Proses Pembuatan Baja Tahan Karat

Proses Pembuatan Baja Tahan Karat

Baja tahan karat mengandung dari 10% sampai 30% kromium. Baja ini juga mengandung nikel, molibdenum, tembaga, belerang, titanium, dan niobium, dll dalam jumlah yang bervariasi.

Sebagian besar produksi baja tahan karat dilakukan melalui tungku busur listrik (electric arc furnace/EAF) hingga sekitar tahun 1970. Dengan penggunaan oksigen tonase dalam produksi baja, praktik pembuatan baja tahan karat EAF berubah. Gas oksigen dapat digunakan untuk meningkatkan laju dekarburisasi. Hal ini dapat dicapai dengan menyuntikkan potensi oksigen tinggi tetapi disertai dengan reaksi merugikan dari oksidasi ekstensif kromium ke terak. Ini memerlukan periode reduksi yang terdefinisi dengan baik di mana ferro silicon digunakan untuk mereduksi kromium teroksidasi dari terak.

Produksi baja tahan karat dimulai dengan proses dupleks dengan keberhasilan pengembangan proses konverter argon oxygen decarburization (AOD). Meskipun proses dupleks dengan konverter AOD adalah yang paling menonjol, ada beberapa proses dupleks yang digunakan saat ini untuk membuat baja tahan karat. Dalam proses ini ada EAF atau tungku serupa yang melelehkan skrap, ferroalloy, dan bahan mentah lainnya untuk menghasilkan baja cair. Baja cair ini, yang mengandung sebagian besar kromium dan nikel serta beberapa elemen paduan lainnya, adalah muatan konverter. Konverter digunakan untuk mencapai baja tahan karat karbon rendah. Keserbagunaan proses dupleks EAF-AOD membuat pembuat baja memeriksa kembali penggunaan konverter yang berbeda untuk peleburan baja tahan karat. Hal ini menyebabkan pengembangan beberapa konverter lain untuk proses dupleks.

Pekerjaan pengembangan untuk membuat baja tahan karat menggunakan BOF (tungku oksigen dasar) konvensional telah dimulai pada akhir 1950-an dan awal 1960-an. Pada pertengahan 1960-an, beberapa pembuat baja menggunakan konverter BOF yang ada untuk dekarburisasi parsial diikuti dengan dekarburisasi dalam sendok di bawah vakum untuk membuat baja tahan karat karbon rendah. Proses ini dikenal sebagai proses tripleks karena tiga unit proses, seperti EAF, konverter untuk pra-blowing dan unit dekarburisasi vakum untuk pemurnian akhir, terlibat. Baja menjalani perawatan untuk dekarburisasi akhir, pemangkasan akhir, homogenisasi dan flotasi inklusi sebelum sendok dibawa ke operasi yang padat. Di hampir semua proses tripleks ini, baja pemrosesan vakum di sendok yang penuh adalah langkah terakhir sebelum pengecoran. Gambar 1 menunjukkan perbandingan rute proses dupleks dan tripleks.

Gbr 1 Perbandingan rute proses dupleks dan tripleks

Dengan semua perkembangan ini, saat ini tersedia berbagai proses untuk membuat baja tahan karat. Proses yang tersedia dibagi menjadi tiga kelompok. Mereka adalah proses konverter, konverter dengan proses vakum, dan proses vakum.

Prinsip umum dalam memproduksi baja tahan karat

Dekarburisasi baja tahan karat harus meminimalkan oksidasi kromium. Secara umum diterima bahwa ketika oksigen disuntikkan ke dalam baja tahan karat, campuran kromium dan besi teroksidasi. Dekarburisasi terjadi ketika karbon terlarut mereduksi kromium dan oksida besi yang terbentuk. Urutan dekarburisasi demikian

3O? (g) + 4Cr =2Cr?O?

Kr?O? + 3C =2Cr + 3CO (g)

Dekarburisasi terjadi pada permukaan gelembung naik yang terbentuk baik dari gas inert yang disuntikkan atau pada permukaan partikel oksida kromium yang sedang direduksi dan menghasilkan CO.

