Produksi Baja Karat Tahan Canggih: Dari EAF hingga Teknik Berbasis Oksigen Modern
Proses Manufaktur Baja Karat Tahan
Baja karat tahan mengandung dari 10 % hingga 30 % kromium. Baja ini juga mengandung jumlah yang bervariasi nikel, molibdenum, tembaga, sulfur, titan, dan niobium dll.
Sejarah Produksi Baja Karat Tahan
Mayoritas produksi baja karat tahan melalui tungku arc listrik (EAF) hingga sekitar 1970. Dengan penggunaan oksigen tonase dalam produksi baja, praktik pembuatan baja karat tahan EAF berubah. Gas oksigen dapat digunakan untuk meningkatkan laju dekarburisasi. Ini dapat dicapai dengan injeksi potensi oksigen tinggi tetapi diiringi reaksi advers dari oksidasi kromium yang luas ke escoria. Ini memerlukan periode reduksi yang terdefinisi dengan baik di mana ferro silikon digunakan untuk mengurangi kromium yang dioksidasi dari escoria.
Produksi baja karat tahan dimulai dengan proses duplex dengan pengembangan sukses proses konverter argon oxygen decarburization (AOD). Meskipun proses duplex dengan konverter AOD adalah yang paling menonjol, ada beberapa proses duplex yang digunakan saat ini untuk membuat baja karat tahan. Dalam proses ini terdapat EAF atau tungku serupa yang melelehkan logam bekas, ferroloi dan bahan baku lainnya untuk menghasilkan baja cair. Baja cair ini, yang mengandung sebagian besar kromium dan nikel serta beberapa elemen logam lainnya, adalah muatan konverter. Konverter digunakan untuk mencapai baja karat tahan karbon rendah. Keversatan proses duplex EAF-AOD melarang pembuat baja untuk memeriksa penggunaan konverter yang berbeda untuk peleburan baja karat tahan. Ini mengarah pada pengembangan beberapa konverter lainnya untuk proses duplex.
Pekerjaan pengembangan untuk membuat baja karat tahan menggunakan konvensional BOF (tungku oksigen dasar) telah dimulai pada akhir tahun 1950-an dan awal tahun 1960-an. Pada pertengahan tahun 1960-an, beberapa pembuat baja menggunakan konverter BOF yang ada untuk dekarburisasi sebagian diikuti dengan dekarburisasi dalam tong di bawah vakum untuk membuat baja karat tahan karbon rendah. Proses ini dikenal sebagai proses triplex karena tiga unit proses, seperti EAF, konverter untuk pre-blowing dan unit dekarburisasi vakum untuk pemurnian akhir, terlibat. Baja ini melalui perawatan untuk dekarburisasi akhir, pemotongan akhir, homogenisasi dan floatasi inklusi sebelum tong diambil ke operasi penuangan. Dalam hampir semua proses triplex ini, pemrosesan vakum baja dalam tong penuangan adalah langkah terakhir sebelum pencetakan. Gambar 1 menunjukkan perbandingan rute proses duplex dan triplex.
Gambar 1 Perbandingan rute proses duplex dan triplex
Dengan semua perkembangan ini saat ini terdapat berbagai proses untuk membuat baja karat tahan. Proses yang tersedia dibagi menjadi tiga kelompok. Mereka adalah proses konverter, konverter dengan proses vakum, dan proses vakum.
Prinsip Umum Produksi Baja Karat Tahan
Dekarburisasi baja karat tahan harus meminimalkan oksidasi kromium. Secara umum diterima bahwa ketika oksigen disuntik ke dalam baja karat tahan, campuran kromium dan besi dioksidasi. Dekarburisasi terjadi ketika karbon yang terlarut mengurangi oksida kromium dan besi yang terbentuk. Urutan dekarburisasi adalah
3O? (g) + 4Cr = 2Cr?O?
