Q-BOP: Proses Pembuatan Baja Lanjutan untuk Produksi Baja Berkualitas Tinggi

Definisi dan Konsep Dasar

Q-BOP, singkatan dari Quick Bottom-blown Oxygen Process, adalah metode pembuatan baja khusus yang digunakan terutama dalam operasi konverter untuk memproduksi baja cair berkualitas tinggi. Ini adalah variasi canggih dari proses tungku oksigen dasar (BOF), yang dirancang untuk mengoptimalkan tahap dekaburisasi, paduan, dan pemurnian dengan menggunakan injeksi oksigen dari bawah.

Tujuan dasar dari Q-BOP adalah untuk mengubah besi cair (logam panas) menjadi baja dengan komposisi kimia yang tepat dan sifat yang diinginkan secara efisien. Ini dicapai dengan memperkenalkan oksigen langsung melalui dasar tungku, memungkinkan reaksi yang cepat dan terkontrol. Proses ini memainkan peran penting dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, menghubungkan tahap peleburan primer dan pemurnian sekunder, dan sering diintegrasikan dengan operasi pengecoran kontinu.

Dalam aliran produksi baja, Q-BOP ditempatkan setelah tahap peleburan tungku tiup dan tungku oksigen dasar (BOF), berfungsi sebagai langkah pemurnian yang meningkatkan kualitas baja sebelum pengecoran. Kemampuannya untuk dengan cepat menyesuaikan komposisi kimia dan mengurangi kotoran menjadikannya vital untuk produksi baja berkualitas tinggi, terutama di pabrik baja terintegrasi berskala besar.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Teknologi inti dari Q-BOP berputar di sekitar injeksi oksigen dari bawah ke dalam bak cair. Berbeda dengan proses BOF tiup atas konvensional, Q-BOP menggunakan serangkaian tuyeres atau nosel yang dipasang di dasar tungku, yang memperkenalkan oksigen murni tinggi langsung di bawah permukaan logam cair.

Oksigen yang ditiup dari bawah ini menciptakan reaksi oksidasi lokal yang intens, memfasilitasi dekaburisasi yang cepat dan penghilangan kotoran. Proses ini memanfaatkan prinsip dinamika fluida dan termodinamika untuk mempromosikan pencampuran yang efisien dan kinetika reaksi, menghasilkan waktu pemurnian yang lebih pendek dan kontrol yang lebih baik atas komposisi kimia.

Komponen teknologi kunci meliputi:

• Tuyere/nosel bawah: Biasanya terbuat dari bahan refraktori yang mampu menahan suhu tinggi dan keausan, nosel ini mendistribusikan oksigen secara merata ke dalam bak cair.
• Sistem pasokan oksigen: Terdiri dari pipa oksigen bertekanan tinggi, katup kontrol aliran, dan perangkat keselamatan untuk mengatur aliran oksigen dengan tepat.
• Shell tungku dan lining refraktori: Dirancang untuk menahan stres termal dan korosi kimia, memastikan daya tahan selama operasi suhu tinggi.
• Sistem pemindahan dan penghilangan slag: Untuk pembuangan baja yang telah dimurnikan dan slag secara efisien, sering diintegrasikan dengan sistem tiup dari bawah.

Mekanisme operasi utama melibatkan injeksi oksigen melalui tuyeres ini, yang bereaksi dengan karbon dan kotoran dalam besi cair, menghasilkan gas CO dan CO₂. Gas-gas ini melarikan diri melalui lapisan slag atau bagian atas tungku, sementara komposisi baja dimurnikan secara real-time.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

Parameter proses saling terkait erat; misalnya, meningkatkan aliran oksigen mempercepat dekaburisasi tetapi dapat menyebabkan oksidasi berlebihan dari elemen paduan. Sistem kontrol memanfaatkan sensor canggih, seperti analizer gas dan probe suhu, yang dipadukan dengan model proses untuk mempertahankan kondisi optimal.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi Q-BOP yang khas memiliki:

• Dimensi tungku: Kapasitas berkisar antara 100 hingga 300 ton, dengan rasio tinggi terhadap diameter yang dioptimalkan untuk aliran gas dan transfer panas yang efisien.
• Pengaturan tuyere bawah: Biasanya 4–12 nosel yang diatur simetris di dasar tungku, dengan sudut yang dapat disesuaikan untuk distribusi oksigen yang merata.
• Lapisan refraktori: Terdiri dari bata alumina tinggi atau magnesia-kromit, dirancang untuk isolasi termal dan ketahanan terhadap erosi.
• Sistem tambahan: Termasuk saluran pasokan oksigen, sirkuit air pendingin untuk tuyeres, dan peralatan penanganan slag.

Evolusi desain seiring waktu telah fokus pada peningkatan daya tahan tuyere, meningkatkan keseragaman injeksi oksigen, dan mengintegrasikan otomatisasi untuk kontrol yang tepat. Beberapa sistem modern menggabungkan tuyeres yang didinginkan dengan air dan bahan refraktori canggih untuk memperpanjang umur operasional.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama selama Q-BOP melibatkan oksidasi karbon, silikon, mangan, dan elemen paduan lainnya:

• Oksidasi karbon:
  C + ½ O₂ → CO (gas)
  atau
  C + O₂ → CO₂ (gas)

• Oksidasi silikon:
  Si + O₂ → SiO₂ (slag)

• Oksidasi mangan:
  Mn + ½ O₂ → MnO (slag)

Reaksi-reaksi ini secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi, dengan kesetimbangan yang dipengaruhi oleh tekanan parsial oksigen dan suhu. Kinetika proses tergantung pada laju aliran oksigen, pengadukan bak, dan suhu.

Produk reaksi termasuk CO dan CO₂ gas, yang melarikan diri melalui slag dan bagian atas tungku, serta slag oksida yang mengandung kotoran seperti SiO₂, MnO, dan P₂O₅. Mengelola produk sampingan ini sangat penting untuk efisiensi proses dan kepatuhan lingkungan.

Transformasi Metalurgi

Selama Q-BOP, perubahan metalurgi yang signifikan terjadi:

• Dekaburisasi: Pengurangan cepat kandungan karbon dari logam panas ke tingkat baja yang diinginkan, biasanya di bawah 0,1–0,2%.
• Penghilangan kotoran: Oksidasi fosfor, sulfur, dan elemen tidak diinginkan lainnya, sering membentuk slag.
• Penyesuaian paduan: Penambahan elemen paduan (misalnya, Cr, Ni, Mo) untuk mencapai kelas baja tertentu, dengan injeksi oksigen yang memfasilitasi penggabungan mereka.

Secara mikrostruktural, baja bertransisi dari struktur feritik atau pearlitik menjadi fase yang halus dan homogen dengan ukuran butir yang terkontrol. Transformasi fase dipengaruhi oleh laju pendinginan setelah pemurnian, yang mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan dan ketangguhan.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, slag