Proses Open Hearth: Metode Pembuatan Baja Utama & Perannya dalam Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Proses Open Hearth (juga dikenal sebagai proses Siemens-Martin) adalah metode pembuatan baja bersejarah yang melibatkan pemurnian besi cair dan baja bekas dalam tungku reverberatory regeneratif untuk menghasilkan baja berkualitas tinggi. Proses ini ditandai dengan desain tungku yang besar, miring, dan dangkal, yang memungkinkan penambahan berbagai elemen paduan dan kontrol yang tepat atas komposisi kimia.

Pada dasarnya, tujuan utama proses ini adalah untuk mengubah besi kasar, limbah, dan bahan ferrous lainnya menjadi baja dengan sifat tertentu yang cocok untuk aplikasi struktural, otomotif, dan lainnya yang berkinerja tinggi. Proses ini memainkan peran penting dalam produksi baja dari akhir abad ke-19 hingga pertengahan abad ke-20, terutama sebelum adopsi luas tungku oksigen dasar dan tungku busur listrik.

Dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, proses open hearth ditempatkan setelah pembuatan besi awal (tungku tiup) dan sebelum pengecoran dan penggulungan. Proses ini berfungsi sebagai langkah pemurnian, meningkatkan komposisi kimia, menghilangkan kotoran, dan menyesuaikan kandungan karbon untuk memenuhi grade baja tertentu.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti dari proses open hearth bergantung pada pemanasan dan peleburan bahan ferrous secara regeneratif dalam tungku reverberatory. Desain tungku ini memiliki wadah dangkal, persegi panjang, yang miring dengan atap yang didinginkan dengan air yang memantulkan panas ke dalam bak logam cair.

Komponen teknologi kunci termasuk pembakar regeneratif, yang memanaskan udara pembakaran menggunakan panas limbah dari gas buang, dan dinding serta atap tungku yang didinginkan dengan air yang tahan terhadap suhu tinggi. Tungku beroperasi dengan memanaskan bak logam secara tidak langsung melalui atap, menghindari kontak langsung dengan gas pembakaran, yang memungkinkan kontrol suhu yang tepat.

Mekanisme operasi utama melibatkan pengisian bahan mentah—besi kasar, limbah, fluks—ke dalam tungku, kemudian menyalakan pembakar untuk menghasilkan panas. Panas ditransfer melalui atap tungku ke bak logam, yang terus-menerus diaduk dan dimurnikan dengan menambahkan elemen paduan dan fluks untuk menghilangkan kotoran. Proses ini bersifat siklik, dengan tungku secara berkala dimiringkan untuk menuangkan baja yang telah dimurnikan.

Parameter Proses

Variabel proses yang kritis termasuk suhu tungku, yang biasanya dipertahankan antara 1.600°C dan 1.700°C, serta laju aliran oksigen dan bahan bakar dari pembakar. Komposisi kimia dari bahan input mempengaruhi efisiensi pemurnian dan kualitas baja akhir.

Suhu tungku secara langsung mempengaruhi laju peleburan dan penghilangan kotoran; terlalu tinggi dapat menyebabkan keausan refraktori, sementara terlalu rendah menghambat peleburan. Enrichment oksigen dari udara pembakaran meningkatkan dekarbonisasi dan oksidasi kotoran. Durasi proses umumnya berkisar antara 8 hingga 12 jam per pemanasan, tergantung pada grade baja yang diinginkan dan ukuran tungku.

Sistem kontrol menggabungkan termokopel, analisis gas, dan sistem umpan otomatis untuk memantau suhu, komposisi kimia, dan kimia terak. Data waktu nyata memungkinkan operator untuk menyesuaikan pengaturan pembakar, menambahkan fluks, dan mengontrol proses pemurnian secara dinamis.

Konfigurasi Peralatan

Tungku open hearth yang khas adalah wadah besar, persegi panjang, yang didinginkan dengan air, dengan kapasitas berkisar antara 50 hingga 300 ton. Dimensi tungku tergantung pada skala produksi, dengan rasio panjang terhadap lebar yang dioptimalkan untuk transfer panas dan pengisian yang efisien.