Cr?O? + 3C = 2Cr + 3CO (g)
Dekarburisasi terjadi pada permukaan gelembung yang naik yang terbentuk dari gas inerte yang disuntik atau pada permukaan partikel oksida kromium yang sedang direduksi dan menghasilkan CO.
Dekarburisasi melibatkan teknik untuk meminimalkan oksidasi kromium. Ada tiga teknik dasar yaitu suhu, pengenceran, dan vakum.
Teknik suhu digunakan oleh pembuatan baja karat tahan EAF sebelum pengembangan proses duplex. Seiring dengan meningkatnya suhu, konten kesetimbangan pada kandungan kromium tertentu menurun. Namun, ini mengakibatkan kesulitan operasional dan biaya tinggi.
Teknik pengenceran adalah yang digunakan oleh AOD dan semua proses konverter. Injeksi gas inerte (argon atau nitrogen) menurunkan tekanan parsial gas CO dalam bak, sehingga memungkinkan kandungan kromium yang lebih tinggi untuk dalam kesetimbangan dengan kandungan karbon yang lebih rendah.
Penerapan vakum pada bak logam juga menghapus CO, memungkinkan kandungan kromium yang lebih tinggi untuk dalam kesetimbangan dengan kandungan karbon yang rendah. Ini sangat efektif ketika kandungan karbon rendah.
Kontrol hati-hati escoria, saat dihasilkan dalam reaksi, penting. Setiap oksida kromium yang tidak direduksi oleh karbon akhirnya ada di escoria, yang dapat membentuk spinel kompleks. Pemrosesan berikutnya (disebut reduksi) diperlukan untuk memulihkan elemen yang dioksidasi seperti kromium, besi, mangan dll. Efektivitas langkah reduksi bergantung pada banyak faktor termasuk dasaritas escoria dan suhu, kondisi pencampuran dalam konverter dan kinetika pelarutan penambahan padat.
Pilihan Rute Proses
Ada banyak rute proses yang tersedia untuk proses manufaktur baja karat tahan. Seseorang harus memilih dari rute-rute ini berdasarkan banyak faktor yang menentukan biaya modal dan operasional. Pilihan rute proses dipengaruhi oleh ketersediaan bahan baku, produk yang diinginkan, pemrosesan hilir, logistik bengkel yang ada, dan ekonomi modal. Juga beberapa tingkat fleksibilitas dalam rute proses diinginkan, karena faktor-faktor ini dapat berubah seiring waktu. Secara umum, alur proses pembuatan baja karat tahan dapat diklasifikasikan sebagai duplex atau triplex. Proses duplex, di mana pembuatan baja EAF diikuti dengan pemurnian dalam konverter, cenderung fleksibel perihal pemilihan bahan baku. Proses triplex, di mana pembuatan baja EAF dan pemurnian konverter diikuti dengan pemurnian dengan sistem vakum, sering kali diinginkan ketika produk akhir memiliki spesifikasi karbon dan nitrogen yang sangat rendah. Proses triplex cenderung memiliki waktu siklus keseluruhan yang lebih lama daripada proses duplex karena ada transfer tambahan dari konverter proses ke unit vakum. Ia juga cenderung memiliki biaya refraktori yang sedikit lebih tinggi karena ada dua tungku yang melakukan dekarburisasi.
Untuk fleksibilitas maksimal, bengkel harus memiliki alur proses yang dapat menggabungkan rute duplex dan triplex. Ini menawarkan fleksibilitas paling besar dalam bahan baku, kapasitas produksi, dan alur proses. Dalam hal ini, hanya produk yang memerlukan pemurnian vakum untuk alasan ekonomi dan/atau kualitas yang akan menggunakan rute triplex.
