Desulfurization dalam Pembuatan Baja: Proses Penting untuk Baja Berkualitas Tinggi

Definisi dan Konsep Dasar

Desulfurisasi adalah proses metalurgi yang kritis dalam pembuatan baja yang bertujuan untuk mengurangi kandungan sulfur dalam besi cair atau baja hingga tingkat yang dapat diterima. Tujuan dasarnya adalah untuk meningkatkan sifat mekanik, kemampuan pengelasan, dan ketahanan korosi baja dengan meminimalkan cacat yang disebabkan oleh sulfur seperti kekurangan panas dan kerapuhan.

Dalam rantai produksi baja, desulfurisasi biasanya terjadi selama tahap pemurnian utama, baik di tungku tiup, konverter, atau tungku ladle. Ini adalah langkah penting setelah pembuatan besi dan sebelum pengecoran akhir, memastikan komposisi kimia baja memenuhi standar dan persyaratan kinerja yang ditentukan.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti dari desulfurisasi bergantung pada reaksi kimia yang memindahkan sulfur dari logam cair ke dalam terak atau agen paduan yang sesuai. Proses ini sering melibatkan penambahan agen desulfurisasi yang bereaksi dengan sulfur untuk membentuk senyawa stabil, yang kemudian dipisahkan dari baja.

Komponen teknologi kunci termasuk fluks atau bubuk desulfurisasi—seperti kalsium karbida, kalsium oksida, atau bahan berbasis magnesium—dan sistem injeksi atau pengadukan khusus. Komponen ini memfasilitasi kontak antara agen desulfurisasi dan logam cair, mendorong penghilangan sulfur yang efisien.

Mekanisme operasi utama melibatkan penambahan langsung desulfurizer ke dalam lebur atau injeksi melalui sistem lance, dikombinasikan dengan pengadukan atau agitasi untuk meningkatkan kontak. Aliran material dikendalikan dengan hati-hati untuk mengoptimalkan kinetika reaksi dan mencegah kontaminasi ulang atau oksidasi.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, komposisi terak, dan jumlah agen desulfurisasi yang ditambahkan. Suhu operasi yang khas berkisar antara 1.600°C hingga 1.700°C, tergantung pada grade baja dan tahap proses.

Kandungan sulfur dalam baja biasanya ditargetkan di bawah 0,005 wt%, dengan beberapa baja berkualitas tinggi memerlukan tingkat di bawah 0,001 wt%. Jumlah desulfurizer yang ditambahkan dihitung berdasarkan kandungan sulfur awal, volume baja, dan tingkat sulfur akhir yang diinginkan.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata, seperti spektrometer dan analisis terak, untuk memantau tingkat sulfur dan kimia terak. Algoritma kontrol otomatis menyesuaikan laju penambahan desulfurizer dan intensitas pengadukan untuk mempertahankan kondisi optimal.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi desulfurisasi yang khas memiliki tungku ladle yang dilengkapi dengan sistem lance untuk menyuntikkan agen desulfurisasi. Lance diposisikan di atas permukaan baja cair, memungkinkan pengiriman fluks atau bubuk yang tepat.

Konfigurasi fisik bervariasi dengan ukuran pabrik, mulai dari sistem lance kecil dan portabel hingga stasiun injeksi otomatis besar. Seiring waktu, peralatan telah berkembang untuk menggabungkan otomatisasi canggih, pelapisan refraktori yang ditingkatkan, dan mekanisme pengadukan yang lebih baik.

Sistem tambahan termasuk pengurasan argon atau nitrogen untuk mempromosikan pencampuran, pengikis terak untuk penghilangan terak, dan perangkat kontrol suhu untuk mempertahankan kondisi proses yang optimal.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan pembentukan kalsium sulfida (CaS) atau magnesium sulfida (MgS) dari sulfur dalam baja yang bereaksi dengan kalsium atau magnesium dalam fluks. Misalnya:

• CaO + SiO₂ → Terak silikat kalsium (reaksi fluks)
• CaO + S (dalam baja) → CaS (sulfida) + O₂ (produk oksidasi)

Termodinamika mendukung transfer sulfur dari baja ke terak ketika kimia terak disesuaikan dengan benar, dengan reaksi didorong oleh aktivitas kalsium atau magnesium dalam sistem.

