Vakuum Oksigen Dekarburisasi (VOD): Proses Penyempurnaan Baja Utama

Definisi dan Konsep Dasar

Vacuum Oxygen Decarburization (VOD) adalah proses pembuatan baja sekunder yang digunakan terutama untuk menyempurnakan baja cair dengan mengurangi kandungan karbonnya di bawah lingkungan vakum tinggi. Proses ini sangat penting untuk memproduksi baja berkualitas tinggi dengan karbon rendah seperti baja tahan karat, baja paduan, dan baja tujuan khusus dengan komposisi kimia yang tepat.

VOD berada di hilir dari proses pembuatan baja dengan tungku oksigen dasar (BOF) atau tungku busur listrik (EAF), berfungsi sebagai langkah pemurnian yang meningkatkan kebersihan baja, homogenitas kimia, dan sifat mekanis. Ini memungkinkan penghilangan elemen yang tidak diinginkan seperti karbon, nitrogen, hidrogen, dan sulfur, yang dapat mempengaruhi kinerja baja secara negatif.

Tujuan dasar dari VOD adalah untuk mencapai kontrol ketat atas komposisi kimia baja, terutama tingkat karbon rendah, sambil secara bersamaan meningkatkan kebersihan dan mikrostrukturnya. Ini memainkan peran penting dalam rantai produksi baja secara keseluruhan dengan mengubah baja cair mentah menjadi produk yang halus dan berkualitas tinggi yang cocok untuk aplikasi yang menuntut seperti industri otomotif, dirgantara, dan medis.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti dari VOD melibatkan penempatan baja cair dalam lingkungan vakum tinggi, yang secara drastis menurunkan tekanan parsial gas yang terlarut dalam baja. Pengurangan ini memfasilitasi penghilangan gas seperti nitrogen, hidrogen, dan karbon melalui reaksi kimia yang didorong oleh injeksi oksigen.

Komponen teknologi kunci termasuk wadah vakum (atau konverter), sistem injeksi oksigen, pompa vakum, dan analizer gas. Wadah vakum biasanya merupakan ruang tertutup yang dilapisi refraktori yang mampu menahan suhu tinggi dan tekanan vakum. Oksigen disuntikkan melalui lance atau nosel yang ditempatkan di dalam wadah, memfasilitasi reaksi oksidasi yang terkontrol.

Aliran material melibatkan sirkulasi terus-menerus baja cair di dalam wadah, dengan kontrol yang tepat terhadap oksigen dan gas inert (seperti argon) untuk mempromosikan dekaburisasi dan penghilangan gas. Proses ini dipantau melalui analizer gas waktu nyata dan sensor suhu, memastikan kondisi reaksi yang optimal.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

• Tekanan vakum: Biasanya dipertahankan antara 0,1 hingga 1,0 kPa (0,75 hingga 7,5 Torr). Tekanan yang lebih rendah meningkatkan efisiensi penghilangan gas tetapi memerlukan peralatan yang kuat.
• Kecepatan aliran oksigen: Biasanya berkisar antara 0,5 hingga 2,0 Nm³/jam per ton baja, tergantung pada tingkat dekaburisasi yang diinginkan.
• Suhu: Suhu operasi dipertahankan antara 1600°C dan 1650°C untuk menjaga baja dalam keadaan cair dan memfasilitasi reaksi.
• Waktu dekaburisasi: Biasanya berlangsung dari 10 hingga 30 menit, tergantung pada kandungan karbon awal dan tingkat target.
• Komposisi gas: Rasio oksigen terhadap gas inert dikontrol dengan hati-hati untuk mengoptimalkan oksidasi sambil mencegah oksidasi berlebihan dari elemen paduan.

Sistem kontrol memanfaatkan algoritma kontrol proses canggih (APC), mengintegrasikan data waktu nyata dari analizer gas, sensor suhu, dan pengukur tekanan. Sistem ini menyesuaikan aliran oksigen, tingkat vakum, dan pengadukan untuk mempertahankan kondisi optimal dan mencapai kimia baja target.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi VOD yang khas terdiri dari wadah vakum yang dilapisi refraktori dengan kapasitas berkisar antara 10 hingga 300 ton, tergantung pada skala pabrik. Wadah ini dilengkapi dengan sistem vakum—yang terdiri dari pompa rotari atau difusi—yang mempertahankan lingkungan tekanan rendah yang diinginkan.

