Bahan Baku Esensial untuk Produksi Baja di Basic Oxygen Furnace

Pendahuluan

Berikut adalah jenis-jenis material yang diperlukan untuk produksi baja cair dalam proses pembuatan baja basic oxygen furnace (BOF) (Fig 1).

• Bahan baku dasar seperti logam panas, bekas, dan kapur dll.
• Bahan baku sekunder seperti deoksidator dan karburizer.
• Gas utilitas seperti oksigen, nitrogen, dan argon dll.
• Refraktori dan material refraktori seperti material lining, material gunniting dan material patching dll.
• Probe konsumsi seperti probe suhu dan probe sampling dll.
• Air pendingin untuk pendingin oksigen blowing lance dan gas buang.

Fig 1 Material yang diperlukan untuk produksi baja di basic oxygen furnace

Bahan Baku Dasar

Bahan baku dasar yang diperlukan untuk pembuatan baja di BOF converter meliputi (i) logam panas dari blast furnace, (ii) bekas baja dan/atau sumber besi logam lainnya, (iii) bijih besi, dan (iv) fluks. Bekas, dimuat dari scrap box, adalah material pertama yang dimuat ke dalam BOF. Logam panas kemudian dituang ke dalam converter dari ladle muatan logam panas, setelah itu blowing dengan gas oksigen dimulai. Fluks, biasanya dalam bentuk lump, dimuat ke dalam BOF melalui sistem bin setelah mulai oxygen blow. Fluks juga dapat diinjekt ke dalam furnace dalam bentuk bubuk melalui bottom tuyeres. Komposisi dan jumlah bahan baku dasar yang digunakan di BOF converter bervariasi dari satu steel melting shop ke shop lain, tergantung pada ketersediaan dan ekonomis proses.

Logam panas atau besi cair adalah sumber utama unit besi dan energi. Logam panas diterima dari blast furnace dalam mobil open top atau torpedo. Dalam hal ladle open top, logam panas dituang di hot metal mixer untuk mempertahankan suhunya sebelum digunakan di BOF converter. Komposisi kimia logam panas dapat bervariasi secara besar, tetapi biasanya mengandung sekitar 3,8% hingga 4,5% karbon, 0,5% hingga 1,5% silicone, 0,25% hingga 1,5% mangan, 0,05% hingga 0,15% fosfor dan 0,03% hingga 0,08% sulfur.

Tingkat sulfur logam panas dapat diturunkan hingga 0,001% di pabrik desulfurisasi logam panas. Komposisi logam panas tergantung pada praktik dan muatan di blast furnace. Secara umum, terjadi penurunan kandungan silicone dan peningkatan sulfur logam panas ketika blast furnace beroperasi pada regime yang lebih dingin. Kandungan fosfor logam panas meningkat jika kandungan fosfor tinggi dalam muatan blast furnace.

Karbon dan silicone adalah kontributor utama energi. Silicone logam panas mempengaruhi jumlah bekas yang dapat dimuat di BOF converter heat. Misalnya, jika silicone logam panas tinggi, ada lebih banyak panas yang dihasilkan akibat oksidasinya, sehingga lebih banyak bekas dapat dimuat dalam heat. Silicone logam panas juga mempengaruhi volume slag, dan oleh karena itu konsumsi kapur dan hasil besi yang dihasilkan.

Logam panas biasanya terpanaskan dengan karbon, dan konsentrasi karbonnya tergantung pada suhu dan konsentrasi elemen solute lain seperti silicone dan mangan. Kandungan karbon logam panas meningkat dengan meningkatnya suhu dan kandungan mangan, dan berkurang dengan meningkatnya kandungan silicone.

Penting untuk mengetahui suhu dan kandungan karbon logam panas saat dituang ke dalam BOF converter untuk tujuan kontrol proses di BOF converter. Suhu logam panas biasanya diukur di ladle muatan logam panas sebelum dimuat ke dalam BOF converter. Biasanya, suhu logam panas berada dalam rentang 1300 derajat C hingga 1350 derajat C.

