Proses Bessemer: Metode Pembuatan Baja Utama & Dampaknya terhadap Industri

Definisi dan Konsep Dasar

Proses Bessemer adalah teknik pembuatan baja yang inovatif yang dikembangkan pada pertengahan abad ke-19 yang merevolusi produksi massal baja. Proses ini melibatkan konversi besi cair menjadi baja dengan meniupkan udara melalui logam cair dalam konverter yang dirancang khusus. Proses ini terutama bertujuan untuk menghilangkan kelebihan karbon dan kotoran lainnya dari besi pig, menghasilkan baja berkualitas tinggi yang dapat ditempa dan cocok untuk berbagai aplikasi industri.

Posisi sebagai salah satu metode awal untuk produksi baja skala besar, proses Bessemer menjadi dasar bagi pembuatan baja modern. Ini adalah langkah penting dalam transisi dari besi tempa ke baja, memungkinkan pembuatan cepat dan ekonomis dalam jumlah besar. Proses ini biasanya mengikuti peleburan besi awal dan mendahului langkah pemurnian sekunder atau paduan dalam rantai produksi baja secara keseluruhan.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti dari proses Bessemer adalah oksidasi. Dengan meniupkan udara melalui besi pig cair, proses ini memfasilitasi oksidasi kotoran seperti karbon, silikon, mangan, dan fosfor. Kotoran ini bereaksi dengan oksigen untuk membentuk oksida gas atau terak, yang kemudian dihilangkan dari lelehan.

Komponen teknologi utama termasuk konverter Bessemer—sebuah wadah berbentuk pir, dilapisi refraktori dengan mekanisme miring—dan sistem tuyeres (nosel udara) yang diposisikan di bagian bawah. Konverter dipasang pada pivot, memungkinkan untuk dimiringkan untuk pengisian, peniupan, dan pengetukan. Udara disuplai melalui pipa ledakan yang terhubung ke tuyeres, yang mendistribusikan oksigen secara merata ke dalam logam cair.

Selama operasi, konverter diisi dengan besi pig dan, jika perlu, baja atau besi bekas. Setelah tertutup, udara terkompresi ditiupkan melalui tuyeres dengan kecepatan tinggi, memulai reaksi oksidasi yang cepat. Durasi proses biasanya berlangsung dari 10 hingga 20 menit, selama suhu dipertahankan untuk memastikan oksidasi lengkap dan mencegah pembekuan.

Parameter Proses

Variabel proses yang kritis termasuk laju ledakan, kemurnian oksigen, suhu, dan komposisi kimia dari besi pig awal. Laju ledakan yang khas berkisar antara 10 hingga 20 meter kubik udara per menit, tergantung pada ukuran konverter dan kecepatan reaksi yang diinginkan.

Kecepatan aliran oksigen mempengaruhi laju penghilangan kotoran dan profil suhu dalam konverter. Laju ledakan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan turbulensi dan kehilangan panas, sementara aliran yang tidak mencukupi memperpanjang proses dan dapat mengakibatkan dekarbonisasi yang tidak lengkap.

Kontrol suhu sangat penting; proses ini umumnya beroperasi pada suhu sekitar 1.600°C hingga 1.700°C untuk mempertahankan kondisi cair dan memfasilitasi oksidasi yang efisien. Pemantauan melibatkan termokopel dan inspeksi visual terhadap terak dan permukaan logam.

Sistem kontrol memanfaatkan kontrol tiup otomatis, menyesuaikan intensitas ledakan berdasarkan pengukuran suhu, komposisi gas, dan pembentukan terak secara real-time. Implementasi modern menggabungkan sensor dan kontrol komputer untuk operasi yang dioptimalkan.

Konfigurasi Peralatan

Konverter Bessemer yang khas memiliki tinggi sekitar 4 hingga 8 meter dan diameter 2 hingga 4 meter, dibangun dengan pelapisan refraktori yang mampu menahan suhu tinggi dan gas korosif. Konverter dipasang pada dudukan miring, memungkinkan pengisian, peniupan, dan pengetukan yang mudah.