Kinetika dipengaruhi oleh suhu, agitasi, dan luas permukaan agen desulfurisasi, dengan suhu yang lebih tinggi umumnya mempercepat reaksi.

Produk reaksi seperti CaS stabil pada suhu tinggi dan dihilangkan bersama terak, secara efektif menurunkan kandungan sulfur dalam baja.

Transformasi Metalurgi

Selama desulfurisasi, perubahan mikrostruktur termasuk pembentukan inklusi sulfida, seperti sulfida mangan atau sulfida kalsium, yang terdispersi dalam matriks baja.

Inklusi ini mempengaruhi sifat mekanik baja, sering kali meningkatkan kemampuan mesin tetapi berpotensi mengurangi ketangguhan jika tidak dikendalikan. Proses ini juga melibatkan oksidasi kotoran lain, seperti fosfor, tergantung pada komposisi fluks.

Transformasi fase termasuk konversi sulfur dari keadaan terlarut dalam logam menjadi inklusi sulfida padat, yang kemudian dipisahkan ke dalam terak atau dihilangkan melalui filtrasi.

Pengendalian yang tepat terhadap transformasi ini memastikan mikrostruktur dan sifat mekanik yang diinginkan dalam produk baja akhir.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Sulfur dapat masuk kembali ke dalam baja jika kimia terak tidak dipertahankan dengan baik, terutama jika terak tidak jenuh dengan kalsium atau magnesium.

Bahan refraktori harus tahan terhadap suhu tinggi dan terak korosif; pilihan umum termasuk bata berbasis alumina atau magnesia. Mekanisme transfer material termasuk difusi sulfur ke dalam terak dan potensi kontaminasi dari keausan refraktori.

Pengendalian interaksi yang tidak diinginkan melibatkan pemeliharaan kimia terak yang optimal, meminimalkan degradasi refraktori, dan mencegah oksidasi agen desulfurisasi. Penutup terak pelindung dan atmosfer inert digunakan untuk mengurangi kontaminasi dan oksidasi.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan termasuk besi cair atau baja, fluks desulfurisasi (seperti kalsium karbida, kalsium oksida, atau bubuk magnesium), dan gas inert seperti argon atau nitrogen untuk pengadukan.

Kualitas baja masukan, terutama kandungan sulfur awal, secara langsung mempengaruhi efisiensi desulfurisasi. Tingkat sulfur yang tinggi memerlukan lebih banyak desulfurizer dan waktu perawatan yang lebih lama.

Persiapan melibatkan memastikan fluks kering, bebas dari kotoran, dan ukuran yang tepat untuk injeksi atau pencampuran. Sistem penanganan harus mencegah masuknya kelembaban, yang dapat menyebabkan reaksi yang tidak diinginkan.

Urutan Proses

Urutan yang khas dimulai dengan mentransfer baja cair ke dalam ladle, diikuti dengan stabilisasi suhu. Agen desulfurisasi kemudian disuntikkan melalui lance atau ditambahkan secara manual, dengan pengadukan atau agitasi untuk mempromosikan pencampuran.

Durasi proses bervariasi dari beberapa menit hingga lebih dari sepuluh menit, tergantung pada tingkat sulfur awal dan kandungan akhir yang diinginkan. Pemantauan terus-menerus memandu waktu penambahan agen dan penghilangan terak.

Setelah tingkat sulfur mencapai nilai target, terak disisir, dan baja dipindahkan untuk pemurnian lebih lanjut atau pengecoran. Seluruh siklus dikoordinasikan untuk mengoptimalkan throughput dan kualitas.

Titik Integrasi

Desulfurisasi terintegrasi antara pembuatan baja primer (tungku tiup atau konverter) dan pemurnian sekunder atau pengecoran. Ini menerima baja cair dari proses hulu dan memasok baja yang telah dimurnikan ke hilir.

Aliran material melibatkan transfer melalui ladle, dengan penyimpanan sementara atau stasiun penyangga untuk mengakomodasi variabilitas proses. Aliran informasi mencakup pengukuran sulfur waktu nyata dan data kontrol proses untuk menyesuaikan parameter perawatan secara dinamis.

Di hulu, kandungan sulfur dalam baja awal mempengaruhi intensitas desulfurisasi. Di hilir, tingkat sulfur akhir mempengaruhi kualitas produk akhir, kemampuan pengelasan, dan ketahanan korosi.

Kinerja Operasional dan Kontrol