Penggunaan Nut Coke dalam Blast Furnace

Penggunaan Nut Coke dalam Blast Furnace

Kokas metalurgi juga disebut kokas tanur sembur (BF) memainkan peran penting dalam pengoperasian BF yang stabil. Kokas BF memiliki ukuran tipikal 30 mm hingga 60 mm (beberapa tungku menggunakan kokas BF berukuran 40 mm hingga 80 mm) dan merupakan komponen besar dari biaya produksi logam panas (HM). Tingginya biaya ini disebabkan karena dihasilkannya persentase yang besar dari fraksi minus kokas selama produksi kokas BF di oven kokas. Fraksi minus ini dikenal sebagai coke wind (-10 mm) dan nut coke (10 mm hingga 30 mm). Seluruh kuantitas angin kokas umumnya dikonsumsi di pabrik sinter selama sintering bijih halus. Sebelumnya praktis tidak ada penggunaan nut coke di pabrik baja terintegrasi dan dijual ke pengguna lain. Prof. V. I. Loginov menyarankan pada tahun 1960-an untuk mengisi nut coke ke dalam BF yang dicampur dengan sinter. Meskipun ide ini berhasil diuji, namun ada penolakan awal untuk menggunakan nut coke di BF.

Namun, penggunaan nut coke di BF sebagai pengganti bagian dari BF coke sekarang dianggap sebagai teknologi yang sudah terbukti dan penambahan nut coke dalam beban bijih BF hampir menjadi praktik standar. Penggunaan nut coke sangat tergantung pada ketersediaannya. Konsumsi rata-rata bulanan nut coke lebih dari 100 kilogram per ton logam panas (kg/tHM) telah berhasil dicapai di beberapa BF. Analisis statistik dari indeks tahunan rata-rata dari beberapa BF Eropa telah menunjukkan bahwa pengenalan nut coke dalam beban BF memberikan faktor penggantian koefisien mendekati 1,0.

Dalam praktek pembuatan besi BF konvensional, beban besi (benjolan bijih, sinter dan pelet) dan kokas BF dibebankan dalam lapisan alternatif. Coke kacang biasanya diisi dalam BF dicampur dengan beban besi. Penambahan nut coke ke dalam lapisan beban besi BF (i) membantu dalam pemanfaatan yang efektif dari produk bernilai rendah yang dihasilkan selama karbonisasi batubara kokas, (ii) pengurangan konsumsi coke BF di BF, (iii) peningkatan Produktivitas BF,  (v) mengoptimalkan rezim dinamis gas dari operasi peleburan di BF, (v) meningkatkan indeks tekno-ekonomi BF karena pengurangan biaya produksi HM, dan (vi) mengurangi CO2 emisi karena kokas yang lebih rendah akan diproduksi di oven kokas. Gambar 1 menunjukkan perbandingan pengisian konvensional dan pengisian campuran nut coke dari beban bijih di BF.

Gbr 1 Perbandingan pengisian konvensional dan pengisian campuran nut coke dari beban bijih

Beberapa studi telah dilakukan dan berdasarkan studi ini banyak perubahan proses telah dilakukan untuk mengurangi konsumsi coke BF Selama produksi HM di BF. Studi yang berbeda telah menunjukkan bahwa pengisian campuran nut coke meningkatkan permeabilitas lapisan pelunakan dan leleh, serta pengurangan langsung. Dengan coke kacang, ada efek superior untuk fenomena ini. Pengoperasian banyak BF telah membuktikan kemungkinan penghematan kokas dan peningkatan produktivitas BF saat menggunakan nut coke yang dicampur dengan beban besi tetapi alasan dan mekanisme fenomena ini belum begitu jelas hingga saat ini. Pada dasarnya, tiga alasan dapat mempengaruhi penurunan kadar kokas. Ini adalah (i) peningkatan permeabilitas gas di 'zona kering' BF, (ii) peningkatan kondisi pengurangan beban besi, dan (iii) 'perlindungan' kokas metalurgi dari reaksi kehilangan larutan di poros BF karena reaktivitas yang lebih tinggi dari nut coke.

