Abstract This thesis has been made within the European Industrial Doctorate (EID) project called Mathematics and Materials Science for Steel Production and Manufacturing, abbreviated as MIMESIS, which has five partners: EFD Induction in Norway; SSAB, Outokumpu, and the University of Oulu in Finland; and Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) in Germany. The main aim of this work was to develop a steel composition and processing route suitable for making a slurry transportation pipeline with the aid of induction hardening, and to characterize the phase transformations and microstructures involved in the various stages of the processing route. A novel steel chemistry was designed based on metallurgical principles assisted by computational thermodynamics and kinetics. The designed composition is a medium-carbon, low-alloy steel microalloyed with niobium, in wt.% 0.40 C, 0.20 Si, 0.25 Mn, 0.50 Mo, 0.90 Cr, and 0.012 Nb. This was subsequently cast, thermomechanically rolled on a laboratory rolling mill to two bainitic microstructures, and finally subjected to the thermal cycles predicted to be encountered with the internal induction hardening of a typical pipe geometry. The phase transformations and microstructures found at various stages of the simulated production process have been characterized and algorithms developed to enable the optimization of microstructure and hardness through the pipe wall thickness. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja on tehty osana Euroopan teollisuustohtori (European Industrial Doctorate, EID) -ohjelmaa projektissa eli Matematiikka ja materiaalitiede teräksen valmistuksessa ja käytössä (Mathematics and Materials Science for Steel Production and Manufacturing, MIMESIS). Ohjelmassa on viisi partneria: EFD Induction Norjasta; SSAB, Outokumpu ja Oulun yliopisto Suomesta; ja Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) Saksasta. Työn päätavoitteina oli kehittää teräksen koostumusta ja prosessointireittiä, jotka soveltuvat lietteen kuljetusputken valmistukseen induktiokarkaisun avulla, sekä karakterisoida prosessin eri vaiheiden aikana tapahtuvat faasimuutokset ja mikrorakenteet. Uusi teräskoostumus suunniteltiin metallurgisten periaatteiden pohjalta hyödyntämällä laskennallista termodynamiikkaa ja kinetiikkaa. Suunniteltu teräs on niobilla mikroseostettu, matalaseosteinen ja keskihiilinen, eli painoprosentteina 0,40 C, 0,20 Si, 0,25 Mn, 0,50 Mo, 0,90 Cr ja 0,012 Nb. Teräs valettiin, valssattiin ja jäähdytettiin termomekaanisesti laboratoriovalssaimella kahdeksi bainiittiseksi mikrorakenteeksi ja lopulta altistettiin lämpösykleille, joiden ennustettiin olevan tyypillisiä sisäisesti induktiokarkaistulle teräsputkelle. Simuloidun tuotantoprosessin eri vaiheissa havaitut faasimuutokset ja mikrorakenteet on karakterisoitu. Sen lisäksi on kehitetty algoritmit, jotka mahdollistavat mikrorakenteen ja kovuuden optimoinnin putken seinämän paksuuden läpi.

