Hembusan Oksigen dalam Pembuatan Baja Konverter

  Hembusan Oksigen dalam Pembuatan Baja Konverter

Oksigen (O2) dihembuskan pada logam panas di konverter selama pembuatan baja untuk menghilangkan kotoran seperti karbon (C), silikon (Si), mangan (Mn), dan fosfor (P) dll. Tombak berpendingin air digunakan untuk menyuntikkan oksigen dengan kecepatan sangat tinggi ke penangas cairan untuk menghasilkan baja. Pada tahun 1950-an ketika proses konverter tiup atas dikomersialkan dan ukuran konverter dibatasi maksimal 50 ton maka tombak dengan ujung tombak lubang tunggal digunakan untuk meniup O2 di dalam konverter. Dengan berlalunya waktu ukuran konverter terus meningkat. Hal ini memerlukan peningkatan jumlah lubang di ujung tombak untuk distribusi O2 yang lebih baik di atas permukaan wadah yang lebih besar di konverter.

Dengan meningkatnya permintaan untuk menghasilkan baja berkualitas lebih tinggi dengan tingkat pengotor yang lebih rendah, O2 dengan kemurnian yang sangat tinggi diperlukan untuk pembuatan baja di konverter. O2 yang dibutuhkan untuk pembuatan baja setidaknya harus 99,5% murni, dan idealnya 99,7% hingga 99,8% murni. Bagian yang tersisa adalah 0,005 % sampai 0,01 % nitrogen (N2) dan sisanya adalah argon (Ar).

Dalam konverter top-blown, O2 dialirkan pada kecepatan supersonik dengan nozel divergen konvergen di ujung tombak berpendingin air. Semburan gas yang kuat menembus terak dan mengenai permukaan penangas cairan untuk menghaluskan baja. Saat ini sebagian besar konverter beroperasi dengan ujung tombak yang berisi 3 hingga 6 nozel. Bahkan 8 ujung tombak nozel sedang digunakan. Sumbu masing-masing nozel dalam tombak dengan ujung tombak multi lubang dimiringkan terhadap sumbu tombak dan berjarak sama di sekitar ujungnya. Ujung tombak terbuat dari tembaga dan dilas ke pipa baja tombak.

Laju aliran O2 dan kecepatan aliran O2 dengan ukuran pipa lance untuk berbagai ukuran konverter diberikan pada Tabel 1

Tab 1 Merancang laju aliran dalam tombak konverter
Konverter ukuran panas dalam ton	Laju aliran oksigen dalam N Cum/jam	Diameter pipa internal. Ketebalan X dalam mm	Kecepatan aliran Oksigen dalam m/dtk
250-300	58000-66000	245×8	43.5-49,5
210	48000-54000	219×8	45.8-51.5
180	39000-44000	194×6	46,3-52.2
150	30000-33000	168×6	48,4-53,3
120	26000-28000	159×6	47,3-50,9
80	18.000-20.000	133×5	46,8-51,9
60	14000-16000	121×5	44.7-51.0
50	11000-13000	114×5	40,0-47,3

Dalam pembuatan baja konverter, O2 dengan kecepatan supersonik ditiupkan pada logam panas untuk menghilangkan pengotor seperti C, Si, Mn, dan P dll. Selama pukulan, ketinggian tombak diturunkan untuk membuat O2 tersedia ke dalam bak untuk menghilangkan C. Dibutuhkan sekitar 15 sampai 20 menit untuk meniup O2 untuk pemurnian. Waktu keran ke keran bervariasi antara 50 sampai 60 menit tergantung pada laju aliran O2, komposisi logam panas, profil tombak dan kimia baja. Menarik untuk dicatat bahwa waktu penghembusan O2 dan waktu keran untuk mengetuk tidak bergantung secara signifikan pada kapasitas konverter.

