Evolusi Pembuatan Besi dengan Oksigen Dasar: Dari Awal hingga Praktik Modern

Sejarah Pembuatan Besi dengan Oksigen Dasar

Pembuatan besi dengan oksigen dasar (BOS) adalah proses pembuatan baja dengan meniup oksigen murni (O2) ke dalam kolam logam cair yang terkandung dalam wadah yang dikenal sebagai dapur oksigen dasar (BOF), LD converter, atau secara singkat converter.

Sejarah pembuatan baja dimulai pada abad ke-19, ketika Reaumur dari Prancis pada tahun 1772, Kelly dari Amerika Serikat pada tahun 1850 dan Bessemer dari Inggris pada tahun 1856 menemukan cara untuk meningkatkan besi pig dengan mengontrol kandungan karbon dari legasi besi, yang sehingga benar-benar menjadi baja. Sementara Reaumur, seorang kimiawan, didorong oleh rasa ingin tahu ilmiah, tetapi Kerry dan Bessemer sebagai insinyur, merespon kebutuhan akan kuantitas dan kualitas baja yang lebih besar yang telah diciptakan oleh revolusi industri, dengan tenunnya, mesin uap, mesin dan kereta api. Ini telah memulai hubungan dialektika antara ilmu pengetahuan dan teknologi dan konsep dasar pemurnian logam panas (besi pig) dengan mengoksidasi karbon (C) dalam kolam cair ditemukan pada waktu itu.

Ini adalah perubahan radikal dari reaksi gas-padat di dapur poros, pendahulu dapur tinggi yang mereduksi bijih besi dengan arang kayu, atau dari pengelolaan besi yang merupakan teknologi pengerjaan dan pemurnian yang dilakukan dalam keadaan padat dan tidak memiliki setara pada waktu sekarang. Intensitas inovasi yang pada setengah kedua abad ke-19 sangat mengesankan dan itu membawa perpindahan paradigma. Pembuatan baja dengan converter Bessemer hadir pada tahun 1856, dapur terbuka, yang dapat melelehkan logam bekas selain memurnikan logam panas, ditemukan hanya sembilan tahun setelah converter Bessemer pada tahun 1865, dan converter Thomas dasar dua belas tahun kemudian pada tahun 1877. Converter Thomas menggunakan udara untuk pemurnian logam cair.

Konverter Udara

Converter udara yang ditemukan oleh Bessemer pada tahun 1856 dianggap sebagai proses pembuatan baja modern pertama. Pada tahun 1877, proses Thomas, proses modifikasi Bessemer, dikembangkan untuk mengizinkan perawatan besi cair dengan fosfor yang tinggi. Dalam proses Thomas, fosfor (P) dioksidasi dalam yang disebut 'after blow' setelah sebagian besar C dihapus dari kolam. Proses dapur terbuka, juga disebut sebagai proses Siemens-Martin (SM), dikembangkan hampir bersamaan dengan proses Thomas. Proses dapur terbuka menggunakan transfer panas regeneratif untuk memanaskan udara yang digunakan dalam pembakar, dan mampu menghasilkan panas yang cukup untuk melelehkan dan memurnikan logam bekas padat dan logam panas dalam dapur reverberatory. Sekitar tahun 1950-an, waktu ketika pembuatan baja dengan oksigen dasar muncul di horizons, pembuatan baja terutama didasarkan pada teknologi proses dapur terbuka. Logam panas dan logam bekas diisi ke dalam dapur horizontal besar di mana pembakar menyediakan energi untuk melelehkan logam bekas. Lancing oksigen (O2) digunakan untuk meningkatkan efisiensi pembakar dan untuk menghapus C dan silikon (Si) dari logam panas. Proses dapur terbuka adalah proses allothermic dan oleh karena itu energi eksternal harus disuplai ke dapur. Waktu tap-to-tap tipikal adalah delapan jam untuk ukuran panas 200 ton hingga 250 ton baja cair.