Proses Pemurnian Pengenceran
Dalam konverter, dekarburisasi dilakukan menggunakan prinsip pengenceran. Ada berbagai konverter berdasarkan gas yang digunakan. Konverter juga baik side atau bottom-blown. Pengguna konverter side-blown mengklaim bahwa side blowing menghasilkan efisiensi penghapusan karbon yang lebih tinggi (jumlah oksigen yang bereaksi dengan karbon dibagi dengan jumlah total gas yang disuntik) dalam rentang 0,1 hingga 0,005 % karbon, karena waktu tinggal gelembung gas inerte yang lebih lama, dan desulfurisasi yang ditingkatkan dalam rentang 0,005 % hingga kurang dari 0,001 % sulfur karena pencampuran yang ditingkatkan. Proses pengenceran konverter paling populer dijelaskan di bawah ini
- Proses konverter AOD – Proses ini dijelaskan dalam artikel terpisah di link https://www.ispatguru.com/argon-oxygen-decarburization-process/
- K-BOP dan K-OBM-S – Proses K-BOP Kawasaki Steel Corporation dimulai sebagai konvensional top oxygen blown BOF. Ia dimodifikasi untuk memiliki tujuh tuyeres bawah tipe OBM (Q-BOP). Tuyeres ini dapat meniup oksigen dengan propane untuk pendingin tuyere. Kapur serbuk juga dapat diinjeksi melalui tuyeres ini. Proses K-OBM-S yang dikembangkan oleh Voest Alpine Industrieanlagenbau (sekarang Siemens VAI) dan berevolusi dari proses K-BOP Kawasaki. Proses K-OBM-S dimulai dengan tuyeres di dasar konverter. Namun, beberapa instalasi adalah reaktor side-blown. Oleh karena itu, konverter K-OBM-S adalah top blown dengan lance dan bottom atau side blown dengan tuyeres. Ia sangat mirip dengan AOD modern. Namun, dalam proses K-OBM-S, hidrokarbon, seperti gas alam atau propane, digunakan untuk perlindungan tuyere dan ini dapat membantu dalam meningkatkan umur refraktori.
- Konverter proses pemurnian logam (MRP) - Konverter MRP dikembangkan oleh Mannesmann Demag Huttentechnik (sekarang SMS Siemag). Baja cair leleh, yang mengandung kromium dan nikel, diumpankan ke konverter MRP. Dekarburisasi dilakukan menggunakan oksigen dan gas inerte. Dalam tahap awal pengembangan, gas secara bergantian ditiup melalui tuyeres di dasar konverter. Oksigen ditiup ke dalam leleh tanpa pengenceran dengan gas inerte apapun. Oksigen blow yang diinginkan diikuti oleh blowing dengan gas inerte hanya. Siklus oksigen blow diikuti oleh inert blow disebut pemurnian siklus atau pulsing dan pengembang mengklaim bahwa flushing dengan gas inerte murni dapat menyebabkan tekanan parsial CO yang lebih rendah dan dekarburisasi yang lebih cepat dan oleh karena itu oksidasi kromium yang lebih rendah dan konsumsi silikon untuk reduksi. Versi asli konverter sekarang telah berevolusi menjadi proses MRP-L di mana semua oksigen top-blown dan gas inerte disuntik melalui elemen porous di dasar. Tuyeres bawah dapat diganti dengan mudah melalui penggunaan dasar yang dapat ditukar. Dengan tuyeres bawah, kemungkinan erosi di dinding samping konverter lebih kecil. Dalam beberapa tahun terakhir, unit MRP-L telah dikaitkan dengan unit vakum sebagai bagian dari proses triplex untuk membuat baja karat tahan, terutama yang memerlukan tingkat karbon dan nitrogen yang lebih rendah.
