Mikrosilika untuk Castable Trough Tanur Tiup: Pemilihan per Zona

I. Logika desain bahan yang sama sekali identik tidak dapat diterapkan pada bagian-bagian yang berbeda dari trough utama tanur tiup

Sistem trough utama tanur tiup tanur tiang tinggi biasanya mencakup zona penerima lubang pengeluaran besi, zona benturan saluran utama, bagian tengah hingga belakang saluran utama, pemisah terak, saluran cabang, saluran terak, serta nosel aliran berayun atau saluran miring. Meskipun bagian-bagian ini berada dalam lingkungan besi cair atau terak bersuhu tinggi, namun media yang bersentuhan, kecepatan aliran, tingkat turbulensi, fluktuasi suhu, dan metode pemeliharaannya tidaklah sama.

Tinjauan terkait menunjukkan bahwa kerusakan lapisan tahan api saluran pelepasan besi bukanlah sekadar abrasi mekanis, melainkan hasil interaksi antara geseran fluida, tegangan termal, oksidasi, erosi terak cair, dan perpindahan massa. Di dekat garis logam saluran utama, proses yang dominan umumnya adalah oksidasi dan reaksi antarmuka besi cair–terak, sedangkan di garis terak, prosesnya lebih dipengaruhi oleh pelarutan terak, penetrasi, dan perpindahan massa.

Oleh karena itu, peran mikrosilika dalam bahan cor trough utama tanur tiup tidak dapat disederhanakan hanya sebagai “peningkatan kekuatan”. Bubuk ini tidak hanya mengoptimalkan distribusi ukuran partikel dan mengurangi porositas matriks. tetapi juga memengaruhi fase cair pada suhu tinggi, pembentukan mullit, ketahanan terhadap oksidasi, serta ketahanan terhadap terak. Setiap bagian memerlukan keseimbangan yang berbeda antara kepadatan, stabilitas termal, ketahanan terhadap oksidasi, dan pengendalian fase cair pada suhu tinggi.

II. Peran Utama Silika Mikro dalam Castable Trough Tanur Tiup Al₂O₃–SiC–C

1. Mengoptimalkan distribusi ukuran partikel matriks dan kinerja pemasangan

Serbuk silika mikro terdiri dari partikel berukuran submikron yang dapat mengisi celah di antara partikel korundum halus, aluminium oksida aktif, dan partikel semen. Dalam kondisi sistem dispersi yang tepat, hal ini membantu meningkatkan kepadatan tumpukan matriks sekaligus mengurangi jumlah air yang ditambahkan selama konstruksi tanpa mengorbankan kelancaran aliran.

Sebuah penelitian industri mengenai bahan saluran besi berhasil menurunkan kadar air campuran cor dari 5,2% menjadi 4,4% melalui optimalisasi distribusi ukuran partikel dan sistem dispersi, sementara nilai aliran tetap relatif stabil. Kadar air yang lebih rendah menghasilkan porositas tampak yang lebih rendah dan struktur yang lebih padat. serta memperpanjang interval pemeliharaan dalam uji coba saluran utama industri. Penelitian ini menunjukkan bahwa nilai sistem bubuk mikro tidak hanya bergantung pada kemurnian kimiawi, tetapi juga pada distribusi ukuran partikel, bahan pendispersi, dan desain matriks secara keseluruhan.

2. Peran dalam Pengikatan Suhu Tinggi dan Perlindungan Antioksidasi

Penelitian menunjukkan bahwa mikrosilika dalam jumlah yang tepat pada bahan cor Al₂O₃–SiC–SiO₂–C dapat membentuk fase cair kaya SiO₂ dengan viskositas tinggi, yang selanjutnya bereaksi dengan Al₂O₃ untuk membentuk mullit. Fase cair kaya silikon ini mampu menutup sebagian saluran pori, sehingga memperlambat difusi oksigen ke dalam material. perubahan volume yang menyertai pembentukan mullit juga dapat mengkompensasi penyusutan sintering hingga batas tertentu, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap oksidasi.