Inovasi besar berikutnya dalam pembuatan baja, yang mengikuti dekat penemuan listrik, adalah proses pembuatan baja dapur listrik (EAF). EAF diperkenalkan oleh Heroult di La Praz sekitar tahun 1900 di lembah Alpen yang dekat dengan sumber energi baru karena pada waktu itu belum mungkin untuk mentransmisi listrik melalui jarak jauh. Teknologi EAF didasarkan pada penyaluran energi yang merupakan pengganti batu bara dan juga dalam melelehkan logam bekas dalam kuantitas yang lebih besar dari yang dilakukan dapur terbuka. Proses pembuatan baja EAF dikreditkan dengan memulai ekonomi daur ulang.

Konsep BOS kembali ke tahun 1856 ketika Henry Bessemer mematenkan proses pembuatan baja yang melibatkan peniupan O2 untuk dekarbonisasi besi cair (Patent Inggris nomor 2207). Pada waktu itu tidak ada metode yang tersedia untuk menyediakan jumlah O2 yang dibutuhkan untuk proses. Kuantitas komersial O2 tidak tersedia sama sekali atau terlalu mahal, dan oleh karena itu penemuan Bessemer tetap hanya pada kertas dan tidak terpakai. Pembuatan baja dengan meniup oksigen murni menjadi praktis pada tahun 1928, ketika perusahaan Linde berhasil mengembangkan metode (proses Linde-Fränkl) untuk menyediakan O2 murni dalam kuantitas besar. Dengan keberhasilan proses Linde-Fränkl, O2 juga menjadi sangat murah, sehingga kedua prasyarat (ketersediaan kuantitas besar serta ketersediaan oksigen murah) untuk pengenalan proses BOS terpenuhi.

Di Eropa dan AS, percobaan dengan O2 dilakukan berulang kali. Di antara mereka yang bekerja dengan O2 dengan kemurnian tinggi adalah Otto Lellep, tetapi konsepnya 'meniup O2 secara vertikal pada kolam besi cair' terbukti tidak berhasil. Menurut Hubert Hauttmann, yang ikut serta dalam percobaan Lellep antara tahun 1936 dan 1939 di Gutehoffnungshütte, tempat ia bekerja pada saat itu, niatnya adalah untuk mengonversi besi cair dengan meniup O2 murni melalui nozel di dasar converter. Baja yang dihasilkan dengan cara ini adalah kualitasnya sangat buruk.

Selama Perang Dunia II, Insinyur dengan nama C. V. Schwartz dari Jerman, John Miles dari Belgia, dan Durrer Swiss dari dan Heinrich Heilbrugge dari Jerman mengajukan versi mereka pembuatan baja dengan O2 ditiup, tetapi hanya Durrer dan Hellbrügge yang membawanya ke tingkat produksi skala massal.

Carl Valerian Schwarz mengajukan permohonan paten pada tahun 1939 untuk meniup oksigen ke dalam kolam dengan kecepatan supersonik. Namun metode ini juga 'belum mampu menghasilkan baja yang dapat digunakan'. Meskipun proses Linz-Donawitz (LD) nanti memiliki kesamaan dengan paten Schwarz, ciri khasnya berbeda (misalnya 'meniup vertikal sentral'). Pastinya karena pecahan Perang Dunia II bahwa teknologi yang dijelaskan dalam paten Schwarz tidak menyebabkan aplikasi praktis pada awalnya. Pada akhir tahun 1930-an juga Robert Durrer dari Swiss memulai percobaan sendiri.

Setelah perang, Heinrich Hellbrügge dan Robert Durrer (direktur teknis Roll'schen Eisenwerke) memulai percobaan lebih lanjut di Roll'schen Eisenwerke di kota Swiss Gerlafingen. Foto converter oksigen top-blown pertama di Gerlafingen ditunjukkan pada Fig 1.

