Kimia di Balik Pembuatan Baja dengan Tanur Oksigen Dasar

Kimia Pembuatan Baja dengan Basic Oxygen Steelmaking

Basic oxygen steelmaking (BOS) adalah proses pembuatan baja primer yang paling banyak digunakan untuk produksi baja kasar dari logam panas (HM). Peralatan proses dikenal sebagai converter. Ini memainkan peran dominan di pabrik baja terintegrasi untuk produksi baja kasar. Proses melibatkan peniupan oksigen (O2) melalui HM dengan bantuan luncing atas untuk mengurangi kandungan karbon (C) dengan oksidasi. Saat ini mixed blowing diadopsi dalam proses BOS yang dikembangkan pada akhir tahun 1970-an. Dalam mixed blowing, peniupan gas netral terbatas, argon (Ar) atau nitrogen (N2) dilakukan melalui dasar converter top blown. Ini memberikan pengadukan yang efisien.

Proses BOS memiliki dua karakteristik. Pertama, proses ini autogenous yang berarti tidak diperlukan sumber panas eksternal. Reaksi oksidasi selama O2 blow menyediakan energi yang diperlukan untuk melelehkan flux dan scrap dan mencapai suhu baja cair yang diinginkan. Kedua, proses memurni HM pada laju produksi tinggi untuk produksi baja cair. Laju reaksi yang cepat disebabkan oleh luas permukaan besar yang tersedia untuk reaksi. Sejumlah besar gas dihasilkan saat O2 disuntik ke dalam mandi logam. Gas ini membentuk emuls dengan escoria cair dan titik logam yang terpindah dari permukaan mandi oleh tabrakan jet O2. Luas permukaan besar yang dihasilkan oleh emuls gas-logam-escoria meningkatkan laju reaksi pemurnian.

Karena pengumpat terlarut dalam logam cair, reaksi antara pengumpat dan O2 terjadi dengan O2 terlarut. Lebih lanjut karena oksidasi C terjadi pada suhu yang lebih tinggi, oksidasi C menjadi carbon mono-oksida (CO) sangat mungkin dan akibatnya mayoritas C dikeluarkan sebagai CO.

Selama proses BOS, pengumpat dalam HM seperti C, silikon (Si), manganese (Mn), fosfor (P) dll. dihapus dengan oksidasi untuk produksi baja cair. Oksidasi dilakukan dengan gas O2 murni tinggi yang dipiupkan di dalam converter. Reaksi oksidasi menghasilkan pembentukan CO, CO2 (karbon dioksida), silica (SiO2), manganese oksida (MnO), dan iron oksida (FeO). Sementara CO dan CO2 dalam bentuk gas dan dikeluarkan dari atas converter sebagai gas converter, oksida lainnya terlarut dengan flux yang ditambahkan ke dalam converter, untuk membentuk escoria cair. Escoria cair mampu menghapus P dan S (sulfur) dari logam cair.

Reaksi yang terjadi dalam proses BOS dapat dikategorikan menjadi lima kategori. Reaksi dalam kategori pertama 'pengambilan O2 oleh logam' adalah (i) O2(g) = 2O, (ii) (FeO) = Fe + O, (iii) (Fe2O3) = 2(FeO) + O, dan (iv) CO2(g) = CO(g) + O. Reaksi dalam kategori kedua 'oksidasi elemen dalam logam' adalah (i) C + O = CO(g), (ii) Fe + O = (FeO), (iii) Si + 2O = (SiO2), (iv) Mn + O = (MnO), dan (v) 2P + 5O = (P2O5). Reaksi dalam kategori ketiga 'oksidasi senyawa dalam escoria' adalah (i) 2(FeO) + 1/2O2(g) = (Fe2O3) dan (ii) 2(FeO) + CO2(g) = (Fe2O3) + CO. Reaksi dalam kategori keempat 'reaksi flux' adalah (i) MgO(s) = (MgO), dan (ii) CaO(s) = (CaO). Reaksi dalam kategori kelima 'reaksi gas' adalah CO(g) + ½O2(g) = CO2.

BOS adalah proses dengan kinetika yang sangat tinggi, reaksi terjadi di beberapa lokasi. Interaksi jet cair dan reaksi C-O yang menghasilkan produk gas memiliki efek besar pada dinamika keseluruhan proses. Proses ditandai dengan laju reaksi yang tinggi, proses pemurnian biasanya selesai dalam 12 menit (min) hingga 15 min. Untuk kontrol proses untuk kualitas dan produktivitas dalam waktu singkat ini, pemahaman yang baik tentang dinamika proses penting.

Converter BOS tipikal terdiri dari tabung silindris dengan dasar bulat, dan atas kerucut (sudut setengah kerucut 25 derajat hingga 30 derajat) untuk mengarahkan gas ke hood gas buang. Badan didukung di poros, disebut trunnions, sehingga tungku dapat diputar untuk charging, sampling, tapping, dan pengeluaran escoria. Dalam biasanya dilapis dengan refraktori magnesia-karbon, dengan kualitas dan ketebalan yang berbeda untuk cocok dengan pola aus. Volume tipikal yang disediakan di dalam converter sekitar 1 meter kubik (cum) per ton baja cair yang dihasilkan. Jika berat escoria 100 kilogram per ton (kg/t) hingga 120 kg/t, ruang bebas di atas mandi nonaktif lebih dari 80 %. Ini mengakomodasi reaksi yang gigat yang terjadi selama bagian tengah dari blow tipikal. Dasar converter dilengkapi dengan beberapa (biasanya 6 hingga 8) elemen berlubang, melalui mana gas Ar dialirkan untuk campuran mandi dan membantu reaksi escoria-logam. Lubang tap disediakan di satu sisi di bagian bawah kerucut untuk tapping baja cair. Escoria dituang keluar di sisi lain melalui mulut.

Proses BOS adalah proses pemurnian yang sangat cepat yang membutuhkan kontrol dinamis yang baik dan model dinamis untuk pemahaman yang lebih baik tentang proses. Proses ditandai dengan reaksi pada beberapa skala seperti pada skala mandi logam dan escoria dan pada skala titik dan gelembung. Reaksi juga terjadi pada beberapa situs reaksi. Kehadiran jet supersonik yang berinteraksi dengan mandi logam dan lapisan escoria, menghasilkan berbagai ukuran titik dalam emuls yang pada reaksi menghasilkan gelembung yang berlimpah di antarmukanya, masalah pelarutan kapur dll., membuat deskripsi dinamika proses kompleks.

Bahan baku primer adalah HM pada sekitar 1.300 derajat C hingga 1.400 derajat C. Karena panas yang dihasilkan lebih dari yang dibutuhkan, scrap baja bersama dengan bijih besi digunakan sebagai pendingin. Batu kapur (CaCO3) ditambahkan di beberapa pabrik peleburan baja sebagai pendingin untuk menyesuaikan suhu akhir. Kapur yang telah dibakar (CaO) digunakan sebagai flux untuk mencapai basicitas yang diperlukan untuk penghapusan P. Scrap ditambahkan terlebih dahulu ke dalam converter kosong (setelah tapping escoria dari panas sebelumnya), di atasnya jumlah HM yang diperlukan ditambahkan. Bijih besi ketika digunakan ditambahkan secara terdistribusi biasanya selama setengah pertama blow.

Sebagian atau semua kapur yang diperlukan ditambahkan sebelum penambahan scrap untuk bertindak sebagai pelindung dampak untuk melindungi lining dari jatuhnya scrap. Sisa kapur biasanya ditambahkan secara terdistribusi selama blow. Beberapa penambahan magnesia (MgO) dilakukan dalam bentuk dolomit yang telah dibakar (CaO.MgO), untuk meminimalkan pelarutan refraktori ke dalam escoria. Jumlah bahan muatan berbeda dihitung secara teoretis oleh model kontrol muatan berdasarkan keseimbangan material dan panas, mempertimbangkan komposisi masukan, suhu HM, dan komposisi serta suhu baja output.

