Investigation of Thermodynamics and Kinetics of Nitrogen Behavior in Steel Melts for Improved Nitrogen Control in the AOD Process when Producing Nitrogen-Alloyed Stainless Steels

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-03-14
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
60 + app. 42
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 51/2024
Abstract
Stainless steel is a fundamental pillar of a developed society, without which our current way of life would not be possible. Stainless steels consist of several alloying elements, of which chromium is the key component regarding corrosion resistance. Nickel, molybdenum, and even manganese also play important roles in influencing the corrosion resistance, mechanical properties, machinability, and usability of stainless steel. Nitrogen has two functions in steels. In ferritic steels, nitrogen is considered a harmful impurity, whereas in austenitic and duplex stainless steels it often serves as a beneficial alloying element. Nitrogen stabilizes the austenitic structure, reducing the need for nickel, and enhances corrosion resistance and mechanical properties. However, its role and acceptable levels vary depending on the steel grade, and even minor changes in content can impact the steel properties. In stainless steelmaking, the argon oxygen decarburization (AOD) converter plays a central role and is primarily responsible for alloying and controlling nitrogen content. The ultimate objective of this work was to develop models for improved nitrogen control in the AOD converter, which is why all the experiments and measurements were carried out in an industrial AOD converter. First, the influence of different alloying elements and temperature on the equilibrium solubility of nitrogen at one-bar nitrogen pressure was investigated. This led to the development of a novel mathematical formula, which includes updated interaction parameters between nitrogen and the main alloying elements. Second, the applicability of Sieverts' law in the AOD Converter was investigated, and provided evidence supporting the idea that the nitrogen content in molten steel can be controlled by adjusting the nitrogen partial pressure in the process gases. Furthermore, to achieve a target nitrogen content in the AOD converter, a comprehensive understanding of the factors influencing the kinetics of nitrogen content change is crucial. On this account, both nitrogen absorption and desorption rates were investigated in several test series. Finally, the thermodynamic-kinetic models developed in this work were tested across a wide range of alloy compositions and nitrogen contents ranging from 0.150% to 0.400%. The results demonstrated that nitrogen content can be accurately predicted using these models. As a result of this work, equations for predicting nitrogen content can be integrated into the control models of the production process to enhance accuracy in achieving the target nitrogen range. These equations enable improved productivity of the AOD converter for nitrogen-alloyed steel grades. Additionally, when the nitrogen content does not need to be further regulated by reblowing, gas costs and quality losses can be reduced.

Ruostumaton teräs on kehittyneen yhteiskuntamme peruspilari, jota ilman nykyinen elämäntapamme olisi mahdotonta. Ruostumaton teräs sisältää useita eri seosaineita, joista kromi on korroosionkeston kannalta keskeisin. Myös nikkelillä, molybdeenilla ja mangaanilla on vaikutuksensa ruostumattomien terästen korroosionkestoon, mekaanisiin ominaisuuksiin, työstettävyyteen ja käytettävyyteen. Typen rooli teräksessä on kahtalainen. Ferriittisissä teräksissä typpi on haitallinen epäpuhtaus, kun taas austeniittisissa ja duplex-teräksissä se on hyödyllinen seosaine. Typpi stabiloi austeniittista mikrorakennetta, vähentää nikkelin seostustarvetta ja parantaa niin mekaanisia kuin korroosio-ominaisuuksia. Typen rooli ja tavoitellut pitoisuusalueet vaihtelevat kuitenkin teräslajin mukaan ja hyvinkin pienet pitoisuusmuutokset voivat olla merkittäviä. Ruostumattoman teräksen valmistuksessa AOD prosessilla on keskeinen rooli typen pitoisuuden hallinnassa. Tämän työn tavoitteena oli kehittää malleja AOD-konvertterin typen hallinnan parantamiseksi, minkä vuoksi kaikki kokeet ja mittaukset tehtiin teollisessa AOD-konvertterissa. Aluksi tutkittiin eri seosaineiden ja lämpötilan vaikutusta typen tasapainoliukoisuuteen yhden baarin typpipaineessa, mikä johti uuden matemaattisen kaavan kehittämiseen. Seuraavaksi selvitettiin, miten sulan teräksen typpipitoisuutta voidaan kontrolloida muuntamalla typen osapainetta Ar-N2 prosessikaasuissa ja soveltaen näin Sievertsin lakia käytännön prosessiin. Teräksen typpitavoitteen saavuttamiseksi on myös tärkeää ymmärtää typpipitoisuuden muutoksen kinetiikkaan vaikuttavat tekijät, joita selvitettiin tutkimalla sekä typen absorptiota että desorptiota, eli typettämistä ja typen poistamista, useilla koesarjoilla. Työn tuloksena kehitettyjä termodynaamis-kineettisiä malleja testattiin laajalla teräksen koostumusalueella ja typpipitoisuusalueella 0.150 – 0.400 %. Tulokset osoittivat, että typpipitoisuus voidaan näillä malleilla ennustaa hyvin tarkasti. Tämän työn tuloksena syntyneet typpipitoisuutta ennustavat yhtälöt voidaan integroida tuotantoprosessin ohjausmalleihin, jolloin tavoitellun typpitason saavuttaminen on entistä tarkempaa. Näin parannetaan AOD konvertterin tuottavuutta typpiseosteisia teräslajeja valmistettaessa. Lisäksi voidaan alentaa kustannuksia ja laatuhäviöitä jatkopuhallusten harventuessa.

