Abstract When producing ferrochrome, a submerged arc furnace (SAF) is used. The charge of an SAF consists of chromite pellets, coke, lumpy ore and quartzite as a slag modifier. The charge is pre-heated before it descends into the SAF where the charge eventually reduces and melts. The electrical conductivity of the charge is important because, among other things, it affects the productivity of the furnace. The electrical conductivity of the charge should ideally be low on the higher parts of the furnace and high near the electrode tip. This is to ensure that the electric current path travels through the metal bath via arcing, which provides the most effective heat transfer. Another option for the current path would be through the solid feed material via ohmic conduction, but since this zone is less reactive, the heat energy would be mostly wasted. This work brings forth new information about the electrical behaviour of coke and chromite pellet is produced. The electrical conductivity was measured at room temperature for different simulated process conditions (different coke textures, different reduction degrees of chromite pellets, sulphur in atmosphere and replacing the coke used in chromite pellet production with charcoal). It was found out that unlike gasification with a CO/CO2 mixture, heat treatment at 950°C increased the degree of graphitization and changed the electrical behaviour of coke. Furthermore, it was observed that increasing the chromite pellets’ reduction degree reduced the electrical conductivity measured at room temperature. In the case of chromite pellets and sulphur in the atmosphere it was found that sulphur has an effect on the pellets’ electrical behavior and structure during reduction, which - in turn - has an effect on the SAF performance when raw materials with varying sulphur contents are used. Lastly, it was found that substituting coke with charcoal when producing chromite pellets affects the sintering behaviour, cold compression strength, and electrical conductivity of the chromite pellets. / Tiivistelmä Uppokaariuuni on osa ferrokromin valmistusprosessia. Uppokaariuuniin panostetaan kromiittipellejä, koksia, palarikastetta ja kvartsiittia. Etukuumennusuunista panos laskeutuu uppokaariuuniin, jossa se pelkistyy ja lopulta sulaa. Uppokaariuunin panoksen sähkönjohtavuus on tärkeää uunin toiminnan kannalta, koska se vaikuttaa suoraan esimerkiksi tuottavuuteen. Jotta virran kulku tapahtuisi optimaalisesti sulan metallin kautta, panoksen sähkönjohtavuuden tulee olla pieni uunin yläosissa ja suuri alaosassa lähellä elektrodien päitä. Mikäli virran kulku tapahtuu uunin yläosassa, hukataan lämpöenergiaa ja uunin toiminta hankaloituu. Tässä työssä on selvitetty koksin ja kromiittipellettien sähköisiä ominaisuuksia. Sähkönjohtavuutta on tutkittu useilla simuloiduilla prosessiolosuhteilla (koksin eri tekstuurit, kromiittipellettien eri pelkistysasteet, rikin pitoisuus atmosfäärissä ja kromiittipellettien valmistuksessa on korvattu koksi puuhiilellä). Nämä mittaukset on tehty huonelämpötilassa. Huomattiin, että toisin kuin koksin kaasutus, koksin lämpökäsittely (950°C) nosti grafitoitumisastetta ja vaikutti sähköisiin ominaisuuksiin. Kromiittipelletin pelkistymisasteen noustessa huonelämpötilassa mitattu sähkönjohtavuus laski. Kun kromiittipelletit altistetaan atmosfäärille, jossa on rikkiä, pellettien sähköiset ominaisuudet muuttuvat samoin kuin rakenne pelkistyksen aikana. Tämä vaikuttaa uppokaariuunin toimintaan, kun käytetään raaka-aineita, joissa rikkipitoisuus vaihtelee. Kun kromiittipellettien valmistuksessa käytettävä koksi korvataan puuhiilellä, tämä vaikuttaa sintrausprosessiin, kylmälujuuteen ja sähköisiin ominaisuuksiin.