Reaksi pemurnian semuanya mengoksidasi. Hal ini dicapai dengan meniup tonnage oksigen melalui luncing atas yang dilengkapi dengan 3 hingga 6 nozzle aliran supersonik (2,0 Mach hingga 2,1 Mach, dipasang dengan sudut terhadap sumbu luncing). Ujung luncing ditempatkan pada jarak antara 1,8 meter (m) hingga 2,5 m di atas level mandi logam tenang dalam converter besar. Tinggi luncing adalah salah satu parameter operasi untuk mengontrol proses

Siklus tap-to-tap tipikal terdiri dari langkah-langkah seperti yang dijelaskan di sini. Urutan charging adalah kapur, scrap, dan HM. Setelah converter dibuat tegak, luncing O2 diturunkan ke tinggi yang diperlukan (awalnya, nilai tertinggi, 2,2 m hingga 2,5 m) dan peniupan dimulai. Selama setengah awal blow, kapur tambahan jika ada bersama dengan bijih besi, dolomit yang telah dibakar, dan aditif lainnya ditambahkan. Penambahan bahan yang mengandung kelembaban dihindari selama bagian akhir blow untuk menjaga hidrogen (H2) dalam baja yang dihasilkan rendah. Operasi luncing tinggi dilanjutkan (biasanya 3 min hingga 4 min) sampai escoria memiliki cukup FeO untuk memfasilitasi pelarutan kapur. Setelah itu luncing secara bertahap diturunkan untuk mencapai laju pemurnian yang diperlukan. Tinggi luncing diturunkan dalam 3 langkah hingga 5 langkah tergantung pada praktik pabrik individual.

Pada sekitar 80 % hingga 90 % blow (berdasarkan aliran O2) sampel diambil untuk analisis dan suhu diukur sehingga ketika selesai blow, komposisi dan suhu yang diperlukan tercapai secara bersamaan. Sampling dan pengukuran suhu dapat dilakukan secara manual, yaitu menghentikan blow, memutar converter ke posisi hampir horizontal dan mengambil sampel melalui sendok dan mengukur suhu, atau melalui sub-luncing yang diturunkan ke dalam converter yang sedang ditiup (sampling in-blow). Berdasarkan analisis sampel dan suhu, bagian sisa blow diselesaikan dengan penambahan trim yang diperlukan. Setelah blow selesai converter diputar ke sisi tapping untuk dituangkan baja cair keluar, dan kemudian ke sisi lain untuk tapping escoria. Dalam praktik modern, beberapa escoria dipertahankan, converter dibuat tegak, beberapa magnesit (MgO) ditambahkan dan kemudian escoria diluncur ke permukaan dalam dengan meniup N2 berkecepatan tinggi. Secara berkala, converter kosong diperiksa untuk kerusakan refraktori, baik secara manual atau melalui laser scanner. Kerusakan diperbaiki dengan gunning refraktori guniting mass. Setelah ini converter siap untuk blow berikutnya.

Proses BOS adalah proses kompleks yang berlangsung dalam waktu singkat, dengan sangat sedikit informasi umpan balik langsung yang tersedia seiring berjalannya proses. Proses terdiri dari beberapa sub-proses yang baik tidak dipahami atau hanya memiliki pemahaman semi-kuantitatif. Karena proses ini autogenous, ada kelebihan panas bahkan setelah input HM pada sekitar 1.350 derajat C dan baja output ditap pada 1.650 derajat C hingga 1.700 derajat C. Oleh karena itu, berbagai pendingin digunakan, scrap dan bijih besi menjadi yang utama. O2 diantar ke dalam proses melalui jet supersonik yang keluar ke dalam gas panas yang bercakar atau di bawah emuls gas cair dengan perilaku jet yang dipengaruhi oleh lingkungan sekitar. Gambar 1 menunjukkan representasi skematik proses BOS dan fitur dasarnya dijelaskan di bawah ini.

Gambar 1 Representasi skematik basic oxygen steelmaking

Oksidasi karbon – Decarburisasi C yang tersedia dalam mandi adalah reaksi paling luas dan penting selama proses BOS. Ada tiga tahap berbeda selama reaksi decarburisasi ini. Pada tahap pertama yang terjadi selama beberapa menit pertama blow, decarburisasi terjadi pada laju lambat, karena sebagian besar O2 yang disediakan bereaksi dengan Si dari mandi. Pada tahap kedua, yang terjadi pada kandungan C tinggi mandi, decarburisasi terjadi pada laju lebih tinggi dan dikontrol oleh laju O2 yang disediakan. Tahap ketiga terjadi ketika kandungan C mandi mencapai sekitar 0,3 %. Pada tahap ini, laju decarburisasi menurun karena C yang lebih sedikit tersedia untuk bereaksi dengan semua O2 yang disediakan. Pada tahap ini, laju dikontrol oleh transfer massa C, dan O2 sebagian besar bereaksi dengan iron (Fe) untuk membentuk FeO. Pada tahap ini, karena laju pembentukan CO menurun, nyala di mulut converter menjadi kurang cahaya dan praktis menghilang saat C turun ke tingkat sekitar 0,1 %.

Oksidasi silikon – Kondisi yang menguntungkan untuk oksidasi silikon adalah (i) suhu rendah, dan (ii) jumlah SiO2 rendah dalam escoria. Escoria basic mendukung oksidasi Si. Dalam escoria basic, oksidasi Si terjadi hingga nilai sangat rendah karena SiO2 bereaksi dengan CaO dan menurunkan aktivitas SiO2 dalam escoria. Hampir semua Si teroksidasi dan dihapus awal blow karena afinitas O2 yang kuat untuk Si. Si dari HM teroksidasi hingga tingkat sangat rendah (kurang dari 0,005 %) dalam 3 min hingga 5 menit pertama blow. Oksidasi Si menjadi SiO2 eksotermis dan menghasilkan jumlah panas yang besar yang meningkatkan suhu mandi. Ini juga membentuk escoria silikat yang bereaksi dengan kapur dan dolomit yang telah dibakar yang ditambahkan untuk membentuk escoria basic. Karena oksidasi Si adalah sumber panas utama, jumlahnya dalam HM menentukan jumlah charge dingin (scrap, dan pig iron dll.) yang dapat ditambahkan ke dalam converter. Ini juga menentukan volume escoria dan akibatnya mempengaruhi defosforisasi mandi dan hasil. Menurut aturan praktis, volume escoria yang lebih tinggi menghasilkan P lebih rendah tetapi juga hasil lebih rendah.

Oksidasi iron – Oksidasi iron (Fe) paling penting untuk proses BOS karena mengontrol (i) kandungan FeO dalam escoria dan kandungan O2 dalam baja, (ii) kehilangan Fe dalam escoria dan akibatnya mempengaruhi produktivitas proses pembuatan baja, (iii) potensi oksidasi escoria, dan (iv) FeO membantu dalam pelarutan CaO dalam escoria.

Oksidasi manganese – Reaksi oksidasi Mn dalam proses BOS cukup kompleks. Dalam converter top blown, Mn teroksidasi menjadi oksida MnO pada tahap awal blow dan setelah sebagian besar Si teroksidasi maka Mn kembali ke dalam logam mandi. Akhirnya, di akhir blow ketika lebih banyak O2 tersedia untuk oksidasi Mn tereduksi dalam logam mandi. Dalam kasus bottom blowing atau combined blowing dalam converter, pola oksidasi Mn serupa tetapi kandungan Mn sisa dari baja cair dalam mandi converter lebih tinggi daripada converter top blown.

Oksidasi fosfor – Kondisi oksidatif dalam converter mendukung defosforisasi logam mandi. Reaksi defosforisasi terjadi karena interaksi logam dan escoria dalam mandi. Parameter seperti suhu mandi lebih rendah, basicitas escoria lebih tinggi (rasio CaO/SiO2), kandungan FeO lebih tinggi dalam escoria, fluida escoria lebih baik, dan pengadukan mandi yang baik mendukung reaksi defosforisasi. Kandungan fosfor logam mandi menurun di awal blow, kemudian selama periode decarburisasi utama ketika FeO tereduksi, P kembali ke dalam logam mandi dan akhirnya turun lagi di akhir blow. Pengadukan mandi meningkatkan campuran logam dan escoria dan membantu laju defosforisasi. Pengadukan yang baik dengan penambahan agen flux seperti flour spar dll., juga meningkatkan penghapusan P dengan meningkatkan pelarutan CaO, menghasilkan escoria cair yang sangat basic dan fluida.

