Proses CAS-OB: Pembuatan Baja Sekunder Lanjutan dengan Perawatan Argon dan Oksigen

Proses CAS-OB adalah proses perlakuan ladle dalam metalurgi sekunder yang digunakan untuk pemanasan baja melalui cara kimia. Singkatan CAS-OB adalah 'Komposisi Penyesuaian oleh Argon yang Terkunci Gelembung - Pencemaran Oksigen'. Proses ini dikembangkan dan dipatenkan oleh Nippon Steel Corporation pada tahun 1980-an. Selama proses CAS-OB, fungsi yang paling penting adalah penyesuaian suhu ke tingkat optimum dan penambahan akurat elemen leging. Tujuan pemanasan adalah untuk memastikan suhu baja cair yang cukup saat dikirim ke mesin pencetakan berkelanjutan. Proses CAS-OB termasuk dalam proses yang beroperasi pada tekanan atmosfer.

Proses CAS-OB dirancang untuk homogenisasi dan kontrol komposisi serta suhu baja. Ini adalah proses perlakuan ladle yang dirancang untuk pemanasan dan leging baja cair. Proses ini banyak digunakan untuk grade baja yang tidak memerlukan perlakuan penggas vakuum. Baru-baru ini, karena aplikasi yang lebih luas dari perlakuan penggas vakuum, penggunaan proses CAS-OB telah menurun.

Proses CAS-OB memungkinkan pemulihan leging yang konsisten tinggi dan pemanasan ulang baja menggunakan reaksi exothermic antara oksigen dan aluminium. Dengan kemampuan kontrol komposisi kimia yang baik, homogenitas baja, dan pemanasan ulang, proses CAS-OB menjadi stasiun buffer yang ideal dalam metalurgi sekunder pembuatan baja. Tujuan dari proses CAS-OB adalah untuk homogenisasi dan kontrol komposisi serta suhu baja. Dilaporkan bahwa proses CAS-OB memungkinkan jadwal yang lebih baik, kontrol suhu yang ditingkatkan, dan inklusi yang lebih murni.

CAS-OB adalah proses perlakuan ladle yang dirancang untuk pemanasan dan leging baja cair. Proses ini memungkinkan penambahan leging dilakukan dalam lingkungan argon yang inerte. Ini memungkinkan penambahan simultan aluminium dan gas oksigen yang ditiup melalui top lance. Ini bereaksi membentuk alumina dan menghasilkan sejumlah besar panas karena sifat exothermic dari reaksi. Proses CAS-OB, oleh karena itu, menghasilkan pemanasan kimia dari baja cair.

Dalam proses pemanasan kimia, baja dipanaskan melalui reaksi exothermic dari elemen yang terlarut oleh injeksi oksigen. Penggunaan aluminium disukai sebagai elemen untuk pemanasan kimia. Dilaporkan bahwa konsentrasi 0,1 % aluminium yang terlarut dalam baja cair mampu menghasilkan kenaikan suhu +34 derajat C dengan bereaksi dengan gas oksigen. Tentu saja, ada juga kehilangan panas yang disebabkan oleh radiasi dan melalui dinding ladle. Prinsip proses CAS-OB ditunjukkan dalam Fig 1.

Fig 1 Prinsip proses CAS-OB

Peralatan Proses

Pengolahan baja cair dilakukan di ladle, dilengkapi dengan slide gates dan porous plug untuk injeksi argon. Peralatan untuk proses ini terdiri dari snorkel (juga disebut bell) yang dipasang pada bracket yang dapat digerakkan. Di atas snorkel, disediakan port yang berfungsi untuk pemberian aluminium dan ferro-alloys (jika diperlukan) ke dalam snorkel dan untuk pengeluaran gas ke sistem pembersihan gas. Desain snorkel memiliki persyaratan untuk penurunan oxygen lance dan process dan instrument lance untuk sampling, pengukuran suhu dan pengukuran oksigen yang terlarut serta lance untuk injeksi bubuk logam, senyawa desulfurizing, dan kawat calcium silicide (CaSi).

Snorkel terdiri dari dua bagian. Bagian atas dilapisi hanya dari dalam, sementara dasar dilapisi baik dari dalam maupun dari luar. Lining snorkel biasanya dilakukan dengan castables alumina tinggi yang diukir dengan 2 % jarum stainless steel. Castables ini juga digunakan untuk lining oxygen lance dan sub-merged lance untuk injeksi argon ke dalam baja cair, yang digunakan ketika argon tidak dapat disuplai ke baja cair melalui porous plug di dasar. Batu bata chrome magnesite juga telah digunakan untuk lining dasar snorkel. Ada sub-merged lance yang berbentuk khusus untuk argon stirring tambahan.

