Terak dan Perannya dalam Pembuatan Besi Blast Furnace

Terak dan Perannya dalam Pembuatan Besi Blast Furnace

Blast furnace (BF) adalah yang tertua (lebih dari 700 tahun) dari berbagai reaktor yang digunakan di pabrik baja. Ini digunakan untuk produksi besi cair (logam panas). Tanur sembur adalah reaktor arus berlawanan suhu tinggi yang kompleks dan berbentuk poros di mana bahan bantalan besi (bijih, sinter/pelet) dan kokas diisi secara bergantian di bagian atas bersama dengan bahan fluks (batu kapur, dolomit, dll.) untuk membuat beban berlapis di tungku. Udara yang dipanaskan sebelumnya dihembuskan dari bagian bawah tungku melalui tuyeres. Udara panas ini bereaksi dengan kokas untuk menghasilkan gas pereduksi. Beban bijih yang turun (oksida besi) direduksi oleh gas pereduksi yang naik dan dilebur untuk menghasilkan logam panas. Bahan gangue dan abu kokas meleleh membentuk terak dengan bahan fluks. Produk cair (logam panas dan terak) dikeluarkan (disadap) dari tungku pada interval tertentu melalui lubang keran. Kualitas logam panas yang diperoleh tergantung pada pembentukan terak dan transformasi mineraloginya. Terak berkualitas baik diperlukan untuk logam panas yang berkualitas. Terak adalah campuran senyawa kimia leleh rendah yang terbentuk dari reaksi kimia gangue beban bantalan besi dan abu kokas dengan bahan fluks di muatan. Semua senyawa tak tereduksi seperti silikat, aluminosilikat, dan kalsium alumino silikat, dll. juga bergabung dengan terak.

Telah diketahui dengan baik bahwa komponen terak yaitu silika (SiO2) dan alumina (Al2O3) meningkatkan viskositas sedangkan keberadaan kalsium oksida mengurangi viskositas. Zona leleh terak menentukan zona kohesif tanur sembur dan karenanya fluiditas dan karakteristik leleh terak memainkan peran utama dalam menentukan produktivitas tanur sembur. Awalnya terak kaya besi terbentuk dan setelah itu karena asimilasi kalsium oksida (CaO) dan magnesium oksida (MgO) dari bahan fluks, komposisi terak bervariasi. Saat terak menetes, ia mengasimilasi abu SiO2 dan Al2O3, yang dihasilkan dari pembakaran kokas. Proses trickling down bergantung pada fluiditas (viskositas rendah) terak, yang selanjutnya diatur oleh komposisi dan suhunya.

Terak harus memiliki afinitas untuk menyerap kotoran yaitu gangue dari muatan bersama dengan kotoran merusak lainnya yang mempengaruhi kualitas logam panas. Sangat penting untuk mengetahui perilaku terak dalam hal komposisi kimia, konstitusi mineralogi dan kemampuannya untuk bereaksi dan menjebak kotoran kecil. Juga terak harus mengalir bebas pada suhu operasi dengan pemisahan terak-logam yang tinggi tanpa menjebak logam. Oleh karena itu berbagai sifat produk akhir secara langsung dipengaruhi oleh komposisi terak. Dengan demikian sifat fisikokimia terak memainkan peran penting dalam pengoperasian tanur tinggi.

Terak akhir tanur sembur yang dihasilkan selama produksi logam panas terutama dianggap sebagai campuran dari empat oksida yaitu (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO, dan (iv) MgO. Komponen minor terak meliputi (i) oksida besi (FeO), (ii) oksida mangan (MnO), titanium oksida (TiO2), alkali (K2O dan Na2O), dan senyawa bantalan belerang. Ada empat jenis terak dengan komposisi berbeda yang diproduksi di berbagai daerah di dalam tanur tinggi. (Gambar 1). Ini adalah (i) terak primer, (ii) terak bosh, (iii) terak tuyere, dan (iv) terak akhir. Keempat jenis terak ini masing-masing dihasilkan di (i) zona kohesif, (ii) zona tetesan, (iii) raceway dan (iv) perapian. Ini adalah terak akhir yang disadap dan karenanya untuk penyadapan yang baik perlu memiliki fluiditas yang tepat (suhu liquidus rendah dan viskositas rendah).

