Menguasai Produksi Baja Basic Oxygen Furnace: Operasi dan Wawasan Kunci
Memahami Operasi Pembuatan Baja di Basic Oxygen Furnace
Operasi pembuatan baja di basic oxygen furnace (BOF) juga kadang disebut basic oxygen steel making (BOS). Ini adalah teknologi pembuatan baja yang paling kuat dan efektif di dunia. Sekitar 71 % baja mentah dibuat dengan proses ini. Proses BOF dikembangkan di Austria pada awal tahun 1950-an di dua pabrik baja Austria di Linz dan Donawitz dan oleh karena itu proses BOF juga disebut pembuatan baja LD (huruf pertama dari kedua kota).
Ada beberapa variasi pada proses BOF. Utamanya adalah top blowing, bottom blowing, dan kombinasi keduanya yang dikenal sebagai combined blowing.
Proses BOF adalah autogenous, atau cukup energi mandiri, mengubah besi cair (hot metal) menjadi baja menggunakan oksigen gas (O2) untuk mengoksidasi impuritas yang tidak diinginkan dalam hot metal (HM). O2 yang digunakan harus memiliki kekerasan tinggi, biasanya minimal 99,5%, jika tidak baja dapat menyerap nitrogen (N2) yang berbahaya.
Bahan baku utama untuk BOF umumnya adalah HM (sekitar 80 % atau lebih) dari blast furnace dan sisa baja. Ini diisi ke dalam vessel BOF. O2 ditiup ke dalam BOF dengan kecepatan supersonik. Ini mengoksidasi karbon (C) dan silicone (Si) yang terkandung dalam HM melepaskan kuantitas panas yang besar yang melelehkan sisa baja. Kontribusi energi yang lebih kecil berasal dari oksidasi besi(Fe), mangan (Mn), dan fosfor (P). Flux yang digunakan dalam proses ini terutama kapur calcined (dengan kandungan CaO lebih dari 92 %). Kapur ini dihasilkan oleh calcining batu kapur dengan kandungan silica (SiO2) rendah. Pembakaran pasca karbon monoksida (CO) saat keluar dari konverter juga mentransfer panas kembali ke bath. Produk BOF adalah baja cair dengan analisis kimia yang ditentukan pada suhu sekitar 1650 deg C.
Istilah ‘basic’ merujuk pada liner refraktori furnace yang terbuat dari bahan alkaline (dolomit dan magnesite). Liner refraktori harus memiliki properti tertentu untuk menahan suhu tinggi, tindakan korosif dari slag yang sangat teroksidasi dan dasar, serta abrasi selama pengisian dan pembiusan. Slag dasar diperlukan untuk menghapus P dan sulfur (S) dari charge cair.
Vessel BOF juga dikenal sebagai konverter, hanyalah cangkang baja berbentuk tabung dengan liner refraktori dan didukung pada mekanisme miring. Rasio antara tinggi (H) dan diameter (D) konverter berkisar antara 1,0 hingga 1,3. Cangkang konverter terdiri dari tiga bagian, yaitu (i) dasar bola, (ii) cangkung silinder, dan (iii) kerucut atas. Cangkung konverter dilampirkan ke cincin pendukung yang dilengkapi dengan trunnion. Cincin pendukung memberikan posisi stabil konverter selama pembiusan O2. Konverter mampu berputar di bidang vertikal sekitar sumbu horizontalnya 360 derajat pada trunnion yang digerakkan oleh motor listrik dan dapat diposisikan di mana saja. Rotasi (miring) ini diperlukan untuk berbagai operasi konverter selama heat. Hanya 8 % hingga 12 % volume konverter yang diisi dengan baja cair setelah heat dibuat. Kedalaman bath sekitar 1,2 m hingga 1,9 m.
Kapasitas (ukuran heat) konverter BOF berkisar dari 30 ton hingga 400 ton, tetapi sebagian besar konverter berada dalam rentang 100 -250 ton. Pabrik peleburan baja BOF biasanya memiliki satu hingga tiga konverter. Waktu tap to tap untuk heat BOF sekitar 40 – 50 menit, di mana 50 % adalah waktu pembiusan O2. Laju produksi ini membuat proses kompatibel dengan pencetakan terus-menerus baja cair, yang berbalik dampak besar yang bermanfaat pada hasil dari baja mentah hingga produk yang dikirim, dan pada kualitas baja guliran downstream.
