Finery: Proses Kunci dalam Pembuatan dan Penyulingan Baja Sejarah
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Finery mengacu pada proses pembuatan baja historis yang digunakan terutama pada abad ke-19 dan awal abad ke-20 untuk memproduksi besi tempa dan, dalam beberapa kasus, baja dari besi kasar. Proses ini melibatkan oksidasi kotoran seperti karbon, silikon, mangan, dan fosfor dalam besi kasar melalui pembakaran terkontrol dan tiupan udara, yang menghasilkan produk besi yang lebih murni.
Secara fundamental, proses finery berfungsi sebagai langkah pemurnian yang mengubah besi kasar cor—yang ditandai dengan kandungan karbon tinggi dan kerapuhan—menjadi besi tempa yang dapat ditempa dan cocok untuk pembuatan. Proses ini memainkan peran penting dalam rantai pembuatan baja dengan memungkinkan konversi besi kasar mentah menjadi bentuk yang lebih halus dan dapat dikerjakan sebelum diproses lebih lanjut menjadi baja atau produk jadi.
Dalam alur produksi baja secara keseluruhan, finery ditempatkan setelah peleburan tungku tiup dan sebelum proses selanjutnya seperti puddling, rolling, atau forging. Proses ini sering menjadi bagian dari pabrik baja terintegrasi di mana besi kasar dimurnikan di lokasi untuk memenuhi standar kualitas tertentu untuk berbagai aplikasi.
Desain dan Operasi Teknis
Teknologi Inti
Prinsip rekayasa inti dari proses finery adalah oksidasi kotoran dalam besi kasar melalui pembakaran suhu tinggi dan tiupan udara, yang mengurangi karbon dan elemen paduan lainnya. Proses ini bergantung pada reaksi oksidasi terkontrol yang menghilangkan elemen yang tidak diinginkan, sehingga meningkatkan duktilitas dan kelenturan besi.
Komponen teknologi kunci termasuk perapian finery—sebuah wadah besar yang dilapisi refraktori yang dirancang untuk menahan suhu tinggi—dan sistem tiupan udara yang menyediakan aliran udara pra-panas yang stabil. Perapian dilengkapi dengan pintu pengisian untuk menambahkan besi kasar dan fluks, serta tuyere atau pipa tiup untuk memperkenalkan udara.
Aliran material melibatkan pengisian besi kasar ke dalam perapian, kemudian meniup udara untuk mempromosikan oksidasi. Proses ini dipantau dengan cermat untuk mengontrol suhu dan laju oksidasi, memastikan kotoran dihilangkan tanpa kehilangan besi yang berlebihan. Besi cair diaduk atau digerakkan untuk mempromosikan oksidasi yang merata, dan terak terbentuk saat kotoran bergabung dengan fluks.
Parameter Proses
Variabel proses kritis meliputi:
- Suhu: Biasanya dipertahankan antara 1.200°C dan 1.400°C untuk memfasilitasi oksidasi tanpa keausan refraktori yang berlebihan.
- Kecepatan aliran udara: Biasanya dalam kisaran 10–20 m³/menit per ton besi kasar, tergantung pada ukuran perapian dan laju oksidasi yang diinginkan.
- Waktu oksidasi: Berkisar dari 30 menit hingga beberapa jam, tergantung pada tingkat kotoran awal dan kemurnian yang diinginkan.
- Kandungan kotoran: Target kandungan karbon residu setelah pemurnian sering kali di bawah 0,1%, dengan silikon dan fosfor juga secara signifikan dikurangi.
Parameter ini mempengaruhi duktilitas, kekuatan, dan kualitas permukaan produk akhir. Kontrol yang tepat dicapai melalui sistem otomatis yang memantau suhu, tingkat oksigen, dan komposisi terak.
Konfigurasi Peralatan
Sebuah tungku finery yang khas adalah wadah besar, tegak, yang dilapisi refraktori dengan kapasitas berkisar dari beberapa ton hingga lebih dari 20 ton per batch. Perapian berbentuk bulat atau persegi panjang, dengan mekanisme miring untuk penghilangan terak dan pengetukan.