Abstract The lithospheric conductivity in the westernmost Fennoscandia has been studied using magnetotelluric (MT) data. The western margin of Fennoscandia was significantly affected in Paleozoic by the Caledonian orogeny and later by the rifting of Laurentia and the opening of the Atlantic Ocean c. 80 Ma ago. Magnetotelluric studies have been carried out in two target areas in southern Norway and in western Fennoscandia. The first study resulted in 2-D geoelectric models of two profiles stretching from Oslo to the Norwegian coast. The interpretation suggests that the basement is in general very resistive with a few conductive upper crustal layers, representing the alum shales, and middle crustal conductors possibly imaging the remnants of the closed ocean basins. A more extensive MT study was performed within the project "Magnetotellurics in the Scandes". Measurements were carried in summers of 2011 to 2013, resulting in an array of 279 MT sites. The data allowed us to derive 2-D geoelectric models for the crust and upper mantle as well as 3-D models for the crust. The inversions revealed a resistive upper crust and a conductive lower crust, two upper crustal conductors in the Skellefteå and Kittilä districts, highly conducting alum shales in the Caledonides and a conductive upper crust beneath the Lofoten peninsula. The thickness of the lithosphere is around 200 km in the north and 300 km in the south-west. The Palaeoproterozoic lithosphere is the thickest, not the Archaean, on contrary to a generally accepted hypothesis. A better image of the lithosphere will help to evaluate the proposed mechanisms of the exhumation of the Scandinavian Mountains. The theoretical part of this study is the development of a new multi-resolution approach to 3-D electromagnetic (EM) modelling. Three-dimensional modelling of MT data requires enormous computational resources because of the huge number of data and model parameters. The development of the multi-resolution forward solver is based on the fact that a finer grid resolution is often required near the surface. On the other hand, the EM fields propagate in a diffusive manner and can be sufficiently well described on a grid that becomes coarser with depth. Tests showed that the total run time can be reduced by five times and the memory requirements by three times compared with the standard staggered grid forward solver. / Tiivistelmä Olemme tutkineet litosfäärin sähkönjohtavuutta Fennoskandian länsiosassa magnetotelluurisen (MT) menetelmän avulla. Fennoskandian länsireuna muokkautui merkittävästi paleotsooisena aikana Kaledonidien vuorijonopoimutuksessa sekä myöhemmin mesotsooisena aikana Laurentia-mantereen repeytyessä ja Atlantin valtameren syntyessä noin 80 miljoonaa vuotta sitten. MT-tutkimukset tehtiin Etelä-Norjassa ja Fennoskandian luoteisosassa. Ensimmäisessä tutkimuksessa kallioperän sähkönjohtavuutta kuvattiin kaksiulotteisilla (2-D) johtavuusmalleilla, jotka ulottuvat Oslosta Norjan rannikolle. Mallien tulkinta viittaa siihen, että maan kuori on pääosin hyvin eristävä lukuun ottamatta muutamaa kuoren ylä- ja keskiosassa olevaa johdekerrosta. Yläkuoren johteet edustavat alunaliuskeita ja keskikuoren johteet todennäköisesti suljetuissa merialtaissa syntyneitä hiilipitoisia sedimenttikerrostumia. Laajempi MT-tutkimus tehtiin ”Magnetotellurics in the Scandes” -hankkeessa. Mittauksia tehtiin 279 mittauspisteessä kesinä 2011–2013. Saadun aineiston avulla voitiin laatia 2-D inversiomallit kuoresta ja ylävaipasta sekä 3-D inversiomalli kuoresta. Tulosten mukaan täällä kuoren yläosa on eristävä kun taas kuoren alaosa on sähköä hyvin johtava. Edellisen lisäksi malleissa näkyy yläkuoren johtavat muodostumat Skellefteån ja Kittilän alueilla, korkean johtavuuden alunaliuskeet Kaledonidien alueella sekä johde Lofoottien alla. Litosfäärin paksuus on noin 200 km mittausverkon pohjoisosassa ja noin 300 km lounaassa. Tämän mukaan litosfääri on paksuin varhaisproterotsooisen litosfäärin alueella, ei arkeeisen litosfäärin alueella vastoin yleistä hypoteesia. Tutkimuksen teoreettisessa osassa kehitettiin sähkömagneettiseen mallinnukseen uusi monitasoiseen diskretisointiin perustuva menetelmä. MT-aineiston 3-D käänteisongelman ratkaisu ja siihen liittyvä suora mallintaminen vaativat suuren laskennallisen kapasiteetin, koska havaintojen ja mallin kuvaamiseen tarvittavien parametrien määrä on erittäin suuri. Moniresoluutio-algoritmi perustuu siihen, että mallin hienojakoisempaa diskretisointia tarvitaan yleensä lähellä maan pintaa kun taas syvemmälle edettäessä, sähkömagneettisen aallon diffuusin etenemisen vuoksi, malli voi olla karkeampi. Tietokonesimulaatioiden mukaan suoritusaika on viidennes ja muistitarve kolmannes verrattuna tavanomaiseen suoran laskennan ”staggered grid” -diskretisointiin.