Di masa lalu, telah ditemukan bahwa sejumlah kecil nut coke yang dicampur dengan beban besi menghasilkan kinetika reduksi yang lebih baik, konsumsi reduktor yang lebih rendah, dan permeabilitas gas dan cairan yang lebih baik. Nut coke dibebankan sebagai pengganti coke BF biasa. Pemanfaatannya mempengaruhi beban besi terhadap rasio ketebalan dan permeabilitas lapisan kokas. Pemanfaatannya bervariasi dari BF ke BF. Interaksi nut coke dengan beban pada suhu rendah dan tinggi adalah penting. Jika nut coke diisi lebih dari jumlah optimum maka menyebabkan nut coke yang tidak terpakai turun ke bagian bawah BF. Ini memiliki efek yang merugikan pada perapian BF karena butiran kokas kacang yang tidak dikonsumsi menumpuk dan mencekik zona deadman. Choked deadman mengganggu kualitas HM dan produktivitas BF. Efek ini lebih parah ketika BF beroperasi dengan laju injeksi batubara yang tinggi. Idealnya nut coke dikonsumsi sepenuhnya sebelum zona kohesif. Gambar 2 menunjukkan perbandingan operasi BF tanpa dan dengan nut coke dalam beban BF.

Gbr 2 Perbandingan operasi BF tanpa dan dengan nut coke dalam beban BF

Sebuah studi yang dilakukan pada pengaruh ketebalan lapisan sinter dan kokas dan campuran sinter-nut coke pada permeabilitas gas pada suhu di kisaran 1.100 derajat C sampai 1.600 derajat C telah menunjukkan bahwa ketebalan lapisan sinter dan bijih berkurang, penurunan tekanan berkurang. Pencampuran 90 gram (g) nut coke dalam 1.400 g sinter mampu menurunkan pressure drop pada 1.400 derajat C dari 380 mm WC (kolom air) menjadi sekitar 50 mm WC. Kesimpulan dari penelitian ini adalah penerapan teknologi high ratio nut coke mixed charging di BF menghasilkan peningkatan permeabilitas gas di zona kohesif.

Pada penelitian lain, segregasi nut coke dan distribusi radial pada sistem pengisian sebelum masuk ke BF telah disimulasikan menggunakan Metode Elemen Diskrit. Telah dilaporkan bahwa keseimbangan keliling massa nut coke dalam hopper pengisian merupakan faktor yang sangat penting yang mempengaruhi distribusi nut coke. Telah ditemukan bahwa penerapan stabilizer pada ujung saluran pengisian adalah metode yang efisien untuk menghindari segregasi nut coke.

Di beberapa BF, telah dipelajari perubahan proses reduksi dengan menggunakan nut coke-ore mixed charging. Telah ditemukan bahwa reduksi langsung dapat dipromosikan di zona kohesif dan dihambat di perapian dan, karenanya, pemanasan perapian ditingkatkan. Efek kokas kacang pada konsumsi kokas tergantung pada karakterisasi kokas kacang dan kokas BF. Pengaruh dua peran terpisah dari nut coke sebagai zat pereduksi dan sebagai pengatur jarak telah dipelajari. Telah ditemukan bahwa karena ukuran nut coke di lapisan beban bijih memungkinkan nut coke dikonsumsi terutama untuk meregenerasi gas CO, dan BF coke terlindungi dari degradasi dan karenanya meningkatkan permeabilitas unggun. Konsumsi nut coke yang disukai oleh reaksi kehilangan larutan tergantung pada ukuran nut coke. Gambar 3 memberikan perbandingan pengisian konvensional dan pengisian campuran nut coke dari beban bijih di BF.

Gbr 3 Perbandingan pengisian konvensional dan pengisian campuran nut coke dari beban bijih di BF

Penggantian coke BF dengan tingkat yang lebih tinggi dengan nut coke selalu diinginkan, tetapi dengan penggunaan nut coke yang sangat tinggi, selalu ada risiko nut coke yang tidak dikonsumsi masuk ke bagian bawah BF, yang dapat mengakibatkan kematian orang mati tersedak. dan perapian. Dalam sebuah studi berdasarkan pemodelan matematika dan eksperimen, telah disimpulkan bahwa ketika tingkat kokas kacang rendah, itu benar-benar dikonsumsi oleh reaksi gasifikasi dan itu mengarah pada permeabilitas yang lebih baik. Tetapi ketika tingkat kokas kacang sangat tinggi, itu tidak dikonsumsi sepenuhnya oleh reaksi gasifikasi. Itu terus ada di bagian bawah BF dan menyebabkan peningkatan penurunan tekanan dari unggun kemasan kokas. Berdasarkan pengalaman operasional BF, peningkatan pemanfaatan nut coke melebihi konsentrasi optimum tertentu mempengaruhi kapasitas drainase perapian, dan menghasilkan laju peleburan yang buruk dan produktivitas BF yang lebih rendah.