O2 dihembuskan dalam konverter melalui tombak berpendingin air (panjang hampir 8 m hingga 10 m) dengan nosel konvergen-divergen pada tekanan tinggi (sekitar 11-14 kg/cm²) dan pada kecepatan supersonik (angka Mach lebih besar dari 1) . Pancaran supersonik O2 dari nosel membantu penyerapan O2 yang lebih tinggi dalam penangas cairan. Selama pukulan, dispersi tiga fase yang terdiri dari terak/tetesan logam/gelembung gas terbentuk. Bagian terpenting dari tombak adalah ujung nozzle. Ini dirancang untuk menghasilkan jet O2 bebas non-gabungan. Fungsi nosel adalah sebagai berikut.

• Pasokan dan distribusi oksigen
• Untuk menghasilkan jet gas
• Untuk menginduksi agitasi mandi
• Untuk menghasilkan tetesan logam

Setelah panas sebelumnya disadap dan terak dikeringkan, lapisan diperiksa. Memo dan logam panas dibebankan. Konverter dimiringkan ke posisi vertikal dan tombak diturunkan di bejana untuk memulai peniupan O2. Pemilihan ketinggian tombak awal harus sedemikian rupa sehingga konsentrasi gaya pada level bath tidak boleh menyebabkan ejeksi partikel besi kecil (percikan) dan pada saat yang sama luas permukaan bath maksimum ditutupi oleh pancaran O2.

Awalnya O2 ditiup lembut dengan menjaga ketinggian tombak lebih tinggi untuk mempromosikan pembentukan terak dan untuk menghindari pengusiran partikel kecil, karena logam panas tidak tertutup terak. Jeruk nipis biasanya ditambahkan pada awal pukulan dan juga selama pukulan. O2 dihembuskan selama sekitar 15 hingga 20 menit dengan menurunkan ketinggian tombak secara bertahap sehingga pembusaan terak tetap terkendali dan reaksi oksidasi berlangsung tanpa gangguan.

Pasokan O2 dalam bentuk pancaran gas bebas merupakan fitur penting dari pembuatan baja konverter baik di atas tiupan maupun berbagai jenis konverter tiup gabungan. Dalam bentuk suplai O2 ini, total waktu penghembusan O2 hampir tidak tergantung pada kapasitas konverter, laju penghembusan O2, dan pengadukan dasar. Hal ini dicerminkan dengan mengevaluasi laju aliran momentum tak berdimensi vs. rasio waktu blowing / total waktu blowing untuk kapasitas konverter yang berbeda mulai dari 30 ton hingga 400 ton.

Telah terlihat bahwa laju aliran momentum tak berdimensi menggambarkan aksi pancaran O2 bebas yang dihasilkan oleh laju aliran volume konstan O2 pada berbagai ketinggian tombak. Angka laju aliran momentum tak berdimensi meningkat dengan penurunan tinggi tombak. Penurunan tinggi tombak membuat pukulan menjadi keras dan peningkatan tinggi tombak membuat pukulan menjadi lembut. Profil tombak dapat dianggap menghasilkan pukulan lembut pada awalnya dan pukulan yang semakin keras seiring dengan kemajuan pukulan.

Persyaratan mendasar dari profil tombak di semua pembuatan baja konverter adalah pembentukan terak yang kaya FeO (oksida besi) pada tahap awal dan kemudian penghilangan C dan P dengan secara progresif meningkatkan ketersediaan O2 dalam bak untuk menghindari oksidasi terak yang berlebihan. Syarat pertama dicapai dengan ?pukulan lembut? (penetrasi jet yang dangkal) dan persyaratan lainnya dicapai dengan mengeraskan pukulan (penetrasi jet yang dalam ke dalam bak) secara bertahap. Jadi pukulan lunak dan keras merupakan persyaratan penting pemurnian logam panas dengan menumbuk jet O2 terlepas dari kapasitas konverter dan jenis praktik pembuatan baja konverter (peniupan atas murni atau peniupan gabungan) sebagai akibatnya total waktu tiupan O2 tetap kurang lebih sama. .

Ketersediaan oksigen

O2 tersedia dengan energik selama proses pemurnian di konverter. Ketersediaan energi O2 diperoleh dengan melewatkan laju aliran O2 tertentu melalui nozzle.