Namun, hal ini tidak berarti bahwa semakin banyak mikrosilika, semakin baik. Mikrosilika yang berlebihan atau tidak terdispersi dengan baik dapat meningkatkan jumlah air yang ditambahkan, membentuk fase cair dengan titik leleh rendah yang berlebihan, atau menyebabkan bahan mengalami sintering berlebihan pada suhu menengah hingga tinggi, yang pada akhirnya memengaruhi stabilitas termal.

3. Mikrosilika tidak boleh dipilih hanya berdasarkan kemurnian SiO₂

Sebuah penelitian tentang bahan pengisi saluran besi yang diterbitkan pada tahun 2023 membandingkan tiga jenis mikrosilika dengan kandungan SiO₂ nominal sebesar 93%, 96%, dan 99%. Hasilnya menunjukkan bahwa sampel mikrosilika 99% dalam percobaan tersebut memiliki jumlah air yang ditambahkan paling tinggi, kepadatan volume terendah, porositas tampak tertinggi, serta ketahanan terhadap oksidasi terburuk. sampel mikrosilika 93% memiliki kekuatan lentur pada suhu tinggi terendah. sedangkan sampel mikrosilika 96% memiliki ketahanan terhadap terak dan kinerja komprehensif terbaik.

Perlu ditekankan bahwa hasil ini tidak dapat ditafsirkan sebagai “semua mikrosilika 99% tidak cocok untuk bahan cor saluran besi”. Ketiga produk tersebut tidak hanya memiliki komposisi kimia yang berbeda, tetapi juga distribusi partikel dan kandungan pengotor yang berbeda. Kesimpulan yang sebenarnya didukung oleh makalah ini adalah: mikrosilika untuk bahan cor saluran besi harus dievaluasi secara komprehensif berdasarkan distribusi ukuran partikel, dispersi, kadar air, komposisi pengotor, dan perilaku reaksi pada suhu tinggi, dan tidak boleh hanya membandingkan angka SiO₂.

III. Kondisi Operasional di Berbagai Bagian dan Fokus Penerapan Mikrosilika

1. Zona Penampung Lubang Keluar Besi dan Zona Benturan Saluran Utama

Bagian depan saluran utama secara langsung menanggung benturan aliran besi dari lubang keluaran, dan merupakan salah satu area dengan kondisi operasi paling ekstrem di seluruh sistem saluran keluaran besi. Analisis pasca-operasi industri biasanya menyebut area dengan jarak sekitar 3–6 meter dari lubang keluaran sebagai zona turbulensi atau zona kritis. Area ini sekaligus menanggung benturan besi cair dan terak bersuhu tinggi, turbulensi yang kuat, tersedotnya gas, benturan panas periodik, serta erosi berulang akibat aliran balik besi cair.

Penelitian CFD menunjukkan bahwa gaya geser yang dialami dasar saluran utama umumnya lebih tinggi daripada dinding sampingnya, sedangkan tegangan geser dan tegangan panas di dekat titik jatuhnya besi cair jauh lebih tinggi daripada di area lain. pada model saluran utama tertentu, tegangan panas maksimum terjadi sekitar 4 meter di bagian depan saluran utama, yang secara umum sejalan dengan area dengan masa pakai terpendek di lokasi.

Tujuan utama penggunaan mikrosilika di bagian ini meliputi:

Mengurangi jumlah air yang ditambahkan selama konstruksi, meningkatkan kepadatan matriks, dan meningkatkan ketahanan terhadap penetrasi besi cair;
meningkatkan integritas ikatan antara agregat dan matriks, serta mengurangi pelepasan partikel akibat benturan;
Memperlambat oksidasi karbon dan SiC melalui pembentukan fase silika yang cukup dan mullit;
Meningkatkan aliran beton cor, serta memastikan kelancaran konstruksi di bagian dasar saluran, sudut belokan, dan dinding samping.