Gbr 1 Jenis terak BF dan wilayah generasinya

Untuk kelancaran pengoperasian tanur sembur, terak diperlukan untuk memenuhi kondisi berikut.

• Volume terak harus serendah mungkin.
• Terak harus memiliki kapasitas untuk menghilangkan alkali,
• Ini untuk memenuhi persyaratan desulfurisasi.
• Komposisi terak primer harus seragam.
• Pembentukan terak harus dibatasi pada ketinggian tertentu dari tanur sembur dan terak harus stabil.
• Terak adalah untuk memberikan permeabilitas yang baik di zona pembentukan terak.
• Titik leleh terak tidak boleh terlalu tinggi atau terlalu rendah.
• Terak terakhir harus cukup cair sehingga memungkinkan untuk mengalirkannya melalui lubang keran,

Lapisan bahan bantalan besi mulai melunak dan meleleh di zona kohesif di bawah pengaruh agen fluks pada suhu yang berlaku yang sangat mengurangi permeabilitas lapisan yang mengatur aliran bahan (gas / padat) di tungku. Ini adalah zona di tungku yang terikat oleh pelunakan bahan bantalan besi di bagian atas dan peleburan dan aliran yang sama di bagian bawah. Temperatur pelunakan yang tinggi ditambah dengan temperatur aliran yang relatif rendah akan membentuk zona kohesif sempit di bagian bawah tanur sembur. Ini akan mengurangi jarak yang ditempuh oleh cairan di tungku di sana dengan mengurangi pengambilan silikon. Di sisi lain terak terakhir yang menetes ke bawah daerah bosh ke perapian tungku, akan menjadi terak pendek yang mulai mengalir segera setelah melunak. Jadi perilaku fusi merupakan parameter penting untuk mengevaluasi efektivitas terak BF.

Fluiditas terak dalam tanur tinggi mempengaruhi perilaku pelunakan-leleh di zona kohesif, permeabilitas di bagian bawah tungku karena penahan cairan di zona tetesan, aliran cairan di perapian tungku, dan kemampuan drainase terak melalui lubang keran. Ini juga mempengaruhi kemampuan desulfurisasinya. Fluiditas terak dipengaruhi oleh suhu dan komposisi, yang terakhir dipengaruhi oleh mineral gangue bijih dan bahan abu dari kokas dan batu bara yang dihancurkan.

Terak tanur sembur terutama milik tiga sistem terak yaitu (i) sistem tersier CaO– Al2O3–SiO2, (ii) sistem kuartener CaO– Al2O3–SiO2– MgO, dan (iii) sistem kuiner CaO– Al2O3–SiO2– MgO– TiO2. Umumnya, wilayah operasi utama terak tanur sembur untuk fluiditas yang baik dalam diagram liquidus sistem quinary (SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) adalah fase melilit (larutan padat akermanite, Ca2MgSi2O7, dan gehlenite, Ca2Al2SiO7).

Komposisi terak tanur sembur memiliki pengaruh yang sangat penting pada karakteristik fisikokimia yang mempengaruhi tingkat desulfurisasi, kelancaran operasi, penanganan terak, konsumsi kokas, permeabilitas gas, perpindahan panas, produktivitas logam panas dan kualitasnya dll. Sifat terak yang paling mempengaruhi adalah viskositas, kapasitas sulfida, kapasitas alkali dan temperatur liquidus. Sifat-sifat ini memiliki pengaruh besar pada keseluruhan proses tanur sembur. Viskositas terak sangat dipengaruhi oleh komposisi kimia, struktur dan suhu.

Viskositas terak adalah properti transportasi yang berhubungan dengan kinetika reaksi dan tingkat pengurangan terak akhir. Viskositas terak juga menentukan efisiensi pemisahan terak-logam, dan selanjutnya kapasitas hasil logam dan penghilangan pengotor. Dalam pengoperasiannya, kekentalan terak merupakan indikasi kemudahan terak yang dapat diambil dari tungku, dan oleh karena itu berkaitan dengan kebutuhan energi dan profitabilitas proses.

