Pembusuran Oksigen dalam Pembuatan Baja Konverter: Meningkatkan Keurnitan dan Efisiensi
Pembusuran Oksigen dalam Pembuatan Baja Konverter
Oksigen (O2) dihembuskan pada logam panas di konverter selama pembuatan baja untuk pengeluaran kotoran seperti karbon (C), silikon (Si), mangan (Mn), dan fosfor (P) dll. Lancar pendingin air digunakan untuk menyuntikkan oksigen pada kecepatan sangat tinggi ke dalam kolam cair untuk menghasilkan baja. Pada tahun 1950 ketika proses konverter pembusuran atas dikomersialkan dan ukuran konverter terbatas hingga 50 ton maksimum maka lancar dengan ujung lancar lubang tunggal digunakan untuk pembusuran O2 di konverter. Seiring berjalannya waktu ukuran konverter terus meningkat. Ini telah memaksa peningkatan jumlah lubang di ujung lancar untuk distribusi O2 yang lebih baik atas permukaan kolam yang lebih besar di konverter.
Seiring meningkatnya permintaan untuk menghasilkan baja berkualitas tinggi dengan tingkat kotoran yang rendah, O2 dengan kemurnian sangat tinggi diperlukan untuk pembuatan baja di konverter. O2 yang diperlukan 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 (N2) dan sisanya argon (Ar).
Di konverter pembusuran atas, O2 dijet dengan kecepatan supersonik dengan nozzle konvergen-divergen di ujung lancar pendingin air. Jet gas yang kuat menembus slang dan mengenai permukaan kolam cair untuk memurnikan baja. Saat ini sebagian besar konverter beroperasi dengan ujung lancar yang berisi 3 hingga 6 nozzle. Ujung lancar 8 nozzle juga digunakan. Sumbu setiap nozzle di lancar dengan ujung lancar multi-lubang condong terhadap sumbu lancar dan berjarak sama di sekitar ujung. Ujung lancar terbuat dari tembaga dan dirak pada pipa baja lancar.
Debit O2 dan kecepatan aliran O2 dengan ukuran pipa lancar untuk berbagai ukuran konverter diberikan dalam Tabel 1.
Tab 1 Debit desain lancar konverter
Ukuran konverter (ton): 250-300, Debit oksigen (N Cum/hr): 58000-66000, Dia internal pipa X ketebalan (mm): 245×8, Kecepatan aliran oksigen (m/sec): 43.5-49.5
Ukuran konverter (ton): 210, Debit oksigen: 48000-54000, Dia pipa: 219×8, Kecepatan: 45.8-51.5
Ukuran konverter (ton): 180, Debit oksigen: 39000-44000, Dia pipa: 194×6, Kecepatan: 46.3-52.2
Ukuran konverter (ton): 150, Debit oksigen: 30000-33000, Dia pipa: 168×6, Kecepatan: 48.4-53.3
Ukuran konverter (ton): 120, Debit oksigen: 26000-28000, Dia pipa: 159×6, Kecepatan: 47.3-50.9
Ukuran konverter (ton): 80, Debit oksigen: 18000-20000, Dia pipa: 133×5, Kecepatan: 46.8-51.9
Ukuran konverter (ton): 60, Debit oksigen: 14000-16000, Dia pipa: 121×5, Kecepatan: 44.7-51.0
Ukuran konverter (ton): 50, Debit oksigen: 11000-13000, Dia pipa: 114×5, Kecepatan: 40.0-47.3
Dalam pembuatan baja konverter, O2 dengan kecepatan supersonik dihembuskan pada logam panas untuk menghilangkan kotoran seperti C, Si, Mn, dan P dll. Selama pembusuran ketinggian lancar diturunkan untuk membuat O2 tersedia ke dalam kolam untuk pengeluaran C. Memakan waktu sekitar 15 hingga 20 menit untuk menghiup O2 untuk pemurnian. Waktu tapan ke tapan bervariasi antara 50 hingga 60 menit tergantung pada debit aliran oksigen, komposisi logam panas, profil lancar, dan kimia baja. Menarik untuk dicatat bahwa waktu pembusuran O2 dan waktu tapan ke tapan tidak bergantung secara signifikan pada kapasitas konverter.