Namun, pada zona benturan tidak boleh hanya mengejar porositas yang sangat rendah dan kekuatan sinter yang tinggi secara sepihak. Matriks yang terlalu padat atau mengandung terlalu banyak fase cair dapat meningkatkan risiko drainase selama proses pemanasan. serta menimbulkan tegangan termal yang tinggi akibat siklus panas berulang. Oleh karena itu, area ini lebih membutuhkan keseimbangan antara ketahanan terhadap erosi, ketahanan terhadap oksidasi, stabilitas termal, dan keamanan selama pemanasan, daripada sekadar meningkatkan takaran mikrosilika.

2. Bagian tengah hingga belakang saluran utama: Garis logam dan garis terak perlu dipertimbangkan secara terpisah

Intensitas turbulensi di bagian tengah hingga belakang saluran utama biasanya lebih rendah daripada di zona benturan, tetapi waktu kontak besi cair dan terak dengan lapisan tahan api lebih lama. Di sini, perlu dilakukan pembedaan lebih lanjut antara jalur logam, jalur terak, dan dasar saluran.

Daerah jalur logam

Alur logam terletak di dekat perbatasan antara besi cair, terak, dan bahan tahan api, sehingga rentan terhadap terjadinya oksidasi karbon, oksidasi SiC, erosi FeO, dan penetrasi fase cair secara bersamaan. Analisis pasca-proses industri menunjukkan bahwa garis logam mungkin membentuk fase olivine besi dengan titik leleh rendah yang mengandung FeO dan SiO₂. ketika terak mengandung banyak komponen basa seperti K₂O, viskositas dan suhu pelunakan terak mungkin menurun, yang selanjutnya mendorong penetrasi dan perpindahan massa, serta mempercepat keausan SiC.

Peran positif mikrosilika pada kawat logam terutama terletak pada pengpadatan matriks, pemblokiran jalur penetrasi oksigen dan cairan peleburan, serta mendorong pembentukan ikatan silikat atau mullit pelindung tertentu. Namun, jika total SiO₂ dalam sistem terlalu tinggi, dan pada saat yang sama terdapat banyak FeO atau oksida logam alkali, hal ini juga dapat meningkatkan risiko pembentukan fase silikat titik leleh rendah.

Oleh karena itu, bahan kawat logam perlu mengontrol secara bersamaan:

kadar SiO₂ total yang dibawa oleh mikrosilika dan bahan baku lainnya;
reaksi yang terjadi setelah masuknya FeO, MnO, dan oksida logam alkali;
sistem antioksidasi SiC dan karbon;
struktur pori matriks dan viskositas fase cair pada suhu tinggi.

Daerah garis terak

Garis terak terutama mengalami erosi oleh terak tanur tiup yang mengandung CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂, serta sedikit FeO dan oksida logam alkali. Penelitian pasca-penggunaan industri menunjukkan bahwa terak dapat bereaksi dengan Al₂O₃ dan SiO₂ dalam bahan cor, menghasilkan fase seperti kalsium feldspar dan kalsium-aluminium feldspar. Sebagian produk reaksi memiliki titik leleh yang rendah, sehingga mudah melemahkan matriks dan mempercepat pelepasan agregat.

Di garis terak, mikrosilika di satu sisi mengurangi penetrasi terak dengan menurunkan porositas. di sisi lain, mikrosilika juga merupakan salah satu sumber SiO₂ dalam sistem reaksi terak-bahan tahan api. Oleh karena itu, penggunaan mikrosilika di garis terak harus menyeimbangkan antara “manfaat pemadatan fisik” dan “risiko reaksi kimia pada suhu tinggi”.

Untuk terak dengan kandungan FeO tinggi, alkali tinggi, atau fluktuasi yang besar, kesesuaian mikrosilika tidak dapat dinilai hanya berdasarkan kekuatan pada suhu kamar. perlu dilakukan uji cawan statis terak aktual, uji erosi rotasi, atau uji erosi dinamis.

