Abstract

Non-metallic inclusions form an essential parameter for assessing steel cleanliness. The chemical composition of the inclusions and content found in the steel matrix can be detrimental to both the steelmaking process and steel properties. Therefore, a characterisation technique that has features such as an improved duration for sample preparation, a non-destructive and relatively fast result analysis is of high interest to both researchers and steelmakers.

The main objective of this study is to use Raman spectroscopy as an analytical technique to characterise synthetic non-metallic inclusions mostly associated with aluminium-killed calcium treated steels. The work first examines the possibility of estimating individual phase content for synthetic inclusion mixtures consisting of CA, C12A7, C3A, MgO.Al₂O₃ and CaS phases by using Raman spectroscopy. Observations made from the Raman spectra measured provide qualitative information for the specific phases present in the samples. The results from the study using calibration models are satisfactory in quantifying the specific phase content present in the sample mixtures based on the Raman spectral data.

Additionally, this study investigates the potential use of Raman spectroscopy as a characterisation technique for inclusion evolution studies and to predict the liquidus region within a CaO–Al₂O₃ binary system under steelmaking temperatures. This is done by using different synthetic inclusion phases to generate the sample matrix that has varying phase content for possible inclusion evolution routes. The experimental measurements performed with Raman spectroscopy prove to have a relatively short duration for sample preparation, fast results, and the synthetic inclusion phases can be distinguished based on their characteristic Raman bands features. Consequently, this study shows that Raman spectroscopy can potentially be used as an analytical technique for inclusion studies in steel samples since the steel matrix is Raman inactive.

Tiivistelmä

Ei-metalliset sulkeumat ovat tärkeä teräksen puhtauden arviointikriteeri. Sulkeumien kemiallinen koostumus, koko ja muoto teräsmatriisissa voivat vaikuttaa haitallisesti teräksen valmistusprosessiin ja teräksen ominaisuuksiin. Karakterisointitekniikka, joka lyhentää näytteiden käsittelyaikaa ja mahdollistaa ainetta rikkomattoman testauksen ja tulosten suhteellisen nopean analysoinnin, on erittäin kiinnostava sekä tutkijoille että teräsvalmistajille.

Tämän tutkimuksen päätavoitteena on käyttää Raman-spektroskopiaa analyysitekniikkana synteettisten ei-metallisten sulkeumien karakterisoimiseksi alumiinitiivistetyissä ja kalsiumkäsitellyissä teräksissä. Tutkimuksessa tutkitaan ensin mahdollisuutta määrittää yksittäisen faasin kemiallinen koostumus synteettisissä inkluusioseoksissa, joissa on CA, C12A7, C3A ja MgO-Al₂O₃, sekä CaS-faaseja käyttämällä Raman-spektroskopiaa. Mitatusta Raman-spektristä tehdyt havainnot osoittavat, että näyteseosten koostumus on määritettävissä tutkituille näytteille. Kalibrointimalleja käyttämällä saadut tulokset osoittavat, että faasiosuuksien määrittäminen onnistuu riittävällä tarkkuudella Raman-spektridatan avulla.

Lisäksi tutkimuksessa tutkitaan Raman-spektroskopian käyttöpotentiaalia karakterisointitekniikkana sulkeumien analysoinnissa ja likvidusalueen laajuuden ennakoinnissa binäärissä CaO–Al₂O₃ systeemissä teräksenvalmistuslämpötiloissa. Tutkimuksessa on luotu erilaisia synteettisiä monikomponenttisulkeumia käyttämällä näytematriisi, joka sisältää laajasti eri faasikoostumuksia, sulkeumien mahdollisten kehitysreittien tutkimiseksi. Raman-spektroskopiaa hyödyntämällä tehdyissä testeissä on osoittautunut, että näytteiden valmistelu vaatii aiempaa vähemmän aikaa, tulokset saadaan aiempaa nopeammin ja synteettisten sulkeumien koostumus voidaan identifioida faaseille ominaisten Raman-sidosten perusteella. Tutkimus osoittaa siten, että Raman-spektroskopiaa voidaan hyödyntää analyysitekniikkana teräsnäytteiden sulkeumatutkimuksissa, koska teräsmatriisi on passiivinen Raman-säteilylle.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Gyakwaa, F., Aula, M., Alatarvas, T., Vuolio, T., Huttula, M., & Fabritius, T. (2019). Applicability of Time-Gated Raman Spectroscopy in the Characterisation of Calcium-Aluminate Inclusions. ISIJ International, 59(10), 1846–1852. https://doi.org/10.2355/isijinternational.isijint-2019-122

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Gyakwaa, F., Aula, M., Alatarvas, T., Vuolio, T., Shu, Q., Huttula, M., & Fabritius, T. (2020). Characterisation of Binary Phase Mixtures of Magnesium-Aluminate Spinel and Calcium-Aluminates Using Time-Gated Raman Spectroscopy. ISIJ International, 60(5), 988–997. https://doi.org/10.2355/isijinternational.isijint-2019-576

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Gyakwaa, F., Aula, M., Vuolio, T., Alatarvas, T., Shu, Q., Huttula, M., & Fabritius, T. (2020). Characterization of Multiphase Mixtures of Calcium Aluminates and Magnesium Aluminate Spinel Using Time-Gated Raman Spectroscopy. Steel Research International, 91(8), 2000084. https://doi.org/10.1002/srin.202000084

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Gyakwaa, F., Aula, M., Alatarvas, T., Vuolio, T., Shu, Q., Huttula, M., & Fabritius, T. (2020). Application of Raman Spectroscopy for Characterizing Synthetic Non-Metallic Inclusions Consisting of Calcium Sulphide and Oxides. Applied Sciences, 10(6), 2113. https://doi.org/10.3390/app10062113

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Gyakwaa, F., Aula, M., Alatarvas, T., Shu, Q., Huttula, M., & Fabritius, T. (2020). Quantification of Synthetic Nonmetallic Inclusion Multiphase Mixtures from a CaO–Al2O3–MgO–CaS System Using Raman Spectroscopy. Steel Research International, 2000322. https://doi.org/10.1002/srin.202000322

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version