Rephosphorizing (Baja): Meningkatkan Kualitas Baja & Pengendalian Fosfor

Definisi dan Konsep Dasar

Rephosphorizing dalam pembuatan baja mengacu pada penambahan fosfor yang terkontrol ke dalam baja cair untuk menyesuaikan komposisi kimianya, khususnya untuk meningkatkan kandungan fosfor secara sengaja. Proses ini terutama digunakan untuk memodifikasi sifat baja, seperti meningkatkan kemampuan mesin, memperhalus mikrostruktur, atau mencapai karakteristik metalurgi tertentu. Ini adalah langkah pemurnian sekunder yang terjadi setelah proses pembuatan baja primer seperti peleburan tungku oksigen dasar (BOF) atau tungku busur listrik (EAF).

Dalam keseluruhan rantai produksi baja, rephosphorizing ditempatkan setelah tahap peleburan dan pemurnian awal dan sebelum pengecoran atau pengecoran kontinu. Ini berfungsi sebagai langkah penyesuaian penting untuk memenuhi spesifikasi kimia yang tepat, terutama dalam kelas baja khusus di mana kandungan fosfor mempengaruhi atribut kinerja. Proses ini memungkinkan penyesuaian halus dari profil kimia baja, memastikan kepatuhan terhadap standar kualitas dan persyaratan pelanggan.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Rephosphorizing bergantung pada penambahan bahan yang mengandung fosfor ke dalam baja cair di bawah kondisi yang terkontrol. Prinsip rekayasa dasar melibatkan pelarutan senyawa fosfor ke dalam bak baja untuk mencapai distribusi yang merata tanpa menyebabkan efek merugikan seperti segregasi atau kerapuhan yang berlebihan.

Komponen teknologi kunci termasuk perangkat penambahan fosfor—seperti sistem lance, nosel injeksi, atau pengumpan ladle—yang dirancang untuk memperkenalkan fosfor dengan cara yang terkontrol. Perangkat ini memastikan dosis yang akurat dan dispersi senyawa fosfor yang merata, biasanya dalam bentuk ferrofosfor atau terak fosfat.

Mekanisme operasi utama melibatkan pemeliharaan suhu optimal, pengadukan, dan lingkungan kimia untuk memfasilitasi pelarutan dan distribusi fosfor. Alur proses melibatkan pemindahan baja cair ke dalam ladle, menambahkan bahan fosfor, dan menggunakan pengadukan atau gelembung argon untuk mempromosikan homogenitas.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, laju penambahan fosfor, intensitas pengadukan, dan durasi. Suhu bak baja yang khas selama rephosphorizing berkisar antara 1.600°C hingga 1.650°C, tergantung pada kelas baja dan spesifikasi proses.

Laju penambahan fosfor dikontrol dengan hati-hati, sering kali dalam kisaran 0,01% hingga 0,05% berdasarkan berat, untuk mencapai kandungan fosfor akhir yang diinginkan tanpa melebihi spesifikasi. Parameter pengadukan atau agitasi mempengaruhi homogenitas distribusi fosfor, dengan durasi yang biasanya berkisar dari beberapa menit hingga 15 menit.

Sistem kontrol memanfaatkan sensor waktu nyata, seperti spektrometer atau analis kimia, untuk memantau tingkat fosfor dan suhu. Loop umpan balik otomatis menyesuaikan laju penambahan dan parameter pengadukan untuk mempertahankan komposisi target dan mengoptimalkan stabilitas proses.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi rephosphorizing yang khas terdiri dari ladle yang dilengkapi dengan perangkat penambahan fosfor, seperti sistem lance atau nosel injeksi. Dimensi ladle bervariasi tetapi umumnya menampung 20–200 ton baja cair, dengan pelapisan refraktori yang dirancang untuk menahan suhu tinggi dan kondisi korosif.

Desain modern menggabungkan sistem pengadukan argon atau pengadukan elektromagnetik untuk meningkatkan pencampuran dan dispersi fosfor. Sistem tambahan termasuk unit kontrol suhu, perangkat penyaring terak, dan sistem injeksi gas untuk pengadukan atau penghilangan gas.

