Tombak Peniup Oksigen dan Perannya dalam Tungku Oksigen Dasar
Oxygen Blowing Lance dan Perannya dalam Basic Oxygen Furnace
Dalam baja tungku oksigen dasar (BOF) membuat tombak berpendingin air digunakan untuk menyuntikkan aliran oksigen berkecepatan tinggi (super-sonik) ke penangas cairan untuk pemurniannya. Kecepatan atau momentum semburan oksigen menghasilkan penetrasi terak cair dan logam untuk mendorong reaksi oksidasi pada area yang relatif kecil. Kecepatan pancaran oksigen dan karakteristik penetrasi adalah fungsi dari desain nosel (ujung tombak).
Tombak oksigen jet peniup atas dari konverter BOF bekerja sebagai sumber oksigen dan energi untuk mengaduk logam cair di bak mandi. Fenomena dalam tungku utama dari konverter BOF yang melibatkan pancaran oksigen tombak bertiup atas adalah pembentukan rongga sebagai akibat interaksi fisik antara pancaran oksigen dan logam cair, pengadukan logam cair, pembentukan spitting dan debu, dan post pembakaran gas CO yang dihasilkan oleh dekarburisasi dan reaksi dengan oksigen. Untuk optimalisasi operasi konverter BOF dan mengendalikan fenomena di atas, berbagai perangkat dan peningkatan telah dibuat dan diterapkan pada desain dan pengoperasian tombak peniup atas. Contohnya termasuk penggunaan nozel Laval yang mampu mengubah energi tekanan menjadi energi kinetik pancaran dengan efisiensi tinggi untuk mendorong pengadukan logam cair, dan penggunaan tombak multi-lubang yang memungkinkan pemberian oksigen berkecepatan tinggi sambil menekan generasi meludah dan debu dengan menyebarkan semburan oksigen.
Dengan diperkenalkannya tiupan gabungan dalam konverter BOF, peran pancaran tiup atas sebagai sumber energi untuk mengaduk besi logam cair menurun dan fleksibilitas dalam desain dan operasi telah ditingkatkan secara signifikan.
Alasan utama untuk meniupkan oksigen ke dalam penangas cair adalah untuk menghilangkan karbon dari penangas ke spesifikasi titik akhir. Karena hembusan oksigen, reaksi prinsip yang dihasilkan adalah penghilangan karbon dari bak sebagai CO. Ini adalah reaksi eksotermik yang menambahkan panas ke sistem. Sejumlah kecil CO2 (biasanya kurang dari 10%) juga dihasilkan karena pembakaran CO ini di dalam konverter BOF dengan bereaksi dengan oksigen (disebut pasca-pembakaran). Reaksi lain yang terjadi karena hembusan oksigen adalah oksidasi unsur-unsur lain seperti silikon (Si), mangan (Mn), dan fosfor (P) dll. Unsur-unsur ini dioksidasi dan diserap di lapisan terak. Reaksi-reaksi ini juga eksotermis, yang selanjutnya berkontribusi pada panas yang dibutuhkan untuk penangas cairan dan menaikkan suhu penangas cairan ke tingkat yang diperlukan. Oksidasi Si sangat penting karena terjadi pada awal hembusan oksigen dan silika yang dihasilkan bergabung dengan kapur yang ditambahkan untuk membentuk terak cair. Reaksi oksidasi yang terjadi karena peniupan oksigen diberikan di bawah ini. Perubahan reaksi energi bebas (diberikan dalam kurung) dinyatakan dalam kkal/mol pada 1600 derajat C.
C + 0,5 O2 =CO (- 66)
2CO + O2 =2CO2 (-57,4)
Si + O2 =SiO2 (-137,5)
Mn + 0,5 O2 =MnO (- 58,5)
2P + 2.5 O2 =P2O5 (-148.5)
Reaksi oksidasi terjadi di zona tumbukan semburan oksigen. Zona dampak ini disebut rongga dan dibuat oleh pelampiasan oksigen. Penurunan dalam penangas cairan merupakan fungsi dari momentum atau gaya dorong pancaran oksigen dan dihitung dengan persamaan berikut.
