Batu Kapur dalam Produksi Baja: Peran, Pengolahan & Signifikansi

Definisi dan Konsep Dasar

Batu kapur adalah batuan sedimen yang sebagian besar terdiri dari kalsium karbonat (CaCO₃). Dalam konteks pembuatan baja, batu kapur berfungsi sebagai bahan baku penting yang digunakan terutama sebagai agen fluks selama proses pembuatan besi dan baja.

Tujuan dasarnya adalah untuk memfasilitasi penghilangan kotoran seperti silika, alumina, dan sulfur dari logam cair dengan membentuk terak. Sifat kimia dan fisik batu kapur memungkinkannya untuk bergabung dengan kotoran ini, menciptakan terak cair yang dapat dipisahkan dari baja atau besi cair.

Dalam rantai produksi baja secara keseluruhan, batu kapur diperkenalkan pada berbagai tahap, terutama dalam operasi tungku tiup dan pembuatan baja oksigen dasar. Biasanya ditambahkan sebagai fluks untuk mempromosikan pembentukan terak, yang penting untuk menyaring kotoran dan mengontrol komposisi kimia produk baja akhir.

Peran batu kapur sangat penting untuk memastikan penghilangan kotoran yang efisien, menjaga stabilitas proses, dan mencapai kualitas baja yang diinginkan. Penggunaannya mempengaruhi efisiensi operasional, emisi lingkungan, dan efektivitas biaya pembuatan baja.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Pengolahan batu kapur dimulai dengan penambangan, di mana blok besar diekstraksi dari endapan sedimen. Blok-blok ini kemudian dihancurkan, disaring, dan digiling menjadi partikel halus yang cocok untuk penggunaan metalurgi.

Prinsip rekayasa utama melibatkan reaksi kimia kalsium karbonat dengan kotoran asam dalam logam cair, yang mengarah pada pembentukan kalsium silikat, aluminat, dan sulfida, yang merupakan komponen terak.

Komponen teknologi kunci termasuk penghancur, pabrik, dan sistem konveyor untuk penanganan material, serta silo penyimpanan untuk pemberian yang terkontrol ke dalam tungku pembuatan baja.

Dalam operasi tungku tiup, batu kapur biasanya ditambahkan melalui sistem pengisian atas, di mana ia diperkenalkan bersama dengan kokas dan bijih besi. Dalam tungku oksigen dasar, batu kapur ditambahkan melalui injeksi atau sebagai bagian dari campuran fluks.

Mekanisme operasi utama melibatkan dosis batu kapur yang terkontrol untuk mempertahankan kimia terak yang optimal, suhu, dan fluiditas. Material mengalir dari penyimpanan ke tungku, di mana ia bereaksi dengan kotoran, membentuk terak yang mengapung di permukaan logam cair.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk ukuran partikel batu kapur, suhu, dan laju penambahan.

Ukuran partikel batu kapur umumnya berkisar antara 10 mm hingga 50 mm untuk penambahan langsung, dengan partikel yang lebih halus digunakan dalam sistem injeksi. Laju penambahan yang tipikal bervariasi dari 1% hingga 5% dari total berat muatan, tergantung pada proses dan tingkat kotoran.

Suhu mempengaruhi kalsinasi dan kinetika reaksi; suhu optimal berkisar antara 1500°C hingga 1600°C di tungku tiup, memfasilitasi dekomposisi dan pembentukan terak yang efisien.

Laju penambahan secara langsung mempengaruhi volume terak, efisiensi penghilangan kotoran, dan stabilitas tungku. Batu kapur yang berlebihan dapat menyebabkan terak yang terlalu kental, menghambat aliran logam, sementara jumlah yang tidak mencukupi dapat mengakibatkan penghilangan kotoran yang tidak lengkap.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata, seperti spektrometer dan termokopel, untuk memantau komposisi terak, suhu, dan variabel proses. Sistem dosis otomatis menyesuaikan input batu kapur berdasarkan umpan balik untuk mempertahankan kimia terak yang diinginkan.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi penanganan batu kapur yang tipikal mencakup tambang skala besar, penghancur primer, penghancur sekunder, dan pabrik penggilingan. Ini terhubung melalui sabuk konveyor ke silo penyimpanan dengan mekanisme pembuangan yang terkontrol.

