta en mer optimal placering och lösning studerades befintliga placeringar hos Best in Practice, Tornios och Calverts designs anläggningar, men även ett flertal besök på Outokumpu genomfördes för att skapa en tydligare bild av processen och valvkonstruktionen. En viktig del för den här typen av projekt är konstruera lösningar och att applicera dessa på valvet med hjälp av simuleringar och 3D-modeller. På det sättet går det snabbt att testa lösningar och ge en indikation om det är något som är genomförbart eller inte. Lösningar som togs fram presenterades för Outokumpu som tog beslut om att beställa de nya kylpanelerna med den utformningen som togs fram under projektet. / This report will process a master’s thesis in mechanical engineering in cooperation with Outokumpu Stainless AB, Avesta. The purpose with this work was to optimize the position for the chalk injection which, today, is not optimized from a process position view.  The goal was to develop a position and utilize the chalk supplies and this by changing the design in the vault structure and the cooling panel where the injection originally was placed.  The position of the chalk injection in the arc furnace is normally placed in the hotspots, this is the area in the furnace where the electrodes is closest to the wall and affects the most in terms of wear of the brick lining. To be able to find a more optimal position other chalk injection designs were studied that is already in use, for example in Best in Practice, Tornios and Calverts. There were also visits at Outokumpu in Avesta to create a clearer picture of the process and the vault construction.  One important part for this project was to construct a solution and then apply this on the vault with help from a simulation and 3D-models. To be able to do this Inventor was used, the same program that Outokumpu uses. By using Inventor you can easily try out different solutions and it will give an indication if it is possible to move on with this idea or not. The solutions that were established were presented to Outokumpu who then took the decision to move on with the idea and order the new cooling panel in the design that was created throughout the project.

During the three decades, the torsional impact on turbine-generator sets due to power system disturbances has been extensively discussed in many research works. However, most of them are focused on the fatigue damage of turbine shafts due to large-signal disturbances. For example, network faults occur. Obviously, the torsional effect subject to small-signal disturbances has not received much attention. In fact, although the small disturbances would not immediately damage the turbine mechanism, the cumulative long-term damaging effects may not be negligible under certain circumstances. Many operating conditions in power systems may lead to small disturbances on blades; for examples, shedding loads, switching transmission line, resetting control system parameters, and harmonics etc. Nevertheless, others only cause short-term or transient non-resonant disturbances occasionally except the power system subharmonics which could results in electro-mechanical resonance. Therefore, two types of subharmonics in power systems are proposed so as to investigate the toque impact and long-term fatigue life expenditure in turbine shafts and blades. Firstly, from the steady-state disturbance viewpoint, the long-term cumulative fatigue estimation based on the three-year project of the GE Co. shows that there are potential damages for both the shafts and the blades of the nearby generators caused by the subharmonic excitations of the HVDC link. The fatigue life sensitivity works are also carried out to provide the recommendations for the safety operation. The optimal damper type and disposition scheme for depressing the resonant torque and prolonging the turbine lifetime is consequently motivated, which is based on participation factor of linear systems with the electromechanical analogy. The effectiveness of this scheme on suppressing vibration torque arising from network faults is also satisfying. In addition, the authors propose the new electromechanical supersynchronous resonance phenomenon for the turbine-generators near the inverter station owing to asymmetric line faults near the rectifier station. Secondly, the dramatic real and reactive power consumption during the melting period of an electrical arc furnace load. The voltage flicker pollution is mainly caused by the reactive power fluctuation while the stochastic subsynchronous oscillation in turbine mechanism is excited by the electromagnetic torque of the subsynchronous frequency which is induced by the real power fluctuation. Such a small stress imposed on the low-pressure long turbine blade combined with its evitable corrosive environment contributing to the corrosion fatigue effect. Although the voltage flicker severity at the point of common coupling is still within the limit, the blade may have been damaged from the long-term corrosion fatigue life expenditure estimation. In other words, the conventional voltage flicker limit established to make human-eye comfortable might not protect the blade from damaging risk. The long-term influence resulted from the electric arc furnace loads cannot always be neglected. It is necessary to take care of the blade material intensity and operating environment. If there is the potential of blade damage, one has to strengthen the output capacity at the power plant or separate the peak load durations among the steel plants to limit the over-fluctuation real power of the generator.