Fig 1 Foto converter oksigen top-blown pertama di Gerlafingen

Adalah Durrer yang menetapkan prinsip teoretis dasar dan menasihati VÖEST untuk meniup O2 dari atas dalam wadah terpisah, setelah kontak telah terjalin antara Gerlafingen dan VÖEST untuk kerjasama teknis skala industri. Serangkaian percobaan menggunakan converter eksperimen 2 ton dimulai pada 3 Juni, 1949 di lokasi VÖEST. Setelah tim di Linz mengalami beberapa kegagalan awal, sebuah teroboran dicapai secepatnya pada 25 Juni, 1949, ketika tekanan O2 diturunkan dan ujung tongkat peniup dipindahkan lebih jauh dari kolam, sehingga jerikan O2 tidak dapat menembus sejauh itu. Dengan teroboran ini, baja dihasilkan yang dapat digiling menjadi lembar tanpa masalah. Departemen eksperimental VÖEST memeriksa baja ini dan sangat positif dalam observasinya. Ini adalah saat saat proses pembuatan baja converter LD lahir. Percobaan dilanjutkan hingga beberapa ratus panas 2 ton telah dihasilkan, setelah itu mereka beralih ke converter eksperimen 15 ton yang dibangun secara khusus di luar ruangan. Batch pertama dihasilkan pada 2 Oktober, 1949. Grade baja baru diuji secara kontinu metalurgis dan tes lain.

Faktor kunci untuk inovasi ini adalah gerakan kolam cair. Sebelumnya dipercaya mustahil untuk mendapatkan gerakan kolam yang cukup tanpa meniup O2 pada kedalaman yang lebih besar. Namun gerakan ini dicara dengan sangat memuaskan melalui pembentukan CO (karbon monoksida). Prinsip 'soft blowing' juga mempromosikan pembentukan FeO yang pada gilirannya menyerap terpencil untuk membentuk escoria. Ini membantu dalam produksi grade baja baru yang luar biasa.

Selain Roll'schen Eisenwerke di Gerlafingen dan VÖEST, Mannesmann AG di Duisburg-Huckingen dan ÖAMG (yaitu Donawitz) juga mengekspresikan minat pada Mei 1949 dalam proses peniupan O2 atau setidaknya metalurgi O2 secara umum. Selama percobaan di Linz dan setelah demonstrasi proses, pembagian kerja yang tepat disepakati pada 17 Juni, 1949. VÖEST akan melanjutkan pekerjaan dengan besi kasar dari Linz dalam wadah pemurnian yang jauh lebih besar sementara Mannesmann akan bereksperimen dengan peniupan O2 pada besi Thomas, Roll'schen Eisenwerke akan menyelidiki penggunaan O2 dalam EAF dan ÖAMG akan melakukan tes dengan O2 dalam dapur poros rendah besi pig. Perjanjian mengikat semua pihak yang terlibat dalam metalurgi O2 ini 'tidak untuk menerbitkan pernyataan atau meneruskan informasi di luar perusahaan mereka sendiri rincian tentang pemurnian O2 yang datang pada perhatian mereka atau kesimpulan yang mungkin mereka capai selama diskusi di Linz pada 17 Juni, 1949.

Berdasarkan perjanjian, segera terlihat dari percobaan di Donawitz bahwa penggunaan oksigen dalam dapur poros tidak berguna, di mana perusahaan mulai menjelajahi pendekatan yang berbeda. Proses yang dikembangkan di Donawitz untuk pemulihan escoria dengan kandungan mangan tinggi dengan peniupan dengan O2 mengarah pada kesadaran bahwa hanya penggunaan proses peniupan dengan O2 murni yang harus dipertimbangkan untuk rencana ekspansi dan rasionalisasi produksi baja di Donawitz. Setelah investigasi yang luas dan pekerjaan pengembangan yang sukses pada pengaturan eksperimen 5 ton atau 10 ton, dengan oksigen yang disuplai selama tes pertama dari tabung yang disusun secara berurutan, manajemen perusahaan memutuskan untuk membangun pabrik baja baru, yang akan siap beroperasi dalam dua tahun. Insinyur Donawitz pada awalnya menamai proses mereka 'SK', dari singkatan Jerman untuk 'Oxygen Converter'. Istilah ini membantu membedakan kegiatan VÖEST dan ÖAMG hingga certain extent.

