Teknologi Penggas Vakuum RH: Meningkatkan Kualitas dan Efisiensi Baja

Saat ini, unit metalurgi sekunder mewakili hubungan serbaguna yang digunakan antara proses pembuatan baja primer dan proses pencetakan berkelanjutan baja cair. Penggas vakuum adalah proses pembuatan baja sekunder yang penting. Proses ini awalnya digunakan untuk penghilangan hidrogen dari baja cair tetapi saat ini juga digunakan untuk refining sekunder dan telah menjadi proses pembuatan baja sekunder yang semakin penting. Kandungan hidrogen dan nitrogen yang rendah, kadar karbon ultra rendah, kandungan sulfur ultra rendah, total oksigen yang rendah serta kebersihan baja adalah alasan pemasangan fasilitas perlakuan vakuum di pabrik peleburan baja.

Di pabrik baja yang baru dibangun, fasilitas penggas vakuum dipertimbangkan dan diintegrasikan dalam garis produksi baja. Ada juga tren bagi pabrik yang ada untuk memasang fasilitas perlakuan vakuum untuk memberikan kesempatan pada pabrik baja untuk memperluas campuran produk dan lebih fleksibel untuk merespon situasi pasar baja.

Sejak tahun 1950-an, beberapa teknologi vakuum telah dikembangkan untuk tujuan penggas. Teknologi ini meliputi penggas DH (Dormund Hoerder), penggas RH (Ruhrstahl Heraeus), vacuum tank degassing (VTD), vacuum arc degassing (VAD), dan vacuum induction melting (VIM). Dalam skenario saat ini, proses penggas RH dan VTD biasanya digunakan untuk produksi massal baja untuk mengurangi gas dan kandungan karbon dalam baja cair. Pemilihan penggas RH atau VTD ditentukan secara ketat oleh grade baja yang akan diproduksi di pabrik baja. Dalam mayoritas kasus, pemasangan penggas RH lebih dominan, terutama untuk heat size besar, dibandingkan VTD karena performa mixing yang sangat baik, dan waktu siklus yang pendek untuk decarburization dan penggas yang menghasilkan sejumlah besar heat yang diproses per hari. Karena waktu siklus yang pendek, proses penggas RH dapat memproses sejumlah besar heat per hari. Lebih lanjut, karena perilaku mixing yang sangat baik yang dicapai selama proses, waktu perlakuan singkat ini dapat dicapai terlepas dari ukuran ladle.

Teknologi penggas RH pertama kali diperkenalkan pada akhir tahun 1950-an di Jerman di mana pabrik penggas RH pertama dikembangkan dan dipasang. Proses penggas RH dinamai dari Ruhrstahl dan Heraeus tempat proses ini awalnya dikembangkan. Sejak itu, banyak perbaikan proses telah dilakukan pada pabrik penggas RH. Perbaikan ini termasuk pemasangan oxygen lance, perbesarannya diameter snorkel dan vessel, serta aplikasi injeksi bubuk untuk desulfurization. Model komprehensif untuk decarburization pada pabrik penggas RH telah diperkenalkan oleh Kuwabara dengan mempertimbangkan tekanan vakuum, laju aliran gas lift, diameter vessel dan snorkel. Dilaporkan bahwa waktu yang diperlukan untuk mencapai kadar karbon kurang dari 20 ppm (parts per million) dapat diselesaikan dalam kurang dari 15 menit di pabrik penggas RH.

Ketika dilengkapi dengan top-lance tambahan, penggas RH disebut RH-TOP degassing. Unit penggas RH dan RH-TOP degassing (Fig 1) menggunakan prinsip proses vacuum recirculation, dan khususnya diterapkan untuk produksi grade baja dengan kandungan karbon yang sangat rendah dalam kondisi ekonomis yang menguntungkan. Fungsi utama pabrik penggas RH adalah penghilangan hidrogen, decarburization alami dan paksa, pemanasan kimia baja cair, dan penyesuaian presisi analisis kimia dan suhu baja cair. Kegiatan ini dilakukan dalam kondisi vakuum. Kandungan hidrogen rendah adalah prasyarat utama untuk produksi grade baja kekuatan tinggi dan grade yang dimaksudkan untuk digunakan di industri minyak dan gas. Teknologi penggas RH memungkinkan pencapaian kandungan hidrogen yang sangat rendah dalam waktu vakuum singkat.