Umur pakai lining atas snorkel biasanya 400 heat hingga 600 heat sementara umur pakai lining dasar snorkel adalah 50 heat hingga 150 heat. Umur pakai lining oxygen lance biasanya minimal 100 heat dan untuk lance injeksi argon minimal 150 heat.

Proses CAS-OB

Baja cair dari proses pembuatan baja primer (basic oxygen furnace atau electric arc furnace) awalnya dituangkan ke dalam ladle. Ladle terdiri dari casing baja dengan lapisan batu bata refraktori atau castables di dalam. Lapisan refraktori menyediakan isolasi dan tahan terhadap lingkungan korosif dari bath baja, dengan suhu sekitar 1600 derajat C. Selama perlakuan, komponen baja bereaksi dengan oksigen yang ditambahkan untuk membentuk fase escat. Penambahan dalam bentuk oksida juga melarut ke dalam fase escat. Komponen escat typikal adalah FeO, SiO2, MgO, Al2O3, dan CaO. Dalam proses CAS-OB, fase escat berpartisipasi dalam reaksi dan melindungi baja cair dari atmosfer serta bekerja sebagai lapisan isolasi.

Proses CAS-OB dirancang untuk menciptakan atmosfer inerte di atas baja untuk memungkinkan penambahan leging tanpa kontak dengan oksigen atmosfer atau escat oksida. Ini dicapai dengan pertama menciptakan area bebas escat (dikenal sebagai eye) pada permukaan baja cair dengan introduksi argon ke dalam baja melalui porous plug di dasar ladle. Gelembung argon yang mencapai permukaan baja mendorong lapisan escat di atas ladle, menciptakan area bebas escat. Jumba aliran argon yang diperlukan untuk menghasilkan ukuran eye yang diinginkan di atas ladle bervariasi sesuai kondisi porous plug, kedalaman escat di atas ladle, dan fluida escat. Setelah eye diciptakan, snorkel dapat diturunkan ke dalam area bebas escat.

Operasi proses dilakukan melalui penggunaan tiga item yaitu (i) snorkel refraktori di atas ladle, yang dapat digunakan untuk menampung atmosfer argon inerte atau reaksi kimia antara oksigen dan aluminium, (ii) suplai gas argon, dan (iii) oxygen lance yang didinginkan air. Item fungsional ini adalah jantung proses.

Karakteristik utama proses adalah snorkel refraktori di bawahnya penambahan leging ke bath dilakukan. Snorkel menyediakan lingkungan yang terlindungi untuk penambahan material leging, di mana permukaan baja terbuka, tetapi tetap terlindungi dari kontak dengan atmosfer sekitar. Ini juga memastikan bahwa jumlah nitrogen yang terserap dapat dipertahankan pada tingkat rendah. Argon bubbling juga menyediakan stirring untuk homogenisasi suhu dan komposisi baja.

Ladle baja diposisikan sedemikian rupa sehingga snorkel terletak tepat di atas porous stirring plug. Ini memastikan bahwa permukaan bath baja yang diagitasi terbatas pada area di bawah snorkel. Argon stirring tambahan, jika diperlukan, dapat dilakukan melalui sub-merged lance yang berbentuk khusus. Pemanasan ulang baja dilakukan dengan injeksi oksigen bersamaan dengan penambahan aluminium.

Bottom bubbling gas argon menciptakan 'open eye' di lapisan escat. Snorkel diturunkan ke dalam baja cair di atas open eye di dalam escat. Secara khusus, ini memungkinkan penambahan simultan aluminium dan injeksi gas oksigen melalui top lance. Alumina yang dihasilkan perlu melayang keluar untuk menghasilkan baja bersih. Penambahan ferro alloys tambahan ke dalam region bebas escat ini mencapai yield yang lebih tinggi.

Tahap utama proses adalah pemanasan, reduksi escat, dan (mungkin) leging. Tujuan tahap pemanasan adalah untuk meningkatkan suhu baja cair ke nilai target sebelum pencetakan berkelanjutan. Sebelum pemanasan sebenarnya dimulai, baja cair diaduk dengan injeksi argon dari bawah untuk membentuk area open-eye bebas escat pada permukaan bath baja. Akibatnya, snorkel refraktori sebagian tercelup dalam baja cair.