Jika kontrol tungku memiliki kemampuan untuk memprediksi viskositas terak dan suhu likuidus maka berpotensi untuk mengoptimalkan analisis dan kontrol pengambilan keputusan selama pengoperasian tanur sembur. Dalam kasus seperti itu menggantikan penggunaan aturan praktis yang berkaitan dengan komposisi terak. Untuk ini beberapa upaya telah dilakukan di masa lalu untuk mengukur dan memodelkan viskositas untuk sistem terak yang berbeda.

Terak cair dapat diklasifikasikan sebagai fluida Newtonian dengan viskositas geser yang tidak tergantung pada laju geser, dan oleh karena itu dinamakan viskositas dinamis. Viskositas sebagian besar dipengaruhi oleh ikatan dan derajat polimerisasi, dengan SiO2 dan Al2O3 berkontribusi pada viskositas yang lebih tinggi dengan ikatan kovalen yang tinggi. Sebaliknya, monoksida seperti CaO dan MgO menunjukkan perilaku ionik, yang menyebabkan penghancuran rantai silikat dan menurunkan viskositas. Ini hanya berlaku untuk sistem fase terak cair, dan dalam sistem multifase, peningkatan monoksida mengarah ke aktivitas fase padat yang lebih tinggi dan kemungkinan pengendapan padatan, yang meningkatkan viskositas efektif (diamati).

Dalam operasi tipikal di mana dimungkinkan untuk mengubah komposisi terak, perubahan komposisi biasanya memiliki efek yang berlawanan. Misalnya, pencapaian viskositas yang lebih rendah pada kebasaan yang lebih tinggi kemungkinan akan dikaitkan dengan efek buruk dari peningkatan suhu liquidus. Selain efek pada sifat fisikokimia, kebasaan terak juga mempengaruhi kapasitas penghilangan belerang (dan sampai batas tertentu fosfor) terak, dan kandungan silikon dari logam panas. Kebasaan yang lebih tinggi menyebabkan nilai belerang yang lebih tinggi dalam terak dan nilai silikon yang lebih rendah dalam logam.

Terak Al2O3 rendah umumnya memiliki viskositas rendah, kapasitas sulfida tinggi, dan suhu liquidus rendah serta volume terak lebih rendah daripada terak Al2O3 tinggi dengan Al2O3 biasanya lebih dari 15%. Terak Al2O3 yang tinggi ditemukan terutama dengan tanur tinggi India karena rasio Al2O3/SiO2 yang tinggi dalam bijih besi serta dalam sinter dan kandungan abu yang tinggi dalam kokas. Terak ini memiliki viskositas tinggi.

Viskositas terak cair ditentukan terutama oleh suhu dan komposisi kimianya. Ketergantungan suhu pada viskositas selama rentang suhu tertentu biasanya dijelaskan oleh persamaan Arrhenius seperti yang diberikan di bawah ini.

N =A exp (E/RT)

Dimana

N =Viskositas terak

A =Suku pra-eksponensial

E =Energi aktivasi aliran kental

R =Konstanta gas

T =Suhu mutlak

Terak silikat dibangun dari kation Si4+ yang dikelilingi oleh 4 anion oksigen yang tersusun dalam bentuk tetrahedron biasa. SiO4 4-tetrahedra ini bergabung bersama dalam rantai atau cincin dengan menjembatani oksigen. Aliran kental dalam terak tergantung pada mobilitas spesies ionik dalam sistem, yang pada gilirannya tergantung pada sifat ikatan kimia dan konfigurasi spesies ionik. Gaya interionik dalam kasus terak tergantung pada ukuran dan muatan ion yang terlibat. Dengan demikian, wajar untuk mengharapkan bahwa gaya interionik yang lebih kuat menyebabkan peningkatan viskositas. Dalam kasus peleburan silikat dengan kandungan silika tinggi, anion polimer menyebabkan viskositas tinggi. Dengan peningkatan konsentrasi oksida logam, ikatan Si-O semakin rusak dan ukuran jaringan berkurang disertai dengan penurunan viskositas terak. Telah ditunjukkan bahwa penambahan alkali oksida hingga 10-20 % mol menyebabkan penurunan drastis viskositas karena depolimerisasi.