F =W (Ve/g)
Dimana F adalah gaya, W adalah laju aliran massa, Ve adalah kecepatan keluar, dan g adalah percepatan gravitasi. Dorongan jet dan sudut tumbukan dioptimalkan untuk mencapai reaksi kimia dan pengadukan rendaman yang diinginkan melalui desain nozel tombak oksigen.
Nozel dari tombak oksigen dirancang untuk laju aliran oksigen tertentu, biasanya diukur dalam N cum/menit, menghasilkan kecepatan keluar tertentu (nomor Mach), dengan profil jet yang diperlukan dan gaya untuk menembus lapisan terak cair dan bereaksi dengan mandi logam cair di daerah rongga.
Semburan oksigen momentum tinggi meninggalkan pintu keluar nozzle Laval dengan kecepatan sekitar dua kali kecepatan suara. Parameter karakteristik adalah bilangan Mach, yang mewakili rasio antara kecepatan gas lokal dan kecepatan suara. Sebagai hasil dari ekspansi di dalam nozel, oksigen mendingin hingga sekitar minus 100 derajat C dalam perjalanannya ke pintu keluar nosel, sehingga secara intensif mendinginkan nozel baik di sisi air maupun di sisi oksigen.
Sebuah nozzle Laval terdiri dari saluran masuk yang konvergen dan saluran keluar yang berbeda. Seringkali, istilah nozzle konvergen-divergen (CD) digunakan. Jet supersonik diproduksi dengan nozel konvergen/divergen (Laval). Sebuah reservoir oksigen stagnan dipertahankan pada tekanan, Po. Oksigen berakselerasi di bagian konvergen hingga kecepatan sonik (Mach =1) di zona tenggorokan silindris. Oksigen kemudian mengembang di bagian divergen. Ekspansi menurunkan suhu, kepadatan, dan tekanan oksigen dan kecepatan meningkat ke tingkat supersonik (Mach lebih dari 1).
Saat jet oksigen keluar dari nosel ke konverter BOF, ia menyebar dan meluruh. Inti supersonik tetap berada pada jarak tertentu dari nosel. Pancaran supersonik menyebar pada sudut nozzle Laval, yang biasanya berkisar antara 10 derajat hingga 16 derajat, tetapi naik hingga 23 derajat dalam beberapa desain nosel tombak.
Desain nosel yang sesuai dan operasi yang tepat keduanya diperlukan untuk menghasilkan reaksi pembuatan baja yang diinginkan secara efisien dan untuk memaksimalkan umur tombak. Jika nosel terlalu ditiup, yang berarti bahwa semburan oksigen tidak sepenuhnya mengembang pada saat meninggalkan nosel, gelombang kejut berkembang saat semburan mengembang di luar nosel. Energi yang berguna hilang dalam gelombang kejut ini, dan pancaran yang berlebihan berdampak pada penangas logam cair dengan kekuatan yang lebih kecil daripada pancaran yang diperluas secara ideal.
Nozel ditiup ke bawah ketika jet oksigen mengembang ke tekanan yang sama dengan tekanan di sekitarnya dan kemudian berhenti mengembang sebelum meninggalkan nosel. Dalam hal ini, aliran oksigen terpisah dari permukaan internal nosel. Gas panas dari BOF converter kemudian membakar kembali atau mengikis area keluar nozzle. Erosi ini tidak hanya mengurangi umur lance nozzle, tetapi juga mengakibatkan hilangnya kekuatan jet, yang menyebabkan kondisi blowing yang lembut. Mekanisme pembentukan jet supersonik serta kondisi overblowing dan underblowing ditunjukkan pada Gambar 1.