- Konverter Creusot-Loire-Uddeholm (CLU) – Proses CLU mirip dengan proses AOD untuk membuat baja karat tahan. Ia juga menggunakan baja cair dari EAF. Dorongan utama untuk pengembangannya adalah ide untuk mengganti uap sebagai gas pengencer alih-alih argon. Konverter adalah bottom-blown sehingga membedakannya dari konverter AOD side-blown. Pabrik komersial pertama menggunakan proses CLU dibangun pada tahun 1973. Periode dekarburisasi terdiri dari injeksi campuran oksigen-uap. Proses ini tidak efisien energi karena reaksi uap dengan bak baja cair adalah endotermik. Oksidasi kromium lebih tinggi daripada dalam proses AOD saat dekarburisasi dilanjutkan di bawah sekitar 0,18 % karbon. Meskipun tujuan asli untuk mengurangi konsumsi argon dapat tercapai, persyaratan silikon yang lebih tinggi untuk langkah reduksi tidak secara langsung mengakibatkan hemat biaya keseluruhan. Lebih lanjut, penggunaan uap selama periode keseluruhan ditemukan menyebabkan kandungan hidrogen yang tidak diinginkan dalam baja yang dipurnai. Oleh karena itu, praktik telah berevolusi yang menggunakan berbagai jumlah uap, argon, dan nitrogen dalam proses.
- Proses Krupp combined blowing-stainless (KCB-S) – Produksi baja karat tahan dalam konverter BOF menggunakan top lance telah dilakukan sebelum kelahiran proses AOD. Setelah perkenalan proses AOD, Krupp Stahl AG memodifikasi konverter sehingga blowing gabungan melalui lance dan tuyeres dapat dilakukan untuk pemurnian baja karat tahan. Proses dinamai Krupp combined blowing-stainless atau KCB-S. Pengenalan bersamaan gas proses membantu mereka meningkatkan laju dekarburisasi. Blowing melalui top lance dan melalui tuyeres di bawah permukaan bak membantu mencapai laju dekarburisasi yang sangat tinggi. Laju dekarburisasi yang meningkat mengarah pada pengurangan waktu pemurnian hingga 30 % dibandingkan dengan AOD konvensional saja. Baja cair dari EAF diumpankan ke konverter. Pada awal blow, oksigen murni disuntik secara bersamaan melalui lance dan tuyeres dinding samping. Setelah suhu proses yang diinginkan tercapai, berbagai penambahan dilakukan selama blow. Penambahan terdiri dari kapur, ferroloi, dan logam bekas. Setelah tingkat karbon kritis tercapai, konten oksigen gas proses dikurangi dengan menggunakan gas inerte seperti nitrogen atau argon. Rasio oksigen terhadap gas inerte 4:1, 2:1, 1:1, 1:2 dan 1:4 digunakan saat dekarburisasi ke level yang lebih rendah diusulkan. Ketika konten karbon 0,15 % tercapai, penggunaan lance dihentikan dan gas proses diperkenalkan hanya melalui tuyeres. Ketika tingkat karbon sasaran tercapai, oksigen blow dihentikan dan silikon ditambahkan sebagai ferrosilicon untuk mengurangi oksida kromium dalam escoria dan untuk mencapai spesifikasi silikon yang diperlukan. Penambahan kapur dan agen flux lainnya dengan ferrosilicon mengarah pada penurunan kandungan oksigen yang terlarut dan meningkatkan desulfurisasi.
- Konverter argon secondary melting (ASM) – Proses ini dikembangkan oleh MAN GHH di Jerman. Ia mirip dengan proses AOD, kecuali bahwa tuyeres berada di dasar wadah. Ketika menggunakan oxygen top-blown, ia dikenal sebagai proses ASM-L.
- Konverter proses top dan bottom blowing Sumitomo (STB) – Sumitomo Metal Industries mengembangkan proses top dan bottom blowing Sumitomo (STB). Ia dikembangkan untuk mengatasi kelemahan proses top blowing murni atau bottom blowing murni dengan menggabungkan dua konsep ke dalam satu proses. Ia juga mencoba mengatasi dua kelemahan proses AOD pada saat itu: erosi tuyere dan laju aliran oksigen yang terbatas. Pasokan tambahan gas kaya oksigen dari top lance mengarah pada waktu dekarburisasi yang lebih pendek.