Selama tahap pemanasan, partikel aluminium padat diumpankan ke permukaan baja bebas di dalam snorkel. Aluminium dioksidasi di bawah snorkel dengan injeksi oksigen menggunakan supersonic lance dan reaksi exothermic menyebabkan kenaikan suhu baja. Aluminium oksida (alumina) yang terbentuk selama pemanasan pergi ke fase escat yang terletak di atas permukaan baja dan sebagian aluminium melarut ke dalam baja. Akibat panas yang dihasilkan oleh reaksi aluminium dan oksigen, suhu baja cair dapat dinaikkan hingga 10 derajat C per menit tanpa aus peralatan berlebih.

Akibat injeksi lance yang intensif, selain aluminium, sebagian logam lain dari fase baja, manganese, silicon, dan iron khususnya, dioksidasi ke dalam escat. Ini tidak diinginkan dari sudut pandang ekonomis dan, oleh karena itu, biasanya perlu melakukan reduksi escat setelah tahap pemanasan.

Selain meningkatkan kandungan alumina di fase escat, injeksi oksigen menyebabkan peningkatan jumlah FeO, SiO2 dan MnO di escat. Untuk menghindari kehilangan berlebih komponen logam, reduksi escat dilakukan setelah tahap pemanasan. Selama tahap reduksi, struktur snorkel diangkat dan baja diaduk menggunakan injeksi argon dari porous plugs di dasar ladle. Argon stirring yang intensif menghasilkan gerakan sirkulasi baja di dalam ladle.

Di tahap reduksi escat, fase baja diaduk secara kuat dengan injeksi beberapa gas inerte, biasanya argon, dari dasar ladle. Gas stirring memaksa fase baja ke dalam gerakan lingkaran. Di antarmuka baja dan escat, aliran baja menyebabkan disengajian titik-titik kecil dari lapisan escat atas. Titik-titik escat dan baja membentuk emulsi di mana area antarmuka yang besar antara fase terjadi. Peningkatan area antarmuka mempercepat transfer massa antara baja dan escat, dan oleh karena itu, memberikan kondisi yang menguntungkan untuk reaksi reduksi.

Akibat stres geser yang diimpose oleh aliran berputar baja pada lapisan escat atas, titik-titik kecil disengajian dari lapisan escat, menyebabkan peningkatan besar dari area antarmuka antara escat dan baja. Area antarmuka yang besar ini memberikan kondisi yang menguntungkan untuk laju reduksi yang tinggi.

Proses biasanya dibagi menjadi pemanasan, leging, dan reduksi escat. Tujuan tahap pemanasan adalah untuk meningkatkan suhu bath baja dengan pemanasan kimia, yang dilakukan dengan memasukkan partikel aluminium ke dalam lelehkan dan menggunakan injeksi oksigen simultan melalui top lance. Dalam praktik, laju pemanasan kimia dibatasi untuk menghindari introduksi stres termal berlebih ke struktur dinding melalui proses transfer panas, terutama radiasi dan konveksi.

Prosedur perlakuan CAS-OB dimulai dengan menentukan tingkat bath baja untuk men-celupkan snorkel ke kedalaman yang cukup. Sebelum snorkel diturunkan, aliran argon ditingkatkan sedemikian rupa sehingga area bebas escat, yaitu open-eye, terbentuk ke dalamnya snorkel dit-celupkan. Setelah snorkel diturunkan, injeksi bawah dikurangi dan deoksidasi baja dilakukan dengan aluminium atau aluminium-silicon penambahan. Tergantung pada pengukuran suhu, proses deoksidasi diikuti oleh pemanasan baja. Di tahap pemanasan, partikel aluminium padat diumpankan ke permukaan baja dan oksigen ditiup secara simultan melalui top lance. Tahap leging yang mungkin diikuti setelah tahap pemanasan selesai. Sampel baja diambil sebelum pemanasan dan setelah leging tepat sebelum snorkel diangkat.

Setelah pengiriman ladle ke posisi pengolahan baja cair, injeksi argon melalui porous plug di dasar ladle dimulai dan keberadaan purging dipantau secara visual. Secara simultan, tinggi free board diukur dan nilai gerakan bell dihitung. Perlu dipastikan bahwa ujung bawah bell ter-celup dalam baja cair setidaknya 200 mm. Juga suhu baja cair dan aktivitas oksigen yang terlarut di dalamnya diukur.

