Converter dalam Pembuatan Baja: Peralatan Kunci untuk Produksi Baja yang Efisien

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Converter dalam industri baja adalah wadah metalurgi besar yang khusus digunakan terutama untuk mengubah besi cair (logam panas) menjadi baja melalui proses pemurnian yang menghilangkan kotoran dan menyesuaikan komposisi kimia. Ini berfungsi sebagai langkah kritis dalam proses pembuatan baja primer, menjembatani tahap tungku tiup atau tungku oksigen dasar (BOF) dan tahap pemurnian sekunder atau pengecoran.

Tujuan mendasar dari converter adalah untuk memfasilitasi oksidasi kotoran seperti karbon, silikon, mangan, fosfor, dan sulfur dari besi cair, mengubahnya menjadi baja berkualitas tinggi dengan sifat kimia dan mekanik yang diinginkan. Ini dicapai melalui reaksi kimia yang terkontrol yang terjadi dalam lingkungan kaya oksigen dengan suhu tinggi.

Dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, converter ditempatkan setelah tahap peleburan tungku tiup atau tungku busur listrik (EAF), di mana bahan mentah dilebur menjadi besi cair atau scrap. Ini diikuti oleh proses pemurnian sekunder, pengecoran, dan operasi penggulungan atau penyelesaian. Peran converter sangat penting dalam memproduksi sejumlah besar baja oksigen dasar secara efisien dan konsisten.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik converter adalah pemurnian oksidasi, di mana oksigen murni ditiupkan ke dalam besi cair untuk mengoksidasi kotoran, yang kemudian membentuk terak atau dilepaskan sebagai gas. Proses ini bergantung pada prinsip termodinamika yang mendukung oksidasi kotoran pada suhu tinggi, biasanya di atas 1600°C.

Komponen teknologi kunci termasuk wadah converter, biasanya dilapisi refraktori, cangkang baja yang didinginkan dengan air, dilengkapi dengan sistem lance untuk injeksi oksigen, dan tuyeres untuk menyuntikkan gas tambahan atau fluks. Bentuk wadah umumnya kerucut atau silindris dengan dasar yang meruncing untuk memfasilitasi pengetukan terak dan logam.

Mekanisme operasi utama melibatkan injeksi oksigen dari atas melalui lance, yang menciptakan agitasi dan pencampuran yang intens di dalam bak cair. Ini mendorong reaksi oksidasi yang efisien dan kontrol suhu. Alur proses melibatkan pengisian converter dengan besi cair, menyuntikkan oksigen, menambahkan fluks atau paduan sesuai kebutuhan, dan mengontrol kondisi reaksi hingga komposisi baja yang diinginkan tercapai.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

• Kecepatan aliran oksigen: biasanya 10.000 hingga 50.000 Nm³/jam, tergantung pada ukuran converter dan tahap proses.
• Suhu: dipertahankan antara 1600°C dan 1700°C untuk kinetika reaksi yang optimal.
• Tinggi dan sudut lance: disesuaikan untuk mengoptimalkan dispersi oksigen dan meminimalkan percikan.
• Waktu reaksi: umumnya 15 hingga 30 menit, tergantung pada komposisi awal dan grade baja akhir yang diinginkan.
• Tingkat kotoran: target pengurangan dalam karbon (di bawah 0,1%), silikon, fosfor, dan sulfur.

Parameter ini mempengaruhi reaksi kimia, stabilitas suhu, dan kualitas baja akhir. Kontrol yang tepat dicapai melalui sistem kontrol otomatis yang memantau komposisi gas, sensor suhu, dan komposisi terak.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi converter yang khas terdiri dari cangkang baja yang dilapisi refraktori yang dipasang pada mekanisme miring untuk pengisian dan pengetukan. Dimensi converter bervariasi dengan kapasitas, berkisar dari 100 hingga lebih dari 300 ton per wadah.

Variasi desain termasuk Converter Oksigen Dasar (BOF) dengan pelapisan refraktori dasar dan converter LD (Linz-Donawitz), yang merupakan jenis yang paling umum. Seiring waktu, inovasi seperti mekanisme miring untuk operasi yang lebih mudah, sistem multi-lance untuk distribusi oksigen yang lebih baik, dan sistem pemanasan awal untuk efisiensi energi telah berkembang.

Sistem tambahan termasuk peralatan penanganan terak, unit pembersihan gas untuk menangkap emisi CO dan CO₂, dan perangkat pengukuran suhu seperti sensor inframerah atau termokopel.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan oksidasi kotoran:

• Oksidasi karbon:
  ( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow ) atau ( \text{CO}_2 \uparrow )

• Oksidasi silikon:
  ( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 ) (bagian dari terak)

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

• Penghilangan fosfor:
  ( \text{P} + \text{FeO} \rightarrow \text{Fe}_3\text{P} ) (dimasukkan ke dalam terak)

• Penghilangan sulfur:
  ( \text{S} + \text{FeO} \rightarrow \text{FeS} )

Reaksi ini secara termodinamika diuntungkan pada suhu tinggi, dengan oksigen bertindak sebagai agen pengoksidasi. Proses ini dikendalikan secara kinetik oleh kecepatan aliran oksigen, suhu, dan intensitas pencampuran.

Produk reaksi termasuk terak yang kaya akan oksida silikon, fosfor, dan mangan, serta emisi gas seperti CO, CO₂, dan oksida nitrogen. Manajemen yang tepat terhadap produk sampingan ini sangat penting untuk kepatuhan lingkungan.

Transformasi Metalurgi

Selama konversi, mikrostruktur baja mengalami perubahan signifikan. Oksidasi pada suhu tinggi mengurangi kandungan karbon, mengubah besi cair awal menjadi baja dengan tingkat karbon yang terkontrol.

Transformasi fase termasuk pembentukan ferrit, pearlit, dan martensit selama pendinginan dan pembekuan berikutnya. Penghilangan kotoran dan penambahan paduan memperhalus mikrostruktur, meningkatkan sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan.

Proses ini juga melibatkan pembentukan terak, yang bertindak sebagai agen pemurnian, menyerap kotoran dan melindungi logam cair dari kontaminasi. Komposisi dan viskositas terak mempengaruhi transfer panas dan kinetika reaksi.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting. Reaksi logam-terak dapat menyebabkan reaksi terak-logam yang mempengaruhi komposisi dan kebersihan.

Bahan refraktori harus tahan terhadap suhu tinggi, serangan kimia, dan siklus termal. Jenis refraktori yang umum termasuk magnesia, dolomit, dan bata berbasis alumina.

Gas atmosfer, terutama oksigen, memfasilitasi oksidasi tetapi juga dapat menyebabkan oksidasi refraktori atau penangkapan terak jika tidak dikendalikan dengan baik. Teknik seperti penyaringan terak dan pembersihan gas mengurangi kontaminasi.

Kontrol interaksi yang tidak diinginkan melibatkan kontrol proses yang tepat, pemilihan refraktori, dan mempertahankan kimia terak yang optimal untuk mencegah erosi dan memastikan umur panjang.

Alur Proses dan Integrasi