Logam Panas dalam Pembuatan Baja: Proses Kunci dan Perannya dalam Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Logam cair, juga dikenal sebagai pig iron dalam bentuk cairnya, adalah bahan baku utama yang dihasilkan selama tahap awal pembuatan besi di pabrik baja terintegrasi. Ini adalah paduan besi karbon tinggi yang mengandung berbagai kotoran seperti silikon, mangan, sulfur, dan fosfor, yang merupakan bagian dari proses tanur tiup.

Tujuan dasar dari logam cair adalah untuk berfungsi sebagai input utama untuk proses pembuatan baja selanjutnya, seperti konversi tanur oksigen dasar (BOF) atau tanur busur listrik (EAF), di mana ia disempurnakan menjadi baja dengan komposisi dan sifat kimia yang diinginkan.

Dalam keseluruhan rantai manufaktur baja, logam cair menempati posisi sentral, menjembatani persiapan bahan baku (bijih besi, kokas, batu kapur) dan tahap pemurnian atau paduan sekunder. Ini diproduksi secara terus-menerus atau dalam batch di tanur tiup, yang merupakan reaktor besar, vertikal, tipe poros yang dirancang untuk mengubah bijih besi menjadi besi cair di bawah kondisi suhu tinggi.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Teknologi inti di balik produksi logam cair adalah proses tanur tiup, yang bergantung pada prinsip reduksi kimia dan dekomposisi termal. Tanur tiup beroperasi sebagai reaktor aliran berlawanan di mana bahan baku padat turun melalui poros sementara gas panas naik, memfasilitasi transfer panas dan massa yang efisien.

Komponen teknologi kunci termasuk shell tanur tiup, tuyeres, bosh, stack, hearth, dan sistem taphole. Shell adalah struktur baja besar yang dilapisi refraktori yang mendukung pelapisan refraktori internal yang tahan terhadap suhu tinggi dan kondisi korosif.

Tuyeres adalah nosel yang didinginkan dengan air melalui mana udara yang dipanaskan sebelumnya, yang diperkaya dengan oksigen, disuntikkan ke dalam tanur untuk mendukung pembakaran kokas dan menghasilkan suhu tinggi yang diperlukan untuk reduksi. Bosh dan stack adalah bagian di mana reaksi kimia terjadi secara dominan, dengan hearth di bagian bawah mengumpulkan logam cair dan slag.

Aliran material melibatkan pengisian bahan baku (bijih besi, kokas, batu kapur) di bagian atas, turun melalui poros, mengalami reduksi dan pencairan, dan akhirnya menyalurkan logam cair dan slag dari hearth di bagian bawah.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu tiup, tingkat pengayaan oksigen, tekanan tiup, komposisi beban, dan suhu tanur. Suhu tiup yang khas berkisar antara 1.200°C hingga 1.350°C, dengan tingkat pengayaan oksigen 25-40% untuk meningkatkan efisiensi pembakaran.

Komposisi beban mempengaruhi kinetika reduksi dan penghilangan kotoran, dengan tingkat kokas yang khas berkisar antara 400-600 kg per ton logam cair. Suhu tanur dipertahankan sekitar 1.600°C hingga 1.800°C untuk memastikan pencairan dan reduksi yang lengkap.

Sistem kontrol menggunakan instrumen canggih seperti termokopel, sensor tekanan, dan analisis gas untuk memantau parameter secara real-time. Algoritma kontrol otomatis menyesuaikan tingkat oksigen tiup, tekanan tuyeres, dan pengisian beban untuk mengoptimalkan kinerja tanur.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi tanur tiup yang khas memiliki tinggi 30 hingga 50 meter dan diameter 10 hingga 15 meter. Shell tanur dibangun dari baja dengan pelapisan refraktori yang dirancang untuk tahan terhadap suhu tinggi dan serangan kimia.

Variasi desain termasuk tanur pengisian atas, sistem tanpa bel, dan pengaturan pengisian tipe bel, yang berkembang untuk meningkatkan distribusi beban dan mengurangi waktu henti operasional. Tanur modern menggabungkan sistem pemanasan awal untuk udara tiup dan unit pemulihan gas atas untuk efisiensi energi.

