Peleburan/Peleburan dalam Produksi Baja: Proses Kunci & Peralatan

Definisi dan Konsep Dasar

Peleburan/Melting dalam industri baja mengacu pada proses termal utama di mana bahan baku—seperti bijih besi, limbah, dan fluks—dipanaskan pada suhu tinggi untuk menghasilkan logam cair. Proses ini melibatkan transformasi bahan baku padat menjadi bentuk cair, memfasilitasi pemisahan kotoran dan pembentukan logam yang telah dimurnikan yang cocok untuk langkah-langkah pembuatan baja selanjutnya.

Secara fundamental, peleburan/melting berfungsi sebagai tahap awal dalam produksi baja, mengubah input mentah menjadi keadaan cair yang memungkinkan paduan, pemurnian, dan pengecoran. Ini penting untuk mengurangi oksida logam menjadi bentuk logam dan menetapkan komposisi dasar baja. Efisiensi dan kontrol proses secara langsung mempengaruhi kualitas, konsumsi energi, dan dampak lingkungan dari seluruh rantai pembuatan baja.

Dalam alur pembuatan baja secara keseluruhan, peleburan/melting bertindak sebagai jembatan antara persiapan bahan baku dan pemurnian sekunder atau pengecoran. Ini biasanya mengikuti pengolahan dan peletisasi bijih besi atau pengumpulan limbah, dan mendahului pemurnian sekunder, pengecoran kontinu, atau pembentukan ingot.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik peleburan/melting melibatkan penerapan panas yang intens untuk menyebabkan transformasi fisik dan kimia pada bahan baku. Panas ini disuplai melalui pembakaran bahan bakar fosil, energi listrik, atau kombinasi keduanya, untuk mencapai suhu yang sering kali melebihi 1500°C.

Komponen teknologi kunci meliputi:

• Peletakan: Wadah utama tempat peleburan terjadi, seperti tungku tiup, tungku busur listrik (EAF), atau tungku oksigen dasar (BOF). Setiap jenis dirancang untuk bahan baku dan kebutuhan proses tertentu.
• Lapisan Refraktori: Bahan tahan panas yang melapisi bagian dalam tungku, melindungi wadah dari korosi dan keausan suhu tinggi.
• Sistem Pengisian: Peralatan untuk memperkenalkan bahan baku ke dalam tungku, termasuk hoist skip, sabuk konveyor, atau sendok.
• Sistem Pengumpulan dan Pengolahan Gas: Menangkap gas buang yang dihasilkan selama peleburan, memungkinkan kontrol lingkungan dan pemulihan energi.

Mekanisme operasi utama melibatkan transfer panas dari pembakaran atau busur listrik ke bahan baku, menyebabkan peleburan fisik dan reaksi kimia mereka. Aliran material dalam tungku melibatkan peleburan bertahap dari input padat, pembentukan terak, dan pengumpulan logam cair di bagian bawah tungku untuk penyaluran.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

• Suhu: Biasanya dipertahankan antara 1500°C dan 1700°C untuk peleburan yang efektif.
• Daya Masukan Tungku: Untuk tungku listrik, daya listrik berkisar antara 100 hingga 400 kWh per ton baja, tergantung pada ukuran dan efisiensi tungku.
• Komposisi Pengisian: Rasio bahan baku, seperti bijih besi, limbah, fluks, dan aditif, mempengaruhi perilaku peleburan dan komposisi akhir.
• Kecepatan Aliran Gas: Tingkat ekstraksi gas buang mempengaruhi efisiensi pembakaran dan emisi lingkungan.
• Kimia Terak: Dikendalikan untuk mengoptimalkan penghilangan kotoran dan melindungi lapisan refraktori.

Parameter ini dipantau melalui termokopel, analizer gas, dan meter aliran. Sistem kontrol canggih menggunakan data waktu nyata untuk menyesuaikan masukan bahan bakar, daya listrik, dan variabel lainnya, memastikan operasi yang stabil dan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi peleburan/melting yang khas bervariasi berdasarkan jenis tungku:

• Tungku Tiup: Tungku vertikal tinggi sekitar 30-50 meter, dengan diameter 8-15 meter. Ini memiliki array tuyeres untuk menyuntikkan udara panas dan gas reduksi, serta hearth untuk pengumpulan besi cair.
• Tungku Busur Listrik: Wadah persegi panjang atau melingkar, 4-12 meter dalam diameter, dengan elektroda grafit atau tembaga yang digantung di tengah. Ini sering dilengkapi dengan mekanisme miring untuk penyaluran.
• Tungku Oksigen Dasar: Wadah kerucut, 10-15 meter tingginya, dengan peluncur yang didinginkan air untuk meniupkan oksigen ke dalam logam cair.

Sistem tambahan termasuk unit pemanasan awal untuk bahan baku, pabrik pembersihan gas, dan sistem pendingin untuk lapisan refraktori. Seiring waktu, desain tungku telah berkembang untuk meningkatkan efisiensi energi, mengurangi emisi, dan mengakomodasi bahan baku alternatif seperti limbah baja.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama selama peleburan/melting melibatkan proses reduksi dan oksidasi:

• Reduksi Bijih Besi: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
  Reduksi endotermik ini mengubah oksida besi menjadi besi logam menggunakan karbon monoksida sebagai agen reduksi.

• Oksidasi Karbon: C + O₂ → CO₂
  Memberikan panas dan mempengaruhi kandungan karbon dalam logam cair.

• Formasi Terak: CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (terak)
  Fluks seperti batu kapur (CaCO₃) terurai menjadi CaO, yang bereaksi dengan kotoran silika untuk membentuk terak.

Termodinamika mengatur reaksi ini, dengan keseimbangan bergeser berdasarkan suhu, tekanan parsial, dan komposisi. Kinetika menentukan laju di mana reduksi dan pembentukan terak terjadi, mempengaruhi efisiensi proses.

Transformasi Metalurgi

Selama peleburan, mikrostruktur logam berkembang secara signifikan:

• Perubahan Fase: Fase besi padat berubah menjadi cair, dengan pembekuan selanjutnya mempengaruhi ukuran dan distribusi butir.
• Penghilangan Kotoran: Oksida, sulfur, fosfor, dan kotoran lainnya terpisah menjadi terak atau direduksi menjadi bentuk logam.
• Elemen Paduan: Penambahan seperti mangan, nikel, atau kromium larut ke dalam logam cair, memodifikasi sifatnya.

Setelah peleburan, pendinginan dan pembekuan yang terkontrol menghasilkan fitur mikrostruktur seperti ferrit, pearlit, atau martensit, yang menentukan sifat mekanik seperti kekuatan, kelenturan, dan ketangguhan.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, terak, lapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting:

• Antarmuka Logam-Terak: Memfasilitasi transfer kotoran; mengendalikan komposisi terak mencegah re-oksidasi logam.
• Keausan Refraktori: Korosi suhu tinggi dan kejutan termal menyebabkan degradasi refraktori, memerlukan pemilihan material dan pemeliharaan lapisan.
• Dampak Atmosfer: Oksigen dan gas lainnya dapat menyebabkan oksidasi atau kontaminasi jika tidak dikendalikan dengan baik.

Metode untuk mengelola interaksi ini termasuk kimia terak yang dioptimalkan, atmosfer gas pelindung, dan bahan refraktori dengan ketahanan korosi tinggi.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan kunci meliputi:

• Bijih Besi: Biasanya dengan kandungan Fe >60%, ukuran 0-25 mm, dengan tingkat sulfur