Open Hearth Furnace: Proses Pembuatan Baja Kunci & Perannya dalam Produksi

Definisi dan Konsep Dasar

Open Hearth Furnace (OHF) adalah tungku pembuatan baja besar yang regeneratif dan dipanaskan secara regeneratif, digunakan terutama untuk produksi baja berkualitas tinggi dari besi cair, limbah, dan elemen paduan lainnya. Ini beroperasi berdasarkan prinsip pembakaran regeneratif, memanfaatkan sistem regeneratif untuk memulihkan dan menggunakan kembali panas, sehingga meningkatkan efisiensi termal.

Pada dasarnya, tungku open hearth berfungsi sebagai wadah utama pembuatan baja di mana bahan baku disempurnakan melalui oksidasi terkontrol, paduan, dan penyesuaian suhu untuk menghasilkan baja homogen berkualitas tinggi. Ini menempati posisi sentral dalam rantai manufaktur baja, biasanya mengikuti proses tungku tiup dan tungku oksigen dasar (BOF), dan mendahului pengecoran kontinu atau pengecoran ingot.

Proses ini melibatkan peleburan dan penyempurnaan bahan baku dalam wadah besar yang dangkal, memungkinkan kontrol yang tepat atas komposisi kimia dan mikrostruktur. Secara historis, proses open hearth adalah metode pembuatan baja yang dominan sebelum sebagian besar digantikan oleh teknologi yang lebih efisien, tetapi tetap signifikan untuk baja khusus dan aplikasi regional tertentu.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti dari tungku open hearth didasarkan pada pembakaran regeneratif dan transfer panas. Tungku ini memiliki wadah dangkal berbentuk persegi panjang atau oval dengan atap dan dinding samping yang didinginkan dengan air, dirancang untuk menahan suhu tinggi dan siklus termal.

Komponen teknologi kunci meliputi:

• Bank Regenerator: Ruang besar yang diisi dengan bahan refraktori yang menyimpan panas dari gas buang, memungkinkan pemanasan awal udara pembakaran dan bahan bakar, sehingga menghemat energi.
• Burner dan Sistem Pembakaran: Beberapa burner memperkenalkan bahan bakar (kokas, gas alam, atau minyak) dan udara yang dipanaskan sebelumnya ke dalam tungku, menciptakan nyala api suhu tinggi yang bergetar di atas cairan.
• Shell Tungku dan Pelapisan Refraktori: Dibangun dari bahan refraktori tahan panas untuk menampung suhu tinggi dan menahan serangan kimia.
• Sistem Pengetukan dan Pengisian: Mekanisme untuk menambahkan bahan baku dan mengeluarkan baja cair, termasuk lubang pengetukan, sendok, dan pintu pengisian.

Mekanisme operasi utama melibatkan peleburan bahan baku secara kontinu atau batch, dengan gas pembakaran yang melewati regenerator untuk memulihkan panas. Proses ini mempertahankan lingkungan terkontrol untuk oksidasi dan paduan, dengan cairan yang diaduk dan disempurnakan melalui konveksi alami dan agitasi mekanis.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

Hubungan antara parameter ini mempengaruhi kualitas baja akhir, konsumsi energi, dan efisiensi proses. Sistem kontrol canggih memanfaatkan data waktu nyata dari sensor untuk mengoptimalkan pembakaran, suhu, dan reaksi kimia, memastikan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Tungku open hearth yang khas adalah wadah dangkal berbentuk persegi panjang dengan dimensi berkisar antara 10 hingga 20 meter panjangnya, 4 hingga 8 meter lebar, dan 1,5 hingga 3 meter dalam. Shell tungku dibangun dari pelat baja yang dilapisi dengan bata refraktori, dengan panel yang didinginkan dengan air untuk mengelola kehilangan panas.

Variasi desain meliputi:

• Sistem Regeneratif Vertikal atau Horizontal: Desain awal menggunakan regenerator vertikal, sementara unit modern lebih memilih regenerator horizontal atau rotari untuk pemulihan panas yang lebih baik.
• Kapasitas Tungku: Berkisar dari 50 hingga lebih dari 400 ton per batch, tergantung pada ukuran pabrik dan kebutuhan produksi.
• Sistem Tambahan: Termasuk pengumpulan debu, pengolahan gas buang, dan sistem pendinginan untuk memenuhi standar lingkungan.

Seiring waktu, desain tungku telah berkembang untuk menggabungkan isolasi yang lebih baik, sistem regeneratif yang lebih efisien, dan otomatisasi, meningkatkan efisiensi energi dan keselamatan operasional.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan oksidasi kotoran dan elemen paduan:

• Oksidasi Karbon:
  C + O₂ → CO atau CO₂
  Dekarburisasi ini mengurangi kandungan karbon, menyempurnakan baja ke tingkat yang diinginkan.

• Oksidasi Silikon, Mangan, dan Fosfor:
  Si + O₂ → SiO₂ (pembentukan terak)
  Mn + O₂ → MnO
  P + O₂ → P₂O₅

• Reaksi Paduan:
  Penambahan elemen seperti kromium, nikel, atau molibdenum untuk mencapai gradasi baja tertentu.

Dari segi termodinamika, reaksi ini diatur oleh diagram Ellingham, yang menggambarkan stabilitas oksida pada suhu tinggi. Kinetika tergantung pada suhu, tekanan parsial oksigen, dan efisiensi pencampuran.

Produk reaksi meliputi:

• Terak: Campuran oksida logam dan kotoran, yang mengapung di permukaan baja cair.
• Gas: Utamanya CO, CO₂, dan nitrogen oksida, yang dilepaskan selama oksidasi.

Transformasi Metalurgi

Selama operasi, baja mengalami perubahan mikrostruktur:

• Dekarburisasi: Pengurangan kandungan karbon, mempengaruhi kekerasan dan keuletan.
• Homogenisasi: Peleburan dan pencampuran mendorong komposisi yang seragam.
• Transformasi Fase: Saat suhu menurun, austenit berubah menjadi ferit, perlit, atau martensit, tergantung pada laju pendinginan.

Transformasi ini mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan pengelasan. Kontrol suhu dan paduan yang tepat memastikan mikrostruktur yang diinginkan.

Interaksi Material

Interaksi meliputi:

• Antarmuka Logam-Terak: Memfasilitasi penghilangan kotoran tetapi dapat menyebabkan kontaminasi jika komposisi terak tidak terkontrol.
• Keausan Refraktori: Bata refraktori tererosi oleh suhu tinggi dan serangan kimia, melepaskan partikel ke dalam cairan.
• Efek Atmosfer: Kelebihan oksigen dapat menyebabkan oksidasi permukaan baja, yang mengarah pada cacat.

Mekanisme kontrol melibatkan pemeliharaan kimia