Pada 9 Desember, 1949 direktur utama VOEST Heinrich Richter-Brohm mengambil keputusan yang tidak bebas risiko untuk membangun pabrik baja LD pertama. Tidak lama setelah ini dan setelah klarifikasi pertanyaan tentang metode produksi untuk grade baja yang lebih keras, diputuskan untuk membangun pabrik LD di Donawitz juga. Paten pertama untuk proses diajukan pada tahun 1950.

Dalam laporan penelitian dan jaminan kualitas tahunan 1951, telah dinyatakan bahwa 'selama tahun ulasan pekerjaan penelitian yang ekstensif diuntorkan pada grade baja LD, dan sebuah publikasi diterbitkan. Jenis baja ini diharapkan memiliki potensi besar dalam hal kualitas, dan khususnya akan memungkinkan baja dengan permukaan berkualitas tinggi digabungkan dengan formabilitas dingin yang baik untuk dihasilkan. Ini sangat penting untuk produksi lembar tipis, di mana sampai sekarang formabilitas dingin yang baik hanya mungkin jika beberapa cacat permukaan diterima (grade baja dibunuh). Namun baja dengan kekuatan leleh yang lebih tinggi juga dapat dihasilkan dengan sangat menguntungkan oleh proses pemurnian oksigen'.

Pada tahun 1951 menjadi mungkin di Linz untuk memurnikan logam panas dengan O2 murni dalam pembuatan baja menjadi proses inovatif, operasional andal untuk produksi baja berkualitas massal di Linz. Pengumuman proses baru dibuat untuk pertama kalinya pada Desember 1951, pada konferensi 'Pemurnian Baja dengan Oksigen Murni' dari Austrian Society for Metallurgy di Leoben. Pada konferensi Robert Durrer menyatakan bahwa dua pabrik metalurgi (Linz dan Donawitz) telah mengembangkan konsep meniup O2 dengan kemurnian tinggi pada logam panas domestik menjadi proses industri yang viable, dan mengucapkan selamat kepada mereka atas kesuksesan besar ini. Dengan pengumuman ini Austria menjadi negara pertama yang menghasilkan baja dalam skala industri dari logam panas dengan meniup O2 murni. Potongan silang converter LD sebelum dan selama peniupan O2 dalam kolam logam cair ditunjukkan pada Fig 2.

Fig 2 Potongan silang converter LD sebelum dan selama peniupan O2 dalam kolam logam cair

Pada 27 November, 1952 converter pertama dirintis di LD Steelworks 1 (Fig 3) di Linz yang merupakan tonggak dalam produksi baja dengan prinsip peniupan O2. Pada 5 Januari, 1953 pabrik LD Steelworks, yang pertama di dunia, secara resmi dibuka. Pada 17 Juni, 1953, LD Steelworks 1 di Linz telah menghasilkan 100.000 ton baja LD, dan pada awal Desember 1953 250.000 ton metrik baja dihasilkan. Pabrik LD Steelworks kedua mulai beroperasi pada 22 Mei, 1953 di Österreichisch-Alpine Montangesellschaft (ÖAMG) di Donawitz. Proses, yang sekarang telah berkembang hingga maturitas operasional penuh, melebihi semua ekspektasi baik dalam kualitas baja yang dihasilkan maupun kelayakan ekonomisnya.