O2 dihembuskan di konverter melalui lancar pendingin air (sekitar 8 m hingga 10 m panjang) dengan nozzle konvergen-divergen pada tekanan tinggi (sekitar 11-14 kg/sq cm) dan pada kecepatan supersonik (Mach number lebih dari 1). Jet O2 supersonik dari nozzle membantu entrainment O2 yang lebih tinggi di kolam cair. Selama pembusuran, dispersi tiga fase yang terdiri dari titik slang/logam/gelembung gas terbentuk. Bagian terpenting dari lancar adalah ujung nozzle. Dirancang untuk menghasilkan jet O2 bebas non-coalescing. Fungsi nozzle adalah sebagai berikut.
- Pasokan dan distribusi oksigen
- Untuk menghasilkan jet gas
- Untuk menginduksi agitasi kolam
- Untuk menghasilkan titik logam
Setelah heat sebelumnya diap dan slang diurini, laupan diperiksa. Limbah dan logam panas dimuat. Konverter dimiringkan ke posisi vertikal dan lancar diturunkan ke dalam wadah untuk memulai pembusuran O2. Pemilihan ketinggian lancar awal harus sedemikian sehingga konsentrasi gaya pada level kolam tidak menyebabkan peluncuran partikel besi kecil (sparking) dan pada saat waktu area permukaan kolam maksimum tercakup oleh jet O2.
Awalnya O2 dihembuskan lemah dengan menjaga ketinggian lancar lebih tinggi untuk mempromosikan pembentukan slang dan untuk menghindari peluncuran partikel kecil, karena logam panas tidak tertutup slang. Kapur biasanya ditambahkan pada awal pembusuran dan juga selama pembusuran. O2 dihembuskan selama sekitar 15 hingga 20 menit dengan secara berturutan menurunkan ketinggian lancar sehingga foaming slang tetap terkendali dan reaksi oksidasi berlangsung tanpa terganggu.
Pasokan O2 dalam bentuk jet gas bebas adalah fitur penting pembuatan baja konverter baik di pembusuran atas maupun berbagai jenis konverter pencampuran gabungan. Dalam bentuk pasokan O2 ini, waktu total pembusuran O2 hampir independen dari kapasitas konverter, laju pembusuran O2 dan pengadukan bawah. Ini tercermin dengan mengevaluasi laju aliran momentum tak berdimensi vs. rasio waktu pembusuran / total waktu pembusuran untuk berbagai kapasitas konverter mulai dari 30 ton hingga 400 ton.
Telah terlihat bahwa laju aliran momentum tak berdimensi menggambarkan tindakan jet O2 bebas yang dihasilkan oleh volume aliran O2 konstan pada berbagai ketinggian lancar. Nomor laju aliran momentum tak berdimensi meningkat dengan penurunan ketinggian lancar. Penurunan ketinggian lancar membuat pembusuran keras dan peningkatan ketinggian lancar membuat pembusuran lemah. Profil lancar dapat dianggap menghasilkan pembusuran lemah awal dan secara berturutan lebih keras dengan kemajuan pembusuran.
Persyaratan dasar profil lancar dalam semua pembuatan baja konverter adalah pembentukan slang kaya FeO (oksida besi) pada tahap awal dan kemudian pengeluaran C dan P dengan secara berturutan meningkatkan ketersediaan O2 di kolam untuk menghindari oksidasi berlebihan slang. Persyaratan pertama dicapai dengan 'pembusuran lemah' (penetrasi jet dangkal) dan persyaratan lainnya dicapai dengan memperkeras pembusuran (penetrasi jet yang dalam ke dalam kolam) secara berturutan. Jadi pembusuran lemah dan keras adalah persyaratan esensial untuk pemurnian logam panas oleh imping jet O2 terlepas dari kapasitas konverter dan jenis praktik pembuatan baja konverter (pembusuran atas murni atau pencampuran gabungan) sebagai hasil total waktu pembusuran O2 tetap lebih atau kurang sama.