L'étude des arcs électriques dans les liquides débute au XXème siècle suite à la création des premiers disjoncteurs à bain d'huile et à l'utilisation de différents procédés de soudure/découpe en pleine eau de coques de navire. Ces études ont été délaissées pendant environ 60 ans jusqu'à ce que de nouvelles applications voient le jour comme la fabrication de nanostructures (pour le génie électrique, la médecine, etc), la fracturation électrique ou encore diverses applications environnementales (dépollution, stérilisation, gazéification, ondes de chocs). Ces diverses applications se font avec des temps et des énergies mises en jeu pour la décharge très variables. Malgré ces différences, il y a toujours l'apparition d'une phase gazeuse globalement sphérique due au passage du courant. Cependant, cette phase est très peu étudiée dans la littérature notamment pour des décharges de l'ordre du kilojoule pour des durées de 10ms environ. L'objectif de la thèse est donc d'améliorer la compréhension de la formation et de la dynamique de la bulle de gaz alimentée par cet arc en jouant sur certains paramètres du système. Les travaux effectués s'articulent suivant deux axes : une étude expérimentale pour analyser le comportement de cette bulle par rapport à l'arc en modifiant notamment l'énergie injectée, la distance inter-électrode utilisée ou encore la nature du fluide employé ; et une étude numérique où un modèle diphasique 2D a été mis en œuvre sous Ansys Fluent pour simuler la création et le développement de cette phase gazeuse au sein d'une phase liquide. La complémentarité de ces deux études permet de témoigner de la présence de certains mécanismes comme ceux de la formation de bulles ou de cycles d'expansion et d'effondrement, gouvernés par des phénomènes de chauffage, d'évaporation ou électrothermiques. L'expérience mise en place se compose d'un réacteur hermétique en aluminium où l'arc électrique est amorcé par un fil fusible entre deux électrodes dans un liquide : eau ou huile. Des hublots permettent la visualisation par caméra rapide de l'espace inter électrode, et donc de l'arc et de la bulle de gaz qu'il engendre. Les caractéristiques courant et tension de l'arc électrique sont suivies dans le temps. Un capteur de pression dans le volume d'air situé au-dessus du liquide contrôle l'onde de pression générée par la décharge. Les résultats expérimentaux sont traités sous Matlab et permettent de conforter le modèle numérique mis en place. Le code utilise les équations de Navier-Stokes pour décrire les deux phases du fluide via la méthode Volume-Of-Fluids (VOF). A ces développements a aussi été intégré un modèle pour prendre en compte le transfert d'une phase de fluide vers une autre. Pour nos conditions de températures élevées, ce modèle a dû être adapté via le coefficient d'intensité de transfert de masse, qui est décrit en fonction de la température et de la proportion de phase dans une cellule. Les résultats de simulation issus de ce modèle permettent d'appuyer les observations expérimentales, et de poser les bases d'une étude sur la formation et le comportement de la phase gazeuse produite par le passage d'un arc électrique dans un liquide. / The study of electrical arcs in liquids begins in XXth century with the first oil circuit breaker and the use of welding/cutting processes on ship hulls in full water. These studies have been neglected for about 60 years, until the emergence of new applications such as the manufacture of nanostructures (for electrical engineering, medicine, etc.), electrical arc fracturing or different environmental applications (depollution, sterilization, gasification). In these applications different times and energies scales are involved for the discharge characteristics. Despite these differences, in all configurations a spherical gaseous medium dues to the current carrying path in the liquid exists. However, this gaseous phase is not much studied in the literature, particularly for an energy discharges of the order of kilojoule applied during 10ms. The goal of the thesis was to improve the understanding and to interpret the formation and the dynamic of the gas bubble created by this arc by varying the conditions. The work follows two ways: an experimental study to analyze the behavior of the bubble depending on the arc characteristics as the energy injected, the distance between the electrodes or the nature of the fluid; And a numerical study, where a 2D diphasic model has been implemented under Ansys Fluent to simulate the creation and the expansion of this gaseous phase in a liquid. The complementarity of these two approaches allows complementarities and interpretations. The experiment set up is composed by a closed aluminum reactor, where the electric arc is established in a liquid (water or oil) by a fusible wire between two electrodes. Windows allows to visualize by a speed camera the inter-electrode space, and so the arc and the gas bubble created. The current and voltage characteristics of the electric arc are recorded over time. A pressure sensor located in the volume of air above the liquid controls the pressure variations. The experimental results are treated through Matlab software and allow corroborating the numerical model developments. The code uses the Navier-Stokes equations to describe the two phases of the fluid via the Volume-Of-Fluids (VOF) method. Specifics developments have also been integrated to take into account the phase transfer at the gas/liquid interface adapting the mass transfer intensity coefficient. This coefficient is described as a function of the temperature and of the proportion of phase in a cell. The simulation results from the model support the experimental observations and build the foundations for a study on the behavior of the gaseous phase produced by the passage of an electric arc in a liquid.

