In this work, the metal and slag phase mixing in three steps of a ladle refining operation of steel melts and for an oxygen balance during cooling of cast iron melts have been studied at two Swedish steel plants and at two Swedish cast iron foundries, respectively. In order to predict the oxygen activity in the steel bulk in equilibrium with the top slag as well as in metal droplets in the top slag in equilibrium with the top slag, three slag models were used. In addition, the assumptions of a sulphur-oxygen equilibrium between steel and slag and the dilute solution model for the liquid steel phase were utilized in the calculations. Measured oxygen activities in steel bulk, which varied between 3.5-6 ppm, were compared to predicted oxygen activities. The differences between the predicted and measured oxygen activities were found to be significant (0-500%) and the reasons for the differences are discussed in the thesis. Slag samples have been evaluated to determine the distribution of the metal droplets. The results show that the relatively largest numbers of metal droplets are present in the slag samples taken before vacuum degassing. Also, the projected interfacial area between steel bulk and top slag has been compared to the interfacial area between the metal droplets and slag. The results show that the droplet-slag interfacial area is 3 to 14 times larger than the flat projected interfacial area between the steel and top slag. Furthermore, the effect of the reactions between top slag and steel and the slag viscosity on the metal droplet formation is discussed. The results show significant differences between the steel bulk and steel droplet compositions and the reasons for the differences are discussed in the thesis. The oxygen activity in different cast irons was studied. Plant trials were performed at three occasions for lamellar, compacted and nodular iron melts. The results show that at temperatures close to the liquidus temperature the oxygen activities were 0.03-0.1 ppm for LGI, around 0.02 ppm for CGI, and 0.001ppm for SGI. In addition, it was found that as the oxygen activities increased with time after an Mg treatment, the ability to form a compact graphite or a nodular graphite in Mg-treated iron melts was decreased. Also, extrapolated oxygen activity differences up to 0.07 ppm were found for different hypoeutectic iron compositions for lamellar graphite iron at the liquidus temperature. Overall, the observed differences in the dissolved oxygen levels were believed to influence how graphite particles are incorporated into the austenite matrix and how the graphite morphology will be in the cast product. / <p>QC 20160518</p>

Sveriges och världens industrier står inför stora omställningar gällande energianvändning och klimatavtryck. Johnson Metall AB jobbar ständigt med miljöarbete och har identifierat gasolanvändningen i produktionen som ett ställe där stora miljövinster går att göra. Examensarbetet avgränsas till att enbart titta på alternativa förvärmningstekniker till skänkar.Syftet med rapporten är att undersöka 3-5 alternativa förvärmningstekniker till den gasoluppvärmning som används i dagsläget. Det är viktigt att en alternativ lösning gör så att nuvarande produktkvalitet bibehålls samtidigt som en alternativ lösning bidrar till ett lägre klimatavtryck, det är även viktigt att priset på produkterna inte går upp allt för mycket.För att genomföra examensarbetet har metoderna litteratursökning, Double Diamond, nulägesanalys, komparation och kriterieviktsmetoden använts. För att skapa en bild över uppvärmningsförloppet görs en testmätning som jämförs med teoretiska samband.Utbudet av klimatavtrycksminskande teknik är relativt stor och fortsätter att växa, däremot råder det brist på incitament att byta teknik. Det krävs stora investeringar i ny teknik som är relativt obeprövad. Bränslen som skulle kunna nyttjas blir indirekt reserverade för andra teknikslag till följd av konkurrensen på bränslemarknaden. I dagens läge ligger risktagandet i övergången till ny klimatneutral teknik hos industrin.Det alternativ som har störst potential är en elektrisk lösning. Förändringar i anläggningen kommer inte innebära någon större inverkan i produktionen. Konsekvenserna av att byta förvärmningsteknik är att produkterna förmodligen kommer öka i pris, men att produkten också får ett lägre klimatavtryck. / Due to the consequences of global warming the industries of the world are facing new challenges. Johnson Metall AB is continuously working with ways to reduce their environmental footprint. Johnson Metall AB has identified use of liquid petroleum gas (LPG) as a source where great environmental gains can be made. The thesis limits itself to only look at LPG use in ladle preheating.The purpose of the thesis is to investigate 3-5 alternative ladle preheating technologies instead of the current LPG preheating of ladles. It is important that an alternative solution keeps the current quality of the products and contributes to lower emissions, it is also important that the price of the products doesn’t increase too much. In order to investigate available options the following methods have been used: literature study, double diamond, current situation analysis, comparison method, and the criterion weight method. In order to create a picture of the heating of ladles, an evaluation measure is performed and compared with theoretical concepts. Climate friendly alternatives are present on the market and are continuously improving, however the incentives to invest in new technologies are few. From the industries perspective the available options are expensive and relatively untested. Fuels that are viable options are taken from consideration due to hard competition with other markets. Moving to alternative fuels is a risky business with few guarantees for the foundry industries. The alternative with the biggest potential is an electric solution. Changes in the facility will not result in any major interference in production. The consequences of changing ladle preheating technology will probably be an increase in the price of the products, however the product will be more environmentally friendly.

Heat transfer is key to understanding many processes in engineering. At a steel mill heat transfer is absolutely crucial to understanding most of the processes. One such a process is the pre-heating of a freshly relined ladle. The goal of this project was to develop code which could solve the diffusion equation, in an arbitrary three-dimensional geometry, subject to Dirichlet, Robin, Neumann, and certain kinds of non-linear boundary conditions. In order to approximate the solution the code uses a cell centred finite volume methodology. In order to verify the computational correctness of the code it was used on three simple cases where analytic solutions are known, a rarity for three-dimensional boundary value problems. A mathematical model for the heat conduction inside a ladle at Ovako’s site in Hofors was developed. The model was evaluated based on measurements on the outside of the ladle as well as from a temperature probe inside the bottom of the ladle. The model was found to adequately agree with the measured temperature. The code can thus be used to find a more optimal heating regiment of the ladle, possibly reducing emissions. / Värmeöverföring är nyckeln till att förstå många processer inom teknik. På ett stålverk är värmeöverföring helt avgörande för att förstå de flesta av processerna. En sådan process är förvärmning av en nymurad skänk. Målet med detta projekt var att utveckla en kod som kunde lösa diffusionsekvationen i en godtycklig tredimensionell geometri under Dirichlet-, Robin-, Neumann- och vissa typer av icke-linjära randvillkor. För att approximera lösningen använder koden en cellcentrerad finita volymmetodik. För att verifiera kodens beräkningsmässiga korrekthet användes den i tre enkla fall där analytiska lösningar är kända, vilket är en sällsynthet för tredimensionella randvärdesproblem. En matematisk modell för värmeledningen i en skänk vid Ovakos anläggning i Hofors utvecklades. Modellen utvärderades utifrån mätningar på utsidan av skänken samt från ett termoelement inuti botten av skänken. Modellen visade sig stämma väl överens med den uppmätta temperaturen. Koden kan därför användas för att hitta ett mer optimalt uppvärmningsschema för skänken, vilket eventuellt kan minska utsläppen från processen.