- Konverter top mixed bottom inert (TMBI) – Dalam proses ini konverter dilengkapi dengan tuyeres bawah untuk menguntikan hanya gas inerte seperti argon atau nitrogen. Mayoritas gas proses diperkenalkan melalui top lance. Top lance dapat digunakan untuk memperkenalkan campuran gas yang diinginkan. Proses disebut top mixed bottom inert (TMBI). Proses mirip dengan proses lainnya yang menggunakan blowing gas gabungan dalam konverter. Pabrik yang dioperasikan oleh Allegheny Ludlum dengan proses ini memiliki tungku induksi koreles yang melelehkan logam bekas karbon dan menyediakan logam panas bebas kromium ke konverter BOF.
- Konverter gabungan dan unit vakum – Proses konverter yang dibahas di atas memiliki satu kelemahan yaitu baja karat tahan dengan sisa karbon dan nitrogen yang sangat rendah menjadi sulit diproduksi. Periode dekarburisasi menjadi lebih lama sementara oksidasi kromium dan konsumsi argon meningkat seiring menurunnya tingkat karbon dan nitrogen yang diinginkan. Beberapa pembuat baja telah mencoba mengatasi kelemahan ini dengan menerapkan vakum pada konverter pada tahap sangat akhir dari proses dekarburisasi. Konsep ini juga dipromosikan oleh Leybould-Heraus sebagai alternatif untuk AOD atau VOD. Konsep penerapan vakum pada konverter diusulkan dengan instalasi AOD/VCR oleh Daido di pabrik Shibukawa dan Chita dan oleh Nippon Steel di pabrik Hikari. AOD-VCR beroperasi sebagai AOD konvensional hingga 0,08 % – 0,10 % C. Proses dihentikan untuk sampling dan tutup vakum ditempatkan. Tutup tersebut dijamin ke flange yang terletak setengah jalan di bagian conical konverter. Vakum ditarik dan digunakan untuk sisa dekarburisasi dan reduksi. Desulfurisasi dilakukan dalam tong transfer sebelum charge AOD. Manfaat utama proses ini dibandingkan proses konverter adalah konsumsi argon dan silikon yang berkurang. Kelemahan termasuk konsumsi refraktori yang lebih tinggi, kemampuan yang berkurang untuk meleleh logam bekas dan biaya pemeliharaan serta biaya tambahan terkait produksi uap. Ketika dibandingkan dengan unit konverter dan VOD terpisah, AOD-VCR memiliki biaya operasi yang lebih tinggi (silikon, refraktori, dan argon), produktivitas yang lebih rendah dan kandungan nitrogen yang lebih tinggi. Biaya modal mungkin sedikit lebih rendah daripada memiliki dua unit terpisah.
Proses Pemurnian Vakum
Penggunaan vakum untuk dekarburisasi baja dikembangkan di Jerman. Proses awal termasuk RH degassing, DH degassing, dan Allegheny vacuum refining (AVR) sebagai langkah kedua dalam proses duplex. Proses-proses ini melibatkan penurunan tekanan di atas bak baja untuk mempromosikan evolusi gas karbon monoksida. Baja karat tahan cair yang masuk ke proses vakum umumnya mengandung karbon sekitar 0,5 % atau lebih. Mayoritas proses vakum dilakukan dalam kamber dengan tong penuh logam alih-alih wadah pemurnian terpisah yang digunakan dalam proses pengenceran/konverter.
Pada pertengahan tahun 1960-an, konsep dekarburisasi vakum digunakan oleh Allegheny Ludlum Steel Corporation untuk mengembangkan proses Allegheny vacuum refining. Proses ini menjadi tidak kompetitif dengan perkenalan proses AOD dan dihentikan.
Proses duplex awal di mana pemrosesan vakum digunakan sebagai langkah kedua terlalu lambat dan memiliki fleksibilitas yang sangat terbatas perihal bahan baku yang dapat digunakan. Proses vakum tidak dapat mengejar produktivitas yang meningkat dari EAF dan biaya operasional tinggi. Oleh karena itu, perkembangan lebih lanjut berfokus pada penggunaan konverter untuk dekarburisasi baja cair dari EAF sebagai tahap kedua diikuti dengan degaasing vakum untuk tahap finishing. Proses-proses ini dikenal sebagai proses triplex untuk membuat baja karat tahan karena mereka menggunakan tiga proses untuk mencapai kimia akhir yang diinginkan.