Ketersediaan Oksigen
O2 tersedia secara energik selama proses pemurnian di konverter. Ketersediaan energik O2 diperoleh dengan melewatkan laju aliran O2 tertentu melalui nozzle.
Dalam pembuatan baja konverter O2 dihembuskan melalui nozzle Laval. Nozzle Laval juga disebut nozzle konvergen-divergen dan ditandai dengan saluran aliran yang luas penampangnya berkurang dalam arah aliran dan mencapai luas penampang minimum dan kemudian meningkat lebih lanjut dalam arah aliran. Luas penampang minimum dari saluran aliran disebut tengkorak nozzle. Nozzle Laval dapat mempercepat gas ke kecepatan supersonik (Mach number lebih dari 1). Faktanya kecepatan gas di keluar sesuai dengan nilai Mach sekitar 2,0 hingga 2,4.
Perilaku Jet Gas Bebas
Perilaku gas saat keluar satu nozzle Laval di lingkungan yang terdiri dari udara menunjukkan bahwa gas saat keluar melalui nozzle menyebar di lingkungan dan disebut 'jet gas bebas', karena penyebaran tidak terbatas. Jet bebas di lingkungan ditandai oleh panjang inti potensial (PCL) dan panjang inti supersonik (SCL). Di inti potensial tidak terjadi entrainment lingkungan sehingga kecepatan gas baik dalam arah sumbu maupun radial adalah pada nilai keluar. Di luar inti potensial baik kecepatan radial maupun sumbu mulai menurun karena entrainment lingkungan. Namun sebuah titik tercapai dalam jet gas bebas di mana kecepatan gas mencapai nilai sonik (M=1). Dalam panjang inti supersonik kecepatan gas di atas nilai supersonik baik dalam arah radial maupun sumbu. Di luar panjang inti supersonik kecepatan gas subsonik. Jadi penyebaran radial dan pelambatan kecepatan sumbu di luar inti potensial adalah karakteristik utama dari jet gas bebas.
Akibat penyebaran, massa jet meningkat yang berarti konsentrasi gas di plane P=0 menurun karena entrainment lingkungan. Jika O2 mengalir melalui nozzle, konsentrasi O2 di plane P2 lebih rendah dari pada P1 dan pada P=0. Namun massa jet (jet terdiri dari fluida utama + lingkungan) di P2 lebih dari massa di P1. Kecepatan sumbu jet adalah fungsi dari jarak sumbu yang diukur dari keluar nozzle.
Salah satu properti penting dari jet bebas adalah bahwa membawa dengan dirinya laju aliran momentum yang saat mengenai cairan diubah menjadi gaya dan menembus ke dalam cairan. Laju aliran momentum dalam jet dipertahankan. Ini adalah properti penting dari jet karena hanya bergantung pada variabel upstream seperti tekanan, jumlah dan diameter nozzle. Tidak bergantung pada kondisi downstream.
Perilaku jet yang dihasilkan oleh ujung lancar multi-nozzle tergantung pada jumlah nozzle dan sudut kemiringan setiap nozzle dengan sumbu lancar. Jumlah nozzle dalam pembuatan baja konverter bervariasi dengan kapasitas konverter tetapi umumnya antara 3 dan 6. Sudut kemiringan setiap nozzle untuk ujung lancar tiga lubang biasanya 10 hingga 12 derajat dan untuk ujung lancar lima hingga enam lubang umumnya 15 hingga 16 derajat dengan sumbu lancar.
Jet gas bebas multi di downstream nozzle dapat coalesce atau tidak akan tergantung pada sudut kemiringan dan jumlah nozzle untuk tekanan upstream dan debit gas yang diberikan. Jet yang coalesce mirip dengan jet tunggal. Ketika sudut kemiringan adalah 10 ?12 derajat untuk ujung lancar tiga lubang, multi-jet tidak coalesce hingga jarak tertentu di downstream nozzle. Jet non-coalescing, saat imping pada cairan akan menghasilkan penetrasi sama dengan jumlah jet.