Reaksi sulfur – Penghapusan S tidak efektif dalam proses BOS karena kondisi oksidatif yang tinggi. Rasio distribusi S (% S dalam escoria / % S dalam logam) sekitar 4 hingga 8 yang jauh lebih rendah daripada dalam cetakan baja (sekitar 300 hingga 500) selama proses pembuatan baja sekunder. Selama proses BOS, sekitar 10 % hingga 20 % S dalam mandi bereaksi langsung dengan O2 untuk membentuk SO2 (dioksida sulfur). Sisa S dihapus oleh reaksi escoria-logam S + CaO = CaS + FeO. Penghapusan S oleh escoria didukung oleh basicitas tinggi dan kandungan Fe rendah dalam escoria. Kandungan S baja cair sangat dipengaruhi oleh S yang terkandung dalam HM dan scrap yang diisi ke dalam converter.

Reaksi yang terjadi selama proses BOS bersifat heterogen dan pada berbagai skala panjang. Ada fase mandi logam massa, fase escoria massa, dan fase gas. Di sisi lain, sebagian besar reaksi terjadi pada skala titik halus dan gelembung yang terdistribusi dalam fase emuls escoria / logam / gas. Perbedaan skala panjang juga menghasilkan perbedaan skala waktu. Mandi logam melihat perubahan selama seluruh siklus panas 12 menit hingga 15 menit sementara titik dapat mengalami siklus pemurnian lengkap dalam sekitar satu menit. Akibatnya, gambar dinamika proses telah berevolusi selama beberapa tahun berdasarkan observasi dan pengukuran di pabrik komersial dan pilot, eksperimen yang dirancang dengan hati-hati, dan pemodelan matematis.

Komposisi tipikal HM dapat berupa C – 4,5 %, Si – 0,3 % hingga 0,5 %, Mn – 0,2 % hingga 0,7 %, P – 0,1 % hingga 0,18 %, S – 0,02 % hingga 0,03 %, dan suhu 1.350 derajat C. Karena S hanya dapat dihapus ke dalam escoria dalam keadaan reduksi dalam kehadiran iron cair, proses oksidasi dalam basic oxygen steelmaking tidak menghapus jumlah S yang signifikan. Reaksi keseluruhan yang signifikan dapat ditulis sebagai (i) [Si] + {O2} = (SiO2), (ii) [Mn] + 1/2 {O2} = (MnO), (iii) [C] + 1/2 {O2} = {CO}, (iv) 2[P] + 5/2 {O2} = (P2O5), (v) Fe (l) + 1/2 O2(g) = (FeO). [-],{-}, dan (-) digunakan untuk metaloid yang terlarut dalam mandi logam, gas, dan konstituen dalam escoria, masing-masing. Gambar 2a memberikan kemajuan reaksi dalam converter 200 t. Pengukuran yang dilakukan di berbagai converter juga menunjukkan pola yang sama. Gambar 2b memberikan evolusi komposisi escoria yang sesuai.

Gambar 2 Evolusi kandungan karbon dalam mandi selama blow dan evolusi komposisi escoria

Salah satu fitur menonjol dalam evolusi komposisi logam adalah penghapusan jumlah C yang signifikan secara bersamaan bahkan sebelum Si turun ke tingkat sangat rendah. Ini juga dibuktikan oleh observasi bahwa nyala CO melonjak di mulut converter dalam waktu singkat setelah mulai O2 blow. Ini berkontras dengan observasi dalam converter Bessemer yang sudah usang atau proses OBM, di mana udara / O2 ditiup dari dasar. Dalam kedua proses ini, penampilan nyala signifikan memerlukan waktu, yang diasumsikan menunjukkan bahwa oksidasi C tidak dimulai sampai Si turun ke nilai yang cukup rendah.

Secara termodinamis, urutan reaksi oksidasi solut di setiap lokasi lokal untuk kondisi masukan yang disebutkan di atas adalah Si, Mn, C, dan P. Artinya, pada kondisi yang berlaku di bagian awal blow, Si teroksidasi sebelum C. Suhu rendah awal itu sendiri membuat reaksi Si menguntungkan. Selain itu produk SiO2 memiliki aktivitas sangat rendah dalam kondisi basic yang tinggi yang dipertahankan sejak awal. Tekanan parsial CO di sisi lain tetap hampir 0,1 MPa (satu atmosfer). Misalnya, jika aktivitas 0,001 untuk SiO2 diasumsikan maka pO2 dalam kesetimbangan dengan 4,5 % C dan 0,5 % Si adalah 1 MPa hingga 1,7 MPa, dan 1 MPa hingga 1,9 MPa masing-masing. Fitur ini membuat analisis dinamika proses dan mekanisme reaksi menarik.

Karakteristik proses

Karena informasi umpan balik dari proses terbatas, hal ini menuntut pembuatan model untuk dinamika proses dari karakteristik yang diamati dari informasi yang dapat diperoleh. Fitur penting dari proses BOS dijelaskan di bawah ini.

Laju reaksi sangat cepat. Saat decarburisasi puncak, C dihapus pada laju sekitar 0,3 % per menit, yaitu sekitar 600 kg C per menit dalam converter 200 t (Gambar 2a). Reaksi C menunjukkan tiga periode tipikal (Gambar 2a) yaitu (i) periode awal ketika laju sedang membangun, (ii) periode menengah ketika laju relatif konstan meskipun kandungan C dalam mandi terus turun dari sekitar 3,5 % hingga 4,0 % selama periode ini, dan periode ketiga akhir di atas kandungan C kritis ketika laju menurun. Kandungan C kritis biasanya berada dalam rentang 0,2 % hingga 0,5 %.

Namun, panas individual dengan kondisi peniupan yang sama menunjukkan ketidaktahankan yang luas. Dua blow berurutan dengan input dan parameter proses yang sama dapat menunjukkan perilaku yang cukup berbeda, dengan beberapa blow yang menampilkan slopping (mendidihnya emuls logam-escoria-gas meluap di mulut converter) atau escoria kering dan spitting (yang mengakibatkan pembentukan pada luncing dan mulut). Ketidaktahangan ini jauh lebih prevalen pada awal proses BOS, ketika peniupan gas pengaduk dari dasar belum digunakan. Penggunaan kurang scrap sebagai pendingin juga dapat menyebabkan lebih banyak keberterusan dan penurunan slopping.

Setelah studi beberapa pabrik BOS, telah ditunjukkan bahwa laju decarburisasi puncak sebanding langsung dengan laju peniupan O2. Ini juga telah ditunjukkan selama blow dalam converter ukuran laboratorium, bahwa efek peningkatan laju peniupan O2 dan penurunan tinggi luncing pada laju decarburisasi puncak serupa.

Selama eksperimen dalam converter pilot di MEFOS (sebuah institusi penelitian di Swedia), telah ditunjukkan bahwa ada variasi konsentrasi sepanjang tinggi converter top blown. Ini menunjukkan bahwa peniupan atas tidak mencampur mandi logam dengan baik meskipun momentum jet atas yang besar. Namun, perbedaan ini hilang saat meniup jumlah gas iners yang sangat kecil dari dasar.

Diketahui bahwa escoria dalam proses BOS mengandung pecahan besar dari logam dalam bentuk titik dalam fase escoria. Jumlahnya bervariasi selama blow, tertinggi pada bagian tengah blow. Estimasi bervariasi dalam rentang 10 % hingga 25 %. Titik ini cukup halus, sebagian besar kurang dari 1 mm hingga 2 mm. Jumlah titik dalam emuls menurun menuju akhir blow. Titik biasanya dalam keadaan pemurnian yang jauh lebih maju dibandingkan mandi logam massa.

Ada emuls logam-escoria-gas selama sebagian besar blow. Pada sekitar satu sejuh blow, tinggi emuls melebihi sekitar 2 m, sehingga merendam ujung luncing dan membisukan suara jet supersonik. Kadang-kadang emuls dapat mengisi seluruh tungku, meluap di mulut (slopping). Menuju akhir blow di atas C kritis dalam mandi, emuls runtah menunjukkan bahwa emuls bersifat sementara membutuhkan pembentukan gas kontinu untuk bertahan.

Seperti yang dinyatakan, C, Mn, dan P teroksidasi secara bersamaan dengan Si di bagian awal blow, melawan harapan bahwa reaksi Si diutamakan dibandingkan reaksi lain berdasarkan komposisi logam mandi massa. Reaksi Mn dan P dapat dijelaskan hingga beberapa titik oleh fakta aktivitas dalam escoria. Reaksi C tidak dapat dijelaskan, kecuali seseorang menggunakan hipotesis bahwa komposisi logam massa tidak berlaku di situs reaksi.

