Flux dalam Pembuatan Baja: Peran, Jenis, dan Signifikansi Proses

Definisi dan Konsep Dasar

Flux dalam produksi baja mengacu pada bahan, biasanya senyawa kimia atau campuran, yang ditambahkan selama proses pembuatan baja primer untuk memfasilitasi penghilangan kotoran dari logam cair. Tujuan dasarnya adalah untuk mempromosikan pemisahan yang efisien dari elemen yang tidak diinginkan seperti sulfur, fosfor, oksigen, dan oksida lainnya, sehingga meningkatkan kualitas dan kemurnian produk baja akhir.

Dalam rantai pembuatan baja, flux memainkan peran penting selama proses seperti operasi tungku oksigen dasar (BOF), pemurnian tungku busur listrik (EAF), dan metalurgi ladle. Flux diperkenalkan pada tahap tertentu untuk memodifikasi lingkungan kimia, membantu dalam pembentukan terak, dan meningkatkan penghilangan kotoran. Dengan demikian, flux diposisikan sebagai aditif tambahan yang berinteraksi dengan logam cair dan terak untuk mengoptimalkan reaksi metalurgi.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Secara fundamental, flux beroperasi berdasarkan prinsip reaktivitas kimia dan pemisahan fase. Flux dirancang untuk membentuk terak—lapisan terpisah yang dapat meleleh—dengan bereaksi dengan kotoran dalam baja cair. Komposisi flux disesuaikan untuk menghasilkan terak dengan sifat tertentu, seperti titik lebur rendah, fluiditas tinggi, dan afinitas kimia terhadap kotoran yang ditargetkan.

Komponen teknologi kunci meliputi sistem umpan bahan baku, perangkat pencampuran dan pengadukan, serta mekanisme pengendalian suhu. Flux biasanya disuplai dalam bentuk padat (misalnya, pelet, bubuk, atau gumpalan) atau sebagai slurry cair, tergantung pada prosesnya. Selama operasi, flux ditambahkan ke dalam bak cair melalui pengumpan otomatis atau penambahan manual, di mana ia larut atau bereaksi untuk membentuk terak.

Mekanisme operasi utama melibatkan pembentukan fase terak cair yang menangkap kotoran melalui reaksi kimia dan penjebakan fisik. Terak mengapung di atas baja cair karena perbedaan densitas, memungkinkan penghilangan yang mudah. Konstituen kimia dari flux—seperti kalsium oksida (CaO), magnesium oksida (MgO), fluorida, dan senyawa lainnya—diseimbangkan dengan hati-hati untuk mengoptimalkan reaksi ini.

Parameter Proses

Variabel proses yang kritis meliputi suhu, komposisi terak, laju penambahan flux, dan potensi oksigen. Suhu operasi yang khas untuk pembuatan baja berkisar antara 1.600°C hingga 1.700°C, mempengaruhi peleburan flux dan kinetika reaksi.

Laju penambahan flux bervariasi tergantung pada tingkat kotoran dan desain proses tetapi umumnya merupakan 1-5% dari berat logam cair. Misalnya, kalsium karbida atau kapur dapat ditambahkan dalam jumlah terkontrol untuk mencapai kimia terak yang diinginkan.

Hubungan antara parameter proses dan karakteristik output adalah langsung: suhu yang lebih tinggi mendorong pelarutan flux yang lebih baik dan penangkapan kotoran, sementara komposisi flux yang tidak tepat dapat menyebabkan pembentukan busa terak atau penghilangan kotoran yang tidak lengkap. Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata—seperti analis komposisi terak, probe suhu, dan sensor oksigen—untuk memantau dan menyesuaikan penambahan flux dan kondisi proses secara dinamis.

Konfigurasi Peralatan

Sistem penanganan dan penambahan flux yang khas meliputi silo penyimpanan, pengumpan, dan katup dosis. Ini dirancang dengan bahan tahan korosi seperti baja berlapis refraktori atau komposit keramik untuk menahan suhu tinggi dan lingkungan kimia yang agresif.

Pengumpan flux sering kali otomatis, dengan kontrol yang tepat atas laju penambahan untuk memastikan kimia terak yang konsisten. Konfigurasi fisik bervariasi dari pengaturan penambahan manual yang sederhana hingga sistem otomatis yang kompleks yang terintegrasi dengan perangkat lunak kontrol proses.