Sebelum snorkel diturunkan, aliran argon ditingkatkan sehingga permukaan baja cair dalam purging memiliki 'open eye'. Di area 'open eye', snorkel diturunkan. Setelah men-celupkan snorkel ke dalam baja cair pada kedalaman yang diinginkan, aliran argon dikurangi. Permukaan bebas baja cair dari escat di dalam snorkel berfungsi sebagai tempat untuk penambahan aluminium granular dan aditif lain untuk deoksidasi. Setelah ini, homogenisasi dilakukan pada baja cair selama 4 menit hingga 5 menit. Kemudian aliran argon dikurangi lebih lanjut untuk mengambil sampel dan mengukur suhu baja cair. Hasil pengukuran suhu dihitung untuk pemanasan kimia, jumlah aluminium logam dan oksigen yang diperlukan. Fig 2 menunjukkan diagram skematis proses CAS-OB.

Fig 2 Diagram skematis instalasi CAS-OB

Fitur Khusus Proses CAS-OB

Ada beberapa fitur khusus dari proses CAS-OB. Dalam proses ini, snorkel turun ke baja untuk menghasilkan area inerte di atas 'slag eye' (area tanpa escat karena pluma gelembung mendorongnya ke samping). Penambahan leging dan pemanasan ulang kimia oleh injeksi oksigen dan aluminium dihasilkan di bawah snorkel. Ini menghasilkan lebih banyak alumina dibandingkan ladle metallurgy furnace, dan alumina ini perlu melayang keluar untuk mendapatkan baja bersih.

Diameter snorkel krusial untuk mengamankan region bebas escat di dalam lapisan escat. Perlu ditentukan dengan mengetahui diameter open eye selama bottom bubbling. Diameter open eye dapat diperkirakan dengan bantuan geometri bubbling plume (plume cone) yang bergantung pada laju aliran gas.

Dalam proses CAS-OB, pembukaan bottom bubbling plug penting untuk mengamankan open eye. Untuk menghindari risiko kegagalan pembukaan bubbling plug, sistem perubahan posisi snorkel diadopsi. Dengan susunan ini, posisi snorkel dapat diubah ke area bubbling yang baik.

Total kandungan oksigen proses CAS-OB biasanya mirip dengan proses argon bubbling dan ladle furnace tetapi sedikit kurang baik dibandingkan proses penggas vakuum Ruhrstahl-Heraeus (RH).

Selama proses, skull menempel pada bagian atas snorkel, sementara beberapa material oksida menempel pada bagian bawah snorkel. Pertumbuhan oksida di bagian bawah snorkel menyebabkan benturan dengan tepi ladle tueming dan break down bell.

Keuntungan dan Kerugian

Proses CAS-OB memiliki banyak keuntungan yang meliputi (i) penurunan tapping temperature sekitar 15 derajat C, (ii) re-blowing heats yang lebih sedikit di basic oxygen furnace, (iii) homogenisasi leging yang cepat dan andal, (iv) yield bahan leging yang tinggi dan dapat diprediksi, (v) konsumsi aluminium rendah, (vi) pencapaian target suhu untuk continuous casting yang lebih konsisten, (vii) total kandungan oksigen rendah setelah perlakuan, (viii) memungkinkan leging dengan toleransi yang sempit, (ix) konsumsi leging dan biaya yang berkurang, (x) heat yang gagal lebih sedikit, dan (xi) buffering antara basic oxygen furnace dan continuous casting machine menghasilkan kondisi tueming yang lebih baik.

Kerugian proses CAS-OB meliputi (i) formers escat perlu ditambahkan sebelum ladle diangkut ke stasiun, dan (ii) penghilangan sulfur tidak dapat dilakukan dengan proses ini. Biaya investasi untuk menyiapkan stasiun CAS-OB lebih tinggi dibandingkan beberapa proses pemanasan lain seperti IR-UT (injection refining-up temperature) process, meskipun laju pemanasan lebih tinggi dalam proses CAS-OB. Lebih lanjut, escat sering menempel pada struktur bell yang menyebabkan peningkatan bobot dan volume bell. Ini dapat memiliki efek yang tidak diinginkan pada operasi CAS-OB.