Konverter top blowing dilengkapi dengan lonceng O2 untuk meniup O2 ke dalam bath. Lonceng pendingin air dengan ujung tembaga (Cu) multi lubang (berkurang dari 3 hingga 6). Aliran O2 biasanya dalam rentang sekitar 6 hingga 8 cum/min.t. Tekanan O2 biasanya dalam rentang sekitar 12 hingga 16 atmosfer. (lihat artikel tautan https://www.ispatguru.com/oxygen-blowing-lance-and-lance-tips-in-converter-steel-making/ )
Bangunan enam lantai biasanya diperlukan untuk menempatkan konverter BOF untuk menampung tangki alloy dan flux yang tinggi serta lonceng O2 panjang yang diturunkan dan diangkat dari konverter BOF. Diagram potongan skematis tipikal dari pabrik konverter ditunjukkan dalam Fig 1.
Fig 1 Potongan skematis tipikal pabrik konverter
Sebelum awal heat di konverter, HM ditimbang, diambil sampel untuk analisis kimia dan suhu. Data ini, bersama dengan spesifikasi grade, digunakan untuk menghitung jumlah sisa baja, flux, dan O2 yang diperlukan. Jumlah ini juga tergantung pada tingkat Si, dan C dll., dan suhu HM, karena panas yang dihasilkan oleh oksidasi impuritas harus seimbang dengan persyaratan untuk membawa sisa baja, flux, dan hot metal ke suhu yang diperlukan. Di pabrik peleburan baja modern, model charge komputer menentukan proporsi optimum sisa baja dan HM, penambahan flux, tinggi lonceng, dan waktu pembiusan oksigen, setelah suhu dan analisis kimia HM diketahui.
Heat dimulai ketika konverter miring sekitar 45 derajat menuju area pengisian dan charge sisa baja yang telah ditimbang diisi ke dalam mulut konverter dari kotak pengisian sisa baja dengan bantuan kran pengisian sisa baja. HM segera dituang langsung di atas sisa baja dari ladle transfer oleh kran pengisian HM. Asap dan kish (flakes grafit dari C saturated hot metal) teremit dari mulut konverter dan dikumpulkan oleh sistem kontrol polusi. Pengisian biasanya 2-3 menit. Setelah pengisian konverter diputar ke posisi vertikal, lonceng diturunkan ke sekitar 2,5 m hingga 3,0 m di dasar konverter. Melalui lonceng ini, O2 ditiup ke dalam campuran charge. Lonceng meniup O2 pada campuran charge dengan kecepatan tinggi dan reaksi dimulai. Beberapa detik kemudian nyala terjadi saat CO dari reaksi membakar menjadi karbon dioksida (CO2), menghasilkan nyala cerah dan bersinar di mulut konverter. Jumlah O2 yang digunakan sekitar 55 -60 cum per ton baja mentah yang dihasilkan. Tinggi lonceng di atas logam cair memiliki efek penting pada karakteristik pembiusan dan analisis baja. Operasi dimulai dengan lonceng di posisi blow tinggi yang sekitar 3 m di atas tingkat logam dalam konverter. Beberapa menit kemudian, setelah flux ditambahkan dan cukup terbentuk, lonceng diturunkan ke posisi blow rendah.
Setelah nyala, jumlah yang ditimbang kapur calcined/dolomit flux ditetapkan ke dalam konverter dari tangki overhead. Terkadang fluorspar juga ditetapkan ke dalam konverter. Ini adalah flux yang membentuk slag. Diperlukan awal blow untuk membentuk slag cair, yang berfungsi untuk mencegah sparking, peluruhan logam dari konverter akibat impact dari jet O2. Untuk mempromosikan pembentukan slag yang cepat, kapur calcined digunakan. Jika batu kapur mentah digunakan, calcinasinya akan menyerap panas dari proses. Fluorspar ditambahkan untuk mempromosikan keluwuran slag. Bijih besi yang diperlukan (untuk menyesuaikan suhu) kemudian ditambahkan dengan sisa charge flux, sementara pembiusan berlanjut. Charge flux kompleks ditambahkan dalam beberapa menit pertama blow.
Saat pembiusan dimulai, jerikan telinga terdengar. Ini segera diredem sebagai silicone dari HM teroksidasi membentuk silica (SiO2), yang bereaksi dengan flux dasar untuk membentuk slag cair yang bergelembung yang melingkupi lonceng. Gas terutama CO dari C dalam HM. Laju evolusi gas banyak kali volume konverter dan biasa melihat slag meluap di tepi konverter, terutama jika slag terlalu viskose. Pembiusan berlanjut untuk waktu yang ditentukan berdasarkan komposisi charge logam dan spesifikasi baja cair. Biasanya 15 hingga 20 menit, dan lonceng umumnya diprogram sebelumnya untuk bergerak ke berbagai tinggi selama periode pembiusan. Lonceng kemudian diangkat sehingga konverter dapat diputar ke bawah menuju area pengisian untuk sampling dan pengukuran suhu. Model charge statis bagaimanapun tidak memastikan turndown yang konsisten pada C dan suhu yang ditentukan karena analisis HM dan bobot charge logam tidak diketahui dengan tepat. Lebih lanjut, di bawah 0,2 % C, oksidasi Fe yang sangat eksotermis terjadi secara bervariabel bersama dengan decarburization. Penurunan nyala di mulut konverter menandakan C rendah, tetapi suhu pada turndown dapat berbeda plus/minus 30 deg C hingga 50 deg C.