Seiring waktu, desain tungku telah berkembang dari unit yang sederhana dan dioperasikan secara manual menjadi sistem yang lebih canggih dan terotomatisasi dengan isolasi yang lebih baik, pelapisan refraktori, dan otomatisasi. Sistem tambahan termasuk crane pengisian, pemisah terak, dan mekanisme miring untuk menuang.

Pelapisan refraktori terbuat dari bata alumina tinggi atau bahan cor yang dirancang untuk tahan terhadap stres termal dan korosi kimia. Peralatan tambahan seperti sistem pembersihan gas, pengumpul debu, dan sistem pendingin sangat penting untuk kepatuhan lingkungan dan stabilitas operasional.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Proses open hearth melibatkan beberapa reaksi kimia kunci yang terutama didorong oleh oksidasi dan dekarbonisasi. Reaksi utama termasuk:

• Oksidasi karbon:
  ( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} ) atau ( \text{CO}_2 )
  Ini mengurangi kandungan karbon dalam baja, mengontrol kekerasan dan keuletan.

• Oksidasi kotoran:
  Elemen seperti silikon, mangan, fosfor, dan sulfur teroksidasi untuk membentuk komponen terak, misalnya,
  ( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 )
  ( \text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO}_x )

• Pembentukan terak:
  Fluks seperti kapur (CaO) bereaksi dengan kotoran untuk membentuk terak, yang kemudian dihilangkan.
  Misalnya, kalsium oksida bereaksi dengan silika untuk menghasilkan kalsium silikat:
  ( \text{CaO} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{CaSiO}_3 )

Termodinamika mendukung oksidasi pada suhu tinggi, dan kinetika tergantung pada laju aliran oksigen, suhu, dan konsentrasi kotoran.

Transformasi Metalurgi

Selama pemurnian, perubahan mikrostruktur termasuk pengurangan kandungan karbon dari tingkat besi cor (~4%) menjadi tingkat baja (<2%), dan penghilangan kotoran. Proses ini mendorong pembentukan mikrostruktur austenitik atau ferritik yang homogen, tergantung pada kondisi pendinginan.

Transformasi fase melibatkan pelarutan elemen paduan dan pembentukan antarmuka terak-logam yang memfasilitasi penghilangan kotoran. Mikrostruktur baja berkembang dari struktur mirip besi cor menjadi fase halus dan homogen dengan ukuran butir yang terkontrol, mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan keuletan.

Proses ini juga memungkinkan penambahan paduan, yang memodifikasi stabilitas fase dan mikrostruktur, memungkinkan produksi berbagai grade baja dengan sifat yang disesuaikan.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting. Terak bertindak sebagai media untuk penghilangan kotoran tetapi juga dapat menyebabkan kontaminasi jika tidak dikendalikan dengan baik. Bahan refraktori dipilih karena ketidakaktifan kimia dan stabilitas termal tetapi dapat terdegradasi seiring waktu akibat serangan kimia dan siklus termal.

Gas atmosfer, terutama oksigen dan nitrogen, mempengaruhi reaksi oksidasi dan dapat menyebabkan cacat permukaan atau inklusi jika tidak dikelola dengan baik. Atmosfer pelindung atau penutupan gas inert dapat digunakan untuk meminimalkan reaksi yang tidak diinginkan.

Pengendalian interaksi ini melibatkan pemeliharaan kimia terak yang optimal, integritas refraktori, dan kontrol atmosfer untuk mencegah kontaminasi dan memastikan stabilitas proses.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Input

Proses ini memerlukan besi kasar berkualitas tinggi, baja bekas, fluks (kapur, silika), dan elemen paduan. Besi kasar biasanya memiliki kandungan karbon 3,5–4,5%, dengan kotoran seperti fosfor dan sulfur. Baja bekas bervariasi dalam komposisi dan kebersihan.

Persiapan melibatkan penyortiran, penghancuran, dan kadang-kadang pemanasan awal limbah untuk meningkatkan efisiensi peleburan. Bahan input disimpan di area yang ditentukan dan dimasukkan ke dalam tungku melalui crane overhead atau sistem konveyor.

Kualitas input secara langsung mempengaruhi efisiensi