Dalam studi simulasi lain dari zona orang mati di perapian BF, telah diperhatikan bahwa kekosongan lebih penting daripada diameter kokas di zona orang mati. Kekosongan yang rendah di zona deadman dapat menyebabkan penetrasi gas panas yang lebih rendah ke wilayah BF yang lebih rendah dan mengembangkan zona suhu rendah di area deadman. Generasi denda dan akumulasinya tidak diinginkan untuk zona deadman permeabel. Juga terlihat bahwa butiran halus kokas yang ada di bagian bawah BF menyebabkan peningkatan penurunan tekanan dan peningkatan penurunan tekanan ini lebih tinggi daripada besarnya penurunan penurunan tekanan di zona kohesif karena nut coke. Dengan demikian, penurunan tekanan keseluruhan meningkat di BF.

Temuan di atas dengan jelas menunjukkan bahwa ada jumlah optimum nut coke di atas yang manfaat penggunaan nut coke sedikit, apalagi ini juga dapat menyebabkan beberapa kelainan pada perilaku BF dan menghambat produksi.

Efek pengisian nut coke dengan beban besi

Pengisian nut coke dengan beban besi di tanur tinggi memiliki efek berikut pada kerja BF.

Peningkatan permeabilitas – Permeabilitas adalah parameter yang dikendalikan oleh volume ledakan dan penurunan tekanan kolom poros. Di bawah kondisi konstan volume ledakan, permeabilitas dapat ditingkatkan dengan mengurangi penurunan tekanan. Permeabilitas unggun merupakan salah satu faktor terpenting dalam pengoperasian BF. Produktivitas BF dapat ditingkatkan dengan asupan ledakan yang lebih tinggi dan karenanya membutuhkan permeabilitas gas yang memadai. Permeabilitas gas unggun menentukan aliran gas pereduksi dalam BF. Cara mengurangi aliran gas di BF memiliki pengaruh pada produktivitas. Diyakini bahwa penurunan tekanan dapat dikurangi dengan menambahkan nut coke ke dalam beban besi.

Penggunaan nut coke dengan beban besi memiliki keuntungan permeabilitas yang lebih baik di zona kering BF. Penambahan nut coke dalam beban besi memiliki efek positif pada permeabilitas gas. Efek menguntungkan dari penambahan nut coke terhadap beban besi pada permeabilitas kurang signifikan jika rasio pencampuran nut coke rendah. Dengan menggunakan sekitar 10% dan 20% nut coke dalam beban besi, produktivitas BF dapat ditingkatkan masing-masing sebesar 1,5% dan 2,5%.

Sebuah penelitian dilakukan selama dua periode di BF. Periode pertama dioperasikan dengan pengisian konvensional tanpa nut coke dan periode kedua dioperasikan dengan pengisian beban besi dengan nut coke. Dalam kedua periode jumlah bijih tetap sama. Telah ditemukan bahwa lompatan tekanan gas BF meningkat dan bervariasi dengan jumlah nut coke. Pengoperasian BF lebih merata dengan meningkatnya persentase nut coke. Output BF juga meningkat dan alasan utama untuk output yang lebih tinggi adalah pengurangan konsumsi coke BF. Kapasitas pemanasan dan pengurangan aliran gas dimanfaatkan sepenuhnya karena distribusi gas tungku yang lebih baik dan pengoperasian tungku yang lebih merata.

Dalam studi lain dari operasi BF menggunakan sejumlah besar nut coke dicampur dengan beban bijih, telah disimpulkan bahwa penambahan nut coke ke dalam lapisan beban bijih mencegah penurunan permeabilitas di bagian bawah BF. Telah disimpulkan dari penelitian bahwa BF coke normal tetap besar di bagian bawah sebagai akibat reaksi kehilangan larutan selektif nut coke dan permeabilitas lapisan kohesif tetap baik karena pengisian nut coke dengan besi. beban.

Studi lain telah dilakukan pada sifat-sifat lapisan beban bijih yang terdiri dari bijih dan kokas kacang. Dua metode untuk mencampur lapisan telah digunakan dalam penelitian ini. Yang pertama adalah mengubah ketinggian dan memiliki lebih banyak jumlah lapisan. Yang kedua adalah mengubah jumlah nut coke menjadi lapisan bijih. Telah diketahui bahwa penurunan tekanan menurun dengan penurunan tinggi lapisan (peningkatan jumlah lapisan) dan puncak menghilang di bawah kondisi lebih dari 3 lapisan. Penurunan tekanan menurun dengan cepat dengan peningkatan jumlah nut coke. Diperkirakan bahwa karburisasi terjadi pada antarmuka sinter dan kokas. Ketika logam meleleh di perbatasan, gas terutama melewati kokas dan sekitarnya dan permeabilitas lapisan yang dikemas cukup dipertahankan. Umumnya diyakini bahwa semakin besar rongga pada lapisan beban, semakin tinggi permeabilitasnya. Namun, melalui studi dinamika gas, telah ditemukan bahwa ketika nut coke dicampur dalam lapisan beban, voidage berkurang, tetapi permeabilitasnya meningkat jika dibandingkan dengan pengisian konvensional bijih tanpa nut coke. Oleh karena itu, baik rongga dan struktur rongga harus dipertimbangkan saat mempelajari permeabilitas beban.

