Pengolahan Baja Oksigen Dasar: Proses Kunci dalam Produksi Baja Modern

Definisi dan Konsep Dasar

Pembuatan Baja Oksigen Dasar (BOS), juga dikenal sebagai Proses Oksigen Dasar (BOP), adalah metode pembuatan baja utama yang mengubah besi cair dari tungku tinggi menjadi baja dengan meniupkan oksigen melalui logam cair. Tujuan dasarnya adalah untuk menyempurnakan besi tuang dengan mengurangi kandungan karbon dan menghilangkan kotoran seperti silikon, mangan, fosfor, dan sulfur, sehingga menghasilkan baja berkualitas tinggi.

Proses ini memainkan peran sentral dalam rantai manufaktur baja, berfungsi sebagai langkah utama dalam mengubah besi mentah menjadi produk baja yang dapat digunakan. Ini mengikuti tahap pembuatan besi, di mana bijih besi direduksi menjadi besi tuang, dan mendahului pemurnian sekunder atau operasi pengecoran. BOS dipilih karena produktivitasnya yang tinggi, fleksibilitas, dan kemampuannya untuk memproduksi berbagai macam grade baja secara efisien.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti dari BOS bergantung pada penyuntikan oksigen murni tinggi ke dalam besi tuang cair dengan kecepatan tinggi, yang menginduksi reaksi oksidasi yang menghilangkan kotoran. Proses ini memanfaatkan sifat eksotermik dari oksidasi, yang menyediakan panas untuk mempertahankan keadaan cair tanpa pemanasan eksternal.

Komponen teknologi kunci termasuk wadah konverter, peluncur oksigen, dan sistem tambahan seperti penyaring terak, tuyere, dan unit pembersihan gas. Konverter adalah wadah yang dilapisi refraktori dan didinginkan dengan air, dirancang untuk menahan suhu tinggi dan serangan kimia. Peluncur oksigen, sebuah pipa panjang bertekanan tinggi, ditempatkan di tengah konverter untuk mengalirkan oksigen langsung ke dalam lelehan.

Selama operasi, oksigen ditiupkan melalui peluncur dengan kecepatan tinggi, menciptakan turbulensi yang mendorong oksidasi cepat. Proses ini melibatkan urutan tiupan yang terkontrol, sering kali dengan oksigen yang dipanaskan sebelumnya, dan penambahan fluks dan paduan untuk mencapai komposisi baja yang diinginkan. Reaksi oksidasi menghasilkan panas, yang mempertahankan keadaan cair dan memfasilitasi penghilangan kotoran.

Parameter Proses

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

Durasi tiupan biasanya berlangsung antara 15 hingga 30 menit, dengan variasi berdasarkan komposisi awal besi tuang dan kualitas baja akhir yang diinginkan. Suhu konverter dipertahankan sekitar 1.600°C hingga 1.700°C, memastikan kinetika reaksi yang optimal.

Sistem kontrol memanfaatkan sensor canggih dan otomatisasi untuk memantau parameter seperti tekanan oksigen, suhu, dan komposisi gas buang. Data waktu nyata memungkinkan operator untuk menyesuaikan intensitas tiupan, durasi, dan penambahan fluks untuk mengoptimalkan penghilangan kotoran dan meminimalkan konsumsi energi.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi BOS yang khas memiliki wadah konverter baja yang dilapisi refraktori, sering kali berkisar antara 100 hingga 350 ton kapasitas. Konverter dipasang pada platform berputar, memungkinkan kemiringan untuk penyaluran dan penghilangan terak.

Variasi desain termasuk konverter yang ditiup dari bawah dengan oksigen, konverter yang ditiup dari atas, dan sistem gabungan. Seiring waktu, inovasi telah meningkatkan bahan refraktori, sistem pembersihan gas, dan kontrol otomatisasi, meningkatkan efisiensi dan umur pakai.