Dalam pembuatan baja konverter, O2 dihembuskan melalui nozel Laval. Nosel Laval juga disebut nosel konvergen-divergen dan dicirikan oleh aliran yang luas penampangnya berkurang dalam arah aliran dan mencapai luas penampang minimum dan kemudian meningkat lebih jauh ke arah aliran. Luas penampang minimum dari bagian aliran disebut tenggorokan nosel. Nosel Laval dapat mempercepat gas ke kecepatan supersonik (angka Mach lebih besar dari 1). Faktanya kecepatan gas di pintu keluar sesuai dengan nilai Mach sekitar 2,0 hingga 2,4.

Perilaku jet gas gratis

Perilaku suatu gas ketika keluar dari satu nozel Laval di sekitarnya yang terdiri dari udara menunjukkan bahwa gas ketika keluar melalui nosel menyebar di sekitarnya dan disebut 'semburan gas bebas', karena penyebarannya tidak terbatas. Sebuah jet bebas di sekitarnya ditandai dengan panjang inti potensial (PCL) dan panjang inti supersonik (SCL). Dalam inti potensial tidak terjadi entrainment dari sekitarnya dan karenanya kecepatan gas dalam arah aksial dan radial adalah pada nilai keluar. Di luar inti potensial, kecepatan radial dan aksial mulai berkurang karena hiburan di sekitarnya. Namun suatu titik dicapai dalam pancaran gas bebas di mana kecepatan gas mencapai nilai sonik (M=1). Dalam panjang inti supersonik, kecepatan gas berada di atas nilai supersonik dalam arah radial dan aksial. Di luar panjang inti supersonik, kecepatan gas adalah subsonik. Jadi penyebaran radial dan peluruhan kecepatan aksial di luar inti potensial adalah karakteristik utama dari pancaran gas bebas.

Karena penyebaran, massa jet meningkat yang berarti bahwa konsentrasi gas pada bidang P=0 berkurang karena entrainment dari sekitarnya. Jika O2 mengalir melalui nozzle, konsentrasi O2 pada bidang P2 lebih rendah daripada pada P1 dan pada P=0. Tetapi massa jet (jet terdiri dari fluida utama + sekitarnya) di P2 lebih besar daripada massa di P1. Kecepatan aksial jet adalah fungsi jarak aksial yang diukur dari pintu keluar nosel.

Salah satu sifat penting dari pancaran bebas adalah bahwa ia membawa laju aliran momentum yang saat mengenai cairan diubah menjadi gaya dan menembus ke dalam cairan. Laju aliran momentum dalam jet adalah kekal. Ini adalah properti penting dari jet karena hanya bergantung pada variabel hulu seperti tekanan, jumlah dan diameter nosel. Itu tidak tergantung pada kondisi hilir.

Perilaku jet yang dihasilkan oleh tip multi-nozzle tergantung pada jumlah nozzle dan sudut kemiringan masing-masing nozzle dengan sumbu tombak. Jumlah nozel dalam pembuatan baja konverter bervariasi dengan kapasitas konverter tetapi secara umum antara 3 dan 6. Sudut kemiringan setiap nozel untuk ujung tombak tiga lubang biasanya 10 sampai 12 derajat dan untuk ujung tombak lima sampai enam lubang umumnya 15 hingga 16 derajat dengan sumbu tombak.

Semburan gas bebas multi di bagian hilir nosel dapat menyatu atau tidak akan tergantung pada sudut kemiringan dan jumlah nozel untuk tekanan hulu dan laju aliran gas tertentu. Jet gabungan mirip dengan jet tunggal. Ketika sudut kemiringan adalah 10 -12 derajat untuk tombak tiga lubang, multi-jet tidak menyatu hingga jarak tertentu di hilir nosel. Sebuah jet non-coalescing, ketika menabrak cairan akan menghasilkan penetrasi yang sama dengan jumlah jet.

