Waloon Process: Teknik Pembuatan Baja Kunci untuk Meningkatkan Kualitas dan Efisiensi

Definisi dan Konsep Dasar

Proses Waloon adalah teknik pembuatan baja yang khusus digunakan terutama untuk memurnikan dan menghilangkan sulfur dari besi atau baja cair. Proses ini melibatkan injeksi agen reduksi dan desulfurisasi—biasanya bahan karbon—ke dalam paduan logam cair dalam konverter atau wadah khusus. Tujuan dasar dari proses ini adalah untuk menghilangkan kotoran seperti sulfur, oksigen, dan elemen tidak diinginkan lainnya, sehingga meningkatkan komposisi kimia dan sifat mekanik baja.

Posisi proses Waloon berada di hilir dari operasi tungku tiup utama, berfungsi sebagai langkah pemurnian sekunder. Proses ini sering diintegrasikan ke dalam rantai produksi baja secara keseluruhan setelah peleburan dengan oksigen dasar atau tungku busur listrik, memberikan tahap penting untuk mencapai spesifikasi kualitas yang ditargetkan. Perannya sangat penting dalam memproduksi baja berkualitas tinggi dengan tingkat kotoran yang terkontrol, terutama dalam aplikasi khusus seperti baja paduan atau baja struktural berkualitas tinggi.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti dari Proses Waloon didasarkan pada reaksi reduksi kimia dan desulfurisasi yang terjadi ketika bahan karbon diperkenalkan ke dalam logam cair. Proses ini memanfaatkan afinitas sulfur dan oksigen terhadap karbon, memfasilitasi penghapusannya melalui reaksi kimia yang menghasilkan produk sampingan gas atau slag.

Komponen teknologi kunci termasuk wadah konverter khusus—sering kali berupa ladle atau tungku pemurnian khusus—dilengkapi dengan sistem injeksi untuk sumber karbon seperti kokas, batubara, atau karbon bubuk. Wadah tersebut juga dapat menggabungkan sistem lance atau tuyere untuk menyuntikkan gas atau bubuk langsung ke dalam lelehan. Proses ini bergantung pada pengadukan atau agitasi yang terkontrol untuk mempromosikan reaksi yang merata dan penghilangan kotoran yang efisien.

Mekanisme operasi utama melibatkan injeksi agen karbon ke dalam logam cair, yang bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan gas karbon monoksida atau karbon dioksida, sehingga mengurangi kandungan oksigen. Secara bersamaan, sulfur bereaksi dengan karbon untuk membentuk senyawa sulfur gas seperti sulfur dioksida, yang melarikan diri dari lelehan. Proses ini juga dapat melibatkan pembentukan dan penghilangan slag untuk mengekstrak kotoran.

Parameter Proses

Variabel proses yang kritis termasuk suhu, laju injeksi, dan komposisi material yang disuntikkan. Suhu operasi yang tipikal berkisar antara 1.600°C hingga 1.700°C, dioptimalkan untuk mempertahankan fluiditas dan kinetika reaksi. Laju injeksi agen karbon bervariasi antara 5 hingga 20 kg per ton logam cair, tergantung pada tingkat kotoran dan komposisi akhir yang diinginkan.

Potensi oksigen dalam lelehan dipantau melalui perhitungan termodinamika dan sensor waktu nyata, memastikan kondisi reduksi yang optimal. Efisiensi desulfurisasi berkorelasi dengan jumlah dan jenis karbon yang disuntikkan, serta waktu tinggal dalam konverter. Sistem kontrol menggunakan algoritma kontrol proses yang canggih, termasuk umpan balik dari analis gas dan sensor suhu, untuk mempertahankan operasi yang stabil dan tingkat kotoran yang ditargetkan.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi Proses Waloon yang tipikal terdiri dari wadah yang dilapisi refraktori dengan dimensi yang disesuaikan dengan throughput—sering kali beberapa meter dalam diameter dan beberapa meter tinggi. Wadah tersebut dilengkapi dengan sistem lance atau tuyere untuk menyuntikkan karbon dan gas, bersama dengan perangkat pengaduk seperti pengaduk elektromagnetik atau mekanis untuk meningkatkan pencampuran.

