Oxygen Lance dalam Pembuatan Baja: Alat Penting untuk Penyempurnaan Baja yang Efisien

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Oxygen Lance adalah tabung atau pipa khusus yang dilapisi refraktori dan tahan suhu tinggi yang digunakan dalam proses pembuatan baja untuk menyuntikkan oksigen murni langsung ke dalam logam cair atau terak. Tujuan utamanya adalah untuk memfasilitasi reaksi oksidasi, dekarbonisasi, desulfurisasi, dan transformasi metalurgi lainnya yang penting untuk memperbaiki kualitas baja.

Dalam rantai manufaktur baja, oxygen lance adalah alat kritis dalam metalurgi sekunder, terutama selama proses seperti pembuatan baja oksigen dasar (BOS) dan metalurgi ladle. Ini ditempatkan setelah tahap peleburan primer, di mana ia memungkinkan kontrol yang tepat terhadap komposisi kimia dan penyesuaian suhu. Peran lance adalah untuk meningkatkan efisiensi proses, memperbaiki kebersihan baja, dan memenuhi spesifikasi metalurgi tertentu.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa dasar di balik oxygen lance melibatkan pengarahan aliran oksigen bertekanan tinggi ke dalam baja cair atau terak untuk memicu reaksi oksidasi yang terkontrol. Proses ini bergantung pada keberpihakan termodinamika oksidasi kotoran seperti karbon, sulfur, dan fosfor, yang dihilangkan sebagai oksida gas atau komponen terak.

Komponen teknologi kunci meliputi:

• Pipa Lance: Biasanya terbuat dari paduan tahan suhu tinggi seperti baja tahan karat atau baja yang dilapisi refraktori khusus, dirancang untuk menahan stres termal dan korosi.
• Nozzle atau Orifice: Terletak di ujung lance, mengontrol kecepatan dan laju aliran jet oksigen, sering kali dilengkapi dengan insert yang dapat disesuaikan atau diganti.
• Pelapisan Refraktori: Melindungi lance dari panas ekstrem dan serangan kimia, biasanya terdiri dari bahan berbasis alumina atau magnesia.
• Sistem Pasokan Oksigen: Terdiri dari silinder oksigen bertekanan tinggi atau pipa, pengatur tekanan, dan katup kontrol aliran.

Mekanisme operasi utama melibatkan penyisipan lance ke dalam bak cair melalui pelindung refraktori atau port khusus, kemudian membuka pasokan oksigen untuk menyuntikkan oksigen pada laju aliran yang terkontrol. Jet oksigen menembus permukaan lebur, mendorong oksidasi cepat dari kotoran. Laju aliran, sudut lance, dan kedalaman perendaman dikelola dengan hati-hati untuk mengoptimalkan kinetika reaksi dan mencegah turbulensi atau percikan.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

• Laju Aliran Oksigen: Biasanya berkisar antara 1000 hingga 6000 Nm³/jam, tergantung pada grade baja dan tahap proses.
• Sudut Lance: Biasanya antara 30° dan 60° relatif terhadap sumbu vertikal untuk memastikan penetrasi dan pencampuran yang efektif.
• Kedalaman Perendaman Lance: Berkisar dari beberapa sentimeter hingga lebih dari satu meter, tergantung pada ukuran tungku dan persyaratan proses.
• Tekanan Operasional: Oksigen disuplai pada tekanan dari 0,5 hingga 2,5 MPa untuk mencapai kecepatan jet yang diinginkan.

Parameter ini mempengaruhi laju oksidasi, kontrol suhu, dan kebersihan baja. Misalnya, laju aliran oksigen yang lebih tinggi mempercepat dekarbonisasi tetapi dapat menyebabkan turbulensi atau percikan terak jika tidak dikelola dengan baik.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata, seperti analizer oksigen, probe suhu, dan sensor posisi berbasis akustik atau laser, untuk memantau laju aliran, posisi lance, dan kondisi proses. Algoritma kontrol otomatis menyesuaikan aliran oksigen dan gerakan lance untuk mempertahankan kondisi reaksi yang optimal.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi oxygen lance yang khas terdiri dari:

• Rangkaian Lance: Pipa kaku atau teleskopik dengan panjang yang dapat disesuaikan, sering kali 2 hingga 8 meter untuk tungku besar.
• Pemegang Lance dan Manipulator: Sistem mekanis yang memungkinkan penyesuaian vertikal dan sudut, sering kali dioperasikan dari jarak jauh untuk keselamatan.
• Pelindung atau Penutup Refraktori: Melindungi ujung lance dan mencegah kehilangan panas atau masuknya terak.
• Sistem Tambahan: Termasuk saluran pasokan gas, pengatur tekanan, pengukur aliran, dan katup pemutus keselamatan.

Variasi desain telah berkembang dari lance dengan panjang tetap yang sederhana menjadi sistem otomatis yang canggih dengan kontrol jarak jauh, pemantauan waktu nyata, dan sensor terintegrasi. Beberapa instalasi menggabungkan ujung lance yang didinginkan dengan air atau dilapisi keramik untuk memperpanjang umur layanan.

Sistem tambahan seperti ekstraksi debu, perangkat penyaring terak, dan sirkuit pendingin air sangat penting untuk operasi yang aman dan efisien.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama yang difasilitasi oleh oxygen lance melibatkan oksidasi kotoran:

• Oksidasi Karbon:
  ( \text{C (dalam baja)} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow ) atau ( \text{CO}_2 \uparrow )

• Oksidasi Silikon:
  ( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 )

• Penghilangan Sulfur:
  ( \text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2 \uparrow )

• Oksidasi Fosfor (kurang umum):
  ( \text{P} + \text{O}_2 \rightarrow \text{P}_2\text{O}_5 )

Reaksi ini didorong secara termodinamik oleh tekanan parsial oksigen yang tinggi dan suhu, dengan kinetika yang dipengaruhi oleh komposisi lebur, suhu, dan aliran oksigen.

Produk reaksi termasuk oksida gas (CO, CO₂, SO₂) dan oksida pembentuk terak (SiO₂, P₂O₅). Produk sampingan gas melarikan diri melalui atap tungku atau sistem gas buang, sementara komponen terak dipisahkan dan dihilangkan.

Transformasi Metalurgi

Selama operasi oxygen lance, perubahan metalurgi yang signifikan terjadi:

• Dekarbonisasi: Pengurangan cepat kandungan karbon, meningkatkan kekuatan dan ketangguhan baja.
• Desulfurisasi: Penghilangan sulfur untuk meningkatkan kemampuan pengelasan dan ketangguhan.
• Penyempurnaan elemen paduan: Penyesuaian mangan, kromium, dan elemen lainnya melalui reaksi oksidasi atau reduksi.
• Pengembangan mikrostruktur: Pembentukan mikrostruktur yang lebih bersih dan lebih seragam dengan lebih sedikit inklusi dan segregasi.

Transformasi fase termasuk transisi dari austenit ke ferit atau martensit, tergantung pada laju pendinginan dan kandungan paduan. Proses ini juga mempengaruhi ukuran butir dan distribusi inklusi, yang secara langsung mempengaruhi sifat mekanik.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer adalah kompleks:

• Interaksi Baja-Terak: Oxygen lance mendorong pembentukan terak dengan mengoksidasi kotoran, yang dapat menyebabkan terjebaknya terak jika tidak dikendalikan dengan baik.
• Keausan Refraktori: Jet oksigen berkecepatan tinggi menyebabkan erosi refraktori, terutama di ujung lance dan antarmuka port.
• Efek Atmosfer: Oksigen berlebih atau posisi lance yang