Sistem tambahan meliputi unit pemanas untuk menjaga flux dalam keadaan yang sesuai, pengumpulan debu untuk menangani bubuk, dan penutup keselamatan untuk mencegah paparan. Seiring waktu, desain peralatan telah berkembang menuju konfigurasi yang lebih tepat, otomatis, dan ramah lingkungan, mengurangi penanganan manual dan emisi.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan pembentukan terak dengan menggabungkan konstituen flux dengan kotoran. Misalnya, kalsium oksida bereaksi dengan sulfur dalam logam cair untuk membentuk kalsium sulfida (CaS), yang menjadi bagian dari terak:

CaO + S → CaS + O

Demikian pula, komponen flux seperti MgO atau fluorida bereaksi dengan fosfor dan kotoran lainnya untuk membentuk fase terak yang stabil dan dapat meleleh.

Secara termodinamika, reaksi ini didorong oleh perubahan energi bebas Gibbs, yang mendukung penghilangan kotoran pada suhu tinggi. Secara kinetik, laju reaksi tergantung pada suhu, intensitas pencampuran, dan konsentrasi kotoran. Komposisi flux yang tepat memastikan bahwa reaksi ini berlangsung secara efisien dalam waktu tinggal tipikal dari proses.

Produk reaksi termasuk berbagai fase terak—seperti silikat kalsium, aluminat, dan sulfida—yang dirancang untuk bersifat cair dan dapat dipisahkan dari baja. Produk sampingan seperti gas buang (misalnya, CO, CO₂) juga dapat dihasilkan selama reaksi oksidasi.

Transformasi Metalurgi

Selama penambahan flux dan pembentukan terak, perubahan metalurgi yang signifikan terjadi. Secara mikrostruktur, baja bertransisi dari keadaan yang sangat teroksidasi dan kaya kotoran menjadi mikrostruktur yang lebih bersih dan halus dengan inklusi yang berkurang.

Transformasi fase meliputi presipitasi fase kaya kotoran ke dalam terak dan pengurangan oksigen terlarut dan sulfur dalam baja. Perubahan ini meningkatkan sifat mekanik seperti ketangguhan, duktilitas, dan ketahanan korosi.

Pembentukan lapisan terak yang stabil dan cair memfasilitasi penghilangan kotoran dan mencegah reoksidasi baja. Kimia flux yang tepat memastikan pembentukan fase yang diinginkan, seperti ferit kalsium atau silikat, yang mempengaruhi mikrostruktur dan sifat akhir.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer adalah kompleks. Flux mempengaruhi transfer kotoran dari baja ke terak, sementara bahan refraktori dapat bereaksi dengan konstituen flux, yang mengarah pada degradasi atau kontaminasi.

Misalnya, fluorida dalam flux dapat menyerang pelapisan refraktori, menyebabkan keausan dan mengurangi umur pakai. Sebaliknya, komposisi flux yang dirancang dengan baik meminimalkan reaksi yang tidak diinginkan, menjaga integritas refraktori dan stabilitas proses.

Mekanisme transfer material meliputi difusi elemen melintasi batas fase dan reaksi kimia di antarmuka. Mengendalikan interaksi ini melibatkan pemilihan bahan refraktori yang kompatibel, mengoptimalkan komposisi flux, dan mempertahankan atmosfer proses yang sesuai—seperti lingkungan inert atau oksidasi yang terkontrol.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama meliputi limbah baja mentah, besi yang direduksi langsung (DRI), atau besi cair, tergantung pada prosesnya. Ini dipersiapkan melalui penyortiran, penghancuran, dan pemanasan awal untuk memastikan kualitas yang konsisten.

Bahan flux—seperti kapur (CaO), dolomit, fluorspar (CaF₂), dan magnesium oksida—disuplai dalam grade yang ditentukan untuk memenuhi persyaratan kimia dan fisik. Kualitas mereka mempengaruhi pembentukan terak, efisiensi penghilangan kotoran, dan stabilitas proses secara keseluruhan.

Penanganan melibatkan penyimpanan dalam silo, konveyor, dan sistem dosis yang dirancang untuk mencegah penyerapan kelembaban dan kontaminasi. Kualitas input yang tepat memastikan reaksi yang dapat diprediksi, kimia terak yang konsisten, dan penghilangan kotoran yang optimal.

Urutan Proses

Urutan yang khas dimulai dengan peleburan dan pemurnian bahan baku dalam tungku. Selama fase ini, flux ditambahkan pada titik yang telah ditentukan—