Abstract Composition Adjustment by Sealed argon bubbling – Oxygen Blowing (CAS-OB) process is a ladle treatment process that was developed for chemical heating and alloying of steel. The main stages of the process are heating, (possible) alloying and reduction of slag. The CAS-OB process aims for homogenization and control of the composition and temperature of steel. In this dissertation, a mathematical reaction model was developed for the slag reduction stage of the CAS-OB process. Slag reduction is carried out by applying vigorous bottom stirring from porous plugs at the bottom of the ladle. Due to the bottom stirring a circular steel flow is induced which disrupts top slag layer and due to shear stress at the steel-slag interface small slag droplets are detached. This induces an immense increase in the interfacial area between steel and slag which provides favourable conditions for the reduction reactions. In order to model reduction reactions, a sub-model for describing the interfacial area was needed. For this the slag droplet formation was studied using computational fluid dynamics (CFD) and based on these studies, a sub-model for droplet formation was developed. The model for the reduction stage of the CAS-OB process takes into account not only the reaction during the reduction but also the heat transfer between the phases, ladle and surroundings. The reduction stage model was validated using validation data obtained from the CAS-OB station of the SSAB Raahe steel plant in Finland. It was concluded that the model was able to predict steel and slag compositions as well as the steel temperature very well. / Tiivistelmä CAS-OB -prosessi on sulametallurgiassa käytettävä senkkakäsittelyprosessi, joka on kehitetty teräksen kemialliseen lämmittäseen ja seostukseen. CAS-OB-prosessin pääprosessivaiheet ovat lämmitysvaihe, mahdollinen seostusvaihe ja kuonan pelkistysvaihe. CAS-OB -prosessilla tavoitellaan teräksen koostumuksen homogenisointiin ja lämpötilan kontrollointiin. Tässä tutkimuksessa kehitettiin matemaattinen reaktiomalli CAS-OB -prosessin kuonan pelkistysvaiheen kuvaamiseen. Kuonan pelkistys tapahtuu senkan pohjassa olevien huuhtelutiilien avulla suoritettavan voimakkaan kaasuhuuhtelun avulla. Pohjahuuhtelu aiheuttaa kiertävän teräsvirtauksen senkassa. Teräsvirtaus irrottaa teräksen päällä olevasta kuonakerroksesta pisaroita ja kuonan ja teräksen välinen reaktiopinta-ala kasvaa voimakkaasti. Tämä tarjoaa suotuisat olosuhteet pelkistysreaktiolle senkassa. Pelkistysreaktioiden mallintamiseksi tässä työssä kehitettiin CFD-simulaatioiden avulla alimalli, jonka avulla voidaan kuvata teräksen ja kuonan välisen pinta-alan suuruutta. Pelkistysvaiheen mallissa huomioidaan reaktioiden lisäksi myös systeemissä tapahtuva lämmösiirto. Pelkistysmalli validoitiin mittausdatalla, joka hankittiin SSAB Raahen terässulaton CAS-OB -asemalla järjestetyssä validointikampanjassa. Tutkimuksessa havaittiin, että malli kykenee hyvin ennustamaan teräksen ja kuonan koostumuksen sekä teräksen lämpötilan.

Abstract The main cause of temperature and composition fluctuations in the electric arc furnace (EAF) process is the scrap used as a raw material. Process conditions in EAF can vary significantly from heat to heat because there is no accurate information of scrap composition. Due to harsh process conditions, there are currently few sensors available for direct on-line measurement of the EAF process. In this work new information about stainless steelmaking EAF process conditions is sought with optical emission spectrum measurement. The measurement system relies on transportation of the light emitted from the measured furnace to a remotely situated spectrometer. Analysing the slag composition from the arc emission spectrum was tested in the laboratory and on a pilot scale. The laboratory measurements indicate that changes in the amount of CrOx and MnO in the slag have the highest impact on optical emission spectra. The pilot scale measurements show that the Cr2O3 content of the slag can be measured from the arc emission spectrum using suitable reference lines with an average absolute error of 0.62 %-points and a standard deviation of 0.49 %-points. The results from measurements at Outokumpu Stainless Oy, Tornio Works, indicate that measurement of the optical emission spectrum from industrial EAF is feasible in a practical sense, and can be used in analysing of EAF atmosphere, scrap melting and slag surface. Furthermore, the results of industrial measurements indicate that the atoms in the arc plasma mainly originate from the slag. The measurement of scrap melting could be potentially used in EAF control in optimization of arc voltages and second scrap bucket charging. The potential use of slag CrOx measurements is in optimization of reductant additions as well as defining the further processing of EAF slag. / Tiivistelmä Valokaariuunien ohjaus on perinteisesti ollut uunioperaattorin käsissä. Valokaaariuuniprosessin on-line mittaukseen on olevassa vähän menetelmiä johtuen uunin hyvin haastavaista olosuhteista. Tässä työssä on tutkittu optiseen emissiospektroskopiaan perustuvaa menetelmää uuden jatkuva-aikaisen tiedon tuottamisessa valokaariuuniprosessista. Mittausjärjestelmä perustuu valon keräämiseen mitattavasta uunista valokuidun avulla, joka johtaa valon analysoitavaksi etäälle prosessista sijoitettuun spektrometriin. Mittauksia suoritettiin laboratorio-, pilot- ja tehdas-mittakaavassa. Valokaariuunin kuonan koostumuksen analysointia testattiin laboratorio- ja pilot-mittakaavan uuneilla. Laboratoriomittaukset osoittivat että kuonan komponenteista CrOx ja MnO ja vaikuttavat eniten mitattuun emissiospektriin. Pilot-mittakaavan kokeissa havaittiin, että kuonan Cr2O3-pitoisuutta voidaan mitata valokaaren emissiospektristä 0,62 %-yksikön keskimääräisellä absoluuttisella virheellä ja 0,49 %-yksikkön hajonnalla. Teollisella valokaariuunilla suoritetuista mittauksista havaittiin että optisen emissiospektrin mittaus voidaan suorittaa ilman ylitsepääsemättömiä teknisiä esteitä. Mittauksen tuloksia voidaan puolestaan käyttää kaasufaasin reaktioiden, romun sulamisen ja kuonapinnan ominaisuuksien arvioinnissa. Valokaaren emissiospektrin analyysi osoitti, että valokaaren plasman komponentit ovat pääosin peräisin kuonasta, joka mahdollistaa kuonan koostumuksen arvioinnin valokaaren emissiospektrin perusteella. Romun sulamisen mittausta voidaan prosessinohjauksessa käyttää jänniteportaiden ja toisen korin panostuksen optimointiin. Kuonan kromipitoisuuden mittaamista voidaan puolestaan käyttää pelkistinaineiden lisäyksen optimointiin ja kuonan jatkokäsittelyn valintaan.