Fig 1 Potongan satuan penggas RH dan RH-TOP

Sebagai alat untuk refining sekunder baja cair, proses penggas RH memiliki aplikasi luas karena berbagai fungsi metalurginya, seperti vacuum degassing, de-carburization, pengendalian inklusi, de-nitrogenation, dan pengendalian inklusi. Ini banyak digunakan untuk produksi baja karbon ultra rendah, baja bearing, baja pipa, baja spring, dan baja silicon dll.

Unit penggas RH biasanya terdiri dari vessel tipe block atau split yang dilapisi refraktori, dilengkapi dengan dua snorkel yang dilapisi refraktori di dasar vessel, yang terhubung ke vacuum pump. Komponen lain adalah sistem pengangkat vessel atau ladle hidrolik atau mekanis, dalam kasus RH-TOP, top blowing lance multifungsi, dan sistem pengukuran dan pemetaan. Penambahan material di bawah vakuum dilakukan melalui vacuum hopper system. Perbaikan refraktori dan pemanasan awal vessel, snorkel dan bagian atas dapat dilakukan di stand terpisah. Karakteristik desain adalah instalasi vessel tunggal (sistem pengangkat vessel), pertukaran vessel cepat (sistem pengangkat ladle) atau instalasi vessel duplex untuk ketersediaan yang meningkat.

Proses penggas RH telah terbukti sangat sesuai di sejumlah besar pabrik peleburan baja di seluruh dunia, untuk operasi dengan waktu tap to tap yang pendek yang mencakup ukuran heat hingga 400 ton. Perlakuan vakuum di pabrik penggas RH menghasilkan baja yang memenuhi persyaratan kualitas baja tinggi. Untuk mencapai ini, baja cair diizinkan untuk beredar di kamar vakuum di mana penurunan tekanan yang signifikan menyebabkannya terurai menjadi bagian-bagian terkecil. Peningkatan luas permukaan memungkinkan baja cair untuk de-gas seoptimal mungkin. Proses membutuhkan unit vakuum yang andal yang mampu menisap debit aliran yang sangat besar dalam kondisi atmosfer yang debu dan suhu tinggi.

Proses penggas RH bergantung pada penisapan baja cair dari ladle ke kamar vakuum yang dilengkapi dengan dua snorkel (up-leg dan down-leg). Ketika gas inerte ditiup ke baja cair, maka aliran sirkulasi baja cair antara kamar vakuum dan ladle dipaksa. Proses penggas terutama terjadi di dalam cairan, logam yang meluncat di kamar vakuum dan permukaan gelembung, yang melibatkan reaksi kimia kompleks dan fenomena transportasi. Fig 2 menunjukkan prinsip proses dan lining vessel serta bagian lain dari proses.

Fig 2 Proses penggas RH

Pengembangan Proses

Saat proses RH diperkenalkan pertama kali, tujuan utama adalah mengurangi kandungan hidrogen dalam baja cair. Hasil pertama tidak seberhasil yang diharapkan karena vakuum yang tidak mencukupi di vessel. Penerapan steam ejector vacuum pumps pada awal tahun 1960 memungkinkan tekanan yang cukup rendah tercapai, menghasilkan kandungan hidrogen kurang dari 1 ppm. Sejak itu, proses penggas RH terus dikembangkan sehubungan dengan kondisi vakuum, desain dan geometri reaction vessel (ukuran dan bentuk), cross section snorkel, dan kapasitas unit penggas RH.

Penerapan proses penggas RH untuk decarburization diperkenalkan pertama kali pada akhir tahun 1970-an. Saat ini kandungan karbon akhir yang sangat rendah kurang dari 20 ppm dapat diperoleh dengan penggunaan proses ini, seperti yang diperlukan untuk produksi lembaran otomotif. Penambahan elemen leging selama penggas memiliki keuntungan mencapai yield yang lebih tinggi untuk ferro-alloys dan akurasi tinggi analisis kimia baja karena tidak ada udara dan menghindari reaksi logam escat.

Pengembangan lebih lanjut adalah penggunaan oksigen gas selama perlakuan penggas RH di proses RHO, RH-OB, RH-KTB, RH-MESID, dan MFB. Dalam proses MFB, unit penggas RH dilengkapi dengan multi function burner (MFB). MFB adalah perangkat yang memungkinkan bahan bakar dan oksigen ditiup dari satu lance yang dimasukkan ke dalam kamar vakuum. Ini memungkinkan panas untuk tetap di dalam kamar vakuum baik selama pemrosesan vakuum maupun saat standby. Ini mengurangi menempelnya logam di dalam kamar sambil memungkinkan produksi baja karbon ultra rendah melalui injeksi oksigen selama pemrosesan. Tujuan dari proses-proses ini adalah untuk mempercepat reaksi decarburization, memanaskan kembali baja cair melalui reaksi alumino-thermic, melelehkan skull, menjaga vessel pada suhu tinggi dengan mengubah gas karbon mono-oksida yang dihasilkan menjadi karbon dioksida selama periode decarburization, dan memanaskan vessel yang dilapisi refraktori di antara perlakuan. Baru-baru ini, beberapa lance RH-TOP telah digunakan untuk meniup bubuk ke dalam baja cair untuk mengurangi kandungan sulfur atau karbon ke tingkat terendah. Saat ini semua proses ini, kecuali RH-OB, disebut proses penggas RH-TOP.

