Tengkorak dalam Pembuatan Baja: Pembentukan, Dampak & Manajemen dalam Pengolahan Utama

Definisi dan Konsep Dasar

Dalam pembuatan baja, istilah "Skull" merujuk pada lapisan padat yang dilapisi refraktori, sering kali berkerak, yang terbentuk pada permukaan interior wadah metalurgi selama proses suhu tinggi seperti operasi tungku busur listrik (EAF), pemurnian ladle, atau metalurgi sekunder. Ini terutama terdiri dari terak yang terfusi, bahan refraktori, dan oksida logam yang telah mengalami pencairan dan pembekuan sebagian.

Skull bertindak sebagai penghalang pelindung, melindungi pelapisan refraktori dari kontak langsung dengan baja cair, terak, dan reaksi kimia yang agresif. Pembentukannya adalah konsekuensi alami dari lingkungan termal dan kimia di dalam tungku atau ladle selama produksi baja.

Dalam keseluruhan proses pembuatan baja, skull memainkan peran penting dalam menjaga integritas wadah, mempengaruhi transfer panas, dan mempengaruhi stabilitas proses. Ini biasanya berkembang selama tahap pencairan, pemurnian, dan pengetapan, mempengaruhi efisiensi operasional dan kualitas produk.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Pembentukan dan pengelolaan skull diatur oleh prinsip-prinsip dasar kimia suhu tinggi, transfer panas, dan fisika refraktori. Konsep rekayasa kunci melibatkan pengendalian suhu dan lingkungan kimia untuk mempromosikan kerak yang stabil dan melekat yang meminimalkan keausan refraktori.

Komponen teknologi utama termasuk pelapisan refraktori yang terbuat dari alumina, magnesia, atau bahan titik lebur tinggi lainnya, dan sistem kontrol termal tungku. Komponen ini dirancang untuk menahan suhu ekstrem (hingga 1650°C) dan serangan kimia dari terak dan baja cair.

Mekanisme operasi inti melibatkan manajemen fluks panas, reaksi kimia di antarmuka refraktori-logam, dan interaksi terak-logam. Alur proses mencakup pencairan bahan baku, pemurnian kotoran, dan pengetapan baja cair, di mana skull terbentuk dan berkembang.

Parameter Proses

Variabel proses kritis yang mempengaruhi pembentukan skull meliputi:

Hubungan antara parameter ini dan karakteristik skull sangat kompleks. Misalnya, suhu tungku yang lebih tinggi mendorong skull yang lebih tebal dan lebih melekat tetapi meningkatkan risiko keausan refraktori. Sistem kontrol yang tepat, termasuk termokopel canggih, sensor inframerah, dan otomatisasi proses, digunakan untuk mempertahankan kondisi optimal.

Konfigurasi Peralatan

Konfigurasi tungku yang khas menampilkan wadah yang dilapisi refraktori dengan atap dan dinding samping yang didinginkan dengan air. Pelapisan refraktori dirancang dengan beberapa lapisan, termasuk lapisan dalam yang padat dan tahan aus serta lapisan luar yang isolatif.

Skull terbentuk terutama pada permukaan pelapisan interior yang terpapar pada pemandian cair. Variasi termasuk komposisi refraktori yang berbeda yang disesuaikan untuk grade baja tertentu atau jenis tungku, seperti tungku busur listrik, tungku ladle, atau degasser vakum.

Sistem tambahan termasuk sistem injeksi gas, lances oksigen, dan perangkat penyaring terak, yang mempengaruhi lingkungan termal dan kimia, sehingga mempengaruhi pembentukan skull. Seiring waktu, pelapisan refraktori berkembang melalui keausan, serangan kimia, dan siklus termal, yang memerlukan inspeksi dan penggantian berkala.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Pembentukan skull melibatkan beberapa reaksi kimia utama:

• Pembentukan Oksida: Oksida logam seperti FeO, Fe₂O₃, dan oksida terak (CaO, SiO₂, Al₂O₃) terbentuk melalui oksidasi baja cair dan kotoran.
• Interaksi Refraktori-Cairan: Bahan refraktori bereaksi dengan terak dan oksida logam, menghasilkan fase kompleks seperti spinel (misalnya, MgAl₂O₄) atau senyawa refraktori yang terfusi.
• Metalurgi Terak: Komposisi terak diatur oleh reaksi seperti CaO + SiO₂ → CaSiO₃, yang mempengaruhi viskositas dan keterikatan.

Reaksi ini didorong secara termodinamik oleh suhu, potensi oksigen, dan aktivitas kimia. Kinetika tergantung pada laju difusi, kontak permukaan, dan gradien suhu.

Produk reaksi termasuk fase stabil yang berkontribusi pada integritas kerak, serta produk sampingan seperti CO dan CO₂ gas selama proses dekarbonisasi atau oksidasi.

Transformasi Metalurgi

Selama operasi, mikrostruktur skull berkembang melalui transformasi fase:

• Kristalisasi: Saat terak cair mendingin, ia mengeras menjadi fase kristalin seperti spinel dan silikat.
• Pembekuan: Kerak bertransisi dari keadaan kental, semi-cair menjadi lapisan kaku dan melekat.
• Perkembangan Mikrostruktur: Skull mengembangkan mikrostruktur berpori atau padat tergantung pada laju pendinginan dan komposisi kimia.

Transformasi ini mempengaruhi kekuatan mekanik, konduktivitas termal, dan ketahanan kimia dari skull. Skull yang terbentuk dengan baik mengurangi keausan refraktori, menjaga stabilitas proses, dan memastikan kualitas baja yang konsisten.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting:

• Interaksi Baja-Refraktori: Baja cair dapat melarutkan komponen refraktori, menyebabkan degradasi atau kontaminasi refraktori.
• Interaksi Terak-Refraktori: Terak dapat menembus pori-pori refraktori, menyebabkan erosi atau perubahan fase.
• Efek Atmosfer: Oksigen dan gas lainnya mempengaruhi reaksi oksidasi, mempengaruhi komposisi dan keterikatan skull.

Pengendalian interaksi ini melibatkan pengoptimalan kimia terak, pemilihan refraktori, dan atmosfer proses. Pelapis atau liner pelindung dapat digunakan untuk meminimalkan transfer material yang tidak diinginkan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Proses ini memerlukan bahan baku berkualitas tinggi:

• Bijih besi, baja bekas, atau besi yang direduksi langsung (DRI): Sumber logam utama, dengan spesifikasi untuk tingkat kotoran, ukuran, dan kandungan kelembapan.
• Fluks: Kapur (CaO), silika (SiO₂), alumina (Al₂O₃), dan aditif lainnya untuk mengontrol kimia terak.
• Bahan refraktori: Alumina, magnesia, atau keramik titik lebur tinggi lainnya dengan sifat kimia dan termal tertentu.

Persiapan material melibatkan pengukuran ukuran, peng