Proses Oksigen Dasar: Metode & Peralatan Utama dalam Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Proses Oksigen Dasar (BOP), juga dikenal sebagai Pembuatan Baja Oksigen Dasar (BOS), adalah metode pembuatan baja utama yang mengubah besi cair dari tungku tinggi menjadi baja berkualitas tinggi. Proses ini melibatkan meniupkan oksigen murni melalui besi cair untuk mengurangi kandungan karbon dan menghilangkan kotoran, menghasilkan baja yang disempurnakan yang cocok untuk berbagai aplikasi.

Proses ini memainkan peran sentral dalam rantai manufaktur baja, berfungsi sebagai metode utama untuk memproduksi jumlah besar baja dengan komposisi kimia dan mikrostruktur yang terkontrol. Ini menjembatani kesenjangan antara produksi besi mentah dan pemrosesan hilir seperti pengecoran, penggulungan, dan penyelesaian.

Posisi setelah pembuatan besi, Proses Oksigen Dasar biasanya terintegrasi ke dalam pabrik baja terintegrasi, mengikuti operasi tungku tinggi. Besi cair yang dihasilkan dalam tungku tinggi dipindahkan ke konverter BOF, di mana ia mengalami pemurnian untuk menghasilkan baja. Proses ini sangat efisien, mampu memproduksi jutaan ton setiap tahun, dan dapat disesuaikan dengan berbagai jenis baja.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa dasar dari Proses Oksigen Dasar adalah oksidasi. Oksigen murni ditiupkan dengan kecepatan tinggi ke dalam besi cair, menyebabkan oksidasi karbon, silikon, mangan, fosfor, dan kotoran lainnya secara cepat. Oksidasi ini melepaskan panas, menjaga suhu lelehan tanpa pemanasan eksternal.

Komponen teknologi kunci termasuk wadah konverter, peluncur oksigen, dan sistem tambahan. Konverter adalah cangkang baja yang dilapisi refraktori dan didinginkan dengan air, dirancang untuk menahan suhu tinggi dan serangan kimia. Peluncur oksigen, sebuah pipa panjang bertekanan tinggi, mengarahkan oksigen ke dalam logam cair dengan kontrol yang tepat.

Selama operasi, konverter dimiringkan untuk memfasilitasi pengisian dan penyaluran. Besi cair dituangkan ke dalam wadah, dan peluncur oksigen diturunkan ke dalam lelehan. Oksigen ditiupkan secara terputus-putus atau terus menerus, tergantung pada tahap proses, mendorong reaksi kimia yang menghilangkan kotoran. Slag terbentuk di atas baja cair, menangkap kotoran untuk dihilangkan.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk laju aliran oksigen, durasi tiupan, suhu, dan komposisi kimia dari muatan. Laju aliran oksigen yang khas berkisar antara 10.000 hingga 20.000 Nm³/jam, tergantung pada ukuran konverter dan jenis baja.

Durasi tiupan bervariasi dari 15 hingga 30 menit, dioptimalkan untuk mencapai komposisi kimia dan suhu target. Suhu awal besi cair biasanya sekitar 1.600°C, dengan penyesuaian dilakukan selama tiupan untuk mempertahankan kondisi optimal.

Sistem kontrol memanfaatkan sensor waktu nyata, seperti analisis oksigen, probe suhu, dan pemantau komposisi slag. Algoritma kontrol otomatis menyesuaikan aliran oksigen dan waktu tiupan untuk memastikan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Konverter BOF yang khas memiliki kapasitas berkisar antara 100 hingga 400 ton, dengan unit yang lebih besar semakin umum. Wadahnya berbentuk silinder dengan dasar kerucut, dilapisi dengan bata refraktori yang tahan terhadap suhu tinggi dan korosi kimia.

Variasi desain termasuk sistem injeksi oksigen yang ditiup dari atas, dari bawah, dan kombinasi. Evolusi peralatan telah fokus pada peningkatan kapasitas, perbaikan umur refraktori, dan peningkatan kontrol proses.