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The most common fault type in electric power systems is the line to groundfault. In this type of faults, an electrical arc is usually developed. The thesispresents a mathematical model that describes the behavior of the arc during afault. The arc model has been verified based on real and simulated tests thatwere conducted on a system that has resonant earthing coil.In addition, two studies have been conducted on the same verified system.The first studied was implemented to see the effect of detuning the resonantearthing coil at different levels. It was noted that detuning the coil affected ACand the DC components in the arc faults. Also, the detuning affected the arcextinction.The second study has been looking at the effects of implementing a parallelresistor to the resonant earthing coil. The tests have been conducted usingdifferent set values of the resistor. In some of the studied cases and during thetesting period, the resistor has affected the self-extinguish behavior of the arc. / Den vanligaste feltypen i elektriska kraftsystem är fas till jord. I denna typ avfel utvecklas vanligtvis en elektrisk ljusbåge. Examensarbetet presenterar enmatematisk modell som beskriver ljusbågens beteende under ett fel. Bågmodellenhar verifierats baserat på verkliga tester och simuleringar som utfördespå ett system som har resonansjordningsspole.Dessutom har två studier genomförts på samma verifierade system. Denförsta studien genomfördes för att se effekten av avstämning av den resonantajordningspolen på olika nivåer. Det noterades att avstämning av spolen påverkadeACoch DC-komponenterna i ljusbågsfel.Avstämningen påverkade ocksåljusbågens släckning.Den andra studien har tittat på effekterna av att implementera ett parallelltmotstånd till den resonanta jordningsspolen. Testen har utförts med olikainställda värden på motståndet. I några av de studerade fallen och under testperiodenhar motståndet påverkat ljusbågens självsläckande beteende.

Arc Flash events occur due to faults in electrical equipment combined with a significant release of energy across an electrical arc. Due to the large energy release, plasma is generated, pressures increase, and the plasma expands. Under these conditions the plasma becomes excited enough to liquefy metal causing physical damage to equipment and any humans in the vicinity. This thesis investigates the state of art for detection of arc flash events and investigates a method of improving detection reliability, and speed by monitoring the high frequency voltage / current patterns utilizing methods similar to arc flash circuit interrupters (AFCI). A second alternative detection approach is determined through analysis of the physics of plasma development. The current state of art is based upon light detection. However this thesis experimentally investigates what happens before the arc event emits visible light. The results show that current flows to ground during an arc event slightly prior to the production of light. Further it shows through analysis of the physics of plasma that a high speed plasma detector has the potential to identify an arc event before the presence of visible light. Through the design and construction of experimental test setups, and physics analysis, this thesis provides new paths for detecting arc events that present opportunities to improve detection time.