3. Skimmer Terak dan Zona Transisi Sebelum dan Sesudahnya

Pengambil terak bertugas memungkinkan besi cair yang lebih padat mengalir melalui bagian bawah, sekaligus mengarahkan terak ke saluran terak. Di bagian depannya, mudah terjadi penumpukan cairan, aliran balik, dan turbulensi, sedangkan di bagian belakangnya terjadi percepatan aliran besi cair, perubahan arah aliran, dan erosi lokal.

Penelitian terkait pola aliran menunjukkan bahwa di sekitar pemisah terak akan muncul turbulensi yang jelas. sudut bendungan, ketinggian bukaan, serta posisi relatif pemisah terak terhadap lubang pembuangan terak semuanya memengaruhi tegangan geser pada dinding, efektivitas pemisahan terak dan besi, serta masa pakai pemisah terak.

Fokus penerapan mikrosilika pada bagian ini adalah:

meningkatkan fluiditas bahan cor dan integritas pembentukan struktur yang kompleks;
mengurangi porositas pada bukaan, sudut belokan, dan sambungan komponen pra-cetak;
meningkatkan ketahanan komprehensif bahan terhadap penetrasi terak dan erosi air besi;
Memperbaiki ikatan antara bahan perbaikan dan lapisan sisa.

Pada bagian penghilang terak, biasanya tidak dapat hanya menggunakan “bahan saluran utama berkekuatan tinggi” sebagai pengganti bahan khusus. Desain struktur bagian ini, dimensi komponen pracetak, ketahanan terhadap tekukan, dan stabilitas termal sama pentingnya dengan sistem mikrosilika.

4. Trough Cabang untuk Besi Cair

Besi cair memasuki saluran penampung setelah melewati alat penghilang terak. pada tahap ini, kandungan terak biasanya berkurang secara signifikan, sehingga bahan terutama bersentuhan dengan besi cair bersuhu tinggi. Faktor-faktor utama yang menyebabkan kerusakan meliputi erosi besi cair yang berkelanjutan, keausan lokal di tikungan dan titik percabangan, siklus pemanasan dan pendinginan, penetrasi besi cair, serta oksidasi setelah saluran dihentikan.

Dalam literatur ilmiah yang tersedia saat ini, penelitian perbandingan industri yang secara langsung menguji “skema mikrosilika yang berbeda pada saluran cabang” masih terbatas. Oleh karena itu, uraian berikut merupakan analisis teknik yang didasarkan pada mekanisme material saluran utama dan kondisi operasional saluran cabang:

Silikon mikro harus difokuskan untuk meningkatkan kepadatan matriks, keseragaman pemasangan, dan ketahanan terhadap penetrasi besi cair;
tidak disarankan untuk mengejar kekuatan sinter yang terlalu tinggi melalui fase cair yang berlebihan, guna menghindari penurunan stabilitas termal akibat siklus pengoperasian berulang;
Pada tikungan, penurunan ketinggian, dan titik percabangan, perlu diperkuat desain gradasi agregat serta ketahanan matriks terhadap erosi;
Untuk area yang terpapar udara setelah saluran dihentikan, perlindungan antioksidasi karbon dan SiC harus menjadi prioritas.

Pemilihan mikrosilika untuk saluran penopang biasanya dapat lebih mengutamakan penggunaan air yang rendah, dispersi yang stabil, dan stabilitas volume, tanpa harus sepenuhnya meniru desain ketahanan terhadap terak yang tinggi seperti pada saluran terak utama.

5. Saluran Terak

Saluran terak terutama digunakan untuk mengangkut terak tanur tiup, yang suhunya biasanya lebih rendah daripada besi cair yang baru keluar dari lubang tuang, tetapi proporsi kontak antara terak dan bahan tahan api lebih tinggi, sehingga erosi kimiawi menjadi lebih menonjol. Bahan Al₂O₃–SiC–C banyak digunakan pada saluran utama dan saluran terak, karena SiC dan karbon memiliki daya basah yang rendah terhadap terak cair, sekaligus memiliki kinerja ketahanan termal dan ketahanan erosi yang baik.