Dekarburisasi melibatkan teknik untuk meminimalkan oksidasi kromium. Ada tiga teknik dasar yaitu suhu, pengenceran, dan vakum.

Teknik suhu digunakan oleh pembuatan baja tahan karat EAF sebelum pengembangan proses dupleks. Ketika suhu meningkat, kandungan kesetimbangan pada kandungan kromium tertentu menurun. Namun, hal ini menyebabkan kesulitan operasional dan biaya tinggi.

Teknik pengenceran adalah yang digunakan oleh AOD dan semua proses konverter. Injeksi gas inert (argon atau nitrogen) menurunkan tekanan parsial gas CO dalam bak, sehingga memungkinkan kandungan kromium yang lebih tinggi berada dalam kesetimbangan dengan kandungan karbon yang lebih rendah.

Menerapkan vakum ke penangas logam juga menghilangkan CO, memungkinkan kandungan kromium tinggi berada dalam keseimbangan dengan kandungan karbon rendah. Ini sangat efektif jika kandungan karbonnya rendah.

Kontrol terak yang hati-hati, seperti yang dihasilkan dalam reaksi, adalah penting. Setiap kromium oksida yang tidak direduksi oleh karbon akan berakhir di terak, yang dapat membentuk spinel kompleks. Pemrosesan selanjutnya (disebut reduksi) diperlukan untuk memulihkan elemen teroksidasi seperti kromium, besi, mangan, dll. Efektivitas langkah reduksi bergantung pada banyak faktor termasuk kebasaan dan suhu terak, kondisi pencampuran dalam konverter, dan kinetika pelarutan adisi padat.

Pilihan rute proses

Ada banyak rute proses berbeda yang tersedia untuk proses pembuatan baja tahan karat. Kita harus memilih dari rute-rute ini berdasarkan banyak faktor yang menentukan modal dan biaya operasional. Pilihan rute proses dipengaruhi oleh ketersediaan bahan baku, produk yang diinginkan, proses hilir, logistik toko yang ada, dan ekonomi modal. Juga beberapa tingkat fleksibilitas dalam rute proses yang diinginkan, karena faktor-faktor ini dapat berubah pada waktunya. Secara umum, aliran proses pembuatan stainless steel dapat diklasifikasikan sebagai duplex atau tripleks. Proses dupleks, di mana pembuatan baja EAF diikuti dengan pemurnian dalam konverter, cenderung fleksibel sehubungan dengan pemilihan bahan baku. Proses tripleks, di mana pembuatan baja EAF dan pemurnian konverter diikuti dengan pemurnian dengan sistem vakum, seringkali diinginkan ketika produk akhir memiliki spesifikasi karbon dan nitrogen yang sangat rendah. Proses tripleks cenderung memiliki waktu siklus keseluruhan lebih lama daripada proses dupleks karena ada transfer ekstra dari konverter proses ke unit vakum. Ini juga cenderung memiliki biaya refraktori yang sedikit lebih tinggi karena ada dua tungku yang melakukan dekarburisasi.

Untuk fleksibilitas maksimum, toko harus memiliki alur proses yang dapat menggabungkan rute dupleks dan tripleks. Ini menawarkan fleksibilitas paling besar dalam bahan baku, kemampuan produksi, dan aliran proses. Dalam hal ini, hanya produk yang memerlukan pemurnian vakum karena alasan ekonomi dan/atau kualitas yang akan menggunakan rute tripleks.