In this research work, two new flickermeters are proposed to estimate the light flicker caused by electric arc furnaces (EAFs) where the system frequency deviates significantly. In these methods, analytical expressions of the instantaneous light flicker sensation are obtained beginning from a voltage waveform and these expressions are used to obtain a flicker estimation method based on the IEC (International Electrotechnical Commission) flickermeter. First method is a spectral decomposition based approach using DFT to estimate the light flicker. The leakage effect of the DFT algorithm due to fundamental frequency variation is reduced by employing spectral amplitude correction procedure around the fundamental frequency. Second method is a Kalman filter based approach, in which the frequency domain components of the voltage waveform are obtained by Kalman filtering. Then these components are used to obtain the light flicker. Since the frequency decomposition is obtained by Kalman filtering, no leakage effect of the DFT is involved in case of frequency deviations which is an important advantage. Both methods are tested on both simulated data and field data obtained from three different EAF plants where the flicker level and frequency variation is considerably high. The comparison with the digital realization of the IEC flickermeter shows that the methods are successful in estimating light flicker with low computational complexity. The methods are especially useful for conditions such as disturbances and subsequent system transients where the system frequency deviates significantly, since the methods avoid the need for online sampling rate adjustment to prevent the DFT leakage effect.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques. / Arc plasma torches are widely used in industrial applications. A 3-phase AC plasma technology with consumable graphite electrodes is under development at PERSEE MINES - ParisTech. This technology noticeably differs from the classical DC plasma torches and aims at overcoming a number of limits of plasma systems in terms of reliability, equipment and operating costs. In order to improve the understanding of the unsteady physical phenomena in such plasma systems, a theoretical and experimental study is conducted under non reactive condition (nitrogen, syngas). Experimental study is based on high speed video camera (100 000 frames per second) and electrical signal analyses. Theoretical analysis is based on 3D unsteady Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) model of the arc zone using CFD software Code_Saturne®, by a parametric study based on current, frequency and plasma gas flow rate influence. Two configurations: coplanar and parallel electrodes are studied. These studies highlight the influence of electromagnetic and hydrodynamic phenomena on the arc motion. In coplanar electrode configuration, electrode jets appear to be the dominant parameter on the arc motion, heat transfer and arc ignition. In the parallel electrodes configuration, the motion of the hot channel seems to be the key parameter. Comparison between MHD modeling and experimental results shows a fair correlation, both in accordance with the arc behavior and the electrical waveform.

Les simulations numériques sont devenues un outil indispensable dans la conception des chambres de coupure des disjoncteurs électriques haute tension. Elles sont utilisées non seulement dans le dimensionnement des différentes pièces, mais elles fournissent également une aide précieuse dans la compréhension des phénomènes intervenant entre les deux électrodes au moment de la coupure. L’arc électrique généré entre ces deux électrodes rassemble de nombreux domaines de la physique plus ou moins complexes. Tous ces phénomènes ne sont pas encore parfaitement compris. Avec l’évolution de la puissance de calcul, ces simulations peuvent prendre en compte de plus en plus de phénomènes. Mais pour des raisons de temps de développement, la question des phénomènes à prendre en compte dans ces simulations se pose. Le but de telles simulations est de déterminer de manière rapide si une configuration est plus ou moins capable qu’une autre de couper sous une contrainte donnée. Ainsi, il est important de prendre en compte uniquement les phénomènes physiques importants et nécessaires pour avoir une réponse la plus décisive possible et la plus rapide possible, de la réussite ou non à la coupure d’une configuration testée. Dans cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés aux déséquilibres thermiques et chimiques qui pourraient intervenir dans les disjoncteurs électriques haute tension au moment de la coupure. En effet, pour des raisons de temps et de coût de calcul, la plupart des simulations numériques actuelles sont réalisées en faisant une hypothèse forte : l’hypothèse d’Equilibre Thermodynamique Local (ETL). Cette hypothèse consiste à considérer que dans chaque maille de notre domaine d’étude et à chaque pas de temps, on a un équilibre thermodynamique réalisé. Faire cette hypothèse nous permet d’utiliser les lois de conservation (masse, quantité de mouvement et énergie) en allégeant le problème. Mais en réalité, cette hypothèse est mise à mal dès que l’on est en présence de forts gradients de température ou de densité. Pour réaliser ces simulations, le code numérique CARBUR a été utilisé. Des modules d’arc électrique (effet Joule et rayonnement) et d’électrode mobile ont été implémentés afin de pouvoir simuler au mieux le comportement du gaz présent dans les disjoncteurs électriques haute tension. Six études différentes ont été réalisées et sont présentées. Ces études portent sur les influences de la