Gbr 1 Mekanisme pembentukan jet supersonik serta kondisi overblowing dan underblowing
Komponen utama tombak oksigen BOF termasuk alat kelengkapan saluran masuk oksigen, saluran keluar oksigen (ujung tombak), yang terbuat dari desain tembaga cor/tempa konduktivitas termal tinggi dengan nozel yang dikerjakan secara presisi untuk mencapai laju aliran dan parameter yang diinginkan. jet oksigen. Laras tombak adalah rangkaian pipa konsentris yang terdiri dari pipa luar, pipa perantara dan pipa pusat untuk oksigen. Tombak oksigen harus dirancang untuk mengimbangi ekspansi dan kontraksi termal. Pipa luar tombak terkena suhu tinggi di konverter BOF. Saat suhunya meningkat, ia mengembang dan konstruksi tombak keseluruhan secara internal dibangun dengan segel cincin-O dan berbagai sambungan, tetapi dapat mengakomodasi ekspansi dan kontraksi termal saat digunakan. Tombak juga harus memiliki desain yang bebas tegangan dan harus dibangun dengan kualitas konstruksi tugas pabrik baja agar mampu menahan kondisi operasi normal yang ada di bengkel peleburan baja.
Air pendingin diperlukan dalam tombak untuk mencegah terbakarnya tombak oksigen di konverter BOF. Baik nozzle tombak tembaga dan tombak baja didinginkan dengan mensirkulasikan air pada tekanan sekitar 6kg/cm2. Komponen penting dari lance adalah saluran air pendingin dimana air pendingin mengalir melalui bagian tengah nozzle dan keluar melalui pipa luar lance. Ini dirancang untuk mendapatkan kecepatan maksimum air pendingin di area nosel, yang terkena suhu tertinggi.
Penting untuk merancang nozel Laval dari tombak oksigen sedemikian rupa sehingga variabel proses selama proses blowing sesuai dengan parameter desain. Ketika nozel dioperasikan pada tekanan masuk yang lebih tinggi daripada tekanan desain, semburan tiupan menjadi tidak efisien. Saat nozel dioperasikan dengan tekanan masuk yang lebih rendah, nozel akan cepat aus dan pancaran supersonik tidak efisien.
Faktor yang mempengaruhi kinerja BOF lance
Ada sejumlah faktor yang mempengaruhi kinerja dan efisiensi tombak oksigen. Kinerja tombak tergantung pada kondisi yang ada di dalam tungku. Kandungan Si dalam logam panas merupakan parameter yang sangat penting. Hal ini mempengaruhi jumlah slag yang terbentuk, jumlah slag yang harus ditembus oleh jet oksigen, dan juga mengontrol jumlah slopping di dalam tungku. Ketinggian pengoperasian tombak juga sangat penting dan perlu dimasukkan dalam perhitungan desain nosel. Jika ketinggian tombak terlalu rendah di tungku maka ia terkena suhu yang sangat tinggi. Dalam hal ini perpindahan panas dari air pendingin tidak cukup untuk menjaga muka tombak agar tidak meleleh atau terbakar sebelum waktunya. Jika ketinggian tombak terlalu tinggi, daya dorong jet oksigen menjadi kurang efisien dan waktu pemurnian penangas cairan menjadi lebih lama, dan jumlah oksigen yang lebih tinggi diperlukan untuk mencapai dekarburisasi dan suhu penangas yang diperlukan. Laju aliran oksigen adalah parameter desain yang terkadang dibatasi oleh sistem suplai oksigen, dan/atau masalah emisi. Kecepatan keluar dari nomor Mach juga merupakan faktor yang digunakan saat merancang tombak. Semburan oksigen biasanya lebih kuat jika nilai bilangan Mach lebih tinggi.
Jumlah nozel dan sudut lubang nosel juga merupakan pertimbangan penting untuk tombak oksigen. Pada tahap awal pengembangan proses pembuatan baja BOF, digunakan tombak dengan nosel tunggal yang ditiupkan langsung ke penangas cairan. Hal ini menyebabkan banyak slopping dan material cair terlontar lurus ke atas mulut BOF converter. Nozel tiga lubang sedikit miring dikembangkan untuk meminimalkan slopping, menghasilkan hasil proses yang tinggi. Saat ini banyak konverter BOF yang beroperasi dengan tombak yang memiliki konfigurasi 4, 5, atau 6 nozel.