Proses pemurnian pengenceran

Dalam konverter, dekarburisasi dilakukan dengan menggunakan prinsip pengenceran. Ada berbagai konverter berdasarkan gas yang digunakan. Konverter juga ada di samping atau di bawah. Pengguna konverter tiup samping mengklaim bahwa tiupan samping menghasilkan efisiensi penghilangan karbon yang lebih tinggi (jumlah oksigen yang bereaksi dengan karbon dibagi dengan jumlah total gas yang dihembuskan) dalam kisaran 0,1 hingga 0,005 % karbon, karena waktu tinggal gelembung gas inert yang lebih lama, dan peningkatan desulfurisasi dalam kisaran 0,005 % hingga kurang dari 0,001 % belerang karena pencampuran yang lebih baik. Proses pengenceran konverter yang paling populer dijelaskan di bawah

• Proses konverter AOD – Prosesnya dijelaskan dalam artikel terpisah di tautan http://www.ispatguru.com/argon-oxygen-decarburization-process/
• K-BOP dan K-OBM-S – Proses K-BOP Kawasaki Steel Corporation dimulai sebagai BOF tiup oksigen konvensional atas. Itu dimodifikasi untuk memiliki tujuh tuyeres bawah dari tipe OBM (Q-BOP). Tuyeres ini bisa meniup oksigen dengan propana untuk pendinginan tuyere. Bubuk kapur juga bisa disuntikkan melalui tuyeres ini. Proses K-OBM-S dikembangkan oleh Voest Alpine Industrieanlagenbau (sekarang Siemens VAI) dan berevolusi dari proses K-BOP Kawasaki. Proses K-OBM-S dimulai dengan tuyeres di bagian bawah konverter. Namun, beberapa instalasi adalah reaktor side-blown. Jadi konverter K-OBM-S ditiup di bagian atas dengan tombak dan di bagian bawah atau di samping ditiup dengan tuyer. Ini sangat mirip dengan AOD modern. Namun, dalam proses K-OBM-S, hidrokarbon, seperti gas alam atau propana, digunakan untuk perlindungan tuyere dan ini dapat membantu dalam meningkatkan umur refraktori.
• Konverter proses pemurnian logam (MRP) -Konverter MRP dikembangkan oleh Mannesmann Demag Huttentechnik (sekarang SMS Siemag). Baja cair cair, yang mengandung kromium dan nikel, dibebankan ke konverter MRP. Dekarburisasi dilakukan dengan menggunakan oksigen dan gas inert. Pada tahap awal pengembangan, gas ditiup secara bergantian melalui tuyer di bagian bawah konverter. Oksigen ditiupkan ke dalam lelehan tanpa pengenceran dengan gas inert apa pun. Tiupan oksigen yang diinginkan diikuti dengan peniupan dengan gas inert saja. Siklus tiupan oksigen yang diikuti oleh tiupan lembam disebut pemurnian atau denyutan siklik dan pengembang mengklaim bahwa pembilasan dengan gas inert murni dapat menghasilkan tekanan parsial CO yang rendah dan dekarburisasi yang lebih cepat dan dengan demikian menurunkan oksidasi kromium dan konsumsi silikon untuk reduksi. Versi asli konverter kini telah berkembang menjadi proses MRP-L di mana semua oksigen ditiupkan ke atas dan gas inert disuntikkan melalui elemen berpori di bagian bawah. Tuyeres bawah dapat diganti dengan mudah melalui penggunaan bawahan yang dapat ditukar. Dengan tuyeres bawah, kemungkinan erosi pada dinding samping konverter lebih kecil. Dalam beberapa tahun terakhir, unit MRP-L telah digabungkan dengan unit vakum sebagai bagian dari proses tripleks untuk membuat baja tahan karat, terutama yang membutuhkan tingkat karbon dan nitrogen yang lebih rendah.
• Konverter Creusot-Loire-Uddeholm (CLU) – Proses CLU mirip dengan proses AOD untuk membuat baja tahan karat. Itu juga menggunakan baja cair dari EAF. Dorongan utama untuk pengembangannya adalah gagasan untuk menggantikan uap sebagai gas pengencer daripada argon. Konverter ditiup dari bawah sehingga membedakannya dari konverter AOD yang ditiup samping. Pabrik komersial pertama yang menggunakan proses CLU dibangun pada tahun 1973. Periode dekarburisasi terdiri dari injeksi campuran oksigen-uap. Proses ini tidak efisien energi karena reaksi uap dengan rendaman baja cair bersifat endotermik. Oksidasi kromium lebih tinggi daripada proses AOD ketika dekarburisasi dilanjutkan di bawah sekitar 0,18% karbon. Meskipun tujuan awal untuk mengurangi konsumsi argon dapat dipenuhi, kebutuhan silikon yang meningkat untuk langkah reduksi tidak selalu mengarah pada penghematan biaya secara keseluruhan. Selanjutnya, penggunaan uap sepanjang seluruh periode ditemukan menyebabkan kandungan hidrogen yang tidak diinginkan dalam baja yang dimurnikan. Oleh karena itu, praktik telah berkembang yang menggunakan berbagai jumlah uap, argon, dan nitrogen dalam prosesnya.