Fig 3 Potongan melalui gedung converter dari LD Steelworks 1 di VÖEST

Kondisi metalurgi yang sangat menguntungkan dalam proses ini menghasilkan besi kasar bebas O2 sehingga tidak diperlukan deoksidasi. Baja ini adalah baja gas rendah, nitrogen (N2) rendah, bebas fosfor (P), sulfur (S), dan elemen pendamping yang tidak diinginkan. Dalam propersi teknisnya, khususnya formabilitas dingin, baja yang dihasilkan di converter LD jelas lebih unggul dari baja yang dihasilkan oleh proses dapur terbuka. Proses LD juga mampu menyediakan grade baja struktural dengan kualitas luar biasa. Baja yang dihasilkan di converter LD telah memberikan hasil yang luar biasa dalam struktur yang dilas yang tunduk pada beban yang sangat berat. Coil lebar baja yang dihasilkan di converter LD disediakan dalam kuantitas besar ke pabrik giling dingin baik di Jerman maupun di luar negeri.

Singkatan LD untuk Linz-Donawitz yang biasanya digunakan saat ini diadopsi secara resmi pada tahun 1958. Nama LD dipilih karena VÖEST di Linz dan ÖAMG di Donawitz telah mengembangkannya hingga maturitas skala industri.

Pada Agustus 1954 Dominion Foundries & Steel, Ltd. dari Kanada menjadi korporasi pertama di luar Jerman yang mengoperasikan pabrik baja LD. Ia memiliki dua converter 60 ton. Diikuti pada tahun yang sama oleh McLouth Steel Corp. di AS, yang memulai pabrik bajanya LD dengan bantuan direktur pabrik VÖEST Rudolf Rinesch. Pada September 1956, perusahaan ketiga di luar Jerman untuk memulai operasi LD adalah Société des Aciéries de Pompey, Prancis, dengan converter 15 ton. Pada tahun 1957, lima pabrik baja LD dirintis di Jerman Barat, Jepang, Brazil dan AS lima lagi ditambahkan ke total pada tahun 1958, dua pada tahun 1959 di Rourkela India, dan delapan pada tahun 1960. Pada tahun 1960 lebih banyak pabrik baja LD sedang dibangun dibandingkan yang telah dibangun sampai saat itu, di AS, Jepang, Spanyol, Portugis, Italia (perpanjangan pabrik yang ada), Jerman Barat, Brazil, Inggris, Skotlandia, Norwegia, Argentina, Australia (1961), dan Prancis.

Inovasi teknis dalam proses manufakturnya, terutama dalam proses pemurnian dan pencetakan, sangat penting untuk mencapai perbaikan berkelanjutan dalam tingkat kualitas baja yang diperlukan untuk berbagai aplikasi. Karena ini telah terjadi juga peningkatan berkelanjutan dalam proses BOS sejak pengiriman pertama converter LD di Linz.

Proses LD asli terdiri dari meniup O2 di atas besi cair melalui nozel yang ditinjak air dari tongkat vertikal. Pada tahun 1960-an para pembuat baja mulai bekerja pada converter bottom-blown dan pengenalan peniupan gas inersia untuk mengaduk logam cair dalam converter dan penghapusan P terpencil

Pada awal tahun 1970-an perkembangan lebih lanjut dalam pembuatan baja BOS terjadi dengan peniupan O2 bawah dengan penggunaan tuyere yang dilindungi oleh gas hidrokarbon atau minyak bakar. Setelah memiliki pengalaman dengan dua jenis converter ini, vessel combined top-and-bottom blowing dikembangkan. Dan pada akhir tahun 1970-an, mixed blowing diperkenalkan dalam converter proses BOS. Sebagian besar converter yang sekarang digunakan di dunia adalah tipe combined.