Ada pembalikan Mn dan P selama bagian tengah blow (Gambar 3a). Ini juga tercermin dalam jalur escoria (Gambar 2b). Namun, jelas bahwa pembalikan ini berkaitan dengan kandungan FeO dalam escoria. Pelarutan CaO berlanjut hampir sampai akhir meskipun kapur ditambahkan di awal atau di bagian awal blow. C menentukan dinamika keseluruhan proses dan reaksi ini terjadi dengan gigat. Gambar 3a menunjukkan perubahan komposisi leleh selama blow.

Gambar 3 Perubahan komposisi leleh selama blow

Dinamika proses BOS bergantung pada reaksi C yang terjadi dengan gigat. Dinamika lengkap dapat dibagi menjadi beberapa situs. Reaksi lain dapat dipahami dalam kerangka ini. Jet O2 hampir murni, molekul mencapai permukaan mandi secara langsung tanpa hambatan transfer massa yang signifikan. Ketika suatu molekul memantul, ia dapat melakukan salah satu hal berikut ini.

Mol O2 bereaksi dengan C di situs pukulan. Reaksi dapat berupa [C] + 1/2{O2} = {CO}, dan [C] + {O2} = {CO2}. Ia dapat larut dalam logam sebagai [O]. Ini kemudian dapat pergi ke tempat lain dan bereaksi dengan elemen oksidasi lainnya seperti O2 = 2[O]. Sebagian dapat bereaksi dengan Fe dalam mandi menghasilkan FeO sesuai persamaan Fe + 1/2{O2} = (FeO). FeO dapat pergi ke fase escoria dan bereaksi dengan logam di tempat lain. Setiap satu dari ini mengarah pada reaksi pemurnian yang terjadi di berbagai situs yang mungkin di converter, yang pada gilah, mengarah pada pemurnian mandi secara keseluruhan. Situs-situs berbeda ini ditunjukkan secara skematik dalam Gambar 4.

Gambar 4 Situs reaksi dalam basic oxygen steelmaking

Harus diingat bahwa reaksi C-O bersifat heterogen. Ada setidaknya satu langkah transfer massa yang dapat menjadi pembatas laju. C harus difusi dalam logam ke antarmuka. Transfer O2 dalam fase gas, O2 terlarut dalam fase logam, atau FeO dalam fase escoria juga dapat terlibat tergantung pada sumber O2 untuk reaksi. O2 yang terlarut dapat pergi ke bagian lain di dalam mandi logam dan bereaksi dengan C terlarut untuk melepaskan CO ke pori yang terisi gas dalam refraktori (situs 1). CO juga dapat terbentuk pada partikel padat yang melayang di mandi logam oleh nukleasi heterogen (situs 2). Nukleasi heterogen juga dapat terjadi di antarmuka lapisan escoria / mandi logam (situs 3). Nukleasi homogen dalam mandi sangat tidak mungkin kecuali supersaturasi CO sangat tinggi. Sebagaimana dijelaskan sebelumnya reaksi CO dapat terjadi langsung di situs pukulan (situs 5). Beberapa FeO yang terbentuk di atau dekat situs pukulan dapat pergi di bawah permukaan mandi logam dan melaju sepanjang antarmuka escoria / logam, bereaksi dengan C memberikan antarmuka emuls (seperti di situs 3). Namun, sebagian besar FeO yang terbentuk mungkin transfer ke fase escoria.

Ini sekarang memberikan beberapa kemungkinan. Di antarmuka antara escoria dan mandi logam, reaksi dapat terjadi seperti yang dijelaskan sebelumnya (situs 3), O2 sekarang datang dari fase escoria dan C dari logam. Sebagaimana dijelaskan sebelumnya, fase escoria mengandung sejumlah besar titik logam, yang terus dihasilkan oleh momentum jet di situs pukulan. Oleh karena itu, FeO dalam escoria dapat bereaksi dengan titik-titik ini melalui mekanisme yang berbeda seperti (i) gelembung CO dapat berkembang biak heterogen di antarmuka (situs 8), (ii) CO dapat ditransfer ke gelembung lewat yang berkontak dengan titik (situs 4), dan (iii) gelembung CO dapat berkembang biak homogen di dalam titik, jika supersaturasi sangat tinggi (situs 6). Jika beberapa titik logam dilempar ke ruang bebas, ia dapat bereaksi langsung dengan O2 atau CO2 dalam gas (situs 7).

Meskipun semua situs ini dapat aktif selama blow hingga beberapa derajat, ada kebutuhan untuk mengidentifikasi mekanisme predominant yang menentukan dinamika keseluruhan. Kontribusi dari setiap situs ini dapat dievaluasi berdasarkan observasi. Fakta bahwa mandi menunjukkan gradien konsentrasi dalam absence injeksi gas dasar, yang hilang dengan sebesar 1 % gas iners yang ditiup dari dasar dibandingkan aliran gas atas, mekanisme di situs 1 dan situs 2 dapat dianggap tidak penting.

Suhu di permukaan di zona pukulan diharapkan di atas 2.120 derajat C. Oleh karena itu, laju reaksi kimia diharapkan sangat tinggi. Luas situs pukulan relatif kecil dan laju kedatangan O2 sangat tinggi. Namun, solut harus difusi ke antarmuka dan panas harus konduksi ke dalam logam. Logam segar dibawa ke antarmuka yang dihampar keluar oleh kecepatan permukaan besar. Dalam keadaan ini, dapat diharapkan bahwa permukaan pukulan kekurangan solut sehingga meninggalkan lapisan Fe yang bereaksi dengan O2. Akhirnya dapat dianggap wajar bahwa lapisan logam dari komposisi logam massa sepenuhnya teroksidasi, oksida padat transfer ke lapisan escoria. Ketika kandungan C sekitar 5 % (20 hingga 25 mol %), perkiraan ini berarti sekitar 25 % O2 yang disediakan dikonsumsi untuk C (CO dan CO2) di situs ini. Kontribusi diperkirakan sekitar 40 % berdasarkan perhitungan yang mengasumsikan transfer massa sisi logam bukan faktor kontrol. Pada suatu saat, dianggap sebagai mekanisme utama (teori zona panas atau zona pukulan). Lapisan logam yang mengalir keluar di situs ini juga dapat menjadi terpurifikasi O2 seperti yang disebutkan sebelumnya.

Reaksi dalam emuls tampaknya mengandung situs utama untuk reaksi (situs 4, 6 dan 8). Titik dalam emuls memiliki luas permukaan spesifik yang sangat besar. Dalam kehadiran jumlah FeO yang wajar dalam escoria, semua reaksi pemurnian dalam titik dapat terjadi dalam hitungan puluhan detik, bukan menit. Titik logam 3 mm yang mengandung 4,5 % C dapat mengeluarkan sekitar 3.000 kali volumenya CO. Ini saat meloloskan melalui escoria viskus membuatnya emuls. Interaksi kompleks pembentukan emuls, pembentukan titik, waktu tinggal titik dll., sehingga berkontribusi besar pada dinamika keseluruhan. Reaksi titik yang bereaksi langsung dengan fase gas penting terutama selama beberapa menit pertama blow ketika lapisan escoria lengkap belum terbentuk.

Sebuah pandangan komprehensif tentang dinamika keseluruhan proses ini memerlukan latar belakang tentang jet gas supersonik, interaksinya dengan mandi logam / escoria, pembentukan titik dan waktu tinggalnya, pelarutan CaO, dan campuran mandi dll.

Jet gas dalam gas menyerap gas sekitar di periferinya. Lapisan terganggu mencapai sumbu jet beberapa diameter nozzle terdekat (wilayah inti potensial) di luar itu aliran menjadi sepenuhnya berkembang dengan profil kecepatan radial yang serupa. Kecepatan axial berbalik proporsional dengan jarak untuk mempertahankan konservasi momentum. Biasanya, jet mengembang pada setengah kerucut sudut sekitar 10 derajat hingga 12 derajat, jika gas sekitar memiliki densitas yang sama dengan gas jet. Jika sekitar lebih ringan, pengembangan lebih kecil karena efek massa.