Penambahan nut coke ke dalam lapisan bijih dapat mengurangi tahanan gas dari zona kohesif. Penurunan resistensi permeabilitas gas karena campuran coke menambah rongga baru pada lapisan bijih.

Kinetika reduksi

Beban besi dalam BF terutama terdiri dari Fe2O3 dan Fe3O4. Menghilangkan oksigen (O2) dari beban bijih disebut reduksi. Proses BF didasarkan pada perilaku reduksi bahan beban besi. Tingkat reduksi dan tingkat reduksi mempengaruhi produksi BF secara langsung. Suhu zona cadangan termal di BF kira-kira konsisten dengan suhu awal reaksi Boudouard (kehilangan larutan) kokas (C + CO2 =2CO), yang melibatkan reaksi endotermik intensif. Reaksi Boudouard mengontrol keseluruhan reaksi di dalam BF. Jika suhu awal zona cadangan termal dapat diturunkan, konsentrasi kesetimbangan reaksi reduksi FeO-Fe (FeO + CO =Fe + CO2) dialihkan ke efisiensi pemanfaatan gas CO yang lebih tinggi. Hal ini menghasilkan peningkatan efisiensi pemanfaatan gas CO di bagian atas BF dan penurunan konsumsi bahan pereduksi.

Tingkat reduksi oksida besi yang lebih tinggi diinginkan untuk produktivitas BF yang lebih tinggi. Dalam sebuah penelitian, berdasarkan analisis eksperimental pada reduksi oksida besi dari 900 derajat C menjadi 1200 derajat C, telah disarankan bahwa laju reaksi yang mengendalikan reduksi adalah oksidasi karbon. Reduksi oksida besi terjadi dalam dua tahap. Pada tahap pertama direduksi dari Fe3O4 menjadi FeO dan pada tahap kedua direduksi lebih lanjut dari FeO menjadi Fe. Laju reaksi reduksi pertama lebih cepat daripada reaksi kedua. Pada tahap akhir reduksi FeO oleh karbon (C), laju reduksi semakin menurun karena terbentuknya fayalitic (FeO.SiO2) slag. Fenomena 'retardasi reduksi' terutama terjadi selama dan setelah pelunakan beban besi. Sebuah studi atas dasar pengamatan eksperimental menegaskan bahwa pada suhu tinggi (lebih tinggi dari 1100 derajat C) beban besi tanpa nut coke menderita 'retardasi reduksi', tetapi dalam beban besi yang dicampur dengan nut coke fenomena ini tidak diamati. Untuk tingkat reduksi yang lebih tinggi, telah ditemukan bahwa ukuran nut coke sebanding atau lebih kecil dari ukuran beban besi

Perilaku melunak dan meleleh – Daerah di mana bijih mulai melunak dan meleleh dikenal sebagai zona kohesif. Pelunakan dan pelelehan adalah fenomena fisik dan perubahan kimia dalam perilaku zona kohesif yang terkait dengan lokasi dan bentuk zona kohesif dan aliran gas, dan memiliki pengaruh penting pada operasi BF.

Zona kohesif yang lebih tipis diinginkan untuk penurunan tekanan yang lebih rendah dan permeabilitas yang lebih baik di BF. Hal ini dapat dicapai dengan beban besi yang memiliki perbedaan suhu yang lebih kecil antara pelunakan dan lelehnya. Ketebalan zona kohesif juga dapat diubah dengan mencampurkan nut coke dalam beban besi. Dengan melakukan percobaan suhu tinggi dengan nut coke dicampur dengan beban besi dalam sebuah penelitian, telah ditemukan bahwa pelunakan dan suhu leleh meningkat masing-masing sebesar 86 derajat C dan 15 derajat C. Perbedaan suhu pelunakan dan leleh ditekan oleh 71 derajat C. Ini menunjukkan pembentukan zona kohesif yang lebih tipis dengan beban besi campuran nut coke.