Injeksi oksigen difasilitasi melalui sistem lance yang ditempatkan secara sentral atau tangensial di dalam wadah, dengan beberapa nosel untuk distribusi yang merata. Sistem tambahan termasuk saluran pembersihan argon atau nitrogen, perangkat pengukur suhu, dan mekanisme penghilangan terak.

Variasi desain telah berkembang dari wadah batch sederhana menjadi sistem kontinu atau semi-kontinu, meningkatkan produktivitas dan stabilitas proses. Unit VOD modern sering menggabungkan pelapisan refraktori canggih, pompa vakum yang ditingkatkan, dan fitur otomatisasi untuk meningkatkan efisiensi operasional.

Sistem tambahan seperti penanganan terak, pembersihan argon, dan unit pembersihan gas sangat penting untuk menjaga kebersihan proses dan kepatuhan lingkungan.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama dalam VOD melibatkan oksidasi karbon dan kotoran:

• Dekaburisasi:
  ( \text{Fe}_3\text{C} + \frac{3}{2} \text{O}_2 \rightarrow 3 \text{Fe} + \text{CO} \uparrow )
  atau
  ( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow )

• Penghilangan nitrogen:
  Nitrogen terlarut bereaksi dengan oksigen untuk membentuk oksida nitrogen, yang dihilangkan sebagai gas.
  ( \text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2 \text{NO} )

• Penghilangan hidrogen:
  Hidrogen melarikan diri sebagai gas H₂, mengurangi porositas dan meningkatkan kualitas baja.

• Penghilangan sulfur:
  Sulfur bergabung dengan kalsium atau magnesium dalam terak untuk membentuk sulfida, yang dipisahkan dari baja.

Prinsip termodinamika menentukan bahwa reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi dan tekanan rendah, dengan tekanan parsial oksigen mengontrol sejauh mana dekaburisasi.

Kinetika dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti suhu, kecepatan aliran oksigen, dan intensitas pengadukan, yang menentukan laju penghilangan kotoran dan komposisi akhir baja.

Transformasi Metalurgi

Selama VOD, perubahan mikrostruktural termasuk transformasi gas terlarut menjadi bentuk gas yang melarikan diri dari lelehan, menghasilkan baja yang lebih bersih dengan porositas yang berkurang. Proses dekaburisasi menghasilkan mikrostruktur dengan kandungan karbon yang lebih rendah, yang meningkatkan duktilitas dan ketangguhan.

Transformasi fase melibatkan pengurangan sementit dan karbida lainnya, mempromosikan mikrostruktur ferritik atau austenitik yang lebih seragam tergantung pada kelas baja. Proses ini juga memperhalus ukuran butir dan mengurangi inklusi, berkontribusi pada peningkatan sifat mekanis.

Penghilangan gas dan kotoran menghasilkan mikrostruktur dengan lebih sedikit cacat, seperti porositas atau segregasi, yang sangat penting untuk aplikasi berkinerja tinggi.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat kompleks. Baja bereaksi dengan oksigen dan gas lainnya, yang dapat menyebabkan kontaminasi atau oksidasi elemen paduan seperti kromium, nikel, atau molibdenum.

Pembentukan terak melibatkan reaksi antara kotoran dan fluks yang ditambahkan (kapur, dolomit, fluorspar), yang membantu dalam penghilangan kotoran tetapi juga dapat menyebabkan reaksi terak-logam yang mempengaruhi komposisi baja.

Bahan refraktori terkena suhu tinggi dan lingkungan korosif, yang menyebabkan keausan dan potensi kontaminasi jika terjadi degradasi refraktori.

Pengendalian interaksi ini melibatkan pengoptimalan kimia terak, menjaga integritas refraktori, dan mengatur aliran oksigen dan gas inert secara tepat untuk mencegah oksidasi atau kontaminasi yang tidak diinginkan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah baja cair dari proses hulu seperti BOF atau EAF. Baja harus memenuhi standar suhu tertentu (sekitar