• Proses Krupp gabungan blowing-stainless (KCB-S) -Produksi baja tahan karat dalam konverter BOF menggunakan tombak atas sedang dipraktikkan sebelum munculnya Proses AOD. Setelah pengenalan proses AOD, Krupp Stahl AG memodifikasi konverter sehingga tiupan gabungan melalui tombak dan tuyer dapat dipraktikkan untuk pemurnian baja tahan karat. Prosesnya diberi nama Krupp gabungan blowing-stainless atau KCB-S. Pengenalan simultan gas proses membantu mereka meningkatkan tingkat dekarburisasi. Hembusan melalui tombak atas dan melalui tuyeres di bawah permukaan bak membantu mencapai tingkat dekarburisasi yang sangat tinggi. Tingkat dekarburisasi yang meningkat menyebabkan pengurangan hingga 30% dalam waktu pemurnian dibandingkan dengan AOD konvensional saja. Baja cair dari EAF dibebankan ke konverter. Pada awal pukulan, oksigen murni disuntikkan secara bersamaan melalui tombak dan tuyer dinding samping. Setelah suhu proses yang diinginkan tercapai, berbagai penambahan dibuat selama pukulan. Bahan tambahan terdiri dari kapur, ferroalloy, dan skrap. Setelah tingkat karbon kritis tercapai, kandungan oksigen dari gas proses dikurangi dengan menggunakan gas inert seperti nitrogen atau argon. Oksigen untuk rasio gas inert 4:1, 2:1, 1:1, 1:2 dan 1:4 digunakan sebagai dekarburisasi ke tingkat yang lebih rendah dikejar. Ketika kandungan karbon 0,15% tercapai, penggunaan tombak dihentikan dan gas proses dimasukkan hanya melalui tuyer. Ketika tingkat karbon tujuan yang diinginkan tercapai, pukulan oksigen dihentikan dan silikon ditambahkan sebagai ferosilikon untuk mengurangi kromium oksida dalam terak dan untuk mencapai spesifikasi silikon yang diperlukan. Penambahan kapur dan bahan fluks lainnya dengan ferosilikon menyebabkan penurunan kandungan oksigen terlarut dan meningkatkan desulfurisasi.
• Konverter peleburan sekunder argon (ASM) – Proses ini dikembangkan oleh MAN GHH di Jerman. Ini mirip dengan proses AOD, kecuali bahwa tuyeres berada di bagian bawah kapal. Saat menggunakan oksigen tiupan atas, ini diidentifikasi sebagai proses ASM-L.
• Konverter proses peniupan atas dan bawah Sumitomo (STB) – Sumitomo Metal Industries mengembangkan proses peniupan atas dan bawah (STB) Sumitomo. Ini dikembangkan untuk mengatasi kelemahan dari proses bertiup atas atau bawah murni murni dengan menggabungkan dua konsep menjadi satu proses. Itu juga mencoba untuk mengatasi dua kelemahan dari proses AOD pada saat itu:erosi tuyere dan laju aliran oksigen yang terbatas. Pasokan tambahan gas kaya oksigen dari tombak atas menyebabkan waktu dekarburisasi lebih pendek.
• Konverter Top Mixed Bottom Inert (TMBI) – Dalam proses ini konverter dilengkapi dengan tuyer bawah untuk menginjeksi hanya gas inert seperti argon atau nitrogen. Mayoritas gas proses dimasukkan melalui tombak atas. Tombak atas dapat digunakan untuk memasukkan campuran gas yang diinginkan. Proses ini disebut top mixed bottom inert (TMBI). Prosesnya mirip dengan proses lain yang menggunakan hembusan gas gabungan dalam konverter. Pabrik yang dioperasikan oleh Allegheny Ludlum dengan proses ini memiliki tungku induksi tanpa biji yang melelehkan skrap baja karbon dan memasok logam panas bebas krom ke konverter BOF.
• Kombinasi konverter dan unit vakum – Proses konverter yang dibahas di atas memiliki satu kelemahan yaitu baja tahan karat dengan residu karbon dan nitrogen yang sangat rendah menjadi sulit untuk diproduksi. Periode dekarburisasi menjadi lebih lama sementara oksidasi kromium dan konsumsi argon meningkat seiring dengan penurunan kadar karbon dan nitrogen yang diinginkan. Beberapa pembuat baja telah mencoba untuk mengatasi kelemahan ini dengan menerapkan vakum ke konverter pada tahap yang sangat akhir dari proses dekarburisasi. Konsep ini juga dipromosikan oleh Leybould-Heraus sebagai alternatif AOD atau VOD. Konsep penerapan vakum ke konverter sedang diupayakan dengan pemasangan AOD/VCR oleh Daido di pabrik Shibukawa dan Chita dan oleh Nippon Steel di pabrik Hikarinya. AOD-VCR beroperasi sebagai AOD konvensional hingga 0,08 % – 0,10 % C. Proses dihentikan untuk pengambilan sampel dan penutup vakum dipasang. Tutupnya disegel ke flensa yang terletak sekitar setengah jalan ke atas bagian kerucut konverter. Sebuah vakum ditarik dan digunakan untuk sisa dekarburisasi dan reduksi. Desulfurisasi dilakukan di transfer ladle sebelum biaya AOD. Keuntungan utama dari proses ini relatif terhadap proses konverter adalah penurunan konsumsi argon dan silikon. Kerugiannya termasuk konsumsi refraktori yang lebih tinggi, penurunan kemampuan untuk melelehkan skrap dan pemeliharaan tambahan serta biaya yang terkait dengan produksi uap. Jika dibandingkan dengan unit konverter dan VOD yang terpisah, AOD-VCR memiliki biaya pengoperasian yang lebih tinggi (silikon, refraktori, dan argon), produktivitas yang lebih rendah, dan kandungan nitrogen yang lebih tinggi. Biaya modal mungkin sedikit lebih rendah daripada memiliki dua unit terpisah.