Inhomogenities dalam komposisi kimia dan suhu tercipta dalam leleh selama peniupan O2 dalam converter top-blown karena kurangnya pencampuran dalam kolam logam. Ada zona mati yang relatif langsung di bawah ruang jerak dalam converter. Kebutuhan untuk meningkatkan proses pembuatan baja dalam converter top-blown telah mengarah pada pengembangan proses blowing gabungan. Praktik blowing gabungan pertama yang diterima secara komersial adalah proses LBE (Lance Bubbling Equilibrium) yang dikembangkan oleh ARBE-IRSID. Proses ini lebih terkait erat dengan proses BOF karena semua oksigen disuplai dari tongkat atas. Aspek blowing gabungan dicapai oleh serangkaian elemen porous yang dipasang di dasar converter melalui mana argon atau nitrogen ditiup. Dalam proses LBE gas nitrogen biasanya digunakan hampir secara eksklusif untuk sebagian besar peniupan dalam rentang 3 -11 N Cum/min. Namun di bagian akhir peniupan ketika penyerapan nitrogen dapat menjadi masalah, gas argon digunakan untuk mengaduk. Selain itu, argon digunakan hampir secara eksklusif sebagai gas inersia untuk pengadukan post blow, pada saat ini laju ditingkatkan menjadi 10-17 N Cum/min.

Selama tahun awal dari proses converter LD, gas atas sepenuhnya dibakar di mulut converter melalui hood terbuka dan kemudian mendingin di stack secara tidak langsung dengan air atau sistem pendingin evaporasi. Pada waktu itu sekitar 300 Kg uap dan 250 Cu m gas buang per ton besi kasar dihasilkan.

Aspek lingkungan adalah tantangan serius untuk proses converter pada saat diterapkan secara industri pada tahun 1950-an. Kehalusan debu dalam gas buang converter memaksa penyedia proses untuk mengembangkan sistem dedusting baru. 1 gram debu converter memiliki luas permukaan yang terlihat antara 300 hingga 500 Sq m. Untuk umumnya menghindari efek optik 'brown fumes', debu harus dibersihkan dari sistem ke tingkat kurang dari 100 mg per meter kubik. Untuk ini baik sistem dedusting basah maupun kering digunakan. Tantangan menjadi lebih dan lebih menjadi peluang untuk proses converter seiring bertambahnya masalah lingkungan. Dan peluang ini membantu dalam mengembangkan sistem pemulihan gas converter with suppressed combustion. Saat ini kebutuhan ekonomi dan lingkungan bahwa energi dalam gas converter dan debu yang mengandung besi dikumpulkan dan secara efisien didaur ulang.

Selama awal tahun 60-an proses dikembangkan untuk memulihkan gas atas converter yang memiliki nilai kalor tinggi sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar gas di dalam pabrik. Ini telah dicapai melalui suppressed combustion. Peralatan proses yang dipasang di atas mulut converter memiliki fungsi untuk mendinginkan, membersihkan dan memulihkan gas converter dengan bantuan suppressed combustion. Dengan suppressed combustion dari gas atas converter, 70-100 Cu m gas converter per ton besi kasar dengan nilai kalor yang bervariasi dari 1600 -2000 Kcal/N Cu m gas dipulihkan. Selain 80 Kg/ton besi kasar uap juga dibuat dalam sistem pendingin evaporasi untuk gas atas diadaptasi.

Selama awal hari pembuatan baja oleh proses converter, brown fumes dari arung menunjukkan bahwa converter sedang bekerja. Saat ini sebagai hasil dari pemulihan dan sistem pembersihan gas converter, operasi converter hanya terdeteksi dari flare stack.

Sejak tahun 1977, sejumlah perbaikan telah dilakukan dalam desain vessel converter itu sendiri, dalam material tahan api dan praktik aplikasi tahan api, dan dalam desain tongkat oksigen dan nozel dasar dapur, yang sangat berkontribusi pada peningkatan efisiensi pembuatan baja dan konsumsi satuan bahan baku dan tahan api yang berkurang, semuanya berguna dalam memperpanjang umur dapur hingga beberapa ribu panas.

Saat ini ukuran converter telah ditingkatkan dan converter besar yang menampung hingga 350 ton metrik besi tersedia. Pada tahun 2014, dari total produksi besi kasar dunia sebesar 1669 juta ton, produksi besi kasar oleh proses BOS telah mencapai 1229 juta ton, yang berarti 73,7 % dari total produksi baja global.