Decarbonising the StainlessSteelmaking through Alloy Solutions

Abstract

För att uppnå målet i Parisavtalet så är minskningen av växthusgasutsläpp en av de mestakuta frågorna i världen idag att hantera. Till skillnad från andra sektorer så har rostfriastålindustrin en betydligt högre börda från indirekta utsläpp än direkta utsläpp. Den störstabidragande källan till dessa uppströmsutsläpp vid tillverkning av rostfritt stål äranvändningen av legeringsmaterial (Mo, Ni, Cr, etc.), vilka står för cirka 70% av det totalarostfria stålets CO2-utsläpp. Avhandlingen ger insikter om möjligheten att reducera utsläppavkoldioxid, sk. avkarbonisiering, vid tillverkning av rostfritt stål genom val avlegeringslösningar. För att producera en hållbar rostfri stålprodukt av hög kvalitet är detnödvändigt att etablera avkarboniseringsstrategier med hjälp av ett interaktivtoptimeringsramverk som tar hänsyn till material-, process- och kvalitetsfaktorer.

Det är viktigt att först välja legeringar med låga utsläpp av CO2, vilket hjälper till att minskade indirekta utsläppen från den rostfria stålproduktionsprocessen. I del I -Materialvalsoptimering har produktionen av FeMo, Ni-legering och HC FeCr utvärderatsgenom att studera LCA-baserad energi och GHG-utsläpp. Inventeringsdata beräknas genomen statisk termodynamisk processmodell, baserad på mass- och energibalanser. Resultatenföreslår följande alternativ för val av legeringar som leder till låga utsläpp: 1) FeMoproducerat som en biprodukt från koppargruvor; 2) nickelmetall bearbetad med sulfidmalmi en flash smältning process och 3) HC FeCr producerad i en sluten submerged-ljusbågsugninklusive med användande av föruppvärmning.

Nästa steg är att upprätta en pålitlig processmodell för att förutsäga önskat legeringsinnehållför att optimera processen. Detta möjliggör minskningar av avfall, växthusgasutsläpp ochproduktionskostnader. Kväve, som är ett viktigt legeringselement i rostfritt stål, tillsättsnormalt genom att blåsa in kvävgas i AOD-processen. I del II - Optimering avprocessparametrar föreslogs en tidsberoende termodynamisk modell, TimeAOD3TM, för attförutsäga det lösta kväveinnehållet i smältan. Modellen är bra på att beräkna kväve underreduktions- och avsvavlingsstegen. Den högre avvikelsen under kolfärsknings steg berormestadels på begränsningen av en-cellsmodellen, där samma totaltryck används förjämviktsreaktioner för kväve och kol. Förbättringar av modelleringen kräver att olika gastryckimplementeras för jämviktsreaktionerna av N och C, samt beaktande av reaktionskinetiken.För att ytterligare förbättra modelleringsnoggrannheten för kväve studeradesgasblandningen i AOD-dysor genom användande av en kinetisk CFD-modell. Resultatenvisar att trycket vid inloppet är en avgörande parameter för att kontrollera processen,eftersom det påverkar egenskaperna hos gasen som frigörs från dysan. Dessa inkluderargasens hastighet, densitet, temperatur, massflöde och utloppstryck. Den föreslagna modellengör det möjligt att beräkna relevanta gasegenskaper under en mängd olika förhållanden.Dessutom möjliggör modellens förutsägelse av gasflödets kritiska tillstånd en optimering avblåsningsprocessen, vilket kan bidra till att minska resursanvändningen (material, energi) ochsänka miljöpåverkan.

Det sista steget är att säkerställa att den slutliga stålprodukten uppfyller kraven i produktenskvalitetsstandard, innefattande inte bara materialegenskaperna utan också påverkan påmiljön. I del III - Optimering av stålens kvalitet optimeras dessa kvalitetsrelateradeprestanda genom användande av statistisk modellering, en så kallad Taguchi-baserad GreyRelational Analys. Denna metod användes för att rangordna mångsidiga prestanda och föratt bestämma den optimala ståldesignen som är relaterad till legeringsinnehåll. Det harkonstaterats att kväve spelar den viktigaste rollen för att bestämma stålets kombineradeprestanda eftersom det förekommer i empiriska ekvationer för gropkorrosionsbeständighet,sträckgräns och brottgräns. Dessutom är koefficienten för kväve mycket högre änkoefficienterna för de andra legeringselementen, vilket kan påverka stålets prestanda. Utöverdetta består de optimala ståldesignerna av höga halter av kväve, krom, molybden, koppar ochlåga halter av nickel.

Resultaten av denna färdigställt arbete ger en ledning för avkarbonisering av rostfriståltillverkning och betonar behovet av en helhetsansats som överväger material, process ochproduktkvalitet för att minska koldioxidutsläppen. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-327238