Proses Pemurnian Vakum

Penggunaan vakum untuk dekarburisasi baja dikembangkan di Jerman. Proses awal termasuk degassing RH, degassing DH, dan pemurnian vakum Allegheny (AVR) sebagai langkah kedua dalam proses dupleks. Proses ini melibatkan penurunan tekanan di atas penangas baja untuk mendorong evolusi gas karbon monoksida. Baja tahan karat cair yang masuk ke proses vakum umumnya mengandung karbon sekitar 0,5% atau lebih rendah. Sebagian besar proses vakum dilakukan dalam ruang dengan sendok penuh logam sebagai lawan dari bejana pemurnian terpisah yang digunakan dalam proses pengenceran/konverter.

Pada pertengahan 1960-an, konsep dekarburisasi vakum digunakan oleh Allegheny Ludlum Steel Corporation untuk mengembangkan proses pemurnian vakum Allegheny. Proses ini menjadi tidak kompetitif dengan diperkenalkannya proses AOD dan dihentikan.

Proses dupleks awal di mana pemrosesan vakum digunakan sebagai langkah kedua terlalu lambat dan memiliki fleksibilitas yang sangat terbatas sehubungan dengan bahan baku yang dapat digunakan. Proses vakum tidak dapat mengimbangi peningkatan produktivitas EAF dan biaya pengoperasiannya tinggi. Oleh karena itu, perkembangan selanjutnya difokuskan pada penggunaan konverter untuk mendekarburasi baja cair dari EAF sebagai tahap kedua diikuti dengan penghilangan gas vakum untuk tahap akhir. Proses tersebut dikenal sebagai proses tripleks untuk membuat baja tahan karat karena proses tersebut menggunakan tiga proses untuk mencapai bahan kimia akhir yang diinginkan.