Secara dasar, pengembangan proses penggas RH dan proses penggas RH-TOP yang penting adalah (i) decarburization dan penggas yang lebih cepat dengan meningkatkan vacuum pump, desain snorkel, desain vessel, kondisi yang ditingkatkan untuk decarburization, (ii) peningkatan kecepatan penambahan ferro-alloy, (iii) pemisahan aktivitas seperti penambahan leging atau wire dari perlakuan RH dengan memasang stasiun khusus untuk aktivitas ini, dan (iv) tata letak pabrik yang dioptimalkan untuk mengurangi efek waktu transportasi ladle dan waktu immersi snorkel pada waktu siklus.

Konsep Pabrik Penggas RH

Salah satu fitur unik dari proses penggas RH adalah rentang konsep pabrik yang luas yang dapat dibangun dengan wajar untuk menyesuaikan tata letak spesifik pabrik peleburan baja, waktu siklus yang diperlukan, dan memenuhi persyaratan ketersediaan. Serangkaian kriteria desain yang tersedia untuk dipertimbangkan untuk pabrik penggas RH diberikan dalam Tab 1.

Waktu siklus, kemampuan metalurgi, dan produksi berkualitas tinggi yang dicapai secara rutin dari unit penggas RH tergantung pada (i) konsep pabrik penggas RH, (ii) integrasi unit penggas RH ke dalam alur proses pabrik peleburan baja, (iii) desain vessel RH, (iv) performa sistem vakuum dan komponen lain dari unit penggas RH, (v) pemeliharaan refraktori secara teratur, (vi) kondisi escat dan metalurgi escat, (vii) kondisi produksi yang stabil secara keseluruhan, dan (viii) sistem otomasi. Fig 3 menunjukkan konsep dasar typikal dan komponen utama dari pabrik penggas RH.

Fig 3 Konsep dasar typikal dan komponen utama pabrik penggas RH

Pabrik penggas RH biasanya dilengkapi dengan sistem otomasi Level-2. Sistem otomasi Level-2 yang mencakup hardware, perangkat lunak sistem, dan perangkat lunak aplikasi direalisikan berdasarkan model metalurgi. Perangkat lunak aplikasi Level-2 dan perangkat lunak model dirancang sebagai program yang dapat dieksekusi secara independen. Perangkat lunak yang berlaku menyediakan model dengan data dari berbagai sumber dan menerima data model yang dihitung. Komunikasi antara perangkat lunak aplikasi dan perangkat lunak model direalisikan melalui tabel database yang menyediakan input data ke model dan menerima output dari model. Di sisi lain, Level-2 mengumpulkan semua data perlakuan untuk transmisi dan pembuatan laporan heat. Otomasi Level-2 terutama dioperasikan oleh satu dialog yang biasanya dirancang untuk pengamatan proses sekaligus dan menyediakan data set point yang akan dieksekusi pada Otomasi Level-1. Otomasi Level-2 hanya membutuhkan input kecil dari operator.

Karakteristik Proses Penggas RH

Proses terutama terdiri dari reaction vessel silinder yang dilapisi refraktori dengan dua pipa baja yang terpasang di dasar vessel ini. Reaction vessel dilapisi dengan batu bata fire-clay / alumina di bagian atas dan batu bata alumina / magnesite di bagian bawah. Dua pipa baja adalah snorkel inlet dan outlet. Keduanya sepenuhnya dilapisi refraktori alumina di dalam tetapi hanya bagian bawah yang dilapisi refraktori di luar. Snorkel inlet dilengkapi dengan sejumlah pipa injeksi gas yang disusun di bagian bawah pada satu atau dua tingkat dan didistribusikan merata di sekitar lingkar. Reaction vessel dirancang sehingga baja cair diangkat melalui snorkel inlet dan jatuh kembali ke ladle baja setelah penggas melalui snorkel outlet. Sisi atas reaction vessel disediakan dengan exhaust, fasilitas untuk penambahan ferro-alloy bersama dengan jendela pengamatan dan kontrol.