Area tumbukan adalah fungsi dari jumlah lubang nosel dan sudut nosel. Pengaruh peningkatan jumlah nozel dan sudut keluar nosel pada area tumbukan di penangas cairan untuk tombak oksigen dengan nosel 3 lubang, nosel 4 lubang, dan tombak nosel 5 lubang dibandingkan di bawah ini. Untuk perbandingan ini laju aliran oksigen dianggap sebagai 565 cum/menit. Jumlah mach jet oksigen diambil sebagai 2 dan ketinggian tombak dianggap sebagai 1,8 m. Area tumbukan untuk tombak dengan nosel 3 lubang pada sudut 12 derajat adalah 1,41 m persegi, dengan nosel 4 lubang pada sudut 12 derajat adalah 1,52 m persegi, dengan nosel 5 lubang pada sudut 12 derajat adalah 1,61 m persegi , dan dengan nosel 5 lubang pada sudut 14 derajat adalah 1,67 m persegi.
Ketika sudut nosel meningkat maka lebih banyak komponen gaya lateral, daripada komponen gaya vertikal, berkembang. Ini berkontribusi pada lebih banyak pengadukan dan agitasi dalam penangas cairan konverter BOF. Namun, jika komponen lateral semburan oksigen menjadi berlebihan, keausan refraktori yang lebih tinggi akan terjadi.
Faktor yang mempengaruhi umur tombak
Umur nozzle yang panjang bermanfaat untuk pengoperasian konverter BOF yang ekonomis. Namun, dalam praktik kerja BOF normal, banyak parameter individu memiliki pengaruh pada proses, seperti kimia logam panas, praktik slagging, kualitas kapur, pola tombak, kontrol tombak dinamis atau statis, pembatasan tekanan suplai oksigen, dan bentuk serta volume. dari konverter. Ini juga sangat berbeda dari pabrik ke pabrik sehingga hanya mungkin untuk memberikan aturan umum berdasarkan praktik kerja yang kurang lebih ideal untuk menggambarkan hubungan umum antara parameter proses BOF dan umur nozzle lance.
Bagian paling rentan dari lance nozzle adalah apa yang disebut lance head crown, yang terkena suhu di atas 2.000 derajat C saat digunakan. Jadi, mahkota kepala tombak harus dibuat dari tembaga dengan konduktivitas yang mendekati sekitar 100% konduktivitas. Biasanya, hanya tembaga palsu yang dapat memberikan konduktivitas setinggi itu. Karena pembatasan pengecoran, nozel tombak tembaga cor biasanya memiliki konduktivitas listrik minimum sekitar 90%. Konduktivitas listrik berbanding lurus dengan konduktivitas termal.
Umur tombak bervariasi dari toko ke toko, tergantung pada berbagai praktik pengoperasian. Kehidupan khas tombak mungkin 200 panas, meskipun ada beberapa toko di mana hingga 400 panas kehidupan tombak dicapai. Ada juga toko peleburan baja yang bahkan tidak dapat mencapai 100 panas. Air pendingin sangat penting untuk mempertahankan umur tombak yang tinggi. Laju aliran harus dipertahankan pada laju desain. Temperatur keluar air pendingin tidak melebihi 60 derajat C sampai 65 derajat C. Kualitas kualitas air juga merupakan parameter penting. Jika air terkontaminasi dengan oksida atau kotoran, endapan biasanya terbentuk di dalam pipa tombak dan nosel, menghasilkan efek negatif pada perpindahan panas dan ini mengurangi umur tombak. Ketinggian pengoperasian sangat penting untuk mencapai penetrasi semburan oksigen dalam penangas cairan. Namun, jika ketinggian tombak terlalu rendah, ada kemungkinan erosi atau pencairan permukaan nosel tombak.
Underblowing hasil konverter BOF menjadi erosi keluarnya nozzle dan kegagalan nozzle lance. Penumpukan tengkorak yang berlebihan pada nosel tombak harus dihilangkan atau dibakar secara mekanis. Kedua praktik ini dapat menyebabkan kerusakan pada tombak.
Masa pakai tombak dipengaruhi oleh dua faktor berikut.