Variasi desain termasuk konfigurasi lance yang terendam, sistem injeksi atas, atau konverter putar, masing-masing disesuaikan dengan kebutuhan operasional tertentu. Seiring waktu, peralatan telah berkembang untuk menggabungkan kontrol injeksi yang lebih presisi, bahan refraktori yang lebih baik yang tahan terhadap suhu tinggi dan gas korosif, serta fitur otomatisasi untuk meningkatkan stabilitas proses.

Sistem tambahan termasuk unit penanganan gas untuk menangkap dan mengolah gas buang, perangkat penyaring slag, dan sistem kontrol suhu. Komponen ini memastikan operasi yang aman, efisien, dan sesuai dengan lingkungan.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan reduksi kotoran oksigen dan sulfur oleh karbon. Untuk penghilangan oksigen:

$$\text{C} + \text{O} \rightarrow \text{CO} \uparrow $$

atau

$$\text{C} + \frac{1}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow $$

yang mengurangi kandungan oksigen dalam lelehan, meningkatkan kualitas metalurginya.

Untuk penghilangan sulfur:

$$\text{S} + \text{C} \rightarrow \text{CS} \uparrow $$

atau pembentukan sulfur dioksida:

$$\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2 \uparrow $$

Reaksi ini secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi dan bergantung pada aktivitas karbon dan potensi oksigen dalam lelehan.

Produk reaksi termasuk CO gas, CO₂, SO₂, dan oksida sulfur lainnya, yang dibuang atau disaring dari sistem gas buang. Efisiensi reaksi ini tergantung pada suhu, konsentrasi kotoran, dan jumlah karbon yang disuntikkan.

Transformasi Metalurgi

Selama Proses Waloon, perubahan mikrostruktur terjadi saat kotoran dihilangkan. Reduksi oksigen dan sulfur menghasilkan matriks baja yang lebih bersih dengan lebih sedikit inklusi dan cacat. Perkembangan mikrostruktur melibatkan pelarutan oksida pembentuk slag dan homogenisasi elemen paduan.

Transformasi fase termasuk pelarutan karbida dan sulfida, yang dapat mempengaruhi kekerasan, keuletan, dan ketangguhan baja. Proses ini juga mendorong pembentukan mikrostruktur halus yang terdistribusi merata, yang penting untuk baja berkinerja tinggi.

Pengendalian laju pendinginan dan parameter pemurnian memastikan distribusi fase yang diinginkan, seperti ferit, perlit, atau martensit, tergantung pada kelas baja.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair dan pelapisan refraktori sangat penting, karena suhu tinggi dan gas reaktif dapat menyebabkan kerusakan refraktori. Bahan refraktori dipilih karena ketidakaktifan kimia dan stabilitas termalnya.

Mekanisme transfer material termasuk pelarutan komponen slag ke dalam lelehan dan potensi kontaminasi dari partikel aus refraktori. Untuk meminimalkan kontaminasi, pelapis pelindung dan komposisi refraktori yang dioptimalkan digunakan.

Interaksi atmosfer melibatkan pelarian gas seperti CO, CO₂, dan SO₂, yang memerlukan sistem pengolahan gas buang yang efektif. Pengendalian atmosfer dalam wadah mencegah oksidasi baja dan mengurangi emisi lingkungan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Proses ini memerlukan besi atau baja cair berkualitas tinggi, agen reduksi berbasis karbon (seperti kokas atau batubara bubuk), dan fluks atau pembentuk slag sesuai kebutuhan. Bahan masukan harus memenuhi spesifikasi kimia dan fisik yang ketat untuk memastikan stabilitas proses.

Persiapan melibatkan pencampuran atau pengukuran awal sumber karbon untuk memfasilitasi injeksi yang merata. Sistem penanganan termasuk konveyor, silo, dan unit pengukuran yang dirancang untuk mencegah kontaminasi dan memastikan laju umpan yang konsisten.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi reaksi, tingkat penghilangan kotoran, dan sifat baja akhir. Kotoran seperti sulfur, fosfor, dan tingkat oksigen dalam bahan masukan menentukan sejauh mana pemurnian yang diperlukan.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan mentransfer logam cair ke dalam wadah pemurnian, diikuti dengan stabilisasi suhu. Injeksi agen berbasis karbon dan gas terjadi secara bersamaan, dengan pengadukan atau agitasi untuk mempromosikan reaksi yang merata.

Reaksi desulfurisasi dan deoksidasi berlangsung selama waktu tinggal yang biasanya berkisar antara 10 hingga 30 menit, tergantung pada tingkat kotoran