Abstract Carbon nanotubes (CNTs) have fascinating mechanical, electrical and thermal properties, all of which significantly depend on structural properties such as nanotube length, number of walls, lattice defect densities, impurities and surface functional groups. A number of different applications of carbon nanotubes have been demonstrated during the past two decades including electrical interconnects, transistors, heating and cooling devices, sensors and various actuators. However, further studies on the structure-dependent properties and innovative handling techniques of these materials are needed in order to explore the limitations of use and to be able fully to exploit the advantageous properties of such one-dimensional sp2 hybridized carbon nanomaterials. In this thesis, random networks of single-wall and multi-walled carbon nanotubes (SWCNTs and MWCNTs, respectively) and aligned films of multi-walled carbon nanotubes are studied in the context of three main application fields: gas sensing, electrical interconnects/electrodes and thermal cooling elements. Analyses of associated material properties and some feasible integration techniques are discussed. Single-wall and multi-walled carbon nanotube films cast from aqueous dispersions are shown to be selective nitric oxide sensing components in Taguchi-type sensor devices, in which films based on SWCNTs outperformed those made of MWCNTs. The thickness dependent electrical conduction mechanism of inkjet-printed SWCNT films is also discussed. Robust aligned MWCNT films are demonstrated as soft electrical contact brushes in DC motors and in other moving electrical contacts. The thermal properties of freestanding aligned MWCNT forests are analyzed and shown to be potential alternatives to copper or aluminium in the thermal management of electrical components. / Tiivistelmä Hiilinanoputkien kiehtovat mekaaniset, sähköiset ja lämmönjohto-ominaisuudet ovat kiinnostaneet tutkijoita suuresti viimeisten kahden vuosikymmenen ajan. Monia erilaisia applikaatioita on demonstroitu tänä aikana: mukaan lukien sähköiset kontaktit, transistori-rakenteet, lämmitys- ja jäähdytyslaitteet, anturirakenteet sekä erilaiset aktuaattori-rakenteet. Tämän väitöskirjan päätavoitteena on tutkia hiilinanoputkien toiminnollisuutta ja käytännöllisyyttä erilaisissa sovelluskohteissa. Tässä työssä käytettävät hiilinanoputkirakenteet ovat joko satunnaisjärjestyksessä olevia nanoputkista koostuvia verkostorakenteita tai yhdensuuntaisia, makroskooppisia hiilinanoputkikalvoja. Nanoputkia tutkitaan kolmessa erityyppisessä sovelluskohteessa: kaasuanturisovelluksessa, sähköisissä kontaktirakenteissa sekä jäähdytyselementteinä. Työssä analysoidaan hiilinanoputkirakenteiden ominaisuuksia eri sovelluskohteissa sekä esitetään joitain käyttökelpoisia tekniikoita hiilinanoputkien integroimiseen olemassa oleviin tekniikoihin. Hiilinanoputkien osoitetaan olevan käyttökelpoisia aktiivisia materiaaleja typpioksidille resistiivisessä kaasuanturirakenteessa. Tulosten perusteella yksiseinämäiset hiilinanoputket ovat moniseinämäisiä herkempiä ja parempia kyseisessä sovelluksessa. Lisäksi tutkitaan ja analysoidaan mustesuihku-tulostettujen yksiseinämäisten hiilinanoputkifilmien sähköisten ominaisuuksien riippuvuutta filmin paksuudesta. Vantterien yhdensuuntaisten moniseinämäisten hiilinanoputkirakenteiden osoitetaan toimivan erinomaisesti pehmeinä sähköisinä kontaktielementteinä liikkuvissa sähköisissä kontakteissa. Vapaasti seisovien yhdensuuntaisten, moniseinämäisten hiilinanoputkirakenteiden lämmönjohto-ominaisuuksien tutkiminen ja analysointi osoittaa, että kyseisiä rakenteita voidaan käyttää tehokkaina jäähdytyselementteinä ja mahdollisesti korvaavana vaihtoehtona alumiinille ja kuparille sähköisten komponenttien lämmönhallinta sovelluksissa.