Peluruhan kecepatan aksial dan penyebaran radial tergantung pada rasio kepadatan sekitar / kepadatan pancaran O2. Jika kerapatan pancaran O2 lebih besar dari kerapatan sekitarnya, pancaran semacam itu menyebar perlahan di sekitarnya. Kecepatan penyebaran tergantung pada nilai rasio. Oleh karena itu kecepatan jet meluruh lebih lambat pada setiap jarak hilir sekitarnya. Dalam situasi seperti itu, pancaran dingin dilepaskan di sekeliling logam panas dan panjang inti potensial, PCL dan panjang inti supersonik SCL lebih panjang daripada ketika rasio densitas sekitarnya / densitas pancaran O2 adalah satu. Jika rasio densitas sekitar/densitas pancaran O2 kurang dari satu maka pancaran O2 lebih ringan dari sekitarnya dan pancaran O2 menyebar lebih cepat yang mengakibatkan panjang inti potensial PCL dan panjang inti supersonik SCL lebih rendah. . Dalam kasus seperti itu, semburan oksigen dingin dibuang ke terak.

Aksi jet oksigen gratis

Kecepatan pancaran O2 bebas itu penting. Kecepatan aksial berkurang dengan bertambahnya jarak ke hilir nosel karena entrainment dari sekitarnya. Di konverter saat pukulan dimulai, sekitar semburan O2 adalah atmosfer panas. Saat pukulan berlanjut, jet yang mengelilinginya berubah dari karbon monoksida (CO) menjadi terak. Untuk sebagian besar periode jet tenggelam ke dalam terak. Lingkungan di dalam konverter bersifat dinamis. Kecepatan jet tergantung pada tekanan hulu, jarak aksial hilir dan sekitarnya. Sulit untuk menghitung kecepatan pancaran ketika lingkungan sekitarnya berubah, tetapi laju aliran momentum di dalam pancaran tidak tergantung pada jarak hilir nosel dan dapat dihitung.

Jet membawa serta laju aliran momentum yang pada saat memukul bak diubah menjadi gaya. Jadi aksi pancaran bebas dapat digambarkan dalam bentuk bilangan laju aliran tak berdimensi. Jumlah laju aliran tak berdimensi meningkat dengan penurunan ketinggian tombak. Jadi nomor laju aliran tak berdimensi digunakan untuk menggambarkan variasi dinamis dari ketinggian tombak. Angka laju aliran momentum tak berdimensi menandakan aksi pancaran O2 pada bak dengan ketinggian tombak melawan gravitasi

Kemampuan tembus jet

Angka laju aliran tak berdimensi menjelaskan pengaruh tinggi tombak pada daya tembus pancaran. Penetrasi jet dangkal seperti yang diperoleh pada ketinggian tombak yang lebih tinggi adalah ?jet lunak? dibandingkan dengan jet penetrasi dalam yang diperoleh pada ketinggian tombak yang lebih rendah dan disebut ?jet keras?.

Ini berarti bahwa laju aliran volume konstan O2 yang disuplai pada tekanan konstan ketika dibuang melalui nosel dapat dibuat untuk memukul bak ?lunak? dan dapat dibuat semakin sulit. Demikianlah cara penyediaan O2 dalam praktek pembuatan baja converter melalui ?free jet? sangat efektif dalam hal reaksi fisika-kimia.

Efek yang ditimbulkan oleh pancaran O2 lunak yang reaktif ketika mengenai penangas logam cair adalah (i) oksidasi besi (Fe), (ii) penetrasi dangkal, (iii) reaksi terak/logam, dan (iv) peningkatan pembentukan terak dan dengan demikian memfasilitasi penghilangan P. Durasi jet O2 lunak yang terlalu lama menyebabkan slag slag karena oksidasi berlebihan.

Efek yang ditimbulkan oleh pancaran O2 keras yang reaktif ketika mengenai penangas logam cair adalah (i) ketersediaan O2 jauh di dalam penangas, (ii) peningkatan oksidasi C dan penurunan penghilangan P, (iii) evolusi CO jauh ke dalam bak dan pelepasannya melalui bak mengaduk bak, dan (iv) pembentukan tetesan yang kemudian diemulsi dalam terak.

