Abstract The CAS-OB (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) process is used in secondary steelmaking to adjust the composition and temperature of the steel melt. The steel melt can be heated by oxidizing aluminium in process which feeds aluminium particles and oxygen to the melt surface. Oxygen is in fed by a top lance, which is an important part of many metallurgical processes and is typically used to deliver oxygen to steel melt surface by supersonic blowing. Because observing and measuring the metallurgical processes is challenging due to the high temperature, numerical models predicting the processes are especially important. In this thesis, both top lances and the heat-up stage of the CAS-OB process were studied, and numerical models were constructed. CFD (computational fluid dynamics) were used to study top lances. A turbulence model was adjusted for supersonic flows with experimental data from literature. The CAS-OB process model involves chemical reactions and fluid flows. In order to keep the computation times reasonable, a full fluid flow calculation is not included in the model but is calculated in advance. Heat and mass transfer correlations are calculated with CFD, and the results are then used in the process simulation model. Chemical reactions are calculated based on the law of mass action and thermodynamics. The results were validated with industrial measurements. The CAS-OB heat-up stage model can be used in its current state in process development, and in the future for online control of the process. The CFD model for the top lance can be applied to a lance in any other process. / Tiivistelmä CAS-OB-prosessia (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) käytetään teräksen valmistuksessa sulan teräksen koostumuksen ja lämpötilan säätämiseen. Terässulaa voidaan tarvittaessa lämmittää syöttämällä alumiinikappaleita ja happea sulan pinnalle. Hapen syöttö tapahtuu yliäänilanssilla, jota käytetään monissa metallurgisissa prosesseissa, yleensä toimittamaan happea sulan pinnalle yliäänisellä puhalluksella. Metallurgisten prosessien havainnointi ja mittaaminen ovat haastavia korkeiden lämpötilojen vuoksi, joten numeeriset mallit ovat erityisen tärkeitä prosessien ennustamisessa. Tässä työssä on tutkittu yliäänilansseja ja CAS-OB-prosessin lämmitysvaihetta ja luotu niille numeeriset mallit. Yliäänilanssien tutkimiseen käytettiin numeerista virtauslaskentaa (CFD, computational fluid dynamics). Lanssien mallinnusta varten olemassa olevaa turbulenssimallia muokattiin paremmin yliäänivirtausta kuvaavaksi kirjallisuudesta löytyvän mittaustiedon perusteella. CAS-OB-prosessimallissa huomioidaan virtaus ja kemialliset reaktiot. Koska laskenta-ajat haluttiin pitää käytännöllisinä, virtauslaskentaa ei suoriteta mallissa, vaan se tehdään etukäteen. Aineen- ja lämmönsiirtokertoimet lasketaan CFD-laskennalla, ja tuloksia käytetään prosessimallissa. Kemialliset reaktiot lasketaan perustuen massavaikutuksen lakiin ja termodynamiikkaan. CAS-OB-mallin tulokset on validoitu terästehtaalla tehtyjen kokeiden perusteella. Mallia voidaan käyttää nykyisessä muodossaan prosessin kehityksessä ja tulevaisuudessa myös prosessin ohjauksessa. Yliäänilanssin CFD-mallia voidaan soveltaa myös muihin metallurgisiin prosesseihin.

Abstract In the design and development of unit operations in chemical engineering, experimental testing is often very expensive or even impossible to perform. In these kinds of situations, numerical simulations offer a good approach to study process characteristics. Typically in chemical engineering, data-based modeling is applied to study the process. This requires many experiments for tuning the model parameters and validating the model. In a phenomenology-based approach, the evolution of the system is dictated by fluid and particle transport equations. These equations are independent of the process, and can therefore be applied in various systems. However, depending on the system, there are several aspects that have to be taken into account in order to choose the correct model for the problem in hand. In this work, computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) modeling have been applied in different unit operations in the field of chemical engineering. CFD was applied in preventing sedimentation in a tube heat exchanger, estimating the cooling efficiency of a vertical water jet onto a hot metal plate, and studying the formation of the slag free open-eye area on the steel ladle. For comparison, DEM was applied in the continuous high-shear granulation of pharmaceutical powder. The different models used in this work are reviewed, and the results are presented from the point of view of model and process development. The grid aspects in CFD simulations and the termination criteria for DEM and CFD simulations are also studied. Based on the results of this work, phenomenological modeling can be considered to be an efficient tool for unit operation design. Together with experimental work, different modeling strategies offer a powerful tool for the design and development of unit operations. / Tiivistelmä Kemiantekniikan yksikköprosessien suunnittelussa kokeellinen tutkimus on usein erittäin kallista ja joskus jopa mahdotonta toteuttaa. Tällöin mallinnus tarjoaa hyvän lähestymistavan yksikköprosessin ominaisuuksien tutkimiselle. Tyypillisesti kemianteollisuudessa, datapohjaista mallinnusmenetelmiä on käytetty systeemin ominaisuuksien tutkimiseksi. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin paljon koetoistoja mallin parametrien virittämiseksi ja mallin validoimiseksi. Ilmiöpohjaisessa mallinnuksessa, systeemin aikakehitys määräytyy fluidi- ja partikkelivirtauksia määräävien kuljetusyhtälöiden perusteella. Nämä yhtälöt ovat prosessista riippumattomia, jolloin niitä voidaan soveltaa yleisesti mihin tahansa systeemiin. Riippuen kuitenkin tutkittavasta yksikköprosessista, eri asioita on otettava huomioon, jotta oikea malli voidaan valita kuvaamaan systeemiä. Tässä työssä virtauslaskentaa (computational fluid dynamics, CFD) ja partikkelimenetelmää (discrete element method, DEM) on käytetty erilaisten kemiantekniikan yksikköprosessien tutkimuksessa. CFD:n avulla on tutkittu putkilämmönvaihtimen sedimentaation ehkäisyä, laminaarisen suorasuihkujäähdytyksen tehokkuutta teräslevyn jäähdytyksessä, sekä senkkaprosessissa teräksen pinnalle ilmestyvän kuonasilmäkkeen muodostumista. DEM mallinnusta käytettiin lääkejauheen jatkuvatoimisen rakeistuksen tutkimuksessa. Mallinnuksessa käytetyt mallit esitellään ja niiden tulokset esitellään malli- ja prosessikehityksen näkökulmasta. Työssä on otettu myös esille mallinnustekniset asiat CFD:n vaatiman laskentahilan ja laskennan lopetuskriteerien näkökulmasta. Työssä esitettyjen tulosten perusteella voidaan todeta, että ilmiöpohjainen mallinnus on tehokas työkalu yksikköprosessien suunnittelussa. Yhdessä kokeellisen tutkimuksen kanssa, eri mallinnusmenetelmät tehostavat yksikköprosessien suunnittelua ja kehitystä.