Desulfurisasi didukung pada suhu tinggi dan potensi oksigen rendah. Juga, kehadiran elemen solute lain dalam logam panas seperti karbon dan silicone meningkatkan aktivitas sulfur, yang pada gilirannya meningkatkan desulfurisasi. Dengan demikian, potensi oksigen rendah dan kandungan karbon serta silicone tinggi membuat kondisi lebih menguntungkan untuk menghapus sulfur dari logam panas daripada dari baja di BOF converter. Tidak semua logam panas di-desulfurisasi. Logam panas yang digunakan untuk membuat grade baja dengan spesifikasi sulfur yang ketat di-desulfurisasi di pabrik desulfurisasi logam panas di mana reagen desulfurisasi dapat menurunkan sulfur logam panas hingga 0,001%, tetapi lebih biasanya dalam rentang 0,004% hingga 0,005%. Penting agar slag yang dihasilkan setelah desulfurisasi logam panas dihilangkan secara efektif melalui slag skimming. Slag ini mengandung jumlah sulfur yang tinggi, dan setiap slag yang dibawa ke dalam BOF converter, di mana kondisi tidak bagus untuk desulfurisasi, menyebabkan penyerapan sulfur dalam baja cair.

Pembobotan logam panas dilakukan pada timbangan sebelum dituang ke dalam BOF converter. Sangat penting bahwa berat logam panas diketahui secara akurat, karena setiap kesalahan dapat menyebabkan masalah dalam turndown chemistry, suhu dan ukuran heat di BOF converter. Berat ini juga merupakan input penting untuk static charge model.

Bekas adalah sumber kedua terbesar unit besi di BOF converter setelah logam panas. Bekas pada dasarnya adalah besi atau baja daur ulang, yang dihasilkan di dalam pabrik baja (mis. crops di CCM, mill scrap, bekas yang dipulihkan dari limbah steel melting shop, atau maintenance scrap), atau dibeli dari sumber eksternal.

Penting bahwa berbagai jenis bekas dimuat dalam jumlah yang benar untuk memenuhi persyaratan campuran bekas di scrap box. Scrap box ditimbang untuk mengetahui jumlah bekas yang tepat di scrap box. Campuran bekas dan berat bekas adalah parameter penting; jika tidak, performa turndown heat di BOF converter akan terganggu secara berkebalikan.

Secara umum, bekas yang lebih ringan dimuat di depan, dan bekas yang lebih berat di ujung belakang scrap box. Ini menyebabkan bekas yang lebih ringan mendarat pertama di BOF converter saat scrap box dimiringkan. Lebih disukai agar bekas yang lebih ringan mendarat pada lining refraktori terlebih dahulu, sebelum bekas yang lebih berat, untuk meminimalkan dampaknya dan oleh karena itu kerusakan pada lining refraktori. Juga, karena bekas berat lebih sulit dilelehkan daripada bekas ringan, lebih disukai agar ia berada di atas sehingga berada terdekat dengan area impingement jet oksigen dan oleh karena itu dapat dilelehkan lebih cepat. Potongan bekas yang terlalu besar untuk dimuat ke dalam furnace dipotong menjadi potongan yang lebih kecil dengan menggunakan shears, pemotongan api, atau dengan oxygen lancing. Potongan bekas tipis dan kecil seperti sheet shearings dan punchings ditekan menjadi balel menggunakan press hidraulik khusus. Biasanya, potongan bekas yang lebih besar dan lebih berat lebih sulit dilelehkan daripada yang lebih ringan dan lebih kecil. Bekas yang tidak dilelehkan dapat menyebabkan masalah signifikan dalam kontrol proses. Ini dapat menghasilkan suhu tinggi atau chemistries yang terlewat pada turndown.

