Lance dalam Pembuatan Baja: Peralatan Kunci untuk Injeksi Oksigen dan Pemurnian

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah lance dalam industri baja merujuk pada tabung atau pipa yang khusus, memanjang, dan seringkali ramping yang digunakan terutama untuk menyuntikkan gas, bubuk, atau cairan langsung ke dalam logam cair atau slag selama proses pembuatan baja primer. Tujuan dasarnya adalah untuk memfasilitasi reaksi kimia, pengendalian suhu, dan penghilangan kotoran dalam bak cair, sehingga mempengaruhi kualitas baja dan efisiensi proses.

Lance adalah komponen integral dalam proses seperti pembuatan baja oksigen dasar (BOS), pemurnian tungku busur listrik (EAF), dan metalurgi sekunder. Mereka berfungsi sebagai antarmuka utama untuk memperkenalkan agen reaktif, seperti oksigen, karbon, atau elemen paduan, ke dalam logam cair. Ditempatkan di dalam tungku atau wadah konverter, lance memanjang ke dalam lelehan untuk memungkinkan pengiriman yang tepat dari agen-agen ini, memastikan reaksi yang terkontrol dan stabilitas proses.

Dalam keseluruhan rantai pembuatan baja, peran lance sangat penting selama tahap pemurnian dan paduan. Ini menjembatani kesenjangan antara input bahan mentah dan komposisi baja akhir, memungkinkan transformasi metalurgi yang cepat dan efisien. Operasinya secara langsung mempengaruhi parameter proses seperti suhu, komposisi, dan penghilangan inklusi, yang pada akhirnya mempengaruhi kualitas produk akhir.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik lance melibatkan injeksi gas atau material yang terkontrol ke dalam lingkungan logam cair suhu tinggi. Desain harus tahan terhadap stres termal dan mekanis yang ekstrem sambil memastikan pengiriman agen reaktif yang tepat.

Komponen teknologi kunci meliputi:

• Tabung/Pipa Lance: Biasanya terbuat dari paduan tahan suhu tinggi seperti baja tahan karat, paduan super berbasis nikel, atau bahan berlapis keramik untuk menahan korosi dan degradasi termal.
• Nosel atau Port: Terletak di ujung atau sepanjang panjang lance, ini mengontrol laju aliran dan pola distribusi gas atau bubuk yang disuntikkan.
• Sistem Pasokan Gas: Terdiri dari blower, regulator, dan pengukur aliran, memasok oksigen, argon, nitrogen, atau gas lainnya di bawah tekanan yang terkontrol.
• Sistem Injeksi Bubuk: Untuk menyuntikkan bubuk paduan atau fluks, sering melibatkan pengumpan pneumatik atau mekanis.
• Sistem Pendinginan: Pendinginan air atau udara dapat diintegrasikan untuk mencegah overheating pada badan lance, terutama dekat ujung.

Mekanisme operasi utama melibatkan gas atau bubuk bertekanan yang mengalir melalui lance, keluar melalui nosel ke dalam bak cair. Gas bereaksi dengan logam cair atau slag, memfasilitasi oksidasi, dekarbonisasi, atau paduan. Posisi dan laju aliran lance dikontrol dengan hati-hati untuk mengoptimalkan kinetika reaksi dan mencegah gangguan dalam lelehan.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

Parameter ini saling terkait; misalnya, meningkatkan aliran gas meningkatkan dekarbonisasi tetapi dapat menyebabkan turbulensi jika tidak dikontrol dengan baik. Sistem kontrol canggih memanfaatkan sensor waktu nyata dan algoritma umpan balik untuk mempertahankan kondisi optimal, memastikan kualitas baja yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi lance yang tipikal memiliki:

• Pemasangan Vertikal atau Miring: Tergantung pada desain tungku, dengan lance vertikal yang paling umum di konverter BOF.
• Panjang Lance: Berkisar antara 2 hingga 8 meter, disesuaikan dengan dimensi tungku dan kebutuhan proses.
• Diameter Lance: Biasanya antara 20 dan 50 mm, menyeimbangkan kapasitas aliran dan ketahanan mekanis.
• Desain Ujung Lance: Nosel dapat berupa konfigurasi sederhana atau multi-lubang untuk mencapai pola dispersi gas yang diinginkan.

Seiring waktu, desain lance telah berkembang dari pipa baja sederhana menjadi sistem berlapis keramik atau komposit yang canggih untuk meningkatkan daya tahan dan kinerja. Variasi termasuk lance yang didinginkan air untuk injeksi oksigen suhu tinggi dan sistem modular yang memungkinkan penggantian cepat bagian yang aus.

Sistem tambahan meliputi:

• Unit Pasokan Gas: Blower bertekanan tinggi, regulator, dan filter.
• Peralatan Pemberian Bubuk: Pengumpan pneumatik atau mekanis dengan kontrol yang tepat.
• Pemanasan dan Isolasi: Untuk mencegah kerusakan termal dan mempertahankan integritas operasional.
• Perangkat Penempatan: Sistem hidrolik atau robotik untuk penempatan dan pergerakan lance yang akurat di dalam tungku.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Lance memfasilitasi beberapa reaksi kimia kunci, terutama:

• Oksidasi Karbon:
  $$\text{C (dalam lelehan)} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow $$
  Reaksi dekarbonisasi ini mengurangi kandungan karbon, meningkatkan sifat baja.

• Oksidasi Silikon, Mangan, dan Elemen Lain:
  $$\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 \text{ (slag)} $$
  $$\text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO} \text{ (slag)} $$

• Penghilangan Kotoran:
  Oksigen yang disuntikkan bereaksi dengan kotoran, membentuk oksida yang diserap ke dalam slag.

Secara termodinamika, reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi (>1600°C), dengan kinetika yang dipengaruhi oleh tekanan parsial oksigen, suhu, dan agitasi. Kontrol yang tepat terhadap aliran oksigen dan posisi lance memastikan reaksi yang efisien dengan minimal over-oksidasi atau reaksi sampingan yang tidak diinginkan.

Transformasi Metalurgi

Selama operasi lance, perubahan mikrostruktur meliputi:

• Dekarbonisasi: Transisi dari ferit/pearlit ke martensit atau bainit karbon rendah, tergantung pada laju pendinginan.
• Pembentukan Inklusi: Oksida