Sistem tambahan termasuk unit penanganan slag, sistem pengumpulan debu, dan sirkuit pendinginan air. Instalasi modern menggabungkan otomatisasi, pemantauan jarak jauh, dan bahan refraktori canggih untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi waktu henti.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan oksidasi kotoran:

• Oksidasi karbon:
  C + O₂ → CO atau CO₂
  Reaksi ini mengurangi kandungan karbon dan menghasilkan panas, mempertahankan suhu proses.

• Oksidasi silikon:
  Si + O₂ → SiO₂ (silika)
  Silikon teroksidasi membentuk silika dalam slag.

• Oksidasi mangan:
  Mn + O₂ → MnO₂ atau MnO
  Mangan dihilangkan sebagai oksida dalam slag.

• Penghilangan fosfor:
  P + 3O₂ → P₂O₅
  Fosfor teroksidasi dan terperangkap dalam slag.

Dari sudut pandang termodinamika, reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi, dengan tekanan parsial oksigen dan suhu mempengaruhi laju reaksi. Kinetika tergantung pada aliran oksigen, pencampuran, dan luas permukaan kotoran.

Produk reaksi termasuk baja cair, slag yang mengandung oksida kotoran, dan produk sampingan gas seperti CO dan CO₂. Proses ini bertujuan untuk memaksimalkan penghilangan kotoran sambil meminimalkan emisi yang tidak diinginkan.

Transformasi Metalurgi

Selama tiupan, baja mengalami perubahan mikrostruktur, termasuk pelarutan elemen paduan dan pembentukan fase seperti ferit, perlit, atau martensit, tergantung pada kondisi pendinginan.

Transformasi fase dipengaruhi oleh komposisi kimia dan laju pendinginan, mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan. Penghilangan kotoran menyempurnakan mikrostruktur, menghasilkan peningkatan homogenitas dan konsistensi.

Proses ini juga melibatkan deoksidasi, di mana oksigen dihilangkan dari baja untuk mencegah porositas dan meningkatkan kualitas permukaan. Pembentukan mikrostruktur baja bersih dengan oksigen rendah sangat penting untuk aplikasi berkinerja tinggi.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, slag, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting. Slag bertindak sebagai penampung kimia untuk kotoran tetapi juga dapat menyebabkan kontaminasi jika tidak dikelola dengan baik.

Bahan refraktori dirancang untuk menahan suhu tinggi dan serangan kimia tetapi dapat terdegradasi seiring waktu akibat korosi slag dan siklus termal. Pemilihan dan pemeliharaan pelapisan yang tepat memperpanjang umur refraktori.

Gas atmosfer, termasuk nitrogen dan oksigen residu, dapat menyebabkan oksidasi atau kontaminasi jika tidak dikendalikan. Proses ini menggunakan penyegelan dan pembersihan gas inert untuk meminimalkan interaksi yang tidak diinginkan.

Metode seperti pembentukan busa slag dan pengadukan digunakan untuk mendorong penghilangan kotoran dan homogenisasi, sementara pelapisan refraktori dan perbaikan pelapisan mencegah kontaminasi dan kegagalan peralatan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah besi cair dari tungku tinggi, dengan komposisi kimia yang biasanya mengandung 3-4% karbon, 1-2% silikon, dan elemen paduan lainnya. Besi harus memenuhi standar suhu dan kotoran tertentu.

Fluks seperti kapur (CaO) dan fluorspar (CaF₂) ditambahkan untuk mengontrol kimia slag dan memfasilitasi penghilangan kotoran. Baja bekas dapat diperkenalkan untuk menyesuaikan komposisi atau meningkatkan efisiensi proses.

Penanganan melibatkan transfer ladle, pemanasan awal, dan pengisian yang tepat untuk memastikan keseragaman. Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi stabilitas proses, pembentukan slag, dan sifat baja akhir.

Urutan Proses

Urutan dimulai dengan pengisian besi cair ke dalam konverter, diikuti dengan penyesuaian pra-tiupan. Peluncur oksigen diturunkan, dan tiupan oksigen dimulai.

Tiupan dikendalikan dengan hati-hati untuk mencapai komposisi kimia dan suhu target, dengan penyisiran dan