Bahan Baku dalam Produksi Baja: Bahan Mentah & Proses yang Penting

Definisi dan Konsep Dasar

Feedstock dalam industri baja mengacu pada bahan baku yang disuplai ke unit pemrosesan primer, seperti tanur tiup, tanur busur listrik, atau pabrik reduksi langsung, untuk memproduksi baja cair atau produk baja setengah jadi. Ini mencakup berbagai bahan input, termasuk bijih besi, pelet, sinter, logam bekas, dan bahan tambahan lainnya, yang berfungsi sebagai substansi dasar untuk pembuatan baja.

Tujuan fundamental dari feedstock adalah untuk menyediakan elemen kimia esensial—terutama besi, karbon, dan konstituen paduan—yang diperlukan untuk mengubah bahan baku menjadi baja cair. Ini bertindak sebagai titik awal dalam rantai produksi baja, secara langsung mempengaruhi kualitas, efisiensi, dan jejak lingkungan dari seluruh proses.

Dalam alur proses pembuatan baja secara keseluruhan, feedstock diperkenalkan setelah tahap persiapan dan pencampuran bahan awal. Ini memberi makan ke unit reduksi atau peleburan primer, di mana reaksi kimia mengubah input mentah ini menjadi baja cair, yang kemudian disempurnakan, dicetak, dan diproses menjadi produk akhir.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa di balik penanganan dan persiapan feedstock berputar di sekitar transfer material yang efisien, ukuran yang tepat, dan kompatibilitas kimia. Tujuannya adalah untuk memastikan kualitas input yang konsisten dan aliran optimal ke dalam unit peleburan atau reduksi.

Komponen teknologi kunci termasuk sistem konveyor, penghancur, layar, homogenizer, dan silo penyimpanan. Konveyor—seperti sabuk, sekrup, atau sistem pneumatik—mengangkut bahan mentah dari penyimpanan ke titik pemrosesan. Penghancur dan layar memodifikasi ukuran partikel untuk memenuhi spesifikasi proses, meningkatkan kinetika reaksi dan efisiensi peleburan.

Mekanisme aliran material dirancang untuk meminimalkan segregasi dan kontaminasi, dengan pengumpan otomatis dan sistem dosis yang mengontrol laju input secara tepat. Misalnya, dalam operasi tanur tiup, sinter dan pelet diberi makan melalui sabuk konveyor ke dalam beban tanur, dengan penimbangan dan pencampuran terus-menerus untuk menjaga keseragaman.

Parameter Proses

Variabel proses kritis untuk manajemen feedstock termasuk distribusi ukuran partikel, kandungan kelembaban, komposisi kimia, dan suhu. Ukuran partikel tipikal untuk pelet berkisar antara 10 hingga 18 mm, sementara fines sinter biasanya di bawah 5 mm. Kandungan kelembaban dipertahankan di bawah 1-2% untuk mencegah masalah penanganan dan memastikan pemberian yang konsisten.

Parameter komposisi kimia, seperti kandungan besi (Fe), konstituen gangue (SiO₂, Al₂O₃), dan tingkat kotoran (P, S), secara langsung mempengaruhi efisiensi proses dan kualitas baja. Misalnya, tingkat kotoran yang tinggi dapat menyebabkan masalah pengikisan atau mengurangi kemurnian baja.

Sistem kontrol proses menggunakan sensor waktu nyata, seperti spektrometer dan analizer kelembaban, yang terintegrasi ke dalam platform otomatisasi. Sistem ini memantau kualitas input dan menyesuaikan laju pemberian secara dinamis untuk mengoptimalkan throughput dan menjaga keseimbangan kimia target.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi penanganan feedstock yang tipikal mencakup silo penyimpanan besar, stasiun pencampuran, dan corong pemberian. Silo dirancang dengan kapasitas yang berkisar dari beberapa ratus hingga beberapa ribu ton, tergantung pada ukuran pabrik. Mereka dilengkapi dengan sistem aerasi untuk mencegah degradasi material dan memfasilitasi aliran.

Peralatan pemberian bervariasi dari pengumpan apron sederhana hingga sistem dosis otomatis yang kompleks, dengan evolusi desain yang berfokus pada peningkatan akurasi dan pengurangan intervensi manual. Pabrik modern mengintegrasikan robotika dan algoritma kontrol canggih untuk pengukuran material yang tepat.