Jenis pancaran O2 dan efeknya ditunjukkan pada Gambar 1.

Gbr 1 Jenis semburan oksigen dan efeknya

Reaksi dalam konverter

Dalam pembuatan baja O2, logam panas jenuh C ditiupkan dengan O2 murni pada kecepatan supersonik. Reaksi dan pencampurannya intens. O2 bereaksi dengan Si terlarut, Mn terlarut, dan Fe itu sendiri untuk membuat terak cair yang mengandung FeO. O2 juga bereaksi dengan C terlarut untuk membebaskan gas CO dan dengan demikian mendekarburasi besi. Jalan menuju oksidasi elemen-elemen ini (C, Si, dll.) selama pemurnian baja adalah dengan meniupkan O2 ke dalam larutan besi ke titik di mana konsentrasinya dalam penangas cairan melebihi tingkat keseimbangan yang diizinkan oleh elemen pengotor tertentu. O2 terlarut dan elemen pengotor terlarut kemudian bergabung membentuk gas CO (dalam kasus C) atau silika cair (SiO2, dalam kasus Si). Karena kelarutan kedua produk ini [CO (gas) dan SiO2 (cair)] sangat terbatas dalam besi cair, mereka dengan cepat nukleasi fase terpisah mereka, mengental, mengkonsolidasikan, dan mengapung keluar oleh aksi pengadukan yang intens dari proses. .

Juga, selama pukulan O2 intens pembuatan baja, beberapa besi cair itu sendiri teroksidasi menjadi FeO yang kemudian menjadi sangat dicampur dengan penangas logam cair menjadi emulsi dan dapat bereaksi dengan kotoran terlarut dalam besi cair secara langsung sesuai dengan reaksi berikut .

2Fe (cair) + O2 (gas) =​​2FeO (terak cair)

FeO (liquid slag) + C (larut dalam larutan besi cair) =CO (gas) + Fe (cair)

2FeO (cair terak) + Si (larut dalam larutan besi cair) =SiO2 (cair) + Fe (cair)

Reaksi oksidasi ini sangat eksotermis. Panas yang dilepaskan dari oksidasi Si dan pengotor lainnya, bersama dengan entalpi dari oksidasi besi itu sendiri, digunakan untuk melelehkan skrap dingin untuk meningkatkan ukuran panas konverter serta untuk meningkatkan suhu baja cair untuk operasi hilir. CO2 tidak pernah diproduksi dalam wadah konverter pembuatan baja kecuali dalam jumlah kecil. CO2 (jika pernah terbentuk) dengan cepat diubah menjadi CO melalui reaksi dengan C terlarut yang tersisa. Jika tidak ada C terlarut yang tersisa setelah oksidasi penangas cairan, CO2 direduksi menjadi CO dengan oksidasi Fe itu sendiri. Jadi CO2 adalah oksidan pada suhu pembuatan baja. Produk kesetimbangan reaksi oksidasi Fe, atau C yang dilarutkan dalam besi, oleh CO2 sangat kuat terhadap CO, dengan jumlah jejak CO2 menurut perhitungan energi bebas Gibbs. C bertindak sebagai zat pereduksi FeO menurut persamaan di atas, dan merupakan faktor lain yang dapat memperlambat (atau mengganggu) oksidasi besi.

Selama proses pembuatan baja, beberapa besi dioksidasi ke titik di mana ia menambah persentase FeO cair dalam fase terak cair yang ada di konverter dengan logam. Jika O2 dihembuskan melampaui titik akhir oksidasi pengotor, oksidasi Fe menjadi berlebihan. Ini muncul sebagai kehilangan hasil Fe yang terukur pada terak, memberikan konsentrasi oksida besi cair (FeO) cair yang dapat diprediksi, dapat dihitung, dan lebih tinggi dalam terak. Setelah C dioksidasi menjadi CO, setiap O2 tambahan bergabung dengan Fe untuk menghasilkan FeO menjadi terak.