Praktik combined blowing di BOF converter dapat secara signifikan meningkatkan karakteristik pencampuran dan oleh karena itu meningkatkan peluluhan potongan bekas yang lebih besar. Beberapa elemen yang ada dalam bekas, seperti tembaga, molibdenum, timbal dan nikel diperkenalkan ke dalam BOF converter melalui scrap charge. Elemen-elemen ini tidak dapat dioksidasi dan oleh karena itu tidak dapat dihilangkan selama blowing heat BOF. Elemen-elemen ini larut merata dalam liquid bath selama oxygen blow. Beberapa elemen lain seperti aluminium, silicone dan zirconium yang ada dalam bekas dapat dioksidasi sepenuhnya selama proses blowing dan menjadi terintegrasi dalam slag. Elemen yang berada dalam kategori menengah dalam hal kecenderungannya bereaksi, seperti fosfor, mangan dan kromium mendistribusikan diri antara logam dan slag. Seng dan timbal sebagian besar dihilangkan selama blowing heat BOF sebagai uap. Steel melting shops biasanya menggunakan sekitar 10% hingga 35% dari total muatan metalik mereka sebagai bekas, dengan jumlah yang tepat tergantung pada kondisi lokal dan ekonomis. Secara teknis, rasio bekas logam panas dalam muatan metalik BOF tergantung pada faktor-faktor seperti silicone, karbon dan suhu logam panas, penggunaan post combustion lance.

Direct reduced iron (DRI) digunakan di beberapa steel melting shop sebagai coolant serta sebagai sumber unit besi. DRI biasanya mengandung sekitar 89% hingga 94% total besi (sekitar 88% hingga 96% metallization), 0,1% hingga 4% karbon, 2,8% hingga 6% alumina dan silica gabungan, 3% hingga 8% FeO dan jumlah kecil CaO dan MgO. DRI dapat mengandung fosfor dalam rentang 0,005% hingga 0,09%, sulfur dalam rentang 0,001% hingga 0,03% dan konsentrasi nitrogen rendah (biasanya kurang dari 20 ppm).

DRI biasanya dimasukkan ke dalam BOF dalam bentuk lump atau dalam bentuk briquette berukuran sekitar 25 mm hingga 30 mm. DRI briquettes di-passivasi untuk mengeliminasi kecenderungan pembakaran spontan sehingga dapat ditangani dengan nyaman di steel melting shop. DRI biasanya dimasukkan ke dalam BOF converter melalui sistem bin.

Di beberapa steel melting shop, pig iron juga digunakan sebagai sumber unit besi. Pig iron membutuhkan panas untuk dilelehkan dan setelah dileleh ia berperilaku di BOF converter seperti logam panas. Pig iron dimuat ke dalam converter melalui scrap box bersama dengan campuran bekas lainnya.

Bijih besi biasanya dimuat dalam bentuk lump ke dalam BOF converter sebagai coolant dan sering digunakan sebagai pengganti bekas. Bijih besi berguna sebagai pengganti bekas karena mengandung jumlah elemen residual yang lebih rendah seperti tembaga, seng, nikel, dan molibdenum. Efek pendingin bijih besi sekitar tiga kali lebih tinggi daripada bekas. Reduksi oksida besi dalam bijih adalah endothermic dan jumlah logam panas yang lebih tinggi serta jumlah bekas yang lebih rendah diperlukan ketika bijih besi digunakan untuk pendinginan. Bijih besi harus dimuat awal dalam blow ketika kandungan karbon dalam liquid bath tinggi sehingga dapat secara efektif mengurangi oksida besi dalam bijih besi. Reduksi oksida besi dalam bijih menghasilkan sejumlah besar gas, dan akibatnya meningkatkan kecenderungan slag foaming dan slopping. Penambahan bijih besi yang terlambat menghasilkan efek yang berbahaya terhadap hasil besi dan end point slag chemistry. Jika bijih besi hanya digunakan sebagai coolant segera sebelum tapping heat dari converter maka slag menjadi sangat dioksidasi dan cair, meningkatkan slag carryover ke ladle. Keterlambatan reaksi pendinginan dari bijih besi yang tidak dioksidasi menyebabkan penurunan suhu yang tiba-tiba atau reaksi ladle yang keras yang mengakibatkan over-oxidation liquid steel.

