Proses Argon-Oxygen Decarburization (AOD) Lanjutan untuk Stainless Steel Premium dan Legasi Tinggi

Proses Argon-Oxygen Decarburization (AOD)

Argon oxygen decarburization (AOD) adalah proses yang terutama digunakan dalam produksi stainless steel dan legasi berkualitas tinggi lainnya, seperti steel silikon, steel borong, legasi berbasis nikel, dan legasi berbasis kobalt yang mengandung elemen yang dapat dioksidasi seperti kromium dan aluminium. AOD ditemukan pada tahun 1954 oleh divisi Lindé dari The Union Carbide Corporation, yang kemudian menjadi Praxair pada tahun 1992.

Saat ini, lebih dari 75 % stainless steel di seluruh dunia diproduksi menggunakan proses AOD. Proses ini sangat populer karena menggabungkan hasil logam yang lebih tinggi dengan biaya bahan yang lebih rendah. AOD menyediakan cara ekonomis untuk memproduksi stainless steel dengan kehilangan elemen berhenti yang minimal. Ini adalah bagian dari proses duplex diikuti logam cair kemudian diurai dan dipurnai dalam konverter AOD hingga kurang dari 0,05 % karbon. Fitur kunci konverter AOD adalah oksigen untuk pengurangan karbon dicampur dengan gas iners seperti argon atau nitrogen dan disuntik melalui tuyere terendam. Pengenceran argon pada oksigen meminimalkan oksidasi yang tidak diinginkan pada elemen berhenti yang terkandung dalam steel spesial, seperti kromium. Manfaat lain dari proses AOD termasuk akurasi kontrol kimia yang presisi hingga 0,01 % karbon, desulfurisasi cepat hingga kurang dari 0,001 %, dan penghapusan timah hitam hingga kurang dari 0,001 %. Hasil akhirnya adalah logam yang lebih bersih bersamaan dengan produktivitas yang meningkat.

Tahap Proses Pemurnian AOD

Pemurnian proses AOD terdiri dari tiga tahap utama: (i) pengurangan karbon, (ii) reduksi, dan (iii) penyesuaian kimia dan suhu akhir.

Input proses AOD adalah output dari proses EAF atau IF. Logam cair, yang mengandung sebagian besar kromium dan nikel yang diperlukan untuk memenuhi komposisi panas akhir, dicabut pada suhu 1500 hingga 1600 derajat C dari EAF atau IF ke dalam cetakan pemindahan. Logam cair dipindahkan dari cetakan pemindahan ke konverter AOD. Konverter AOD dapat diputar ke bawah sehingga tuyere yang dipasang di sisi berada di atas level kolam saat pemuatan logam cair.

Setelah pemindahan logam cair yang mengandung besi, kromium, karbon dan nikel dari EAF atau IF ke konverter AOD, ferro kromium karbon tinggi ditambahkan dan pembuangan dimulai dengan puyuran gas iners (argon, nitrogen) dan campuran oksigen. Pada tahap awal, rasio oksigen terhadap argon berkisar dari 5:1 hingga 3:1 ditiup melalui tuyere sisi. Rasio diturunkan seiring kemajuan pengurangan karbon. Karena pembuangan dilakukan bersama argon, pengurangan karbon dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah. Saat karbon menurun hingga 30 % dari nilai asli, rasio oksigen terhadap argon diubah menjadi 2:1. Manfaat utama dari proses pengenceran terlihat ketika rasio oksigen terhadap gas iners adalah 1:1. Oksidasi karbon berlanjut, tetapi oksidasi kromium terbatas. Hal ini disebabkan oleh potensi oksigen yang sangat rendah dari campuran gas, yang meminimalkan oksidasi kromium. Pembuangan dilanjutkan untuk mencapai 0,09 % hingga 0,012 % C.

Pengontrolan Gas dan Reaksi Kimia

Gas proses disuntik melalui tuyere terendam yang dipasang di dinding sisi atau dasar konverter. Injeksi dinding sisi biasanya memberikan energi pengadukan maksimum pada kolam untuk efisiensi campuran yang paling besar. Injeksi dasar biasanya meningkatkan karakteristik aus di bagian tabung konverter. Jumlah dan posisi relatif tuyere ditentukan sebagian oleh ukuran konverter, rentang ukuran panas, laju aliran gas proses, dan jenis legasi yang dipurnai.

Sistem pengontrolan gas menyediakan gas proses pada laju nominal 1,0–3,0 N cum/min/ton. Sistem mengontrol laju aliran secara akurat dan memantau jumlah gas yang disuntik ke dalam kolam untuk memungkinkan operator mengontrol proses dan mengukur total oksigen yang ditiup.

Pengurangan karbon terjadi ketika karbon terlarut mengurangi oksida kromium dan besi yang terbentuk. Reaksi pengurangan karbon adalah sebagai berikut:

3O? (g) + 4Cr = 2Cr?O?

Cr?O? + 3C = 2 Cr + 3CO (g)

Pengurangan karbon terjadi pada permukaan gelembung yang naik yang terbentuk dari gas iners yang disuntik atau pada permukaan partikel oksida kromium yang sedang direduksi dan menghasilkan karbon monoksida (CO).