Dalam jet supersonik, faktor kompresibilitas mempengaruhi pengembangan jet. Ditunjukkan bahwa jet tidak mengembang banyak sampai kecepatan axial melambat ke kecepatan suara (inti supersonik). Setelah itu jet mengembang sebagai jet subsonik seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5. Studi CFD (komputasi dinamika fluida) terbaru tentang jet O2 ke dalam converter BOS telah menunjukkan bahwa kecepatan axial hampir konstan untuk jarak sekitar 1 m dan suhu gas di sumbu tetap sekitar -170 derajat C di wilayah ini. Setelah itu suhu meningkat secara stetid karena penyerapan gas panas. Oleh karena itu luncing O2 dioperasikan pada Mach keluar sekitar dua sehingga dapat dijaga pada beberapa jarak dan masih memberikan interaksi jet / logam yang baik.

Gambar 5 Inti supersonik jet oksigen yang mengalir dari nozzle konvergen-divergen

Dapat diperhatikan bahwa jika jet O2 terendam dalam atmosfer CO seperti di converter BOS, konsentrasi O2 dapat turun secara signifikan.

Ketika jet kecepatan tinggi memantul permukaan logam, terbentuk krater, tepinya sangat tidak stabil karena kecepatan jet yang terdefleksi, melempar titik logam. Pada nilai yang cukup tinggi jet menjadi masuk kembali, di mana beberapa titik dilempar ke dalam jet itu sendiri yang mengakibatkan krater yang sangat tidak stabil berosilasi dan berputar. Dalam kehadiran lapisan escoria titik ini tertangkap oleh escoria menghasilkan emuls titik-dalam-escoria.

Kedalaman krater dapat dihitung dengan melakukan keseimbangan momentum di titik stagnasi di tengah krater. Dalam studi lanjutan dengan konstanta berdasarkan eksperimen dengan berbagai cairan dan gas pada suhu ruangan dan studi kuantitatif fenomena emulsifikasi dengan bantuan model dua dimensi, dua fase merkuri dan glycerol, ditemukan, seperti yang diharapkan, bahwa titik dalam emuls meningkat dengan laju aliran gas dan berbalik proporsional dengan jarak stand-off ujung luncing dari permukaan cairan (tinggi luncing). Saat bereksperimen dengan model tiga dimensi air untuk menentukan laju pembentukan titik dengan lapisan atas mewakili escoria, ditemukan bahwa ada dua wilayah, satu pada laju aliran rendah di mana laju meningkat nonlinier dengan laju aliran dan yang kedua di mana laju berubah hampir linier dengan laju aliran. Nomor Weber digunakan untuk mengkarakterisasi fenomena aliran. Laju pembentukan titik (kg/detik) dikorelasikan secara eksperimental sebagai fungsi dari nomor blow. Ditunjukkan bahwa injeksi gas dasar secara bersamaan dapat meningkatkan pembentukan titik terutama ketika mereka hampir koaksial dengan jet atas. Kehadiran fase escoria dapat mengubah laju pembentukan secara signifikan.

Dalam jet supersonik, katakanlah Mach 2, suhu gas keluar sekitar -100 derajat C. Setelah itu, ia menyerap gas konverter densitas lebih rendah. Suhu, kecepatan, dan komposisi gas berubah ketika jet memantul mandi. Oleh karena itu korelasi ini memiliki ketidakpastian yang besar, karena itu kegunaan korelasi dalam model BOS kurang memadai. Karena tidak ada korelasi lain, seseorang biasanya menggunakan korelasi di atas untuk pembentukan titik dan menyesuaikannya sesuai kebutuhan.

Laju reaksi juga bergantung pada ukuran titik. Beberapa studi telah mendapatkan sampel emuls dari konverter yang sedang bekerja atau model panas laboratorium. Studi ini secara umum menemukan ukuran dalam rentang 0,05 mm hingga 3 mm. Dalam studi yang bereksperimen dengan pig iron dan O2, ada potongan cairan besar yang dilempar keluar, yang biasanya menghabiskan waktu yang tidak signifikan dalam emuls. Meski pendekatan dan korelasi ini jelas tidak memadai, sebagian besar model menggunakan ini karena kurangnya korelasi yang lebih baik.

Salah satu studi menemukan jumlah besar titik logam dalam escoria berbusa yang terbentuk selama pemurnian besi P tinggi. Studi lain membuat observasi serupa dengan mengumpulkan sampel yang dikeluarkan melalui lubang tap dalam converter 230 t dan menganalisisnya. Beberapa studi lain juga telah membuat observasi serupa.

Seperti yang disebutkan sebelumnya, titik-titik dalam berbagai tahap pemurnian lanjutan, beberapa hampir sepenuhnya dipurni, meskipun mandi masih memiliki jumlah C yang signifikan. Fraksi logam dalam emuls diperkirakan besar, hampir 25 % dari bobot mandi. Ini sesuai dengan luas permukaan sekitar 40.000 meter persegi (meter persegi) jika seseorang mengasumsikan ukuran rata-rata 1 mm untuk titik. Diusulkan dalam salah satu studi bahwa pemurnian dalam converter terjadi terutama dalam fase emuls, mandi melihat pemurnian dengan pengenceran dari titik yang jatuh kembali (teori emuls). Emuls dalam converter merujuk pada sistem escoria-logam-gas. Seseorang dapat membayangkannya sebagai busa escoria-gas di mana titik logam didistribusikan.

Bisa dilaporkan bahwa beberapa titik menunjukkan supersaturasi O2 tinggi dan ini dipostulasikan bahwa titik halus dapat telah dihasilkan oleh nukleasi homogen gelembung CO yang meledak. Beberapa titik menunjukkan bukti tertangkap pada gelembung gas dan beberapa bahkan berongga. Ada beberapa eksperimen dengan titik yang dilevitan magnetis dan jatuh bebas yang bereaksi dengan gas oksidasi. Hasil eksperimen ini menarik. Ketika kandungan C tinggi, seseorang dapat melihat reaksi yang terjadi di permukaan, seperti yang dibuktikan oleh pembakaran CO. Saat kandungan C menurun, titik kecil dilempar keluar yang menunjukkan nukleasi di bawah permukaan. Lebih rendah lagi dalam kandungan C, titik kadang-kadang meledak, menunjukkan supersaturasi O2 dan nukleasi dalam titik. Supersaturasi hingga sekitar 5 MPa (untuk CO kesetimbangan) telah dilaporkan saat titik meledak.

Dalam salah satu studi, waktu tinggal titik dalam converter telah diukur dengan teknik pelacak isotop emas radioaktif. Waktu tinggal maksimum titik yang dalam keadaan decarburisasi lanjutan diperkirakan sekitar 2 menit. Waktu tinggal yang dihitung berdasarkan jatuh bebas berurutan beberapa detik bahkan saat mempertimbangkan escoria untuk diemuls ke ketinggian yang jauh lebih besar. Waktu tinggal tinggi ini membutuhkan penjelasan.

Beberapa eksperimen menggunakan sinar X untuk visualisasi titik Fe-C tunggal yang bereaksi dalam escoria melapisi oksidasi telah menunjukkan bahwa titik melayang ke permukaan segera setelah decarburisasi dimulai, dan tetap di permukaan sampai pembusuran CO mereda. Lebih lanjut, telah ditunjukkan bahwa waktu tinggal titik bergantung pada pembentukan gelembung yang menjaga titik agar tetap melayang.

Ada dua panduan tentang bagaimana pembentukan CO menjaga titik agar tetap melayang. Salah satu studi telah merumuskan teori titik bengkak di mana CO terbentuk homogen di dalam titik dan titik berongga ini memiliki densitas tampilan rendah, sehingga tetap melayang. Panduan lainnya adalah gelembung terbentuk heterogen di antarmuka titik / escoria dan selama gelembung tetap menempel pada titik mereka menjaga titik agar tetap melayang. Bukti visual dari studi fluoroskopi sinar X tidak dapat membedakan jelas antara kedua hal ini. Fakta bahwa tidak ada hambatan nukleasi selama deoksidasi gigat seperti yang dibuktikan oleh evolusi gelembung yang berlimpah menunjukkan nukleasi antarmuka.

Pada konsentrasi C tinggi ketika transfer massa C dalam titik bukan faktor pembatas, supersaturasi CO tertinggi dapat dilihat di permukaan titik. Oleh karena itu, dapat diharapkan bahwa untuk nukleasi terjadi heterogen di permukaan, gelembung harus menghabiskan beberapa waktu di antarmuka sebelum melepas. Karena dapat ada beberapa gelembung yang menempel, titik tetap melayang. Saat C turun ke nilai rendah, nukleasi di antarmuka menjadi sporadic, dan dalam periode ketika tidak ada gelembung yang menempel, O2 larut dalam logam dan difusi masuk. Oleh karena itu, wilayah supersaturasi tertinggi bergerak ke dalam, pertama ke bawah permukaan dan kemudian ke dalam titik. Seseorang dapat melihat nukleasi bawah permukaan awalnya melempar titik kecil dan kemudian di dalam titik. Peristiwa nukleasi homogen ini mungkin sporadic, dengan sifat stokastik.