Tugas utama penggunaan mikrosilika pada saluran terak adalah:

membentuk matriks yang padat, sehingga memperlambat penetrasi terak melalui pori-pori dan retakan mikro;
meningkatkan kelancaran pemasangan dan integritas permukaan saluran;
mendorong pembentukan mullit atau ikatan keramik dalam jumlah yang tepat, sehingga meningkatkan stabilitas struktur pada kondisi panas;
mengendalikan fase leleh rendah yang disebabkan oleh CaO, MgO, FeO, dan oksida logam alkali.

Dalam penelitian tahun 2023 yang disebutkan sebelumnya, sampel mikrosilika tertentu dengan kemurnian 96% menunjukkan kinerja ketahanan terhadap terak terbaik di antara ketiga kelompok bahan tersebut, yang sekali lagi menunjukkan bahwa mikrosilika untuk saluran terak harus mengutamakan kualitas komprehensif, bukan sekadar mengejar kemurnian tertinggi.

6. Spout dan Trough Miring

Nozel ayun terletak sebelum besi cair memasuki tangki torpedo atau wadah besi cair. selain menahan erosi oleh besi cair, nozel ini juga mengalami pergerakan miring, getaran, penuangan intermiten, benturan akibat perbedaan ketinggian lokal, dan perubahan suhu yang sering. Daerah di sekitar poros putar, ujung nozel, dan titik jatuhnya besi cair biasanya merupakan area konsentrasi tegangan mekanis dan termal.

Saat ini, bukti dari penelitian independen mengenai peran mikrosilika pada nozel ayun masih terbatas. oleh karena itu, tidak boleh diklaim bahwa jenis mikrosilika tertentu atau takaran pencampuran tetap telah terbukti sebagai yang terbaik berdasarkan penelitian. Dari sudut pandang teknik, mikrosilika terutama digunakan untuk:

mengurangi kadar air dalam campuran, serta meningkatkan kekuatan struktural awal;
meningkatkan homogenitas matriks, serta mengurangi penetrasi besi cair dan erosi lokal;
meningkatkan integritas pengecoran pada sudut dan bagian lemah nozel;
bekerja sama dengan gradasi agregat dan antioksidan, untuk menyeimbangkan ketahanan terhadap erosi dan stabilitas termal-termo-mekanis.

Bagian ini khususnya perlu menghindari sinterisasi berlebihan dan pengeroposan matriks; evaluasi material harus mencakup pengujian kekuatan sisa setelah guncangan termal, serta integritas struktur dalam kondisi erosi dinamis dan getaran.

IV. Prinsip Pemilihan Mikrosilika untuk Bahan Saluran Besi

Pertama, jangan menjadikan kemurnian SiO₂ sebagai satu-satunya standar

Kemurnian tinggi tidak berarti penggunaan air yang sedikit, dan juga tidak selalu berarti kepadatan volume yang tinggi serta ketahanan terhadap terak yang tinggi. Distribusi ukuran partikel, luas permukaan spesifik, kondisi aglomerasi, kehilangan berat akibat pembakaran, kandungan karbon, dan kontaminan logam alkali harus diuji secara bersamaan.

Kedua, mengontrol total SiO₂ dan fase cair suhu tinggi sesuai dengan bagian yang bersangkutan

Zona benturan memerlukan kepadatan tinggi, ketahanan terhadap erosi, dan ketahanan terhadap oksidasi. garis terak memerlukan pengendalian ketat terhadap fase lelehan rendah. saluran besi pendukung dan nosel ayun lebih menekankan ketahanan terhadap penetrasi logam cair, stabilitas termal, dan stabilitas volume. Bagian yang berbeda tidak boleh secara mekanis menggunakan formulasi matriks yang sama.

Ketiga, mengevaluasi mikrosilika bersama dengan seluruh sistem matriks

Efektivitas mikrosilika dipengaruhi secara bersama-sama oleh alumina aktif, semen, SiC, sumber karbon, silikon logam, B₄C, dispersan, dan jumlah air yang ditambahkan selama konstruksi. Membahas “mikrosilika terbaik” tanpa mempertimbangkan formulasi keseluruhan tidak memiliki makna ilmiah.