Unit penggas RH biasanya digunakan untuk perlakuan vakuum dan decarburization dari deretan panjang grade baja karbon rendah. Fitur metalurgi dan operasional dari proses penggas RH meliputi (i) decarburization cepat hingga kurang dari 20 ppm, (ii) penghilangan hidrogen dan nitrogen, (iii) penggunaan ferro-alloys karbon tinggi yang lebih murah, (iv) pemanasan kimia heats killed dan un-killed, (v) kebersihan baja yang ditingkatkan dalam hal inklusi non-logam, dan (vi) kontrol komposisi yang baik.

Sistem top blowing lance dipasang di atas vessel penggas RH dan menggabungkan beberapa fungsi. Laju injeksi oksigen 2.000 N m³/jam hingga 4.000 N m³/jam dan kapasitas burner yang terpasang 2 MW hingga 4 MW adalah fitur desain typikal dari proses. Untuk supervisi proses, lance dapat dilengkapi dengan kamera TV. Selain itu, top blowing lance dapat dilengkapi dengan fungsi injeksi bubuk untuk melakukan desulfurization mendalam pada baja cair. Fungsi proses penggas RH-TOP meliputi (i) injeksi oksigen untuk decarburization paksa dan pemanasan kimia, (ii) pemanasan material refraktori vessel RH dengan pembakaran gas / oksigen, (iii) injeksi bubuk untuk desulfurization, (iv) penghilangan skull cepat dengan penggunaan jet oksigen, dan (v) ignitasi lanjutan dengan fasilitas ignitasi eksternal.

Ada spektrum luas dari kualitas baja massal yang dapat diproduksi paling ekonomis atau bahkan unik oleh proses penggas RH. Kandungan karbon dan hidrogen yang sangat rendah dicapai dalam waktu perlakuan singkat. Hanya ada kehilangan suhu minimum. Tidak ada perlakuan escat khusus, free-board ladle, atau porous plugs yang diperlukan. Komposisi kimia dapat disesuaikan secara presisi. Campuran produk yang diperluas, produk berkualitas tinggi, produktivitas yang meningkat, dan pemeliharaan ladle yang diminimalkan adalah manfaat lainnya.

Proses penggas vakuum RH biasanya tidak mencapai keseimbangan dan jumlah penghilangan hidrogen, karbon, dan nitrogen dikendalikan oleh pertimbangan kinetik. Mekanisme decarburization cukup kompleks karena reaksi kinetik bergantung baik pada laju sirkulasi maupun laju decarburization. Mixing bath juga memiliki efek pada decarburization.

Karena proses penggas RH didasarkan pada pertukaran baja cair antara ladle baja dan vessel RH, laju sirkulasi baja menentukan kecepatan reaksi metalurgi dan durasi proses dengan asumsi target metalurgi yang telah ditentukan. Sirkulasi baja cair bergantung pada geometri peralatan seperti diameter snorkel, radius peralatan, dan posisi dan jumlah lift gas tuyeres. Densitas baja cair untuk desain yang diasumsikan pada 1.600 derajat C adalah 6,94 ton per meter kubik. Tekanan atmosfer yang bekerja pada permukaan ladle menyebabkan baja di snorkel naik ke ketinggian barometrik sekitar 1,45 m dalam kondisi vakuum dalam. Mekanisme perlakuan vakuum baja cair dalam proses penggas RH ditunjukkan dalam Fig 3.

Fig 3 Mekanisme perlakuan vakuum baja cair dalam proses RH

Lembaran otomotif dan lembaran terpapar lainnya serta lembaran untuk industri listrik (mis. untuk transformator) adalah produk akhir typikal yang dihasilkan dari baja cair yang diproses di unit penggas RH / RH-TOP.

Langkah Operasional

Berbagai langkah dalam operasi proses penggas RH dijelaskan di bawah ini. Reaction vessel pertama kali dipanaskan ke suhu yang diinginkan yang biasanya bervariasi dalam rentang 900 derajat C hingga 1.500 derajat C sesuai persyaratan pabrik.

Proses penggas RH dimulai dengan gerakan ladle baja yang berisi baja cair ke posisi perlakuan oleh mobil ladle dan atau reaction vessel diturunkan atau ladle diangkat ke tingkat yang diinginkan sehingga snorkel tercelup dalam baja. Proses penggas dimulai setelah kedua snorkel cukup tercelup dalam baja cair. Sebelum imersi snorkel, injeksi gas inerte, biasanya argon, dimulai di pipa gas snorkel inlet. Argon bertindak sebagai gas lift untuk meningkatkan kecepatan baja cair yang masuk ke dalam snorkel inlet.