Mungkin untuk menggunakan mill scale sebagai coolant di BOF converter dalam jumlah yang sesuai. Mill scale ditemukan sangat efektif dalam meningkatkan rasio logam panas terhadap bekas. Namun, ini menyebabkan slopping yang parah selama proses. Mill scale dan penambahan oksida besi lainnya dioksidasi selama main blow melepaskan besi dan oksigen. Oksigen tambahan ini tersedia untuk penghapusan karbon sehingga mempercepat reaksi keseluruhan. Slopping kemungkinan disebabkan oleh peningkatan volume slag yang terkait dengan penggunaan lebih banyak logam panas (jumlah silicone dan karbon yang lebih banyak menghasilkan SiO2 dan CO, masing-masing) dan oleh peningkatan tingkat reaksi.

Selama pembuatan baja di BOF converter konsumsi kapur terkalin tergantung pada silicone logam panas, rasio logam panas terhadap bekas dalam muatan converter, kandungan awal (logam panas) dan akhir (target baja) sulfur dan fosfor. Kapur terkalin dihasilkan dengan kalkinasi batu kapur. Kualitas kapur terkalin yang diperlukan untuk pembuatan baja di BOF converter dijelaskan dalam artikel terpisah yang tersedia di tautan https://www.ispatguru.com/quality-of-lime-for-steelmaking-in-converter/.

Karena sejumlah besar kapur terkalin dimuat ke dalam BOF converter dalam waktu singkat, pemilihan kualitas kapur yang cermat penting untuk meningkatkan dissolusinya dalam slag. Secara umum, lump kecil dengan porositas tinggi memiliki reaktivitas yang lebih tinggi dan mempromosikan pembentukan slag yang cepat. Masalah kualitas yang paling umum dengan kapur terkalin adalah inti terkalin yang belum selesai, hidrasi, terlalu banyak serbuk dan reaktivitas yang terlalu rendah.

Kapur dolomit terkalin dimuat bersama dengan kapur terkalin untuk memenuhi slag dengan MgO, dan mengurangi dissolusi MgO dari refraktori furnace ke dalam slag. Biasanya kapur dolomit terkalin mengandung sekitar 36% hingga 40% MgO dan 54% hingga 58% CaO. Penambahan kapur dolomit terkalin ke dalam BOF converter bath harus sedemikian rupa sehingga menjaga tingkat MgO slag di atas batas saturasi. Tingkat MgO slag di atas batas saturasi membuat slag kurang korosif dan mengurangi/menghilangkan serangan kimia slag terhadap refraktori furnace.

Di beberapa steel melting shop, dolomit mentah ditambahkan langsung ke dalam BOF converter. Ini bertindak sebagai coolant dan sebagai sumber MgO untuk memenuhi slag tetapi ada efek tertunda karena reaksi kalkinasi terjadi di BOF converter. Ketika dolomit mentah dipanaskan, reaksi kalkinasi endothermic terjadi, menyebabkan penurunan suhu di BOF converter.

Kapur dolomit terkalin juga ditambahkan untuk kondisi slag sebelum slag splashing. Penting bahwa kimia dan ukuran kapur dolomit terkalin dikontrol.

Di beberapa BOF converter shops batu kapur atau dolomit mentah sering digunakan sebagai coolant daripada sebagai flux. Batu kapur umumnya digunakan untuk mendinginkan bath jika suhu turndown lebih tinggi dari target yang ditentukan. Ketika batu kapur dipanaskan, reaksi kalkinasi endothermic terjadi menghasilkan CaO dan CO2, menyebabkan penurunan suhu di BOF converter. Sejauh mana penurunan suhu tepat sebelum tap tergantung pada ukuran heat dan kondisi slag. Misalnya, dalam ukuran heat 150 ton, penambahan 1 ton batu kapur menyebabkan penurunan suhu bath sekitar 12 derajat C.