Variasi desain termasuk konverter Bessemer tungku terbuka, konverter regeneratif dengan pelapisan refraktori yang ditingkatkan, dan tungku oksigen dasar modern (BOF), yang berkembang dari desain Bessemer asli untuk meningkatkan efisiensi dan kinerja lingkungan.

Sistem tambahan terdiri dari unit pasokan udara terkompresi, peralatan penanganan terak, dan sistem pendingin untuk pelapisan refraktori. Beberapa instalasi menggabungkan sistem pemanasan awal untuk udara yang masuk untuk meningkatkan efisiensi energi.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan oksidasi karbon dan kotoran lainnya:

• Oksidasi karbon:
  ( \mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2 \uparrow )
  atau oksidasi parsial menjadi karbon monoksida:
  ( 2\mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow 2\mathrm{CO} )

• Oksidasi silikon:
  ( \mathrm{Si} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{SiO}_2 ) (terak silika)

• Oksidasi mangan:
  ( \mathrm{Mn} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{MnO}_2 )

• Penghilangan fosfor terjadi melalui pembentukan fosfat dalam terak, sering difasilitasi oleh penambahan fluks.

Reaksi ini secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi, dengan kinetika reaksi dipengaruhi oleh tekanan parsial oksigen dan suhu. Pembentukan gas CO dan CO₂ mendorong penghilangan kotoran, sementara pembentukan terak menangkap oksida silikon, mangan, dan fosfor.

Transformasi Metalurgi

Selama proses, mikrostruktur logam berubah dari besi pig yang dicetak dan kaya karbon menjadi baja yang disempurnakan dengan mikrostruktur yang sebagian besar ferritik atau pearlitik. Dekarbonisasi mengurangi kandungan karbon dari sekitar 4-5% dalam besi pig menjadi di bawah 1% dalam baja.

Transformasi fase termasuk pelarutan elemen paduan dan pembentukan fase terak. Oksidasi yang cepat menghasilkan mikrostruktur yang disempurnakan dan homogen dengan ketangguhan dan ketahanan yang lebih baik. Proses ini juga mengurangi tegangan sisa dan porositas, meningkatkan sifat mekanik.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, terak, dan pelapisan refraktori sangat penting. Terak bertindak sebagai media reaksi, menyerap oksida dan kotoran, tetapi pembentukan terak yang berlebihan dapat menyebabkan kontaminasi atau kehilangan logam.

Bahan refraktori, biasanya bata berbasis magnesium atau alumina, rentan terhadap serangan kimia oleh terak dan suhu tinggi, memerlukan inspeksi dan penggantian secara teratur. Kontrol atmosfer meminimalkan oksidasi pelapisan refraktori dan mencegah kontaminasi.

Mekanisme transfer material termasuk difusi kotoran ke dalam terak dan korosi refraktori. Mengontrol komposisi terak dan suhu membantu mengurangi interaksi yang tidak diinginkan, menjaga efisiensi proses dan umur peralatan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah besi pig, biasanya dengan kandungan karbon 3,5-4,5%, bersama dengan baja atau besi bekas untuk menyesuaikan komposisi. Besi pig biasanya diproduksi di tungku tiup dengan komposisi kimia yang ditentukan.

Bahan masukan tambahan termasuk fluks seperti kapur atau dolomit untuk mempromosikan pembentukan terak dan menghilangkan kotoran. Kualitas bahan masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi dekarbonisasi dan kualitas baja akhir.

Penanganan melibatkan peleburan, pencampuran, dan pemanasan awal untuk memastikan komposisi dan suhu yang seragam. Persiapan yang tepat mengurangi variabilitas proses dan meningkatkan kontrol.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan mengisi konverter dengan besi pig dan bekas. Konverter kemudian ditutup dan dimiringkan ke posisi horizontal untuk peniupan.

Udara bertekanan tinggi diperkenalkan melalui tuyeres, memulai reaksi oksidasi. Durasi peniupan dijadwalkan dengan hati-hati untuk mencapai tingkat karbon dan kotoran yang diinginkan, biasanya 10-20 menit.

Setelah komposisi baja yang diinginkan tercapai, konverter dimiringkan kembali ke posisi vertikal untuk pengetukan. Baja cair dituangkan ke dalam