Abstract This thesis considers two related problems where heat conduction is accompanied by phase transformation during the cooling of carbon steels – phenomena which are fundamental to modern thermomechanical treatment processes. In the first problem, a non-linear heat equation formulation is described which includes linkage between irreversible diffusive and diffusionless phase transformation processes and thermophysical properties. A family of numerical schemes using finite difference methods with diagonally implicit Runge-Kutta method integrators for solving this formulation is present. Sample calculations using these schemes are presented for a mild steel cooled under range of industrially relevant heat transfer conditions. These calculations illustrate the need for careful scheme design and solver selection when coupled heat conduction and microstructure evolution equations become non-linear and stiff. The second section of the thesis extends this heat conduction formulation into the realm of inverse analysis. The problem of temperature reconstruction and boundary condition estimation using temperature measurements obtained thermocouples embedded into laboratory samples undergoing phase transformation is considered. A solution method based on iterative regularization is described for solving the resulting ill-posed problem. An analysis of extremely high rate cooling experiments made on a pilot-plant descaling unit using the inverse method is presented. This analysis highlights some of the practical issues associated with embedded thermocouple temperature measurements made in this fashion. / Tiivistelmä Väitöstyössä tutkitaan kahta ongelmaa liittyen hiiliteräksen termomekaanisen käsittelyn numeeriseen mallintamiseen. Työssä tarkastellaan teräksessä tapahtuvaa lämmönsiirtoa ja faasimuutoksia jäähdytyksen aikana, eli ensisijaisen tärkeitä ilmiöitä kehittynyttä teräksen valmistusta ja prosessointia ajatellen. Ensimmäisenä ongelmana tutkitaan epälineaarisen energiayhtälön muodostaminen huomioiden teräksen termofysikaaliset materiaaliominaisuudet, diffuusion kontrolloimat ja diffuusiosta riippumattomat irreversiibelit faasimuutokset. Lisäksi huomioidaan näiden väliset kytkennät. Yhtälöt ratkaistaan numeerisesti ja käytetyt menetelmät esitellään differenssimenetelmien ja diagonaalisesti implisiittisten Runge-Kutta-menetelmien osalta. Väitöstyössä näiden käyttöä havainnollistetaan simuloimalla niukkahiilisen teräksen käyttäytymistä teollisia olosuhteita vastaavan jäähdytyksen aikana. Laskentatulokset osoittavat ratkaisumenetelmän suunnittelun ja valinnan tärkeyden erityisesti silloin, kun lämmönjohtuminen, mikrorakenteen kehittyminen ja termofysikaaliset materiaaliominaisuudet muuttavat ratkaistavan ongelman epälineaariseksi ja jäykäksi. Toisena ongelmana tutkitaan edellä esitetyn lämmönsiirtomallin käyttöä osanainversioanalyysiä. Laboratoriokokeiden, termopareilla suoritettujen lämpötilamittausten, työssä kehitetyn lämmönsiirtomallin ja suoritetun inversioanalyysin avulla rekonstruoidaan teräskappaleiden lämpötila- ja faasimuutoskäyttäytymistä sekä estimoidaan mallin reunaehtoja. Näin luotu inversio-ongelma on kuitenkin matemaattisesti tarkasteltuna ns. huonosti asetettu ongelma, ja sen ratkaisemiseksi käytetään iteratiiviseen säännöllistämiseen perustuvaa menetelmää. Väitöstyön inversioanalyysiä havainnollistetaan pilot-mittakaavan kokeiden avulla, joissa hilsepesuria käyttäen koekappaleen jäähtymisnopeus saadaan erittäin korkeaksi. Tulokset nostavat esille inversio-analyysiin liittyviä ongelmia ja rajoitteita nopeaan jäähtymiseen sekä lämpötilamittauksiin liittyen.