Tahap Reduksi dan Desulfurisasi

Selama pengurangan karbon, penambahan dilakukan untuk mendapatkan komposisi kimia akhir yang tepat. Penambahan ini biasanya terdiri dari jumlah yang diinginkan ferro kromium karbon tinggi, sisa stainless steel, sisa carbon steel, nikel, besi, ferro manganese karbon tinggi, dan oksida molibdenum. Penambahan ini juga berfungsi untuk menurunkan suhu kolam karena oksidasi karbon dan kromium bersifat eksotermik. Secara umum, suhu kolam dikontrol menjadi kurang dari 1720 derajat C. Berat total penambahan legasi berada dalam rentang 5 % hingga 30 % dari berat cabutan. Pada tahap akhir pembuangan, rasio oksigen terhadap argon diubah menjadi 1:3 hingga 1:2 untuk membawa karbon ke nilai yang diinginkan yang dapat kurang dari 0,03 %.

Tahap berikutnya adalah tahap reduksi, di mana campuran reduksi dimuat dan diaduk dengan gas iners untuk waktu yang diinginkan. Campuran reduksi terdiri dari legasi silikon, seperti ferrosilicon atau kromium-silikon, dan/atau aluminium, yang ditambahkan untuk reduksi oksida logam dari slag dan agen fluks seperti kapur, kapur dolomit, dan fluorspar. Kolam kemudian diaduk dengan gas iners, biasanya selama sekitar lima hingga delapan menit.

Cr?O? + 2Si = 3Cr + 2 SiO?

Penambahan silikon tambahan diperlukan jika kebutuhan silikon ada untuk memenuhi spesifikasi silikon beberapa stainless steel.

Manipulasi hati-hati terhadap slag saat terjadinya presipitasi sangat penting. Oksida kromium apa pun yang tidak direduksi oleh karbon akan berada di dalam slag, yang dapat membentuk spinel kompleks. Efektivitas tahap reduksi tergantung pada banyak faktor termasuk keasaman dan komposisi slag, suhu, kondisi pengadukan dalam konverter, dan kinetika pelarutan padatan tambahan.

Kapur dan/atau kapur dolomit biasanya ditambahkan tepat sebelum puyuran oksigen untuk flux sisa pemindahan dan silikon dalam logam. Pada puyuran oksigen, silikon dioksidasi sebelum karbon. Kapur dan kapur dolomit terkadang ditambahkan sebelum akhir puyuran untuk mendinginkan kolam dan mengurangi volume penambahan reduksi. Penambahan flux slag, seperti kapur, kapur dolomit dan spar, biasanya berada dalam rentang 3 % hingga 7 % dari total berat kolam.

Pembentukan slag dengan keasaman tinggi dan pengurangan potensi oksigen dalam kolam logam adalah kondisi yang baik untuk penghapusan sulfur. Misalnya, dengan sulfur awal 0,03 %, pengobatan reduksi 2-3 kg aluminium/ton, 2 – 3 kg spar/ton, keasaman slag akhir sekitar 1,7, dan suhu 1700 derajat C, kandungan sulfur akhir 0,003 – 0,005 % dapat diperoleh.

Panjang periode puyuran ditentukan oleh level karbon dan silikon awal logam panas yang dimuat ke konverter AOD. Waktu pengurangan karbon bervariasi dari 20 hingga 35 menit dalam konverter modern (mulai dari 1,5 % hingga 2,5 % dan target karbon 0,04 %). Biasanya, konverter diputar ke posisi horizontal dan sampel logam cair diambil untuk analisis pada level karbon sekitar 0,1 %.

Penghapusan sulfur adalah reaksi slag – logam yang terjadi selama fase reduksi proses. Fosfor, yang memerlukan kondisi oksidasi, tidak dapat dihilangkan dalam pemrosesan konverter.

Kontrol nitrogen adalah reaksi gas – logam. Bergantung pada spesifikasi nitrogen akhir untuk grade stainless steel, gas iners pada tahap awal pengurangan karbon dapat berupa nitrogen. Setelah level karbon tertentu tercapai, gas nitrogen digantikan dengan argon. Pendekatan ini biasanya dilakukan oleh produsen steel untuk mengurangi penggunaan dan biaya argon dan masih mencapai spesifikasi nitrogen yang diinginkan. Setelah pergantian dari nitrogen ke argon, nitrogen dihilangkan dari kolam baik oleh karbon monoksida yang terbentuk maupun argon. Elemen volátil dengan tekanan uap tinggi, seperti timah hitam, seng, dan bismuth, dihilangkan selama periode pengurangan karbon.