Nippon Steel Corporation memperkenalkan proses RH-OB untuk pembuatan baja karat tahan. Logam panas dari tungku bakar diumpankan ke konverter BOF di mana logam dialloy dengan kromium dan di- blow down hingga tingkat karbon 0,5 % – 0,6 %. Dekarburisasi akhir dilakukan menggunakan proses RH-OB. Nippon Steel mengubah RH degasser yang ada, yang digunakan untuk baja karbon, sehingga oksigen dapat disuntik di bawah vakum.
Thyssen di Jerman mengembangkan proses vacuum oxygen decarburization (VOD) pada pertengahan tahun 1960-an. Dalam tahap awal pengembangannya, VOD digunakan untuk dekarburisasi leleh alloy dari EAF. Kemudian, dekarburisasi awal dilakukan dalam BOF dan proses triplex EAF-BOF-VOD menjadi lebih produktif. Pada awal tahun 1970-an, Kawasaki Steel Corporation memodifikasi proses VOD menggunakan multiple porous plug bubblers di tong. Mereka menyebutnya proses SS-VOD (strong stirring VOD). Pada tahun 1988, ALZ di Belgia memodifikasi fasilitas untuk membuat baja karat tahan dengan proses triplex yang terdiri dari peleburan EAF, konverter MRP-L, dan proses VOD.
Keuntungan utama dari proses vakum meliputi konsumsi argon yang rendah dan oksidasi kromium yang rendah selama dekarburisasi akhir ke level karbon rendah. Yang terakhir telah mengarah pada konsumsi elemen reduksi yang lebih rendah untuk pemulihan kromium dari escoria. Penuangan baja dari tong yang digunakan dalam proses vakum menghilangkan penangkapan nitrogen dan oksigen dari udara yang terkait dengan tapping konverter. Proses SS-VOD, karena penggerakan kuat yang dicapai menggunakan multiple bubblers di tong, lebih meningkatkan kemampuan untuk menghasilkan level karbon, nitrogen dan hidrogen yang lebih rendah pada level kromium yang lebih tinggi.
Kelemahan utama dari pemrosesan VOD adalah ia kurang fleksibel dibandingkan dengan proses AOD atau konverter lainnya perihal penggunaan bahan baku.
Banyak pembuat baja juga telah menyadari bahwa proses vakum sering kali memiliki biaya operasional yang tinggi dan tidak dapat bersaing dengan kemudahan operasi proses konverter pada tekanan atmosfer. Namun, proses vakum, terutama proses SS-VOD, memiliki kemampuan unik untuk mencapai level karbon dan nitrogen yang lebih rendah dalam baja karat tahan yang tidak dapat dengan mudah dicapai oleh proses AOD atau konverter lainnya
Pembuatan Baja Karat Tahan Langsung
Dalam beberapa tahun terakhir, telah ada upaya untuk menggunakan bijih kromium dan nikel untuk pembuatan baja karat tahan alih-alih ferroloi. Di Jepang, sejumlah perusahaan telah mengembangkan dan menggunakan proses tersebut secara komersial.
Proses pembuatan baja karat tahan langsung membutuhkan kurang logam bekas dan ferroloi dan dapat dipertimbangkan ketika logam bekas baja karat tahan dan ferroloi tidak tersedia dalam jumlah yang cukup. Namun, bijih kromium dan nikel diperlukan dan dapat digunakan di pabrik baja terpadu di mana logam panas tersedia. Proses-proses ini lebih intensif modal dibandingkan proses lainnya. Oleh karena itu, penerapannya di pabrik dan lokasi lain mungkin akan terbatas.