Untuk peniupan oksigen, tekanan statis yang penting untuk desain nosel tombak diatur pada stasiun katup dan bukan pada saluran masuk nosel. Dengan cara ini, laju aliran oksigen volumetrik yang diperlukan untuk reaksi metalurgi dihasilkan. Kehilangan tekanan antara stasiun katup dan nosel tombak, yang terjadi sebagai akibat dari kerugian gesekan dan defleksi, adalah jumlah yang tidak diketahui. Kehilangan tekanan biasanya antara 0,3 kg/cm2 dan 1,5 kg/cm2, tergantung pada geometri pipa oksigen. Untuk merancang nosel, kehilangan tekanan harus diperkirakan, dan tekanan masuk ditentukan. Tidak mudah untuk menghitung secara teoritis kehilangan tekanan yang sebenarnya, karena perhitungan kehilangan tekanan yang dapat dimampatkan yang mencakup semua komponen jaringan gas diperlukan. Temperatur saluran masuk, yang juga diperlukan untuk desain dan tekanan statis dalam konverter, juga tidak diketahui. Dengan demikian, variabel proses yang diperlukan untuk desain nosel dianggap sebagai nilai perkiraan. Jika nozel beroperasi dalam mode, berbeda dari mode yang awalnya dirancang, mereka dengan cepat menunjukkan indikasi keausan. Selain itu, kondisi hembusan menjadi tidak stabil dan tidak efektif.
Selama operasi konverter BOF, variabel proses tertentu dapat divariasikan oleh operator, merespons kejadian yang tidak terduga (tergelincirnya logam cair dan terak keluar dari konverter, fluktuasi tekanan dalam jaringan oksigen, penambahan bijih pendingin pada fase hembusan utama) dan peristiwa proses saat ini (pengambilan sampel dengan menggunakan sub-lance selama operasi blowing). Dengan demikian, aliran nosel bervariasi dari kondisi desain ideal untuk jangka waktu yang kurang lebih lama. Di dalam dan di luar nozzle, pola aliran yang kompleks dan tidak diinginkan, yang disebut pola gelombang berlian, terjadi dalam bentuk gelombang kompresi dan/atau ekspansi, yang menyebabkan keausan tepi nozzle.
Perkembangan baru di BOF
Perkembangan terakhir yang pertama adalah tombak pasca-pembakaran. Karena 90% gas yang berkembang dari reaksi oksidasi rendaman adalah karbon monoksida, diinginkan untuk membakar lebih lanjut karbon monoksida ini untuk membentuk karbon dioksida. Reaksi ini sangat eksotermis, menghasilkan panas tambahan untuk proses pembuatan baja. Ini adalah praktik yang diikuti di beberapa toko BOF di mana rasio skrap terhadap logam panas tinggi. Latihan ini membutuhkan tombak oksigen aliran ganda, yang memiliki dua outlet oksigen. Dalam tombak seperti itu, suplai utama oksigen didistribusikan melalui ujung tombak serupa dengan tombak konvensional, sedangkan oksigen tambahan dikontrol secara terpisah dan dihembuskan pada elevasi yang lebih tinggi dalam konverter BOF. Fungsi oksigen tambahan adalah untuk bereaksi dengan karbon monoksida yang keluar dari penangas logam cair, sehingga menciptakan energi panas tambahan yang dapat digunakan untuk melelehkan sisa-sisa tambahan, dan membantu mengontrol penumpukan tengkorak di mulut konverter BOF.
Perkembangan terakhir kedua untuk tombak oksigen adalah penggunaannya untuk memercikkan lapisan pelindung terak yang mengandung MgO tingkat tinggi ke dinding konverter BOF. Proses ini dikenal sebagai percikan terak. Ini dilakukan setelah baja cair dikeluarkan dari konverter BOF dengan sisa terak yang tersisa di konverter BOF. Terak sisa kemudian dikondisikan untuk komposisi dan suhu. Parameter komposisi slag dan temperatur slag merupakan parameter penting untuk keberhasilan slag splashing. Pasokan oksigen dimatikan dan suplai nitrogen dihidupkan. Tombak diturunkan menjadi sekitar 1 m di atas bagian bawah konverter BOF. Nitrogen kemudian dihidupkan, memercikkan terak cair ke dinding konverter BOF dan menciptakan lapisan terak pelindung di atas refraktori. Lapisan terak ini telah berhasil meningkatkan umur lapisan refraktori tipikal menjadi lebih dari 20.000 pemanasan per kampanye. Selain itu, persyaratan senjata juga telah diturunkan menjadi kurang dari 0,5 kg per ton baja cair yang diproduksi.