Pelambatan kecepatan sumbu dan penyebaran radial tergantung pada rasio densitas lingkungan / densitas jet O2. Jika densitas jet O2 lebih dari densitas lingkungan maka jet seperti itu menyebar lambat di lingkungan. Kecepatan penyebaran tergantung pada nilai rasio. Oleh karena itu kecepatan jet pelambat lebih lambat pada jarak manapun di downstream lingkungan. Dalam situasi seperti ini jet dingin dilemaskan di lingkungan logam panas dan panjang inti potensial, PCL dan panjang inti supersonik SCL lebih lama daripada ketika rasio densitas lingkungan / densitas jet O2 adalah satu. Jika rasio densitas lingkungan / densitas jet O2 kurang dari satu maka jet O2 lebih ringan dari lingkungan dan jet O2 menyebar lebih cepat yang menghasilkan panjang inti potensial PCL dan panjang inti supersonik SCL yang lebih pendek. Dalam kasus seperti itu jet oksigen dingin dilemaskan ke dalam slang.
Aksi Jet Oksigen Bebas
Kecepatan jet O2 bebas penting. Kecepatan sumbu menurun seiring meningkatnya jarak downstream nozzle karena entrainment lingkungan. Di konverter saat pembusuran dimulai, lingkungan jet O2 adalah atmosfer panas. Seiring berlanjutnya pembusuran lingkungan jet berubah dari karbon monoksida (CO) menjadi slang. Untuk sebagian besar periode jet terendam dalam slang. Lingkungan di konverter adalah dinamis. Kecepatan jet tergantung pada tekanan upstream, jarak axial downstream dan lingkungan. Sulit untuk menghitung kecepatan jet ketika lingkungan berubah, tetapi laju aliran momentum dalam jet independen dari jarak downstream nozzle dan dapat dihitung.
Jet membawa dengan dirinya laju aliran momentum yang saat mengenai kolam diubah menjadi gaya. Dengan demikian aksi jet bebas dapat dijelaskan dalam istilah nomor laju aliran tak berdimensi. Nomor laju aliran tak berdimensi meningkat dengan penurunan ketinggian lancar. Dengan demikian nomor laju aliran tak berdimensi digunakan untuk menggambarkan variasi dinamis ketinggian lancar. Nomor laju aliran momentum tak berdimensi menunjukkan aksi jet O2 pada kolam pada ketinggian lancar terhadap gravitasi
Penetrabilitas Jet
Nomor laju aliran tak berdimensi menggambarkan efek ketinggian lancar pada penetrabilitas jet. Penetrasi jet dangkal seperti yang diperoleh pada ketinggian lancar yang lebih tinggi disebut 'jet lemah' dibandingkan dengan jet penetrasi dalam seperti yang diperoleh pada ketinggian lancar yang lebih rendah dan disebut 'jet keras'.
Ini berarti bahwa laju aliran volume konstan O2 yang disediakan pada tekanan konstan saat dilemaskan melalui nozzle dapat dibuat untuk mengenai kolam 'lemah' dan dapat dibuat secara berturutan lebih keras. Dengan demikian metode pasokan O2 dalam praktik pembuatan baja konverter melalui 'jet bebas' sangat efektif dalam hal reaksi fisiko-kimia.
Efek yang diinduksi oleh jet O2 imping reaktif lemah ketika mengenai kolam logam cair adalah (i) oksidasi besi (Fe), (ii) penetrasi dangkal, (iii) reaksi slang/logam, dan (iv) peningkatan pembentukan slang dan sehingga memfasilitasi pengeluaran P. Durasi terlalu lama dari jet O2 lemah menghasilkan sloshing slang karena oksidasi berlebihan.
Efek yang diinduksi oleh jet O2 imping reaktif keras ketika mengenai kolam logam cair adalah (i) ketersediaan O2 dalam kolam, (ii) peningkatan oksidasi C dan pengurangan pengeluaran P, (iii) evolusi CO dalam kolam dan lolosnya melalui kolam mengaduk kolam, dan (iv) generasi titik yang kemudian diemulsi dalam slang.
