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.

Abstract Industrial ecology provides the scientific and technological understanding upon which the increased environmental, economic and social efficiencies necessary to progress towards sustainability can be based. Industrial ecosystem is the creation of synergies between various industries, agriculture, and communities to profitably convert waste into valuable products or feedstock. Copper and nickel flash smelters developed by Outokumpu form the heart of the Harjavalta industrial ecosystem, which consists of thirteen different firms. The ideas found in Harjavalta industrial ecosystem consideration can be applied to carbon steelmaking and other related industry sectors to add product efficiency, improve energy utilization and start new local business, when different firms can concentrate to their own core know-how areas. When planning to add the amount of recycled material in steel production the waste oxides from steel industry, pyrite roasting residues and slags from the copper and nickel smelters are rich iron sources. When processing dusts, scales and sludge in the separate treatment plant, the main thing is that the primary production of the steel plant is not disturbed. The big problem when using secondary iron raw materials will be the contamination of steel by tramp elements similar to scrap based steel manufacture. Today's industry is facing significant change from the process related environmental thinking towards product based environmental thinking seen in the EU product policy. This will mean need for the research covering raw material acquisition, production, products, in-use phase, recycling and disposal. Steel has very unique properties, which can be improved, if steel manufacturers can concentrate on their core know-how area. The essential difference between the technical and natural systems is the human control. Based on the experiences of Harjavalta industrial ecosystem the occupational safety and accident security risk prevention should be included into the metaphor of industrial ecology. If we consider the human control in global scale the future development will depend on the ethical decisions made by humankind. / Tiivistelmä Teollisessa ekologiassa pyritään aine- ja energiavirtojen tutkimiseen siten, että jäljitellään luontoa lopullisena tavoitteena jätevirtojen eliminointi tai ainakin minimointi, jolloin se on osa kestävälle kehitykselle välttämätöntä ekologista, taloudellista ja sosiaalista toimintaa. Teollinen ekosysteemi on teollisuuslaitosten ja yhteiskunnan sekä mahdollisesti maatalouden synerginen liittymä, jonka avulla integroidaan tuotannon ja kulutuksen lohkot yhteen tavoitteena vähentää sekä raaka-aineiden kulutusta että ympäristöpäästöjä. Harjavallan teollinen ekosysteemi on syntynyt ja kehittynyt Outokummun kehittämän liekkisulatusmenetelmään perustuvien kupari- ja nikkelisulattojen ympärille. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatuja ajatuksia ja kokemuksia voidaan soveltaa luovasti hiiliteräksen valmistukseen ja muihin vastaaviin teollisuuden haaroihin. Eri yritysten keskittyessä omalle ydinosaamisalueelleen voidaan parantaa raaka-aine- ja energiatehokkuutta sekä perustaa uutta paikallista teollisuutta. Terästeollisuuden hyödyntämättömät jäteoksidit, pyriitin pasuttamisesta saatavat pasutteet sekä nikkelin ja kuparin valmistuksen kuonat ovat potentiaalisia uusioraaka-aineita. Uusioraaka-aineille on kehitettävä hiiliteräksen valmistuksen pääprosessin viereen omat käsittelyratkaisut, sillä muuten rautapohjaisten poisteiden kierrätyksen ekologiset ja taloudelliset säästöt saatettaisiin menettää pääprosessin tuottavuuden laskuna. Ongelmallista on myös teräksen laatua haittaavien harmeaineiden kumuloituminen teräkseen, mitä tapahtuu myös käytettäessä romua uusioraaka-aineena. Kestävää kehitystä tavoiteltaessa täydennetään EU:n perinteistä prosessi- ja tuotantoyksikköperusteista ympäristölainsäädäntöä tuotelähtöisellä ympäristölainsäädännöllä. Säädöksissä huomioidaan laajemmin koko tuotteen elinkaari, jolloin tutkimuksen on katettava raaka-aineen hankinta, tuotanto, tuotteet, käyttö ja käytöstä poistoon liittyvä kierrätys tai sijoittaminen takaisin luontoon. Teräksen ainutkertaisia ominaisuuksia voidaan entisestään parantaa, jos teräksen valmistajat saavat keskittyä omalle ydinosaamisalueelleen. Teknisen järjestelmän sisältä löytyy aina ihminen suorittamassa tietoisen ohjauksen, mitä ei luonnonjärjestelmissä löydy. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatujen kokemusten perusteella voidaan todeta, että työturvallisuus ja teollisuusonnettomuuksia ehkäisevä turvallisuustyö on otettava teollisen ekologian viitekehykseen. Jos tarkastellaan ihmisen vaikutusta globaalissa viitekehyksessä, voidaan todeta, että ihmisen vaikutus riippuu tulevaisuudessa tehtävistä eettisistä päätöksistä ja päätösten edellyttämistä toimenpiteistä.