Keempat, takaran penambahan harus ditentukan melalui uji bahan aktual

Disarankan untuk mengevaluasi setidaknya nilai aliran dan jumlah air yang ditambahkan, kepadatan volume, porositas tampak, kekuatan pada suhu kamar, kekuatan lentur pada suhu tinggi, indeks ketahanan oksidasi, kekuatan sisa setelah guncangan termal, erosi terak aktual, dan kinerja pengeringan yang aman. Takaran pencampuran yang tetap tidak dapat langsung disalin dari satu makalah ke semua pabrik baja dan semua bagian.

Kesimpulan

Nilai mikrosilika dalam bahan pengisi trough utama tanur tiup tanur tiup pada dasarnya terletak pada pengaturan komprehensif terhadap struktur matriks dan proses reaksi suhu tinggi. Bahan ini mampu mengoptimalkan distribusi ukuran partikel, mengurangi penggunaan air selama konstruksi, meningkatkan kepadatan, serta meningkatkan ikatan keramik dan ketahanan terhadap oksidasi melalui fase cair yang kaya silikon dan pembentukan mullit.

Namun, mikrosilika juga akan mengubah kandungan SiO₂ total dalam sistem serta komposisi fase cair pada suhu tinggi. Dalam kondisi adanya intrusi FeO, CaO, MgO, atau oksida logam alkali, SiO₂ yang berlebihan atau tidak sesuai dapat berkontribusi pada pembentukan fasa dengan titik leleh rendah. Oleh karena itu. zona benturan saluran utama, garis logam, garis terak, pengangkat terak, saluran cabang, saluran terak, dan nosel ayun harus dirancang secara terpisah, dan tidak boleh hanya menggunakan satu jenis “mikrosilika kemurnian tinggi” untuk mencakup semua kondisi operasional.

Standar pemilihan yang benar-benar andal bukanlah kemurnian tertinggi atau kekuatan pada suhu kamar tertinggi, melainkan: apakah bahan tersebut dapat mempertahankan permeabilitas rendah, oksidasi rendah, kekuatan termal yang stabil, dan laju keausan yang terkendali dalam jangka panjang pada kondisi terak tertentu, suhu besi cair, sistem pengeluaran besi, dan siklus pemeliharaan.

Referensi Utama

Darban S. dkk., Mekanisme korosi bahan tahan api cor Al₂O₃-SiC-C oleh besi dan terak berdasarkan analisis post-mortem sampel industri, Open Ceramics, 2023, Nomor Artikel 100453.
Cao Z. dkk., “Pengaruh Asap Silika yang Berbeda terhadap Sifat Bahan Tahan Api Al₂O₃-SiC-C untuk Saluran Besi”, China’s Refractories, 2023, 32(2): 31–36.
Liu G. dkk., Pengaruh mikrosilika terhadap ketahanan oksidasi campuran refraktori Al₂O₃-SiC-SiO₂-C dengan aditif Si dan B₄C, *Ceramics International*, 2016.
Yao H. dkk., Analisis Numerik Erosi dan Optimalisasi Saluran Utama Tanur Tiup, *Materials*, 2021, 14: 4851.
Ranjan S. dkk., Tinjauan dan Analisis Proses Metalurgi di Saluran Utama Tungku Blast Furnace serta Kinerja Saluran, Transactions of the Indian Institute of Metals, 2022, 75: 589–611.
Domiciano V. G. dkk., Tantangan pada Bangunan Penuangan Tungku Blast Furnace: Analisis Kegagalan Bahan Tahan Api Cor pada Saluran Utama, Makalah Konferensi UNITECR.
Chang C. M. dkk., Analisis Numerik Terhadap Keausan Bahan Tahan Api di Saluran Utama Tungku Blast Furnace, Advances in Science and Technology, 2014, 92: 294–300.