Sampel baja dikirim melalui tabung pneumatik ke laboratorium uji baja. Juga suhu baja cair diukur dengan bantuan termokopel disposable. Berdasarkan suhu dan analisis, diputuskan apakah penyesuaian lebih lanjut diperlukan. Coolant dapat ditambahkan untuk menurunkan suhu ke suhu tapping yang diperlukan, atau mungkin ada re-blow oksigen singkat untuk memperbaiki analisis atau meningkatkan suhu, atau keduanya. Ketika uji dan pembacaan suhu memuaskan konverter miring ke posisi tapping. Batu kapur, sisa baja, bijih besi, sintrer, dan direct reduced iron semuanya merupakan coolant potensial yang dapat ditambahkan ke heat yang telah terlalu dibiused dan terlalu panas. Ekonomi dan fasilitas penanganan menentukan pilihan di setiap pabrik.
Dahulu, reblows atau penambahan coolant telah mengakibatkan peningkatan waktu tap to tap. Namun saat ini, dengan pengalaman operasi yang lebih baik, model komputer yang lebih baik, perhatian lebih besar pada kualitas input logam, dan ketersediaan ladle furnace untuk penyesuaian suhu, kontrol turndown lebih konsisten. Di beberapa pabrik peleburan baja, sub-lance memberikan pemeriksaan suhu dan C sekitar dua menit sebelum jadwal akhir blow. Informasi ini memungkinkan koreksi selama dua menit terakhir dan performa turndown yang lebih baik. Sub-lance memungkinkan komputer mencapai titik akhir dan penurunan signifikan dalam waktu antara akhir blow dan tapping. Namun, operasi sub-lance mahal, dan informasi yang diperlukan mungkin tidak selalu tersedia karena kerusakan sensor.
Setelah heat siap untuk tapping dan ladle teeming (STL) yang telah dipanaskan ditempatkan di mobil ladle di bawah furnace, konverter miring menuju area tapping, dan baja cair mengalir melalui lubang tap dari bawah slag floating, ke STL di bawah. Lubang tap terletak di satu sisi di bagian kerucut atas konverter. Biasanya slag stopper digunakan untuk mencegah slag masuk ke STL saat konverter diputar ke bawah. Ada beberapa jenis slag stopper (juga dikenal sebagai slag dart) yang tersedia. Slag stopper biasanya bekerja bersamaan dengan pengamatan visual operator, yang tetap menjadi perangkat kontrol dominant. Slag di ladle menghasilkan P reversion, desulfurisasi yang terhambat, dan mungkin baja dengan kebersihan yang berkurang. Additif ladle tersedia untuk mengurangi tingkat oksida besi (FeO) dalam slag tetapi tidak ada yang dapat dilakukan untuk mengubah fosfor.
Setelah tapping baja ke STL, dan konverter diputar terbalik untuk tapping sisa slag ke pot slag. Kemudian konverter dikembalikan ke posisi tegak. Untuk beberapa heat, sisa slag ditiup dengan N2 untuk melapisi area barrel dan trunnion vessel. Proses ini dikenal sebagai slag splashing (lihat artikel tautan https://www.ispatguru.com/slag-splashing-technique-in-converter-operation/) . Di akhir kampanye, gunning dengan bahan refraktori di area aus tinggi mungkin juga diperlukan. Setelah pemeliharaan konverter selesai konverter siap menerima charge untuk heat berikutnya.
Dalam hal combined blowing, gas inerte diinjeksi melalui plug berpori atau tuyere di dasar konverter. Injeksi bawah mempromosikan pencampuran dan memberikan yield yang ditingkatkan karena penurunan slopping. (Slopping terjadi ketika slag dan baja dikeluarkan dari konverter selama O2 blowing). (lihat artikel tautan https://www.ispatguru.com/combined-blowing-process-in-converter-steel-making/ ).