Rostfritt stål är grundstenen i vårt avancerade samhälle, utan vilket vår nuvarande livsstil skulle vara omöjlig. Rostfritt stål består av flera olika legeringar, varav krom är den viktigaste vad gäller korrosionsbeständighet, men även nickel, molybden och till exempel mangan har inverkan på rostfria ståls korrosionsbeständighet, mekaniska egenskaper, bearbetbarhet och användbarhet. Som legeringsmedel har kväve betydligt lägre halter, men det kan på ett avgörande sätt påverka stålets mekaniska och korrosionsegenskaper. I ferritiska stål är kväve en skadlig förorening, medan det i austenitiska och duplexa stål är det ett användbart legeringselement. Kväve stabiliserar den austenitiska mikrostrukturen, minskar behovet av nickellegering och förbättrar både mekaniska och korrosionsegenskaper. Dess roll och önskade halter varierar dock beroende på ståltyp, och även små förändringar i kvävehalten kan påverka stålets egenskaper. I tillverkningen av rostfritt stål spelar AOD process en central roll där kvävehalten huvudsakligen bestäms. Som ett slutligt mål med detta arbete var att utveckla modeller för att förbättra kvävekontroll i AOD konverter, vilket var anledning till att alla experiment och mätningar utfördes i en industriell AOD konverter. Inledningsvis undersöktes olika legeringsämnens och temperaturs inverkan på kvävets jämviktslöslighet vid atmosfäriskt kvävetryck, vilket ledde till utvecklingen av en ny matematisk formel. Därefter fastställdes hur kvävehalten i smält stål kan styras genom att variera kvävepartialtrycket i processgaserna, vilket bekräftade den praktiska användbarheten av Sieverts´ lag. För att uppnå önskade, kontrollerade kvävehalten i stålet är det också viktigt att förstå de faktorer som påverkar kinetiken för förändring av kvävehalten, vilket undersöktes genom att studera både kväveabsorption och -desorption, det vill säga höjning och sänkning av kvävehalten, i flera test serier. De termodynamiska-kinetiska modellerna, som utvecklades i detta arbete, testades över ett brett spektrum av stålsammansättningar och kvävehaltsintervall från 0.150 till 0.400 %. Resultaten visade att kvävehalten kan förutsägas noggrant med hjälp av dessa modeller. De utvecklade ekvationerna för förutsägelse av kvävehalten kan integreras i styrmodeller för produktionsprocessen. Detta gör det möjligt att fixera kvävehalten mer exakt och förbättra produktiviteten hos AOD-konverter för kvävelegerade stålsorter. Dessutom minskar detta kvalitetsförlusterna och kostnader genom färre behovet för omblåsningar.
Description
Supervising professor
Jokilaakso, Ari, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Holappa, Lauri, Prof. emerit., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Keywords
nitrogen control, nitrogenation, denitrogenation, thermodynamics, kinet-ics, solubility, AOD converter, stainless steelmaking, Sieverts’ law, typen hallinta, typetys, typen poisto, termodynamiikka, kinetiikka, liukoisuus, AOD konvertteri, ruostumattoman teräksen valmistus, Sievertsin laki
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Pitkälä, J., Holappa, L. and Jokilaakso, A. A Study of the Effect of AlloyingElements and Temperature on Nitrogen Solubility in IndustrialStainless Steelmaking. Metallurgical Transactions B, 2022, 53B, pp.2364-2376.
    DOI: 10.1007/s11663-022-02534-1. View at publisher
  • [Publication 2]: Pitkälä, J., Holappa, L. and Jokilaakso, A. Nitrogen Control in Productionof N-Alloyed Stainless Steels in AOD Converter – Application of Sieverts’Law. Metallurgical Transactions B. 2024, 55B, pp. 524-536.
  • [Publication 3]: Pitkälä, J., Holappa, L. and Jokilaakso, A. Production of Nitrogen-AlloyedStainless Steels in AOD Converter – Kinetics and Modeling of Nitrogenationand Denitrogenation. Steel Research International, 2023DOI:10.1002/srin.202300597
Citation