Sistem tambahan termasuk unit pengumpulan debu, semprotan penekan debu, dan kontrol lingkungan untuk mengelola emisi selama penanganan. Sistem reclaim memastikan pasokan yang terus menerus dan meminimalkan kehilangan material.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan reduksi oksida besi dalam feedstock menjadi besi logam. Dalam tanur tiup, karbon monoksida (CO) yang dihasilkan dari kokas bereaksi dengan oksida besi (Fe₂O₃, Fe₃O₄) untuk menghasilkan besi cair dan CO₂:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Demikian pula, dalam tanur busur listrik, logam bekas dan besi yang direduksi langsung (DRI) bereaksi dengan energi listrik, dengan reaksi kimia yang terutama melibatkan peleburan dan paduan daripada reduksi.

Prinsip termodinamika menentukan bahwa reaksi reduksi ini lebih disukai pada suhu tinggi (sekitar 1500-1700°C), dengan kinetika yang dipengaruhi oleh ukuran partikel, suhu, dan komposisi gas. Kehadiran kotoran atau fluks dapat mengubah jalur reaksi dan pembentukan produk sampingan.

Produk sampingan reaksi termasuk oksida pembentuk terak, gas seperti CO₂ dan nitrogen oksida, serta partikel. Mengelola produk sampingan ini sangat penting untuk kepatuhan lingkungan dan efisiensi proses.

Transformasi Metalurgi

Selama reduksi dan peleburan, perubahan mikrostruktur terjadi dalam feedstock. Oksida besi diubah menjadi besi cair, yang mengeras menjadi berbagai mikrostruktur tergantung pada laju pendinginan dan elemen paduan.

Transformasi fase termasuk pembentukan ferit, perlit, bainit, atau martensit dalam baja akhir, dipengaruhi oleh kondisi pendinginan dan kandungan paduan. Status metalurgi awal dari feedstock mempengaruhi mikrostruktur akhir dan sifat mekanik baja.

Pengembangan lapisan terak yang mengelilingi kotoran memfasilitasi penghilangan elemen yang tidak diinginkan. Kontrol suhu dan komposisi kimia yang tepat memastikan transformasi metalurgi yang diinginkan, yang mengarah pada peningkatan duktilitas, kekuatan, dan ketangguhan.

Interaksi Material

Interaksi antara feedstock, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat kompleks. Oksida besi bereaksi dengan karbon dan fluks untuk membentuk terak, yang bertindak sebagai lapisan pelindung dan memfasilitasi penghilangan kotoran.

Bahan refraktori yang melapisi tanur harus tahan terhadap suhu tinggi dan serangan kimia dari terak dan gas. Mekanisme transfer material termasuk difusi kotoran ke dalam terak, erosi pelapisan refraktori, dan kontaminasi dari bahan asing.

Interaksi yang tidak diinginkan, seperti terjebaknya terak atau degradasi refraktori, dapat mengganggu stabilitas proses. Metode kontrol termasuk kimia terak yang dioptimalkan, pemilihan refraktori, dan kontrol atmosfer (misalnya, atmosfer inert atau reduksi).

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Input

Bahan input mencakup bijih besi (dalam berbagai bentuk seperti bongkah, pelet, atau sinter), logam bekas, fluks (batu kapur, dolomit), kokas atau gas reduksi, dan elemen paduan. Spesifikasi mencakup tingkat kemurnian tinggi, distribusi ukuran yang sesuai, dan komposisi kimia yang disesuaikan dengan kebutuhan proses.

Persiapan material melibatkan penghancuran, penyaringan, dan pencampuran untuk memastikan keseragaman. Sistem penanganan harus mengakomodasi penyimpanan massal, mencegah kontaminasi, dan memfasilitasi pemberian yang terus menerus.

Kualitas input secara langsung mempengaruhi kinerja proses; misalnya, tingkat kotoran yang tinggi dapat meningkatkan volume terak dan mengurangi kualitas baja, sementara ukuran partikel yang tidak konsisten dapat menyebabkan gangguan aliran.

Urutan Proses

Urutan operasional tipikal dimulai dengan persiapan bahan mentah—penghancuran, penyaringan, dan pencampuran. Selanjutnya, bahan disimpan dan diangkut ke sistem pemberian tanur.

Dalam operasi tanur tiup, bahan beban dilapisi dan dim