Dalam tungku tiup, batu kapur disimpan dalam silo tertutup dengan pengumpan getar atau pengumpan sabuk untuk dosis yang tepat. Dalam tungku pembuatan baja, sistem injeksi seperti injektor pneumatik atau lances digunakan untuk partikel batu kapur halus.

Variasi peralatan telah berkembang dari truk dump sederhana dan pemberian manual menjadi sistem otomatis yang dikendalikan komputer yang meningkatkan presisi dan keamanan.

Sistem tambahan termasuk unit pengumpulan debu, seperti filter kantong atau pemisah elektrostatik, untuk mengontrol emisi debu selama penanganan dan pengolahan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama yang melibatkan batu kapur dalam pembuatan baja adalah kalsinasi:

CaCO₃ (s) → CaO (s) + CO₂ (g)

Proses endotermik ini terjadi pada suhu di atas 900°C, melepaskan gas karbon dioksida.

Dalam proses pembentukan terak, kalsium oksida (CaO) bereaksi dengan silika (SiO₂), alumina (Al₂O₃), dan senyawa sulfur untuk menghasilkan berbagai komponen terak:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (terak)

CaO + Al₂O₃ → CaAl₂O₄ (terak)

CaO + SO₂ → CaS + O₂ (penghilangan sulfur)

Reaksi ini secara termodinamik lebih disukai pada suhu tinggi, dengan kinetika yang dipengaruhi oleh ukuran partikel dan suhu.

Produk reaksi termasuk kalsium silikat, aluminat, dan sulfida, yang dimasukkan ke dalam fase terak, memfasilitasi penghilangan kotoran.

Transformasi Metalurgi

Selama pembuatan baja, CaO yang berasal dari batu kapur bereaksi dengan kotoran, membentuk terak yang kental dan dapat lebur yang menangkap inklusi non-logam. Seiring suhu dan komposisi berkembang, transformasi mikrostruktural terjadi dalam terak, mempengaruhi viskositas dan efisiensi pemisahan.

Dalam tungku tiup, batu kapur terurai dan bereaksi dengan silika untuk menghasilkan fase kalsium silikat, yang mempengaruhi titik lebur dan fluiditas terak. Fase-fase ini berkembang seiring operasi tungku, mempengaruhi proses reduksi dan kualitas logam panas.

Dalam konverter baja, penambahan batu kapur mengubah kimia terak, mempromosikan pembentukan terak yang stabil dengan titik lebur rendah yang memfasilitasi pemisahan kotoran.

Secara mikrostruktural, terak bertransisi dari fase padat ke fase cair seiring meningkatnya suhu, dengan transformasi fase yang mempengaruhi aliran dan karakteristik pemisahan.

Interaksi Material

Batu kapur berinteraksi dengan logam cair, terak, pelapisan refraktori, dan gas atmosfer selama operasi.

Reaksi antara CaO dan kotoran menghasilkan fase terak yang stabil, yang kadang-kadang dapat menyebabkan interaksi terak-logam atau terak-refraktori yang mempengaruhi stabilitas proses.

Material refraktori, seperti bata magnesia atau dolomit, dipilih karena kompatibilitas kimianya dengan terak dan stabilitas suhu tinggi. Namun, serangan terak dapat menyebabkan degradasi refraktori seiring waktu.

Gas atmosfer seperti CO₂ dan SO₂ dapat bereaksi dengan senyawa kalsium, mempengaruhi komposisi terak dan emisi.

Interaksi yang tidak diinginkan, seperti penetrasi terak ke dalam refraktori atau kontaminasi baja dengan kalsium, diminimalkan melalui pemilihan pelapisan yang tepat, kontrol proses, dan manajemen kimia terak.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama termasuk batu kapur (CaCO₃), kokas, bijih besi, dan agen fluks. Spesifikasi untuk batu kapur biasanya memerlukan kemurnian tinggi, dengan kandungan kalsium karbonat melebihi 95%, silika rendah (<2%), dan kotoran minimal seperti magnesium atau alumina.

Persiapan material melibatkan pengh