Variasi desain termasuk tungku finery horizontal yang digunakan secara historis, dan tungku vertikal atau miring dalam adaptasi selanjutnya. Seiring waktu, bahan refraktori telah berkembang dari bata tanah liat biasa menjadi komposit berbasis alumina yang canggih untuk menahan suhu yang lebih tinggi dan masa pakai yang lebih lama.
Sistem tambahan termasuk unit pemanasan awal untuk udara, peralatan penanganan terak, dan sistem ekstraksi debu untuk mengontrol emisi. Adaptasi modern mungkin menggabungkan pengisian mekanis dan sistem kontrol otomatis untuk meningkatkan efisiensi.
Kimia dan Metalurgi Proses
Reaksi Kimia
Reaksi kimia utama melibatkan oksidasi karbon dan kotoran lainnya:
-
Oksidasi karbon:
( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 )
atau oksidasi parsial membentuk CO. -
Oksidasi silikon:
( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 ) (terak silika) -
Penghilangan fosfor:
Fosfor cenderung teroksidasi dan bergabung dengan fluks untuk membentuk terak. -
Oksidasi mangan:
( \text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO}_2 )
Secara termodinamika, reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi, dengan tekanan parsial oksigen mengontrol sejauh mana penghilangan kotoran. Kinetika tergantung pada suhu, konsentrasi kotoran, dan pengadukan.
Produk reaksi termasuk terak yang kaya silika, fosfat, dan oksida lainnya, serta fase besi yang telah dimurnikan dengan tingkat kotoran yang berkurang.
Transformasi Metalurgi
Selama pemurnian, mikrostruktur besi berubah dari besi kasar yang rapuh menjadi besi tempa yang lebih duktil dan berserat. Proses ini mengurangi kandungan karbon dari sekitar 3–4% dalam besi kasar menjadi di bawah 0,1%, yang mengarah pada perubahan metalurgi yang signifikan.
Secara mikrostruktur, besi menjadi sebagian besar ferritik dengan struktur berserat halus yang memberikan ketahanan dan kelenturan. Transformasi fase melibatkan pelarutan semenit dan pembentukan matriks ferritik yang hampir murni.
Transformasi ini meningkatkan sifat mekanik, seperti kekuatan tarik dan duktilitas, menjadikan material cocok untuk ditempa, dibentuk, dan proses pembuatan baja lebih lanjut.
Interaksi Material
Interaksi antara besi cair, terak, dan pelapisan refraktori sangat penting. Terak bertindak sebagai media untuk penghilangan kotoran tetapi juga dapat menyebabkan korosi refraktori jika tidak dikelola dengan baik.
Kontaminasi dapat terjadi melalui erosi refraktori atau reaksi terak-logam, memperkenalkan elemen yang tidak diinginkan ke dalam besi. Untuk mengontrol interaksi ini, refraktori berkualitas tinggi yang tahan korosi digunakan, dan parameter proses dioptimalkan untuk meminimalkan keausan refraktori.
Kontrol atmosfer juga penting; kelebihan oksigen atau kelembapan dapat menyebabkan oksidasi pelapisan refraktori atau memperkenalkan cacat pada produk akhir.
Alur Proses dan Integrasi
Bahan Masukan
Bahan masukan utama adalah besi kasar, biasanya dengan kandungan karbon 3–4%, tingkat silikon, mangan, fosfor, dan sulfur sesuai dengan output tungku tiup. Fluks tambahan seperti batu kapur atau dolomit ditambahkan untuk memfasilitasi pembentukan terak.
Persiapan material melibatkan memastikan besi kasar bebas dari kotoran besar dan berada pada suhu yang sesuai sebelum pengisian. Penanganan termasuk transportasi melalui ladle atau skip, dengan kontrol hati-hati untuk mencegah kontaminasi.
Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi proses; tingkat kotoran yang tinggi memerlukan waktu oksidasi yang lebih lama dan dapat menghasilkan besi tempa yang berkualitas lebih rendah.