Sistem tambahan termasuk unit pemanasan awal untuk oksigen, peralatan pengumpulan debu dan penyaringan gas, serta fasilitas penanganan terak. Pabrik modern mengintegrasikan kemampuan operasi jarak jauh dan pemantauan canggih untuk meningkatkan keselamatan dan produktivitas.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan oksidasi karbon, silikon, mangan, fosfor, dan sulfur dalam besi tuang. Misalnya, oksidasi karbon berlangsung sebagai:

$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \quad \text{atau} \quad \text{CO}_2 $$

Demikian pula, silikon dan mangan teroksidasi:

$$\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 $$
$$\text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO} $$

Penghilangan fosfor terjadi melalui pembentukan fosfat dengan fluks, yang diserap ke dalam terak. Reaksi ini secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi, dengan energi bebas Gibbs menurun seiring dengan berlangsungnya oksidasi.

Faktor kinetik seperti laju aliran oksigen, suhu, dan konsentrasi kotoran mempengaruhi laju reaksi. Proses ini dirancang untuk mengoptimalkan reaksi ini untuk mencapai komposisi baja target secara efisien.

Produk sampingan reaksi termasuk gas seperti CO, CO₂, dan oksida nitrogen, yang ditangkap dan diolah dalam sistem gas buang. Pembentukan terak dihasilkan dari oksida silikon, mangan, fosfor, dan kotoran lainnya, yang dipisahkan dari baja cair.

Transformasi Metalurgi

Selama BOS, transformasi metalurgi yang signifikan terjadi, termasuk perubahan mikrostruktur dan transformasi fase. Oksidasi cepat mengurangi kandungan karbon dari tingkat besi tuang yang khas (~4-4,5%) menjadi di bawah 0,1-1%, mengubah mikrostruktur dari ferritik/perlitik menjadi struktur ferritik, perlitik, atau martensitik yang dominan tergantung pada paduan.

Proses ini juga melibatkan dephosphorization dan desulfurization, yang mempengaruhi duktilitas, ketangguhan, dan kemampuan las baja. Pembentukan lapisan terak yang kaya oksida bertindak sebagai media pemurnian, menyerap kotoran dan memfasilitasi kontrol mikrostruktur.

Kecepatan pendinginan dan penambahan paduan selama penyaluran mempengaruhi transformasi fase, berdampak pada sifat seperti kekerasan, kekuatan, dan ketahanan korosi. Kontrol yang tepat memastikan produksi baja dengan mikrostruktur yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi.

Interaksi Material

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

Bahan refraktori harus tahan terhadap suhu tinggi, serangan kimia, dan siklus termal. Komposisi refraktori yang umum termasuk magnesia, alumina, dan zirkonia, dirancang untuk menahan korosi dan erosi.

Gas atmosfer, termasuk nitrogen dan oksigen residu, dapat menyebabkan kontaminasi atau efek mikrostruktur yang tidak diinginkan. Sistem pembersihan gas dan penyegelan meminimalkan interaksi ini.

Kontrol transfer material melibatkan penambahan fluks, manajemen kimia terak, dan pemeliharaan refraktori. Desain pelapisan yang tepat dan pemantauan mencegah kerusakan refraktori dan kontaminasi baja.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah besi tuang cair, biasanya dengan kandungan karbon 3,5-4,5%. Masukan tambahan termasuk fluks seperti kapur (CaO), fluorspar (CaF₂), dan ferroalloy untuk tujuan paduan.

Besi tuang biasanya dipersiapkan dalam tungku tinggi dan dipindahkan ke konverter BOS melalui mobil torpedo atau ladle. Bahan masukan harus memenuhi spesifikasi kimia dan suhu yang ketat untuk memastikan efisiensi proses.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi kinerja proses; tingkat kotoran yang tinggi atau komposisi yang tidak konsisten dapat menyebabkan waktu pemurnian yang lebih lama, peningkatan volume terak, dan kualitas baja yang bervariasi.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan pengisian konverter dengan besi tuang, diikuti dengan pemanasan awal jika diperlukan. Konverter kemudian dimiringkan ke