Setelah mencapai kedalaman imersi snorkel yang diperlukan, reaction vessel dievakuasi melalui sistem vacuum pump yang terhubung ke reaction vessel melalui saluran exhaust. Vakuum (tekanan negatif) diciptakan, dan baja cair ditarik ke dalam kedua snorkel. Gas argon yang diinjeksi ke dalam campuran meningkatkan tekanan di snorkel up-leg. Tekanan ini menciptakan sirkulasi baja cair melalui snorkel. Sekarang langkah perlakuan metalurgi seperti penggas, injeksi oksigen, dan penyesuaian analisis kimia dan suhu dapat dilakukan. Penambahan leging dapat dilakukan di akhir penggas tergantung pada superheat baja cair.

Baja cair di dalam reaction vessel di-degas dan kembali mengalir melalui snorkel outlet ke ladle baja. Baja yang telah di-degas sedikit lebih dingin dari baja cair di ladle baja. Gaya apung yang diciptakan oleh selisih densitas (densitas baja cair yang telah di-degas dan lebih dingin lebih besar dari baja cair panas di ladle) menggerakkan bath. Laju sirkulasi baja cair di dalam reaction vessel mengontrol penggas. Laju sirkulasi bergantung pada jumlah gas lifter argon dan tingkat vakuum. Waktu siklus biasanya dalam rentang dua puluh hingga tiga puluh menit. Tergantung pada ukurannya, unit penggas RH memiliki kemampuan untuk mencirculasi 85 ton per menit hingga 135 ton per menit baja cair.

Ketika kimia baja cair ditentukan dan ditemukan memuaskan, snorkel degasser dikeluarkan dari baja cair, argon dimatikan, dan nitrogen diperkenalkan ke snorkel up-leg untuk menjaga pipa injeksi tidak membeku. Operasi penggas kemudian selesai, dan ladle baja dipindahkan ke posisi post-treatment atau take-over.

Selama produksi, operator didampingi oleh sistem otomasi proses. Sistem ini menggunakan sejumlah model matematika untuk meramalkan parameter metalurgi dan untuk menciptakan set-points, misalnya suhu baja yang dihitung secara berkala berdasarkan parameter yang diterima dan waktu pemrosesan, komposisi kimia dengan menentukan sampel baja yang diterima dan material yang ditambahkan melalui proses. Ramalan dan set-points juga dibuat untuk status fungsi penggas seperti penghilangan hidrogen dan nitrogen tergantung pada kandungan awal, waktu penggas, kurva tekanan vakuum, laju gas lift dan lain-lain, status decarburization dengan menentukan secara berkala kandungan karbon dan oksigen baja, dan set-pointing untuk berbagai fungsi seperti injeksi oksigen, vakuum dan pola gas lift dll.

Lebih lanjut, sistem Level-2 terhubung ke perencanaan produksi dan otomasi proses unit sebelumnya dan berikutnya serta dengan laboratorium, untuk menyediakan semua data yang relevan kepada operator. Pelacakan data mengumpulkan semua data yang relevan dari sistem Level-1 dan model proses untuk pembuatan berbagai laporan heat dan produksi. Semua data ini disimpan dalam database untuk membuat sistem siap untuk aplikasi data di masa depan.

Ketersediaan Unit Penggas RH

Selain waktu siklus yang pendek, ketersediaan unit penggas RH dengan pandangan perencanaan produksi di pabrik peleburan baja perlu dipertimbangkan. Yang paling kritis adalah waktu yang diperlukan untuk pemeliharaan snorkel. Setelah memperlakukan deretan enam heat, snorkel membutuhkan pemeliharaan perantara (deskulling, dan gunning refraktori). Tergantung pada kondisi escat dan perlakuan yang spesifik serta alat yang tersedia, pekerjaan pemeliharaan membutuhkan waktu 20 menit hingga 60 menit. Pemeliharaan yang lebih sering menghasilkan umur pakai snorkel yang lebih lama. Setelah 60 heat hingga 300 heat, tergantung kembali pada kondisi perlakuan serta kualitas refraktori dan desain snorkel, snorkel membutuhkan penggantian. Pemeliharaan refraktori lebih lanjut diperlukan, terutama di area dasar, setiap 2 hingga 3 kampanye snorkel. Di pabrik penggas RH saat ini, vessel ditukar untuk penggantian snorkel dan pemeliharaan vessel untuk mengurangi waktu henti pabrik.