Seiring waktu, peralatan telah berkembang dari metode penambahan manual yang sederhana menjadi sistem otomatis sepenuhnya yang dikendalikan komputer yang meningkatkan presisi dan repetisi. Beberapa instalasi memiliki stasiun rephosphorizing khusus yang terintegrasi ke dalam jalur pengecoran kontinu untuk operasi yang mulus.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama selama rephosphorizing melibatkan pelarutan senyawa fosfor ke dalam baja cair:

$$\text{Fe}_3\text{P} + \text{Baja} \rightarrow \text{P Terlarut} + \text{Fe} $$

Fosfor biasanya ditambahkan sebagai ferrofosfor (Fe₃P), yang mudah larut dalam bak baja pada suhu tinggi. Termodinamika mendukung pelarutan pada suhu tinggi, dengan proses yang didorong oleh perbedaan potensial kimia antara ferrofosfor dan baja.

Kinetika pelarutan tergantung pada suhu, pengadukan, dan luas permukaan bahan yang mengandung fosfor. Pengadukan yang tepat mempercepat pelarutan, memastikan distribusi fosfor yang merata.

Produk sampingan reaksi minimal, tetapi kelebihan fosfor dapat menyebabkan peningkatan pembentukan terak atau penjebakan inklusi jika tidak dikontrol dengan baik. Proses ini juga dapat menghasilkan fase terak kaya fosfor, yang dihilangkan selama pemurnian sekunder.

Transformasi Metalurgi

Rephosphorizing mempengaruhi mikrostruktur baja dengan memodifikasi perilaku pembekuan dan transformasi fase. Tingkat fosfor yang tinggi cenderung menstabilkan fase ferit, mengurangi kemampuan pengerasan, dan meningkatkan kemampuan mesin.

Perkembangan mikrostruktur termasuk pembentukan segregasi kaya fosfor jika proses tidak dikontrol dengan baik, yang dapat menyebabkan kerapuhan atau retak panas. Homogenisasi yang tepat memastikan distribusi fosfor yang merata, menghasilkan mikrostruktur yang konsisten.

Fosfor bertindak sebagai penstabil ferit, menurunkan suhu transformasi baja dan mempengaruhi pertumbuhan butir selama pembekuan. Transformasi ini secara langsung mempengaruhi sifat mekanik seperti ketangguhan, duktilitas, dan kekuatan.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Fosfor dapat bereaksi dengan komponen terak, membentuk fosfat yang mempengaruhi viskositas dan fluiditas terak.

Bahan refraktori, terutama pelapisan berbasis alumina, mungkin rentan terhadap serangan fosfor, yang menyebabkan degradasi refraktori seiring waktu. Pelapis pelindung atau komposisi refraktori alternatif digunakan untuk mengurangi hal ini.

Oksigen dan nitrogen atmosfer dapat bereaksi dengan fosfor, membentuk oksida atau nitrit yang dapat mencemari baja atau terak. Mempertahankan atmosfer inert atau reduksi selama penambahan meminimalkan reaksi yang tidak diinginkan.

Pengendalian interaksi ini melibatkan pengoptimalan kimia terak, menggunakan pelapisan refraktori pelindung, dan mempertahankan atmosfer proses yang sesuai untuk mencegah kontaminasi dan memastikan efisiensi proses.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama termasuk baja cair dari konverter primer, ferrofosfor (Fe₃P), dan bahan tambahan seperti fluks atau modifikasi terak. Spesifikasi ferrofosfor biasanya memerlukan kandungan fosfor 10–20%, dengan tingkat kotoran diminimalkan untuk mencegah kontaminasi.

Persiapan bahan melibatkan memastikan ferrofosfor kering, mengalir dengan baik, dan ditimbang dengan akurat. Penanganan memerlukan pengendalian debu dan langkah-langkah keselamatan karena sifat reaktif senyawa fosfor.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi kinerja proses; ferrofosfor berkualitas tinggi memastikan penambahan fosfor yang dapat diprediksi dan meminimalkan kotoran yang tidak diinginkan. Bahan masukan yang konsisten berkontribusi pada kontrol proses yang stabil dan kualitas produk akhir.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan memindahkan baja cair ke dalam ladle, diikuti dengan stabilisasi suhu. Perangkat penambahan fosfor kemudian diaktifkan, memperkenalkan ferrofosfor ke dalam bak di bawah kondisi yang terkontrol.

Pengadukan atau gelembung argon digunakan untuk mempromosikan dispersi yang merata. Durasi proses bervariasi tetapi umumnya berlangsung 5–15 menit, memungkinkan pelarutan dan homogenisasi yang cukup.

Setelah penambahan, baja diambil sampelnya untuk analisis kimia untuk memverifikasi kandungan fosfor. Penyesuaian dilakukan jika perlu sebelum melanjutkan ke