Konverter AOD dan Refraktori

Konverter AOD adalah wadah berbentuk pear biasanya dilapis dengan lining refraktori dasar. Ini memiliki tutup kerucut yang dapat dilepas yang ditempatkan. Fitur penting konverter AOD adalah biasanya ditiup dari sisi. Untuk grade steel yang dapat mentolerir nitrogen, campuran oksigen dan nitrogen juga dapat ditiup. Karena stainless steel cair tidak menghasilkan busa, dan sebagian besar proses pemurnian stainless steel ditiup dari sisi atau dasar, dimensi konverter pemurnian stainless lebih kecil daripada konverter BOF (basic oxygen furnace) yang sebanding. Volume internal konverter AOD biasanya dalam rentang 0,4 – 0,8 cum /ton berat kolam.

Untuk konverter yang mengecor ke dalam cetakan yang dipegang oleh crane, bagian atas kerucut yang diiris sering digunakan. Bagian iris memungkinkan crane untuk datang ke dekat mulut konverter. Konverter yang mengecor ke dalam kereta cetakan biasanya memiliki bagian atas kerucut konsentrik tipe BOF.

Bengkel produksi tinggi biasanya memiliki tiga konverter yang dapat ditukar untuk ketersediaan proses 100 %. Pada setiap waktu, satu konverter berada dalam cincang miring yang memurni steel, konverter baru yang dilapisi berada di stasiun pemanasan awal, dan konverter ketiga berada di stasiun relining. Konverter dalam cincang miring biasanya dapat diganti dengan konverter yang telah dipanaskan dalam waktu kurang dari satu jam.

Konverter AOD memiliki tuyere yang dipasang di dinding sisi atau di dasar. Tuyere ini biasanya terdiri dari tabung tabung dengan tabung luar stainless steel. Selang terbentuk antara tabung tabung dan tabung stainless. Gas pendingin yang ditiup melalui selang luar (shroud) membentuk endapan logam atau oksida (disebut mushroom) di ujung tuyere. Endapan ini melindungi tuyere dan refraktori sekitarnya. Gas proses campuran oksigen/iners ditiup melalui selang dalam. Desain khusus ada untuk menormalisasi aliran di celah selang. Ukuran dan jumlah tuyere bergantung pada parameter proses spesifik. Biasanya ada antara dua hingga sembilan tuyere dalam wadah AOD.

Tuyere yang dipasang di dinding sisi terendam saat pemrosesan. Ketika wadah diputar, tuyere berada di atas kolam. Pada titik ini, gas proses dapat dimatikan dan aliran pendingin kecil melindungi tuyere.

Konverter ditiup dasar memiliki berbagai konfigurasi tuyere bergantung pada laju aliran yang diperlukan. Biasanya ada dua hingga empat tuyere di dasar.

Modifikasi besar dari proses AOD melibatkan penggunaan top blowing lance selain tuyere ditiup sisi. Lance dapat digunakan untuk menyuntikkan oksigen pada laju puyuran yang diinginkan untuk meningkatkan pengurangan karbon dan/atau pembakaran pasca. Top lance juga dapat dirancang untuk puyuran campuran gas seperti campuran gas iners – oksigen. Pemasangan lance dan perkenalan oksigen pada tahap awal pengurangan karbon dapat mengurangi waktu untuk satu panas. Teknologi dapat digunakan untuk meningkatkan produktivitas (ton/jam) bengkel peleburan steel. Sebagian besar instalasi konverter terbaru termasuk penggunaan top lance untuk puyuran oksigen.

Modifikasi lain dari proses AOD melibatkan penerapan vacuum pada konverter untuk mengurangi konsumsi argon dan silikon serta waktu proses saat membuat grade karbon rendah. Modifikasi ini dikenal sebagai AOD-VCR.

Refraktori Konverter AOD

Suhu tinggi di ujung tuyere dan pengadukan kolam yang tinggi menuntut banyak pada refraktori konverter. Sementara kampanye refraktori BOF biasanya berlangsung bulan atau tahun, kampanye konverter stainless berlangsung beberapa hari atau minggu. Biaya refraktori merupakan pecahan signifikan dari total biaya operasional.

Ada dua pilihan dasar jenis refraktori, magnesite-chromite, dan dolomite. Pemilihan refraktori bergantung pada pola operasi wadah, spesifikasi produk akhir, dan ekonomi.

Refraktori magnesite chromite memiliki daya tahan aus yang tinggi tetapi memiliki biaya unit yang lebih tinggi daripada refraktori dolomitik. Pengambilan kromium dari batu bata mungkin terjadi. Batu bata magnesite chromite secara bersamaan asam dan basa dan komposisi slag yang ketat harus dipertahankan untuk mencegah aus cepat.

Refraktori dolomitik biasanya lebih murah daripada refraktori magnesite chromite dan pengambilan kromium bukan faktor. Desulfurisasi ke level yang sangat rendah umumnya lebih mudah dalam refraktori dolomitik karena slag yang sangat basa dapat digunakan tanpa efek merusak pada batu bata.

Konverter biasanya dizonasi berdasarkan ketebalan dan kualitas batu bata untuk memaksimalkan umur lining dan meminimalkan biaya. Area konverter yang aus tinggi, biasanya dinding tuyere, garis slag, dan pad pemindahan dizonasi lebih tebal dan dengan refraktori berkualitas lebih tinggi daripada bagian lain konverter.