Kalium fluorida atau fluorite (CaF2) adalah fluidizer slag yang mengurangi viskositas slag. Saat ditambahkan ke BOF ia mempromosikan dissolusi kapur yang cepat dalam slag dengan melapisi lapisan dicalcium silicate (2CaO.SiO2) yang terbentuk di sekitar partikel kapur yang menghambat dissolusi kapur dalam slag. Saat ini, fluorite digunakan sangat sedikit karena serangan korosif yang sangat parah terhadap semua jenis refraktori, termasuk baik BOF converter maupun steel teeming ladle. Juga, fluorida membentuk asam kuat dalam sistem pengumpulan gas buang yang merosot bagian struktural dan juga merupakan emisi yang tidak diinginkan.

Bahan Baku Sekunder

Bahan baku sekunder adalah deoksidator dan karburizer. Biasanya ditambahkan di ladle teumpahan baja selama tapping heat dari converter.

Deoksidasi adalah tahap terakhir dalam pembuatan baja. Selama pembuatan baja, baja bath pada waktu tapping mengandung 400 hingga 800 ppm aktivitas oksigen. Deoksidasi dilakukan selama tapping dengan menambahkan jumlah yang sesuai dari ferro alloys atau deoksidator khusus ke dalam ladle teumpahan.

Deoksidator biasanya ferro alloys massal seperti ferro-silicon, silico-manganese dan ferro-manganese. Mereka digunakan dalam pembuatan baja untuk deoksidasi serta untuk memperkenalkan elemen aloy. Mereka adalah cara paling hemat untuk memperkenalkan elemen aloy ke dalam baja. Ferroalloys memberikan kualitas khas pada baja.

Ferroalloys juga ditambahkan untuk kontrol ukuran butir serta untuk peningkatan properti mekanis baja. Bergantung pada proses pembuatan baja dan tipe baja yang dibuat, kebutuhan ferroalloys yang berbeda bervariasi secara luas. Penambahan ferroalloys ke baja meningkatkan resistensinya terhadap korosi dan oksidasi, meningkatkan hardenability, tensile strength pada suhu tinggi, aus dan resistensi abrasi dengan tambahan karbon dan meningkatkan properti lain yang diinginkan dalam baja seperti creep strength dll. Ferroalloys adalah input vital untuk menghasilkan semua tipe baja. Mereka digunakan sebagai bahan baku dalam produksi alloy steel dan stainless steel.

Jika pada akhir blow kandungan karbon baja di bawah spesifikasi, baja cair juga dikarburisasi. Ini dilakukan dengan penambahan yang terkontrol dari karburizer di ladle teumpahan. Karburizer umum adalah coke breeze dan petroleum coke.

Namun, penambahan besar di ladle teumpahan memiliki efek berbahaya pada suhu baja cair.

Gas Utilitas

Dalam proses pembuatan baja di BOF converter sebuah lance didinginkan air digunakan untuk menyuntikkan oksigen dengan kecepatan sangat tinggi ke dalam liquid bath untuk menghasilkan baja. Dengan permintaan yang semakin meningkat untuk menghasilkan baja kualitas yang lebih tinggi dengan tingkat pengotor yang lebih rendah, oksigen dengan kemurnian sangat tinggi harus disuplai. Oleh karena itu, oksigen untuk pembuatan baja harus setidaknya 99,5% murni, dan idealnya 99,7% hingga 99,8% murni. Sisa bagian adalah 0,005% hingga 0,01% nitrogen dan sisa argon.

Di BOF converter, oksigen dilemparkan dengan kecepatan supersonik (Mach>1) melalui nozzle konvergen/divergen (Laval) di ujung lance didinginkan air. Gas jet yang kuat menembus slag dan mengenai permukaan logam cair untuk menyaring baja. Saat ini, sebagian besar BOF beroperasi dengan lance tips yang berisi empat hingga lima nozzle dan dengan aliran oksigen yang bervariasi dari 640 N cum/min hingga 900 N cum/min.