Abstract Industrial ecology provides the scientific and technological understanding upon which the increased environmental, economic and social efficiencies necessary to progress towards sustainability can be based. Industrial ecosystem is the creation of synergies between various industries, agriculture, and communities to profitably convert waste into valuable products or feedstock. Copper and nickel flash smelters developed by Outokumpu form the heart of the Harjavalta industrial ecosystem, which consists of thirteen different firms. The ideas found in Harjavalta industrial ecosystem consideration can be applied to carbon steelmaking and other related industry sectors to add product efficiency, improve energy utilization and start new local business, when different firms can concentrate to their own core know-how areas. When planning to add the amount of recycled material in steel production the waste oxides from steel industry, pyrite roasting residues and slags from the copper and nickel smelters are rich iron sources. When processing dusts, scales and sludge in the separate treatment plant, the main thing is that the primary production of the steel plant is not disturbed. The big problem when using secondary iron raw materials will be the contamination of steel by tramp elements similar to scrap based steel manufacture. Today's industry is facing significant change from the process related environmental thinking towards product based environmental thinking seen in the EU product policy. This will mean need for the research covering raw material acquisition, production, products, in-use phase, recycling and disposal. Steel has very unique properties, which can be improved, if steel manufacturers can concentrate on their core know-how area. The essential difference between the technical and natural systems is the human control. Based on the experiences of Harjavalta industrial ecosystem the occupational safety and accident security risk prevention should be included into the metaphor of industrial ecology. If we consider the human control in global scale the future development will depend on the ethical decisions made by humankind. / Tiivistelmä Teollisessa ekologiassa pyritään aine- ja energiavirtojen tutkimiseen siten, että jäljitellään luontoa lopullisena tavoitteena jätevirtojen eliminointi tai ainakin minimointi, jolloin se on osa kestävälle kehitykselle välttämätöntä ekologista, taloudellista ja sosiaalista toimintaa. Teollinen ekosysteemi on teollisuuslaitosten ja yhteiskunnan sekä mahdollisesti maatalouden synerginen liittymä, jonka avulla integroidaan tuotannon ja kulutuksen lohkot yhteen tavoitteena vähentää sekä raaka-aineiden kulutusta että ympäristöpäästöjä. Harjavallan teollinen ekosysteemi on syntynyt ja kehittynyt Outokummun kehittämän liekkisulatusmenetelmään perustuvien kupari- ja nikkelisulattojen ympärille. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatuja ajatuksia ja kokemuksia voidaan soveltaa luovasti hiiliteräksen valmistukseen ja muihin vastaaviin teollisuuden haaroihin. Eri yritysten keskittyessä omalle ydinosaamisalueelleen voidaan parantaa raaka-aine- ja energiatehokkuutta sekä perustaa uutta paikallista teollisuutta. Terästeollisuuden hyödyntämättömät jäteoksidit, pyriitin pasuttamisesta saatavat pasutteet sekä nikkelin ja kuparin valmistuksen kuonat ovat potentiaalisia uusioraaka-aineita. Uusioraaka-aineille on kehitettävä hiiliteräksen valmistuksen pääprosessin viereen omat käsittelyratkaisut, sillä muuten rautapohjaisten poisteiden kierrätyksen ekologiset ja taloudelliset säästöt saatettaisiin menettää pääprosessin tuottavuuden laskuna. Ongelmallista on myös teräksen laatua haittaavien harmeaineiden kumuloituminen teräkseen, mitä tapahtuu myös käytettäessä romua uusioraaka-aineena. Kestävää kehitystä tavoiteltaessa täydennetään EU:n perinteistä prosessi- ja tuotantoyksikköperusteista ympäristölainsäädäntöä tuotelähtöisellä ympäristölainsäädännöllä. Säädöksissä huomioidaan laajemmin koko tuotteen elinkaari, jolloin tutkimuksen on katettava raaka-aineen hankinta, tuotanto, tuotteet, käyttö ja käytöstä poistoon liittyvä kierrätys tai sijoittaminen takaisin luontoon. Teräksen ainutkertaisia ominaisuuksia voidaan entisestään parantaa, jos teräksen valmistajat saavat keskittyä omalle ydinosaamisalueelleen. Teknisen järjestelmän sisältä löytyy aina ihminen suorittamassa tietoisen ohjauksen, mitä ei luonnonjärjestelmissä löydy. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatujen kokemusten perusteella voidaan todeta, että työturvallisuus ja teollisuusonnettomuuksia ehkäisevä turvallisuustyö on otettava teollisen ekologian viitekehykseen. Jos tarkastellaan ihmisen vaikutusta globaalissa viitekehyksessä, voidaan todeta, että ihmisen vaikutus riippuu tulevaisuudessa tehtävistä eettisistä päätöksistä ja päätösten edellyttämistä toimenpiteistä.