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 Argon-oxygen decarburisation (AOD) is the most common unit process for refining stainless steel. The AOD process consists of multiple stages, in which the rate of processing is determined by complex reaction mechanisms. The main objective of this work was to study the chemical rate phenomena in selected process stages. For this purpose, an extensive literature review was conducted to clarify the main assumptions of the existing reaction models. Based on the literature review, a new categorisation of the models was proposed. In addition, a literature review was conducted to identify the main phenomena that affect the reaction kinetics in the AOD process. In this work, based on the law of mass action, a novel kinetic approach and its application for modelling of parallel mass transfer controlled reactions were studied. The developed approach enables the simultaneous solution of the chemical equilibrium and mass transfer rate which controls it. A simplified reaction model was employed for studying the effect of mass transfer rates and residual affinity on the constrained equilibrium at the reaction interface. An earlier-proposed AOD model was extended with two phenomenon-based sub-models. The top-blowing model is based on the assumption that reactions take place simultaneously at the surface of the cavity formed by the momentum of the gas jet and on the surface of the metal droplets caused by the shear force of the gas jet. The reduction model describes the reactions during the reduction stage of the AOD process by assuming that all reactions take place between the metal bath and emulsified slag droplets. The results obtained with the models were in good agreement with the measurement data collected from a steel plant. Owing to their phenomenon-based structure, the developed models are well-suited for the analysis of both existing and new production practices. / Tiivistelmä Argon-happimellotus (AOD) on yleisin ruostumattoman teräksen valmistamiseen käytettävä yksikköprosessi. AOD-prosessi koostuu useista vaiheista, joissa prosessointinopeutta määrittävät monimutkaiset reaktiomekanismit. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia kemiallisia nopeusilmiöitä valituissa prosessivaiheissa. Tähän liittyen tehtiin kattava kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena oli tunnistaa olemassa olevien reaktiomallien pääoletukset. Kirjallisuuskatsauksen pohjalta esitettiin uusi mallien kategorisointi. Lisäksi tehtiin kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena oli tunnistaa tärkeimmät reaktiokinetiikkaan vaikuttavat ilmiöt AOD-prosessissa. Tässä työssä tutkittiin uudenlaista massavaikutuksen lakiin perustuvaa lähestymistapaa sekä sen soveltamista rinnakkaisten aineensiirron rajoittamien reaktioiden mallinnukseen. Kehitetty lähestymistapa mahdollistaa kemiallisen tasapainotilan sekä sitä rajoittavan aineensiirron samanaikaisen ratkaisun. Aineensiirtonopeuksien ja jäännösaffiniteetin vaikutusta reaktiopinnalla vallitsevaan rajoitettuun tasapainotilaan tutkittiin käyttämällä yksinkertaistettua reaktiomallia. Aiemmin kehitettyä AOD-mallia laajennettiin kahdella ilmiöpohjaisella alimallilla. Lanssipuhallusmalli perustuu oletukseen, että reaktiot tapahtuvat samanaikaisesti kaasusuihkun liikemäärän muodostaman tunkeuman ja kaasusuihkun leikkausvoiman aiheuttamien metallipisaroiden pinnalla. Pelkistysmalli kuvaa AOD-prosessin pelkistysvaiheen aikana tapahtuvia reaktioita olettaen, että kaikki reaktiot tapahtuvat terässulan ja emulgoituneiden kuonapisaroiden välillä. Malleilla saadut tulokset vastasivat hyvin terästehtaalta kerättyä mittausaineistoa. Ilmiöpohjaisen rakenteensa ansiosta kehitetyt mallit soveltuvat hyvin sekä olemassa olevien että uusien tuotantopraktiikoiden analysoimiseen.