forme du bout des électrodes, d’une modélisation en Navier-Stokes par rapport à une modélisation en Euler, de la nature du gaz (SF6, CO2 et N2), du déséquilibre thermique dans le cas de l’azote ou encore du positionnement des termes sources de l’arc électrique dans les différentes équations d’évolution des énergies. Dans ce travail, une étude sur différents modèles cinétiques chimiques est proposée. Dans ces modèles, 5 espèces chimiques sont présentes : N2, N, N+, N2+ et e-. En ce qui concerne la température, on en distingue 4 : T, TVib-N2, TVib-N2+ et Te. / The numerical simulations are become a very important tool to design the high voltage circuit breaker (HVCB) chamber. They help for the understanding of the different phenomena which can take place between the 2 electrodes during an interruption process. The electric arc brings together many fields of physics more or less complex and many of these phenomena are still poorly studied. So many aspects remain to be explored to improve simulations. With the increase of the calculation power, these numerical simulations can take into account more phenomena. However, for reasonable simulation times, we need to know which phenomena are preponderant. The aim of these numerical simulations is to rapidly conclude on the capacity of geometry to success an interruption process compared to different other geometries, under a given stress. In this PhD dissertation, we are particularly interested on thermal and chemical non equilibrium that can occur in HVCB during an interruption process. Currently, most simulations are carried out with a strong hypothesis: the hypothesis of Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). This assumption allows us to alleviate the problem and to reduce the computing time. But this assumption becomes not valid when high temperature or density gradients occur. To do these simulations, the CARBUR numerical code has been used. In order to simulate flow behaviors in HVCB, an electrical arc (Joule effect and radiation) model and a module of mobile electrode have been added. Six different studies have been done and are presented: influence of the electrode shape, influence of the Navier-Stokes equations compared to the Euler equations, influence of the gas (SF6, CO2 et N2), influence of the thermal non equilibrium in a nitrogen case, influence of the position of the arc source terms in the different energy equations. In this work, a study on different nitrogen chemical kinetics is proposed. In these models, 5 chemical species are distinguished: N2, N, N+, N2+ and e-. Finally, 4 different temperatures are used: T, TVib-N2, TVib-N2+ and Te.

A method of producing steel that is not used in Sweden today is direct reduction using natural gas, a method which could has enormous potential in the future of steelmaking. Historically, steelmaking prioritized productivity and profitability. However, other aspects such as safety, sustainability, and environmentally friendliness have become increasingly important to Swedish steelmakers. This study evaluates the usage of natural gas to  directly reduce iron ore into the porous form known as iron sponge, then finally processing that sponge into crude steel. The technology available today is assessed through a literature review, then two calculative data-based model: using DRI sponge in a traditional integrated steelmaking line or replacing steel scrap with it in an electric arc furnace. While this technology is used in many regions where natural gas is plentiful, it has not yet been used in Sweden. Now, when the Swedish natural gas network is expanding and the vehicular transportation of liquid natural gas is becoming more and more viable, it is a prime situation to evaluate direct reduction in Sweden. While models require assumptions and estimations, they suggest that DRI will absolutely be a viable option in the years to come. Integrated plant operators can reduce their immense carbon emissions for a reasonable price, while DRI sponge melting in an electrical arc furnace can either help steelmakers escape the volatile scrap market or be used to replace the blast furnace as a whole in the future. / En metod för att producera stål som inte används i Sverige idag är direkt reduktion med hjälp av naturgas, en metod som har en enorm potential i framtida ståltillverkning. Historiskt har ståltillverkningen prioriterat produktivitet och vinst, men säkerhet, hållbarhet, och miljövänlighet har blivit områden mer och mer viktiga för svenska ståltillverkare. Den här studien utvärderar användningen av naturgas för att direkt reducera järnmalm till den porösa formen känd som järnsvamp, och sen bearbeta den till primärt stål. Teknologin som flnns idag utvärderas genom en litteraturstudie, vars data beräknas till två scenariomodeller: användningen av järnsvamp i ett traditionellt integrerat stålverk eller genom att ersätta stålskrot med järnsvamp i ljusbågsungen. Den här teknologin används redan idag i regioner där naturgas är lättillgängligt, men har hittills inte använts i Sverige. Men nu när Sveriges naturgasnät byggs ut och fordonstransporterad flytande naturgas blir mer och mer kostnadseffektiv så är det lämpligt att utvärdera direkt reduktion i Sverige. Modellerna kräver antaganden och uppskattningar, men de pekar på att direkt reducering av järnmalm kommer att vara en genomförbar metod för ståltillverkning i en nära framtid. Integrerade masugnslinjer kan minska sina enorma koldioxidutsläpp till ett rimligt pris, och järnsvampssmältning i ljusbågsugn kan hjälpa ståltillverkare att undanfly den instabila stålskrotsmarknaden eller användas för att helt ersätta masugnsproduktion i framtiden.