Jenis jet O2 dan efeknya ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Jenis oksigen jet dan efeknya
Reaksi di Konverter
Dalam pembuatan baja O2, logam panas yang terpuas C dihembuskan dengan O2 murni pada kecepatan supersonik. Reaksi dan pencampuran intens. O2 bereaksi dengan Si yang terlarut, Mn yang terlarut, dan Fe itu sendiri untuk menghasilkan slang cair yang mengandung FeO. O2 juga bereaksi dengan C yang terlarut untuk membebaskan gas CO dan oleh karena itu menurunkan karbon besi. Jalur oksidasi elemen ini (C, Si, dll.) selama pemurnian baja adalah dengan menghiup O2 ke dalam larutan besi hingga konsentrasinya di kolam cair melebihi level ekuilibrium yang diizinkan oleh elemen kotoran tertentu. O2 yang terlarut dan elemen kotoran yang terlarut kemudian menggabungkan untuk membentuk gas CO (dalam kasus C) atau silika cair (SiO2, dalam kasus Si). Karena kelebaran kedua produk ini [CO (gas) dan SiO2 (cair)] sangat terbatas di besi cair, mereka dengan cepat membentuk fase terpisah, mengagregat, mengonsolidasikan, dan diapungkan oleh aksi pengadukan intens dari proses.
Selama pembusuran O2 intens pembuatan baja, sebagian besi cair itu sendiri dioksidasi menjadi FeO yang kemudian tercampur intens dengan kolam logam cair menjadi emulsi dan dapat bereaksi dengan kotoran yang terlarut dalam besi leleh secara langsung sesuai dengan reaksi berikut.
2Fe (leleh) + O2 (gas) = 2FeO (slang cair)
FeO (slang cair) + C (terlarut dalam larutan besi cair) = CO (gas) + Fe (leleh)
2FeO (slang cair) + Si (terlarut dalam larutan besi cair) = SiO2 (cair) + Fe (leleh)
Reaksi oksidasi ini sangat eksotermik. Panas yang dilepaskan dari oksidasi Si dan kotoran lain, bersama dengan enthalpi dari oksidasi besi itu sendiri, digunakan untuk meleleh limbah dingin untuk meningkatkan ukuran heat konverter serta untuk meningkatkan suhu baja cair untuk operasi hilir. CO2 tidak pernah dihasilkan di dalam kolam konverter pembuatan baja kecuali dalam jumlah kecil. CO2 (jika pernah terbentuk) dengan cepat berubah menjadi CO dengan bereaksi dengan C yang tersisa yang terlarut. Dalam hal tidak ada C yang tersisa setelah oksidasi kolam cair, CO2 direduksi menjadi CO oleh oksidasi Fe itu sendiri. Dengan demikian CO2 adalah oksidan pada suhu pembuatan baja. Produk ekuilibrium reaksi untuk oksidasi Fe, atau C yang terlarut dalam besi, oleh CO2 sangat berarah menuju CO, dengan jumlah kecil CO2 sesuai dengan perhitungan energi bebas Gibbs. C bertindak sebagai agen reduksi untuk FeO sesuai dengan persamaan di atas, dan adalah faktor lain yang dapat melambat (atau mengganggu) oksidasi besi.
Selama proses pembuatan baja, sebagian besi dioksidasi hingga menambahkan ke persentase FeO cair dalam fase slang cair yang coexisting di konverter dengan logam. Jika O2 dihembuskan melewati titik akhir oksidasi kotoran, oksidasi Fe menjadi berlebihan. Ini muncul sebagai kehilangan hasil Fe yang dapat diukur ke slang, memberikan konsentrasi yang dapat diprediksi, dapat dihitung, lebih tinggi dari oksida besi cair (FeO) dalam slang. Setelah C dioksidasi menjadi CO, O2 tambahan menggabungkan dengan Fe untuk menghasilkan FeO ke dalam slang.
