To reach the goal of the Paris Agreement, the reduction of greenhouse gas emissions (GHG)is becoming one of the most pressing issues in the world today. Unlike most other sectors, thestainless steel industry has a significantly higher burden from upstream emissions comparedto operational emissions. The main contributing source of these upstream emissions instainless steelmaking is the use of alloy materials (Mo, Ni, Cr, etc.), accounting forapproximately 70% of the total stainless steel’s CO2 emissions. The thesis provides insights into the decarbonisation of stainless steelmaking through alloy solutions. In order to producea sustainable stainless steel product of high quality, it is necessary to establish decarbonisationstrategies using an interactive optimization framework that considers material, process, andquality factors.

First, this is to select low-carbon footprint alloys, which helps to reduce the overall upstreamemissions of the stainless steel production process. In Part I-Material Selection Optimization,the production of FeMo, Ni alloy, and HC FeCr has been assessed through LCA based energyand GHG emissions. The inventory data is calculated by using a static thermodynamic modelbased on mass and energy conservation. The results reveal the following low-carbon alloyoptions: 1) FeMo produced as a co-product from copper mine; 2) nickel metal processed withsulfide ore using a flash smelting process and 3) HC FeCr produced using a closed submergedarc furnace with preheating.

The next step is to set up a reliable process model to predict the desired alloy content forprocess optimization. This enables a reduction of the waste, GHG emissions and productioncosts. Nitrogen, as an important alloy element in stainless steel, is normally added by injectingnitrogen gas into the AOD process. In Part II-Process Parameter Optimization, a timedependent thermodynamic model, TimeAOD3TM, was proposed to predict the dissolvednitrogen content in the bath. The model provides good predictions of the nitrogen contentduring the reduction and desulfurization stages. The higher deviation between modelling andmeasurement during the decarburization stage is mostly due to the limitation of the one-cellmodel in which the same total pressure is used for the nitrogen and carbon equilibriumreactions. The improvement of the model requires implementing different gas pressures tocalculate the equilibrium reactions of N and C, as well as considering the kinetic mechanismsof the reactions. To further improve the modelling accuracy of nitrogen, the blown gas mixturein the AOD nozzle was studied by using a kinetic CFD model. The results show that thepressure at the inlet is a crucial parameter for controlling the process, as it impacts theproperties of the gas that is released from the nozzle, including its velocity, density,temperature, flow rate and outlet pressure. With the proposed model, it is possible to capturethe relevant gas properties under a variety of different conditions. Moreover, the predictionof the gas flow’s critical state allows for optimizing the blowing process, which can helpreduce the resources (material, energy) usage and lower the environmental impact.

The final step is to ensure that the final steel product meets the requisite quality standards,including the material properties and the environmental impacts. In Part III-Steel QualityOptimization, these quality-related performances are optimized through a statisticalmodelling approach, named a Taguchi based Grey Relational Analysis. This approach wasused to rank multiple performances and to determine the optimal steel design related to alloycontents. The results show that nitrogen plays the most important role in determining thesteel’s combined performance, because it appears in the empirical equations for the pittingcorrosion resistance, proof strength, and tensile strength. Also, the coefficient of nitrogen ismuch higher than the coefficients of other alloy elements, which can significantly influencesteel performance. In addition, the optimum steel designs consist of high contents of nitrogen,chromium, molybdenum, copper and low contents of nickel.

The findings of this research provide the fundaments for decarbonisation of the stainlesssteelmaking, highlighting the need for a holistic approach that considers material, process,and product quality in reducing carbon emissions.

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.