Nitrogen biasanya digunakan di BOF converter untuk combined blowing dan slag splashing. Nitrogen gas yang dibutuhkan untuk meningkatkan pencampuran metal bath dilempuhkan melalui bottom mounted tuyeres atau permeable elements. Pengadukan bath dilakukan dengan nitrogen gas di dalam rentang karbon tinggi dari melt di dalam bath. Bottom flow rates biasanya lebih rendah dari 0,2 N Cum/t minute. Dalam praktik yang umum nitrogen gas diperkenalkan melalui bawah dalam 60% hingga 80% pertama dari oxygen blow. Evolusi cepat CO gas di bagian pertama dari aliran oksigen mencegah nitrogen pick up dalam baja.

Nitrogen juga digunakan untuk splash slag yang telah dikondisikan ke dinding BOF converter setelah tapping heat dari BOF converter untuk menciptakan lapisan pelindung slag coating di atas refraktori.

Argon biasanya digunakan di BOF converter untuk combined blowing. Argon gas yang dibutuhkan untuk meningkatkan pencampuran metal bath dilempuhkan melalui bottom mounted tuyeres atau permeable elements. Pengadukan bath dilakukan dengan argon gas di dalam rentang karbon rendah dari melt di dalam bath. Bottom flow rates biasanya lebih rendah dari 0,2 N Cum/t minute. Dalam praktik yang umum argon gas diperkenalkan melalui bawah dalam 20% hingga 40% terakhir dari oxygen blow.

Refraktori dan Material Refraktori

Ada tiga tipe material refraktori yang diperlukan untuk pembuatan baja di BOF converter. Ini adalah basic bricks biasanya magnesia carbon refractories, magnesia based gunning compound untuk gunniting bagian refraktori yang rusak, dan patching material (biasanya brick bekas yang sudah hancur) untuk patching dasar converter yang erosi. Ini dijelaskan dalam artikel yang tersedia di tautan https://www.ispatguru.com/refractory-lining-of-a-basic-oxygen-furnace/.

Probe Konsumsi

Consumables yang diperlukan untuk produksi baja di BOF converter adalah probe tipe disposable untuk sampling baja untuk analisis setelah blow selesai dan untuk mengukur suhu logam panas di ladle muatan logam panas dan liquid steel di BOF converter setelah blow selesai.

Air Pendingin

Air diperlukan untuk produksi baja di BOF converter untuk pendinginan oksigen blowing lance dan nozzle serta untuk pendinginan gas buang.

Air pendingin diperlukan di lance untuk mencegah pembakaran oksigen lance di BOF converter. Keduanya lance nozzle tembaga dan lance steel didinginkan dengan air daur ulang pada tekanan sekitar 6 kg/sq cm. Komponen penting dari lance adalah saluran pendinginan air di mana air pendingin mengalir melalui tengah nozzle dan keluar melalui pipa luar lance. Ia dirancang untuk mendapatkan kecepatan maksimum air pendingin di area nozzle, yang terpapar pada suhu tertinggi. Air pendingin kritis untuk mempertahankan umur lance yang tinggi. Debit aliran harus dipertahankan pada tingkat desain. Suhu air pendingin keluar tidak boleh melebihi 60 derajat C hingga 65 derajat C.

Gas kaya CO yang keluar dari converter pertama kali didinginkan di converter hood secara tidak langsung baik oleh air pendingin atau oleh evaporative cooling system (ECS) untuk menurunkan suhu nominalnya dari 1600 -1700 derajat C menjadi sekitar 900 derajat C. Dalam hal evaporative cooling system demineralized water diperlukan untuk pendinginan gas buang karena dalam sistem ini panas dipulihkan dalam bentuk uap.

Di beberapa steel melting shop, top cone dari BOF converter didinginkan air. Dua komponen di top cone dari BOF converter yang dapat mendapat manfaat dari pendinginan air sebagai cara untuk mempertahankan suhu operasional rendah mereka adalah conical shell itu sendiri dan lip ring di sudut atas cone.

Kualitas air adalah parameter penting. Jika air tercemar dengan oksida atau kotoran, endapan biasanya terbentuk di dalam pipa, menghasilkan efek negatif terhadap transfer panas.