Secara bersamaan, densitas tampilan titik tanpa atau dengan sedikit gelembung sekarang tinggi dan jatuh ke dalam mandi logam. Kandungan C kritis saat titik jatuh bergantung pada ukuran titik, potensi oksidasi escoria (dan laju transfer massa FeO), dan peristiwa nukleasi sporadic baik di permukaan atau di dalam titik. Kerja empiris untuk memprediksi dengan benar kandungan C kritis belum ada. Bukti dari eksperimen titik levitasi juga menunjuk pada seri peristiwa ini, meskipun pengadukan karena medan elektromagnetik membuat kondisi berbeda dari yang ada dalam converter terutama mengenai transfer massa dalam titik.

Dalam konteks converter, permukaan titik terus diganggu oleh gelembung. Ini memiliki dua efek yang saling menentang. Sebagian permukaan titik tertutup oleh gelembung gas dan tidak tersedia untuk transfer massa dari escoria ke titik. Permukaan titik juga diaduk dengan gigat oleh pembentukan dan pelepasan gelembung, meningkatkan transfer massa secara lokal. Beberapa estimasi tidak langsung telah dibuat. Dalam salah satu studi, estimasi tidak langsung koefisien transfer massa telah dibuat untuk FeO dalam escoria untuk laju transfer P dalam eksperimen titik tunggal suhu tinggi, dan nilai yang diperoleh berada antara (10)−5 meter per detik (m/s) dan (10)−4 m/s. Studi lain memperkirakan nilai serupa. Studi eksperimen yang tepat, baik dalam model dingin maupun panas, diperlukan untuk mendapatkan korelasi yang wajar dalam variabel tanpa dimensi.

Meskipun escoria sangat diaduk dalam converter karena jet gas dan sejumlah besar gas yang melewatinya, mandi logam dalam converter top blown relatif kurang dicampur. Pengukuran waktu campuran (t95 yang merupakan waktu untuk mendapatkan 95 % homogenitas) dalam converter top blown dapat mencapai 150 detik (s) hingga 180 s, dibandingkan dengan 10 s hingga 20 s dalam converter OBM bottom blown. Ini berakibat pada dinamika reaksi, karena titik logam dikeluarkan dari lapisan atas dan titik yang dipurni dari emuls jatuh kembali ke atas. Karena sebagian besar panas juga dilepaskan dalam escoria, escoria dan titik yang jatuh kembali juga lebih panas. Ada juga stratifikasi komposisi dan suhu karena scrap di bawah perlahan larut ke dalam logam cair.

Waktu campuran tinggi juga berakibat pada ketidaktahangan waktu campuran yang tinggi, mengakibatkan perilaku blow yang tidak dapat direproduksi dalam absence peniupan dasar. Misalnya, eddy besar logam cair yang mengandung C lebih tinggi dari bawah yang dibawa ke permukaan mandi logam dapat tiba-tiba meningkatkan laju decarburisasi yang mengakibatkan ketidakstabilan. Oleh karena itu, injeksi gas iners dari dasar converter untuk menurunkan waktu campuran telah menjadi praktik standar.

Karena laju injeksi gas dasar dan posisi elemen berlubang di mana gas diperkenalkan memiliki dampak pada dinamika reaksi, perlu untuk mengkuantifikasi perilaku campuran untuk prediksi kuantitatif evolusi komposisi dan suhu. Nilai rata-rata t95 tunggal tidak memadai untuk dimasukkan ke dalam model komprehensif converter, karena dua kurva campuran yang berbeda dapat memberikan nilai t90 (waktu untuk mendapatkan 90 % homogenitas) yang sama dan nilai t95 yang berbeda. Kompromi yang dapat dilakukan adalah model dua parameter, berdasarkan estimasi dua waktu campuran (t90 dan t95). Seseorang kemudian dapat mengidealakan mandi logam sebagai terdiri dari dua reaktor tangka diaduk (STR), yang bertukar logam secara kontinu. Bagian bawah hanya melihat pelepasan scrap dan bagian atas melihat semua fenomena lain yang dijelaskan sebelumnya. Dua parameter model ini, rasio ukuran reaktor dan laju pertukaran logam dapat kemudian disesuaikan dengan waktu campuran converter dalam berbagai kondisi operasi.

Pembentukan escoria dan pelarutan flux

Flux (kapur dan dolomit yang telah dibakar) yang diisi awal blow larut dengan oksida yang berkembang untuk membentuk escoria cair. Laju pelarutan flux ini sangat mempengaruhi reaksi escoria-logam yang terjadi selama blow. Di awal blow, tinggi luncing di atas mandi dipertahankan tinggi yang menyebabkan escoria awal yang kaya SiO2 dan FeO. Selama periode ini jumlah besar flux diisi ke dalam converter. Luncing kemudian diturunkan dan escoria mulai berbusa pada sekitar satu sejuh blow karena pengurangan FeO dalam escoria bersama dengan pembentukan CO. Saat blow berlanjut, CaO larut dalam escoria, dan bobot escoria aktif meningkat. Setelah blow berlangsung sekitar tiga perempat waktu, kandungan FeO dalam escoria meningkat karena penurunan laju decarburisasi.

Selama blow, suhu baja cair secara bertambah dari sekitar 1.350 derajat C hingga 1.650 derajat C pada penurunan converter, dan suhu escoria sekitar 50 derajat C lebih tinggi daripada suhu baja cair. Escoria pada penurunan dapat mengandung wilayah kapur yang belum larut dicampur dengan escoria cair, karena pelarutan kapur terbatas oleh lapisan dikalium silikat (2CaO.SiO2) yang menutupi, yang padat pada suhu pembuatan baja dan mencegah pelarutan cepat. Kehadiran MgO dalam flux melemahkan lapisan ini. Oleh karena itu, penambahan MgO lebih awal mempercepat pembentukan escoria karena larutan kapur yang lebih cepat.

Converter perlu menjaga escoria fluida yang baik dengan basicitas tinggi (kandungan CaO tinggi) sehingga sejumlah besar CO yang dihasilkan dapat ditangani, dan P dapat dihapus secara efisien. Oleh karena itu, operator converter mencoba mencapai rasio CaO / SiO2 di atas 3,0 dalam escoria akhir.

Gambar 6a menunjukkan kontur liquidus dalam diagram ternari CaO-SiO2-FeO. Terlihat jelas bahwa rasio CaO / SiO2 yang dapat dicapai dalam sistem ini pada 1.350 derajat C, yaitu di awal blow rasio ini terbatas pada sekitar 1,6 hingga 1,7. Perbaikan marginil dapat terjadi dengan penambahan MgO (Gambar 6b) dan beberapa Al2O3 dari escoria yang dibawa. Dalam escoria akhir juga pada 1.650 derajat C dengan 25 % hingga 30 % FeO, rasio CaO / SiO2 maksimum tetap kurang dari 3,0. Ini juga dibuktikan oleh analisis escoria yang sering menunjukkan kapur yang belum larut. Selain masalah kelerengaan CaO dalam escoria converter, partikel kapur menjadi passivasi dalam kehadiran escoria yang sangat silis. Karena konsentrasi CaO tertinggi di permukaan partikel kapur yang larut, dikalium silikat terbentuk di sini. Senyawa ini tidak hanya sangat tahan panas tetapi juga membentuk lapisan yang menempel yang menghambat pelarutan lebih lanjut.

Partikel kapur yang tetap tidak larut lama pada suhu tinggi juga sinter dan menjadi kurang reaktif. Salah satu cara untuk memecah lapisan yang menempel adalah dengan memiliki kandungan FeO tinggi dalam escoria. Ini adalah alasan praktik peniupan luncing tinggi dalam beberapa menit pertama blow, ketika FeO dibangun hingga 25 % hingga 35 % atau lebih. Meskipun efek pada kelerengaan CaO marginil (Gambar 6), ini memfasilitasi pemecahan lapisan dikalium silikat yang menempel yang memungkinkan pelarutan lebih lanjut.