Sistem tambahan termasuk tungku tiup panas untuk memanaskan udara pembakaran, sistem injeksi batubara halus, dan unit pengumpulan debu untuk mengelola emisi. Sistem pendingin untuk shell tanur dan pelapisan refraktori sangat penting untuk menjaga integritas struktural.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama dalam tanur tiup melibatkan reduksi oksida besi menjadi besi logam. Reaksi utama termasuk:

• C + O₂ → CO₂ (pembakaran kokas yang menyediakan panas)
• CO₂ + C → 2CO (pembentukan karbon monoksida)
• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (reduksi oksida besi)
• SiO₂ + 2C → Si + 2CO (reduksi silikon)
• MnO + C → Mn + CO (reduksi mangan)
• CaCO₃ → CaO + CO₂ (dekomposisi batu kapur untuk membentuk slag)

Reaksi ini didorong secara termodinamika oleh suhu tinggi, dengan keseimbangan bergeser menuju produk reduksi pada suhu tinggi. Kinetika tergantung pada kontak antara gas dan padatan, komposisi beban, dan gradien suhu.

Produk reaksi termasuk logam cair, slag (campuran kalsium, silikon, mangan, dan oksida lainnya), dan emisi gas seperti CO, CO₂, dan oksida nitrogen.

Transformasi Metalurgi

Selama operasi, oksida besi secara bertahap direduksi menjadi besi logam, dengan transformasi mikrostruktur dari partikel bijih yang berpori dan teroksidasi menjadi besi cair yang padat. Proses ini melibatkan transformasi fase dari keadaan padat menjadi cair, dengan pembentukan fase slag yang mengenkapsulasi kotoran.

Seiring dengan berjalannya reduksi, mikrostruktur berkembang dari partikel oksida berpori menjadi fase cair yang homogen. Pendinginan dan penyaluran logam cair menyebabkan pembekuan, membentuk mikrostruktur yang mempengaruhi sifat mekanik.

Kotoran seperti sulfur dan fosfor cenderung terakumulasi dalam logam cair atau terpisah menjadi slag, mempengaruhi kualitas baja. Pengendalian kimia slag dan kondisi reduksi yang tepat sangat penting untuk menghasilkan logam cair dengan tingkat kotoran yang dapat diterima.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, slag, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat kompleks. Material refraktori dirancang untuk tahan terhadap serangan kimia dan stres termal tetapi dapat terdegradasi seiring waktu akibat korosi dan erosi.

Interaksi slag-logam mempengaruhi transfer kotoran; misalnya, sulfur dapat terpartisi ke dalam logam jika tidak dikendalikan dengan baik. Atmosfer gas, yang kaya akan CO dan CO₂, memfasilitasi reduksi tetapi juga dapat menyebabkan oksidasi permukaan refraktori jika tidak dikelola.

Metode untuk mengendalikan interaksi yang tidak diinginkan termasuk menjaga kimia slag yang optimal, menggunakan pelapisan refraktori pelindung, dan mengendalikan komposisi atmosfer tanur. Sistem pembersihan gas dan prosedur penyaluran slag membantu meminimalkan masalah lingkungan dan operasional.

Aliran Proses dan Integrasi

Bahan Input

Bahan input utama adalah bijih besi (hematit, magnetit), kokas metalurgi, dan batu kapur. Spesifikasi bijih besi mencakup kandungan besi tinggi (>60%), kotoran rendah, dan ukuran partikel yang sesuai untuk pengisian.

Kokas harus memiliki kandungan karbon tinggi (>85%) dan tingkat abu serta sulfur yang rendah. Batu kapur digunakan sebagai fluks untuk membentuk slag dan menghilangkan kotoran.

Persiapan material melibatkan penghancuran, penyaringan, dan pencampuran untuk memastikan keseragaman. Penanganan mencakup sistem konveyor, silo, dan peralatan pengisian.

Kualitas input secara langsung mempengaruhi produktivitas tanur, pembentukan slag, dan efisiensi penghilangan kotoran. Variasi dalam kualitas bijih dapat menyebabkan fluktuasi dalam komposisi logam cair dan stabilitas proses.

Urutan Proses

Proses dimulai dengan persiapan bahan baku, diikuti dengan pengisian beban ke dalam tanur tiup. Udara tiup panas, yang dipanaskan di dalam tungku, disuntik