Nippon Steel Corporation memperkenalkan proses RH-OB untuk pembuatan baja tahan karat. Logam panas dari tanur sembur diumpankan ke konverter BOF di mana logam tersebut dicampur dengan kromium dan ditiup ke tingkat karbon 0,5% – 0,6%. Dekarburisasi akhir dilakukan menggunakan proses RH-OB. Nippon Steel mengonversi degasser RH yang ada, yang digunakan untuk baja karbon, sehingga oksigen dapat disuntikkan di bawah vakum.

Thyssen di Jerman mengembangkan proses dekarburisasi oksigen vakum (VOD) pada pertengahan 1960-an. Pada tahap awal pengembangannya, VOD digunakan untuk mendekarburasi paduan cair dari EAF. Kemudian, dekarburisasi awal dilakukan dalam BOF dan proses tripleks EAF-BOF-VOD menjadi lebih produktif. Pada awal 1970-an, Kawasaki Steel Corporation memodifikasi proses VOD menggunakan beberapa gelembung sumbat berpori di sendok. Mereka menyebutnya proses SS-VOD (VOD pengadukan kuat). Pada tahun 1988, ALZ di Belgia memodifikasi fasilitas pembuatan baja tahan karat dengan proses tripleks yang terdiri dari proses peleburan EAF, konverter MRP-L, dan proses VOD.

Keuntungan utama dari proses vakum termasuk konsumsi rendah argon dan oksidasi rendah krom selama dekarburisasi akhir ke tingkat karbon rendah. Yang terakhir telah menyebabkan konsumsi elemen reduksi yang lebih rendah untuk pemulihan kromium dari terak. Penumpukan baja dari sendok yang digunakan dalam proses vakum menghilangkan pengambilan nitrogen dan oksigen dari udara yang terkait dengan penyadapan konverter. Proses SS-VOD, karena pengadukan kuat yang dicapai dengan menggunakan beberapa bubbler di sendok, semakin meningkatkan kemampuan untuk menghasilkan tingkat karbon, nitrogen, dan hidrogen yang lebih rendah pada tingkat kromium yang lebih tinggi.

Kerugian utama dari pemrosesan VOD adalah kurang fleksibel dibandingkan dengan proses AOD atau konverter lainnya sehubungan dengan penggunaan bahan baku.

Banyak pembuat baja juga menyadari bahwa proses vakum seringkali memiliki biaya operasi yang tinggi dan tidak dapat bersaing dengan kemudahan pengoperasian proses konverter pada tekanan atmosfer. Namun, proses vakum, terutama proses SS-VOD, memiliki kemampuan unik untuk mencapai tingkat karbon dan nitrogen yang lebih rendah pada baja tahan karat yang tidak dapat dengan mudah dicapai dengan proses AOD atau proses konverter lainnya

Pembuatan baja tahan karat langsung

Dalam beberapa tahun terakhir, telah ada upaya untuk menggunakan kromium dan bijih nikel untuk pembuatan baja tahan karat sebagai pengganti ferroalloy. Di Jepang, sejumlah perusahaan telah mengembangkan dan menggunakan proses tersebut secara komersial.

Proses pembuatan baja tahan karat langsung membutuhkan lebih sedikit skrap dan paduan ferro dan dapat dipertimbangkan ketika skrap baja tahan karat dan paduan ferro tidak tersedia dalam jumlah yang cukup. Namun, kromium dan bijih nikel diperlukan dan dapat digunakan di pabrik baja terintegrasi di mana logam panas tersedia. Prosesnya lebih padat modal daripada proses lainnya. Oleh karena itu, penerapannya di pabrik dan lokasi lain kemungkinan akan terbatas.