Aditif seperti fluorspar (CaF2) dapat menghasilkan efek ini jauh lebih efisien, meskipun ini bukan praktik pabrik yang dapat diterima pada waktu sekarang karena berbagai alasan. Gambar 6 menunjukkan diagram fase dengan Gambar 6a menunjukkan isotherma liquidus sistem CaO-SiO2-FeO dan Gambar 6b menunjukkan efek penambahan MgO terhadap liquidus.

Gambar 6 Diagram fase

Alur proses dan dinamika reaksi

Isi converter dapat dibagi menjadi beberapa wilayah penting seperti (i) mandi logam, yang sendiri dapat dibagi menjadi bagian bawah dan atas di antaranya ada pertukaran logam, (ii) jet O2 dan zona dampak, dan (iii) wilayah escoria yang sebagian besar dalam bentuk emuls escoria-logam-gas. Ada tiga regime yang berbeda dalam blow. Bagian awal ditandai oleh mandi logam telanjang yang ditutupi oleh pulau kapur padat dan beberapa escoria yang dibawa dari panas sebelumnya. Jet O2 memantul mandi logam dan melakukan dua hal utama. Pertama, ia mengoksidasi hampir seluruh lapisan logam menghasilkan CO, SiO2, MnO, P2O5 dan banyak FeO. Tidak semua O2 dikonsumsi di lokasi ini, dan gas di atas dapat mengandung rasio CO2 / CO yang tinggi dan beberapa O2 seperti yang terlihat dalam analisis gas buang. Jet juga melempar titik ke dalam fase gas, yang setelah penerbangan bebas jatuh kembali. Karena gas oksidatif, titik dipurni selama penerbangan. Di permukaan titik, urutan reaksi ditentukan oleh termodinamika.

Untuk setiap solut, reaksi melibatkan langkah transfer massa seperti transfer massa CO2 / O2 dalam fase gas dan solut dalam fase cair. Reaksi kimia antarmuka diharapkan sangat cepat pada suhu ini. Urutan reaksi dapat dicapai dengan menyelesaikan persamaan transfer massa bersama dengan pengurangan energi bebas untuk reaksi antarmuka yang bersaing untuk O2. Urutan biasanya Si dan Mn diikuti oleh C dan P. Karena waktu penerbangan biasanya dalam urutan satu detik atau lebih sedikit, titik jatuh kembali mungkin hanya menyelesaikan sebagian dari reaksi Si. Semakin kecil titik, semakin jauh pemurnian berlanjut karena luas permukaan spesifik yang lebih besar. Reaksi di bagian sisa permukaan mandi logam kecil karena luas permukaan yang lebih kecil dibandingkan titik.

Transfer massa dalam fase gas dapat dengan mudah dihitung dengan korelasi tipe Ranz-Marshall. Pada fase awal proses ini titik kaya solut, dan transfer massa fase gas diharapkan menjadi faktor pembatas. Titik kecil dapat dianggap sebagai kaku dan seseorang dapat mengasumsikan difusi murni solut di dalam titik. Ketika titik jatuh kembali, produk oksida fase padat di titik tetap di atas mandi, dan pada menggabungkan dengan oksida dari situs dampak dan flux yang ditambahkan mulai membentuk escoria cair. Seperti yang disebutkan sebelumnya, jumlah FeO yang baik terbentuk di situs dampak, dan jadi pembentukan escoria cair mudah. Setelah beberapa waktu, terdapat lapisan escoria cair yang melapisi mandi logam. Secara bertambah banyak titik dilempar ke escoria. Titik yang dikeluarkan ke dalam fase gas sekarang harus melewati fase escoria sebelum mencapai mandi logam. Pemurnian lebih lanjut terjadi dalam escoria.

Awalnya ketika lapisan escoria tipis dan titik cukup tinggi dalam Si dan Mn, titik jatuh melalui sebelum reaksi C dimulai, yaitu tanpa evolusi gas, terutama untuk titik besar. Titik kecil yang kaya C dapat memulai decarburisasi lebih awal melepaskan CO, dan perlahan-lahan emulsifikasi escoria. Fase awal ini ditandai oleh nyala rendah di mulut, karena pembentukan CO relatif rendah. Setelah Si dalam mandi logam turun beberapa titik, desilikonisasi berlanjut secara signifikan, sebelum titik jatuh. Reaksi C dimulai dan titik sekarang tetap melayang dalam emuls sampai kandungan C-nya mencapai C kritis seperti yang dijelaskan sebelumnya. Dalam fase escoria, laju diharapkan dikontrol oleh transfer massa fase escoria FeO, selama C dalam titik tetap cukup tinggi. Setelah C kritis tercapai dalam titik, pembusuran melambat dan kemudian berhenti, dan titik jatuh. C kritis sebagian besar ditentukan oleh kandungan FeO dalam mandi. Cepat emuls membangun dan fase kedua reaksi dalam emuls dimulai. Nyala di mulut converter menjadi besar. Ujung luncing terendam ke dalam emuls.

Dalam fase kedua hampir semua titik dikeluarkan ke dalam emuls, dan reaksi fase gas menjadi tidak penting. Harus dicatat bahwa waktu tinggal titik diam dalam escoria hanya dalam urutan beberapa detik kecuali reaksi decarburisasi dimulai. Oleh karena itu, untuk memaksimalkan pemurnian, operator harus segera mencapai tahap di mana reaksi decarburisasi dimulai sebelum titik jatuh kembali. Satu cara untuk mempercepat reaksi adalah menjaga kandungan FeO dalam escoria tinggi. Alasan lain mengapa FeO harus ditingkatkan secepatnya adalah untuk memiliki escoria fluida saat laju decarburisasi mencapai nilai tertinggi, karena sejumlah besar gas harus dengan cepat meloloskan dari escoria. Jika tidak, tinggi emuls membangun tanpa terkendali yang mengarah ke meluap, dan slopping.

Kandungan FeO dalam escoria adalah keseimbangan antara pembentukannya di titik dampak dan konsumsinya oleh titik dalam emuls. Pembentukan FeO mungkin lemah tergantung pada tinggi luncing, sedangkan luncing tinggi menghasilkan pembentukan titik lebih rendah karena gaya yang lebih rendah dengan mana jet memantul mandi logam, dan sebaliknya. Oleh karena itu praktik luncing tinggi, disebut soft blow, mengarah pada kenaikan cepat kandungan FeO dalam escoria. Ini memfasilitasi pelarutan CaO dan pembentukan escoria fluida. Soft blow awal, biasanya 3 min hingga 4 min, adalah praktik pabrik normal.

Pada momen yang optimal, luncing diturunkan untuk menginduksi laju reaksi yang tinggi. Laju pembentukan titik tinggi, mandi sudah di-desilikonisasi, dan jadi titik mengalami decarburisasi gigat sampai C turun ke nilai rendah sebelum jatuh kembali. Selama periode laju decarburisasi puncak ini, sebagian besar mandi logam tetap dalam emuls sebagai titik. Titik-titik ini telah menghabiskan waktu yang berbeda dalam emuls dan jadi dalam berbagai tahap pemurnian. Tingkat pemurnian juga bergantung pada ukuran titik. Titik-ditik dikarakterisir oleh dua variabel yaitu waktu terbentuknya (dan jadi usianya) dan ukuran titik. Titik mulai jatuh kembali ketika C karakteristik tercapai, yang bergantung pada ukurannya, FeO escoria, dan suhu. Selama fase terakhir titik ini, potensi O2 di antarmuka juga tinggi dan jadi P juga dihapus jika kondisi lain menguntungkan. Titik yang jatuh menghasilkan pemurnian terlihat atas mandi logam, yang pada gilah mengarah pada pemurnian sisa mandi. Karena waktu untuk pemurnian titik dapat berurutan 0,5 min hingga 2 min, seseorang melihat penurunan C, Mn dan P dalam sampel logam massa bahkan jika Si dalam sampel masih dalam jumlah yang signifikan (Gambar 3a).

Laju reaksi secara keseluruhan, hingga beberapa derajat, bersifat perbaikan diri. Jika jumlah titik dalam emuls menurun mengurangi laju, level mandi logam meningkat yang mengarah pada jarak luncing efektif yang lebih rendah, yang pada gilirannya menyebabkan pembentukan titik untuk meningkat. Ini adalah salah satu alasan laju decarburisasi yang hampir konstan selama bagian tengah blow. Namun harus dicatat bahwa C titik yang memasuki emuls terus turun, dan jadi waktu tinggalnya. Operator harus meningkatkan laju pembentukan titik dengan cara yang sesuai dengan cara berturun-turun menurunkan luncing. Gambar 7a menunjukkan variasi tinggi luncing selama blow tipikal.