Proses BOF tidak menggunakan bahan bakar tambahan. Oksidasi impuritas HM (C, Si, Mn, dan P) menyediakan panas. Oksidasi logam cair dan pembentukan slag adalah proses yang rumit yang berlangsung dalam beberapa tahap dan terjadi secara bersamaan di batas antara berbagai fasa (gas-logam, gas-slag, slag-logam). Kimia pembuatan baja di BOF diberikan dalam artikel terpisah. ( lihat artikel tautan https://www.ispatguru.com/chemistry-of-steelmaking-by-basic-oxygen-furnace/)
Sebagian besar oksidan terserap oleh slag. Produk gas CO dan CO2 ditransfer ke atmosfer dan dihapus oleh sistem exhaust. Potensi oksidasi atmosfer ditandai oleh rasio post-combustion, yang didefinisikan sebagai CO2/(CO2+CO).
Proses BOF memiliki kemampuan terbatas untuk desulfurisasi karena slag yang terbentuk di BOF adalah oksidasi (bukan reduksi) sehingga nilai maksimum koefisien distribusi sulfur dalam proses sekitar 10, yang dapat dicapai dalam slag yang mengandung konsentrasi oksida kalsium (CaO) tinggi.
Dalam pembuatan baja BOF rasio CaO/SiO2 yang tinggi (biasanya 3 dan ke atas) dalam slag diinginkan. Aturan jempol adalah penambahan kapur harus 6 kali bobot Si yang diisi. Penambahan MgO bergantung pada suhu tapping akhir dan biasanya dirancang sekitar 8 % hingga 10% dari bobot slag akhir pada suhu tapping sekitar 1650 deg C. Ini memenuhi slag dengan MgO, sehingga mengurangi erosi kimia liner konverter berbasis MgO. (lihat artikel tautan https://www.ispatguru.com/89/ )
Ferro alloys diisi dari tangki overhead ke STL. Alloy umum adalah ferro-manganese, silico-manganese, dan ferro-silicon.
Liner refraktori dasar digunakan untuk liner konverter. Liner refraktori magnesia – karbon adalah liner refraktori yang paling banyak digunakan untuk konverter. (lihat artikel tautan https://www.ispatguru.com/refractory-lining-of-a-basic-oxygen-furnace/)
Isu Lingkungan
Proses BOF mengembangkan asap pekat cokelat oksida besi dalam gas buangan. Isu lingkungan di pabrik BOF mencakup hal berikut.
- Pengambilan dan penghapusan kontaminan dalam gas off-gas primer yang panas dan kotor dari konverter
- Emisi sekunder yang terkait dengan pengisian dan tapping konverter
- Kontrol emisi dari operasi pendukung seperti transfer HM, dan desulfurisasi dll.
- Daur ulang dan/atau pembuangan debu oksida atau sludge yang dikumpulkan
- Penempatan slag konverter dan muck konverter.
Sebagian besar sistem penanganan gas primer BOF dirancang berdasarkan prinsip sistem pembakaran tertekan di mana gas ditangani dalam keadaan tidak terbakar dan dibersihkan dalam electrostatic precipitators atau sistem pencucian gas basah untuk membersihkan gas dari debu yang kemudian dikumpulkan sebagai padat atau slurry sementara gas bersih melewati stack ke atmosfer atau dikumpulkan di gas holder. Gas memiliki nilai kalor yang cukup baik (1700- 2000 kcal/cum) dan digunakan sebagai bahan bakar di pabrik baja. Sistem pembakaran tertekan menawarkan potensi pemulihan energi. (lihat artikel tautan https://www.ispatguru.com/basic-oxygen-furnace-gas-recovery-and-cleaning-system/).
Emisi fugitive sekunder yang terkait dengan pengisian dan tapping konverter BOF, atau emisi yang melarikan diri dari hood utama selama pembiusan oksigen, dapat ditangkap oleh sistem exhaust yang melayani hood lokal atau hood kanopi tinggi yang terletak di truss pabrik atau keduanya. Biasanya pemisah kain, atau bag house, digunakan untuk pengumpulan emisi fugitive ini. Demikian pula, operasi pendukung seperti stasiun transfer HM, dan desulfurisasi dll. biasanya dilayani oleh sistem hood lokal yang di-exhaust ke filter kain.
Partikel yang ditangkap dalam sistem primer, baik dalam bentuk sludge dari scrubbers basah atau debu kering dari precipitators, harus diproses sebelum direcycle. Sludge dari scrubbers basah memerlukan langkah pengeringan tambahan. Debu atau sludge BOF bukan limbah berbahaya yang terdaftar. Ini dapat direcycle ke blast furnace atau pabrik sintrer setelah briquetisasi atau pelletizing.
Slag BOF sering direcycle melalui pabrik sintrer dan blast furnace karena kandungan kapurnya tinggi. Slag BOF juga digunakan sebagai ballast rel kereta api.
