Proses Asam dalam Pembuatan Baja: Langkah Kunci dan Peralatan Dijelaskan

Definisi dan Konsep Dasar

Proses Asam dalam pembuatan baja mengacu pada metode pemurnian utama yang menggunakan fluks asam, biasanya berbasis silika, untuk menghilangkan kotoran seperti fosfor, sulfur, dan elemen tidak diinginkan lainnya dari besi atau baja cair. Proses ini sangat penting untuk mengubah baja mentah menjadi baja berkualitas tinggi yang telah dimurnikan dengan komposisi kimia yang terkontrol dan sifat yang ditingkatkan.

Pada dasarnya, proses asam bertujuan untuk memfasilitasi penghilangan kotoran melalui reaksi kimia antara logam cair dan fluks asam, yang membentuk fase terak yang dapat dipisahkan. Ini memainkan peran penting dalam rantai produksi baja secara keseluruhan, sering kali mengikuti tahap peleburan oksigen dasar atau tungku busur listrik, dan mendahului pemurnian sekunder atau pengecoran.

Dalam alur proses pembuatan baja, proses asam ditempatkan setelah peleburan awal dan paduan, berfungsi sebagai langkah pemurnian untuk mencapai spesifikasi kimia yang ditargetkan. Ini terutama menonjol dalam rute pembuatan baja tungku terbuka, Bessemer, atau berbasis konverter, di mana penghilangan kotoran sangat penting untuk memproduksi baja berkualitas tinggi.

---

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Proses asam bergantung pada prinsip dasar afinitas kimia dan termodinamika, di mana fluks asam bereaksi dengan kotoran dasar dalam logam cair. Konsep rekayasa utama melibatkan pengenalan fluks kaya silika—seperti kuarsa atau pasir silika—ke dalam pemandian baja atau besi cair.

Komponen teknologi kunci meliputi:

• Sistem penambahan fluks: Peralatan untuk dosis tepat fluks berbasis silika.
• Desain ladle atau wadah: Wadah yang dilapisi refraktori yang mampu menahan suhu tinggi dan terak korosif.
• Sistem penyaringan dan pengetukan terak: Untuk memisahkan terak kaya kotoran dari logam yang telah dimurnikan.

Mekanisme operasi utama melibatkan pembentukan silikat kalsium dan fase terak lainnya yang mengenkapsulasi kotoran. Alur proses biasanya melibatkan penambahan fluks ke logam cair, pengadukan atau agitasi untuk mempromosikan reaksi, dan kemudian memisahkan terak dari baja.

Parameter Proses

Variabel kritis yang mempengaruhi proses asam meliputi:

• Tarif penambahan fluks: Biasanya 1-3% dari berat logam cair, disesuaikan berdasarkan tingkat kotoran.
• Suhu: Beroperasi dalam 1500°C hingga 1650°C untuk mempertahankan fluiditas dan kinetika reaksi.
• Waktu reaksi: Berkisar antara 10 hingga 30 menit, tergantung pada konsentrasi kotoran.
• Basikitas terak: Dipertahankan pada tingkat rendah (terak asam), dengan rasio CaO terhadap SiO₂ yang khas kurang dari 1.

Parameter ini secara langsung mempengaruhi efisiensi penghilangan kotoran, viskositas terak, dan komposisi baja akhir. Sistem kontrol menggunakan termokopel, analisis komposisi terak, dan sistem dosis otomatis untuk mempertahankan kondisi optimal.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi proses asam yang khas terdiri dari:

• Ladle atau wadah pemurnian: Biasanya memiliki kapasitas 50-200 ton, dilapisi dengan refraktori tahan asam.
• Sistem penambahan fluks: Pemberi makan pneumatik atau mekanis untuk bahan silika.
• Sistem penanganan terak: Penyaring, pot terak, dan konveyor transfer.

Variasi desain termasuk adopsi wadah pemurnian kontinu atau ladle tipe batch, dengan evolusi menuju konfigurasi yang lebih otomatis dan efisien energi. Sistem tambahan termasuk pengadukan argon, unit kontrol suhu, dan peralatan pengkondisian terak.

---

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia inti melibatkan interaksi fluks silika dengan elemen kotoran:

• Penghilangan fosfor:
  ( \text{P (dalam logam)} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{P}_2\text{O}_5 \text{ (dalam terak)} )

• Penghilangan sulfur:
  ( \text{S (dalam logam)} + \text{CaO} \rightarrow \text{CaS (terak)} )

• Pengenkapsulan kotoran:
  ( \text{Kotoran} + \text{Fluks} \rightarrow \text{Fase terak} )

Secara termodinamika, reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi, dengan pembentukan fase silikat dan sulfida yang stabil. Kinetika tergantung pada suhu, konsentrasi kotoran, dan agitasi.

Produk reaksi termasuk silikat kalsium, fosfat kalsium, dan sulfida, yang membentuk fase terak. Produk sampingan ini biasanya dihilangkan melalui pengetukan atau penyaringan.

Transformasi Metalurgi

Selama proses asam, perubahan mikrostruktur meliputi:

• Segregasi kotoran: Kotoran terkonsentrasi dalam fase terak, mengurangi kandungannya dalam baja.
• Pemurnian mikrostruktur: Penghilangan inklusi non-logam dan kotoran menghasilkan baja yang lebih bersih.
• Transformasi fase: Mikrostruktur baja tetap sebagian besar tidak berubah secara kimia, tetapi pengurangan kotoran meningkatkan ketangguhan, ketahanan, dan kemampuan pengelasan.

Proses ini meningkatkan sifat metalurgi dengan mengurangi tingkat kotoran di bawah ambang batas yang ditentukan, sehingga meningkatkan kinerja mekanis baja.

Interaksi Material

Interaksi melibatkan:

• Interaksi logam-terak: Kotoran berpindah dari logam cair ke terak, didorong oleh afinitas kimia.
• Korosif refraktori: Terak asam dapat mengikis lapisan refraktori, terutama jika basikitas terak tidak dikendalikan dengan baik.
• Interaksi atmosfer: Minimal, karena proses terjadi dalam ladle tertutup; namun, oksidasi dapat terjadi jika masuknya oksigen tidak terkontrol.

Pengendalian interaksi yang tidak diinginkan melibatkan pemeliharaan kimia terak yang optimal, menggunakan refraktori tahan korosi, dan meminimalkan paparan oksigen melalui penutupan gas inert.

---

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Masukan meliputi:

• Besi atau baja cair: Biasanya dengan tingkat kotoran yang diketahui, disuplai dari tungku peleburan.
• Fluks silika: Kuarsa atau pasir silika berkualitas tinggi, dengan spesifikasi seperti >99% kemurnian SiO₂.
• Aditif: Kapur atau fluks lainnya dapat digunakan untuk menyesuaikan sifat terak.

Persiapan material melibatkan pengeringan dan pengukuran ukuran bahan silika untuk memastikan penambahan yang konsisten. Penanganan memerlukan pengendalian debu dan langkah-langkah keselamatan karena bahaya debu silika.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi penghilangan kotoran; tingkat kotoran yang lebih tinggi memerlukan lebih banyak fluks dan waktu reaksi yang lebih lama.

Urutan Proses

Langkah-langkah operasional:

• Pra-pemanasan dan stabilisasi suhu: Memastikan logam cair berada pada suhu optimal.
• Penambahan fluks: Silika diperkenalkan secara bert