Gambar 7 Variasi tinggi luncing dan kemajuan rasio partisi fosfor

Saat mandi rendah C dalam fase akhir blow, laju sekarang dibatasi oleh difusi C dalam titik bahkan saat memasuki emuls. Pembentukan CO rendah dan tidak dapat menjaga titik agar tetap melayang. Waktu tinggal turun hingga beberapa detik, dan jadi jumlah titik dalam emuls menurun meskipun tinggi luncing telah diturunkan ke tingkat terendah yang diizinkan untuk kesehatan luncing. Emuls mereda. Pada saat ini ada laju decarburisasi yang turun dan pembentukan FeO yang cepat dalam escoria. Karena laju rendah, kandungan FeO dan O2 terlarut dalam baja meningkat jauh lebih dari yang ditentukan oleh kesetimbangan C-O. Oleh karena itu, pada periode ini, operator meningkatkan laju pengadukan argon, yang meningkatkan laju pembentukan titik tanpa menambahkan O2 ekstra. Ini membantu hingga beberapa derajat.

Penghapusan P kadang-kadang menjadi masalah dalam proses BOS dan dapat mengakibatkan re-blow, terutama ketika P input dalam HM tinggi (sekitar 0,2 %). Meski kondisi biasanya menguntungkan dalam escoria akhir dengan FeO tinggi dan basicitas tinggi, operator converter dapat terjadi situasi yang buruk jika regime escoria tidak dikelola dengan hati-hati selama blow. Termodinamika P sudah dikenal. Reaksi ditulis baik dalam hal spesies molekular atau dalam bentuk ionik. Reaksi adalah 2P + 5/2 O2(g) = P2O5(l), P + 5/4 O2(g) + 3/2 (O)2− = (PO4)3−. Dalam hal pertama seseorang menulis konstanta kesetimbangan, dan mengekspresikan koefisien aktivitas Raoultian sebagai fungsi komposisi escoria. Jika seseorang mengadopsi bentuk ionik persamaan, seseorang menulis persamaan untuk kapasitas fosfat escoria dan mengkorelasikan kapasitas fosfat ke komposisi escoria secara empiris. Kedua pendekatan ini secara konseptual serupa. Tekanan parsial P dan O2 dapat dengan mudah dikonversi ke persen terlarut dalam logam atau aktivitas FeO dalam escoria dengan data termodinamis yang diketahui. Data escoria sebagai fungsi komposisi baik sebagai koefisien aktivitas Raoultian atau sebagai kapasitas fosfat telah ditentukan secara empiris dalam beberapa studi. Kemajuan koefisien partisi P antara escoria massa dan logam massa dapat dihitung ketika analisis escoria selama blow diketahui.

Dalam periode awal blow, kandungan C mandi cukup tinggi dan juga mengandung Si. Oleh karena itu di antarmuka escoria / logam, potensi O2 tetap rendah. Oleh karena itu, laju defosforisasi yang sangat tinggi di antarmuka logam massa / escoria tidak diharapkan. Titik logam, di sisi lain, menjadi sangat dipurni dalam waktu 1 min hingga 2 min, dan sebelum kembali ke mandi logam, memiliki potensi O2 tinggi di antarmukanya. Lebih lanjut koefisien partisi pada saat ini tinggi karena kandungan FeO tinggi karena soft blow, suhu rendah, meskipun masih ada beberapa CaO yang belum larut. Jumlah titik dalam emuls juga sangat besar. Oleh karena itu, laju defosforisasi sangat tinggi yang dapat dilihat dalam Gambar 3a. Menuju akhir blow lagi, kondisi dalam escoria menguntungkan dengan FeO tinggi dan basicitas tinggi, meskipun sekarang suhu telah meningkat secara signifikan. Namun laju penghapusan P tidak sangat tinggi dalam periode ini, karena jumlah titik tidak terlalu banyak, luas permukaan cukup kecil dan jadi semua reaksi lambat.

Pengadukan Ar yang gigat membantu pada saat blow ini, dan untuk beberapa waktu setelah aliran O2 dihentikan, meskipun hingga beberapa derajat. Ini adalah di bagian tengah blow operator memiliki kesempatan tertinggi untuk defosforisasi keseluruhan yang efisien. Setelah soft blow ketika luncing diturunkan secara bertahap untuk mencapai laju decarburisasi tinggi, kandungan FeO dalam escoria turun secara signifikan dan tetap rendah sampai emuls mulai runtah. Escoria menjadi relatif ‘kering.’ Koefisien partisi menjadi tidak menguntungkan, dan seseorang dengan mudah dapat mendapatkan pembalikan P ke dalam logam. Semakin rendah tingkat FeO, semakin tinggi pembalikannya. Pembalikan ini meningkatkan beban pada bagian akhir blow di mana laju reaksi sudah rendah seperti yang dijelaskan sebelumnya.

Oleh karena itu, kontrol ketat kandungan FeO selama bagian tengah blow diperlukan jika operator diharapkan untuk membuat baja P rendah. Penurunan luncing yang terlalu dini di setiap tahap dapat mengakibatkan kandungan FeO sangat rendah (kurang dari 12 % hingga 15 %). Kandungan FeO ditentukan oleh keseimbangan antara laju pembentukan titik (laju konsumsi) dan laju pembentukan FeO. Namun harus dicatat bahwa FeO sangat rendah dalam escoria juga menurunkan laju decarbonisasi. FeO yang sangat tinggi di sisi lain mengakibatkan kondisi sloppy.

Tingkat kandungan FeO yang lebih tinggi dapat dicapai dengan memodifikasi praktik luncing. Tinggi luncing untuk level menengah dapat dipertahankan sedikit lebih tinggi dari normal. Operator juga dapat sedikit menunda penurunan luncing, dengan memastikan hal itu tidak mengakibatkan pembentukan emuls yang tidak terkendali. Operator juga dapat mencapai ini dengan penambahan bijih terdistribusi selama periode ini.

Kimia pembuatan baja dalam converter BOS diringkas di sini. Dari termodinamika proses pembuatan baja O2, dapat terlihat bahwa, pada awalnya, O2 yang ditiup ke dalam HM bereaksi lebih dulu dengan Si terlarut, membentuk SiO2 yang melayang di permukaan logam. Dari kinetika, diharapkan bahwa sebagian O2 yang ditiup bereaksi dengan C dan atom Fe terlarut. Pembentukan gas CO terjadi seketika pada pemutaran proses. Kapur yang telah dibakar ditambahkan untuk menutralkan escoria asam, yang awalnya mencakup campuran cair FexOy dan SiO2. Beberapa reaksi kimia terjadi dalam converter BOS. Reaksi utama adalah pelarutan O2 ke dalam logam dari gas O2, decarburisasi melalui O2 terlarut, dan oksidasi Fe, [Si], [Mn], [P], [V] dan [Ti]. Oksida padat atau cair terbentuk sebagai produk reaksi selama peniupan, dan mereka terikat dengan kapur yang ditambahkan di awal peniupan untuk membentuk escoria cair dalam converter. Karena pembentukan gas CO yang intensif, titik logam cair diperkenalkan ke dalam escoria, yang cenderung berbusa. Oleh karena itu, escoria dalam converter selama peniupan O2 sebenarnya adalah emuls escoria cair dan titik logam, berbusa karena pengaruh gelembung gas. Emuls juga merupakan situs yang menguntungkan untuk reaksi. Misalnya, fraksi yang cukup besar dari oksidasi C dapat terjadi dalam titik logam dalam emuls meskipun mayoritas terjadi di zona dampak jet O2. Sisa O2 digunakan untuk membakar Fe menjadi FexOy. Selama peniupan, O2 menembus titik logam dan dapat bereaksi dengan gas CO. Sistem escoria-gas secara keseluruhan berperilaku sebagai busa dan naik dengan cepat ke kerucut converter. Oleh karena itu, aliran O2 masuk dan laju reaksi harus disesuaikan sehingga busa tidak meluap dari converter. Slopping sering terjadi meskipun volume dalam converter hampir sembilan kali lebih besar dari volume mandi logam dan escoria nonaktif.