Abstract The main aim of the European Union’s waste legislation and the corresponding Finnish waste legislation is to reduce the production of waste. Further, the aims of the European Union’s growth strategy are to reduce the production of greenhouse gases, increase the use of renewable energy, and improve energy efficiency. According to the renewed Waste Tax Act, a waste tax has to be paid on all fly ashes that are deposited in landfills in Finland. A large amount of wood- and peat-based fly ashes are formed annually in Finland, and the amount is likely to increase in the future due to the increasing use of renewable energy. Previously, these ashes have mainly been deposited in industrial landfills, but the need to utilize the fly ashes has increased recently due to changes in waste legislation. In this thesis, several issues related to the utilization of wood- and peat-based fly ash were studied, with the general objective of improving the utilization potential of such ashes. As the first stage of this research, the suitability of willow ash for use as a fertilizer was studied. Willow ash would be well suited for use as a fertilizer due to its very high nutrient content. However, cadmium, a heavy metal, was found to be enriched in the ashes of the studied willow species. Due to this, special attention should be paid when choosing willow species for energy production. In the second stage of the research, the possibility of improving the strength development of wood- and peat-based fly ashes, as well as the possibility of stabilizing fly ash containing high amounts of heavy metals via the addition of cement and/or alkali activation, was investigated. Strength development was found to be dependent on the amount of reactive calcium and the ratio between that amount of reactive calcium and the sum of the reactive silicon, aluminum, and sulfur (Ca/(Si + Al + S)). The studied methods performed well in terms of stabilizing barium, copper, lead, and zinc. During the next stage, the effect of different chemical digestion methods, which are regulated by the Finnish waste legislation, on the utilization potential of fly ash was studied. The digestion method had a significant impact on the results of the potassium content analysis, which could affect the possibility of using fly ash as a fertilizer. As the final stage of the research, the co-granulation of ash with sewage sludge and lime was studied. From a technical point of view, the co-granulation was successful, although the compressive strength of the granules was low. Additionally, an insufficient nitrogen content was achieved with a sludge addition of 20-40 weight%. / Tiivistelmä Euroopan unionin jätelainsäädännön ja sitä vastaavan suomalaisen lainsäädännön tavoitteena on ehkäistä jätteiden muodostumista. Euroopan Unionin kasvustrategian tavoitteena on vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, lisätä uusiutuvan energian käyttöä ja parantaa energiatehokkuutta. Uudistetun jäteverolain mukaan kaikista kaato-paikoille sijoitetuista lentotuhkista tulee Suomessa maksaa jäteveroa. Suomessa puu- ja turveperäisiä lentotuhkia muodostuu vuosittain suuria määriä ja määrä tulee vielä kasvamaan uusiutuvan energiankäytön lisääntyessä. Aiemmin nämä tuhkat ovat päätyneet pääasiassa läjitykseen teollisuuden kaatopaikoille, mutta muuttuneen jätelainsäädännön seurauksena tarve hyödyntää lentotuhkia on lisääntynyt. Tässä väitöstyössä tutkittiin puu- ja turveperäisten tuhkien hyödyntämiseen liittyviä kysymyksiä. Työn yleistavoitteena oli parantaa tuhkien hyödyntämis-mahdollisuuksia. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin pajutuhkan soveltuvuutta lannoitteeksi. Pajutuhka soveltuisi hyvin lannoitteeksi erittäin hyvien ravinne-pitoisuuksien ansiosta. Raskasmetalleista kadmiumin havaittiin kuitenkin rikastuvan tutkittujen pajulajien tuhkiin. Tähän tulisi kiinnittää erityishuomiota, kun pajulajeja valitaan energiantuotantoa varten. Tutkimuksen toisessa vaiheessa selvitettiin mahdollisuutta parantaa turpeen ja puun lentotuhkien lujittumista sekä raskasmetallipitoisen lentotuhkan stabiloimista sementtilisäyksen ja/tai alkaliaktivoinnin avulla. Lujuuden kehitys riippui reaktiivisen kalsiumin määrästä sekä reaktiivisen kalsiumin määrän ja reaktiivisten piin, alumiinin ja rikin määrien summan välisestä suhteesta (Ca/(Si + Al + S)). Tutkitut menetelmät toimivat hyvin bariumin, kuparin, lyijyn ja sinkin stabiloinnissa. Seuraavassa vaiheessa selvitettiin Suomen lainsäädännössä määritettyjen kemiallisten hajotusmenetelmien vaikutusta tuhkan hyödyntämispotentiaaliin. Hajotusmenetelmällä oli suuri merkitys kaliumin pitoisuutta määritettäessä, mikä voi vaikuttaa lentotuhkan hyödynnettävyyteen lannoitteena. Viimeisessä vaiheessa tutkittiin tuhkan yhteisrakeistusta lietteen ja kalkin kanssa. Teknisesti yhteisrakeistus onnistui hyvin, mutta rakeiden puristuslujuus oli alhainen. Lisäksi 20 - 40 paino% lietelisäyksellä ei rakeisiin saatu riittävän korkeaa typpipitoisuutta.