Dalam kasus terak tanur tinggi, alumina selalu ada dan gugus AlO4 5- membentuk unit polimer dengan SiO4 4-. Dalam terak yang mengandung CaO-MgO-SiO2-Al2O3, alumina meningkatkan viskositas seperti yang dilakukan oleh silika. Di sisi lain, kapur dan magnesium, pemasok oksigen, memiliki efek sebaliknya pada viskositas.

Viskositas terak tergantung pada komposisi dan suhu. Viskositas rendah tidak hanya membantu mengatur laju reaksi dengan efeknya pada pengangkutan ion dalam terak cair ke dan dari antarmuka reaksi terak/logam. Ini juga memastikan kelancaran blast furnace. Baik peningkatan oksida basa dan suhu di atas suhu liquidus terak menurunkan viskositas. Dalam kasus sistem CaO-MgO-SiO2-Al2O3, alumina dan silika tidak ekivalen secara molar meskipun keduanya meningkatkan viskositas lelehan ini. Pengaruh alumina pada viskositas tergantung pada kandungan kapur terak. Ini karena Al3+ dapat menggantikan Si4+ dalam jaringan silikat hanya jika dikaitkan dengan 1/2 Ca2+ untuk menjaga netralitas listrik.

Perilaku fusi terak dijelaskan dalam empat karakteristik suhu yaitu (i) suhu deformasi awal (IDT) yang melambangkan kelengketan permukaan, penting untuk pergerakan material dalam keadaan padat, (ii) keadaan padat (ST) yang melambangkan plastik distorsi, menunjukkan awal distorsi plastis, (iii) suhu hemispherical (HT), yang juga merupakan suhu fusi atau likuidus, melambangkan aliran lamban, memainkan peran penting dalam aerodinamika tungku dan perpindahan panas dan massa, dan (iv ) suhu aliran (FT) yang melambangkan mobilitas cairan.

Terak yang terbentuk pada zona kohesif adalah terak primer yang terbentuk dengan FeO sebagai penyusun fluks utama. Temperatur solidus, temperatur fusi, interval solidus-fusion dipengaruhi secara signifikan oleh FeO. Terak ini benar-benar berbeda dari terak akhir di mana fluks terutama disebabkan karena adanya konstituen dasar seperti CaO atau MgO. Meskipun tidak mungkin memperoleh terak primer dari tanur sembur, selalu mungkin untuk menyiapkan terak sintetis di laboratorium yang menyerupai terak primer dan mempelajari karakteristik alirannya. Terak terakhir adalah terak dengan perbedaan kecil antara ST dan FT. Terak semacam itu memperoleh mobilitas cair dan menetes ke tungku menjauh dari lokasi di mana ia mulai terdistorsi secara plastis, sesegera mungkin. Tindakan ini membuka situs baru untuk reaksi lebih lanjut dan diduga bertanggung jawab atas peningkatan laju reaksi terak-logam, yang memengaruhi operasi tanur sembur dan kualitas logam.

Karakteristik alir terak tanur sembur sangat dipengaruhi oleh besarnya reduksi oksida besi pada temperatur rendah (di zona granular) selain itu juga dipengaruhi oleh komposisi, kualitas dan kuantitas gangue pada material bantalan besi. Rasio CaO/SiO2 dan kandungan MgO terak tanur tinggi sangat mempengaruhi sifat pelunakan-lelehnya. Ketersediaan MgO kemudian dalam proses sering menghasilkan kisaran suhu yang kecil dari zona kohesif sehingga permeabilitas unggun yang lebih baik yang pada gilirannya mempengaruhi konsumsi kokas dan kualitas logam panas yang dihasilkan.

Peningkatan Al2O3 dalam bijih besi tidak hanya mempengaruhi kekuatan sinter, tetapi juga karakteristiknya pada suhu tinggi di zona kohesif. Konsentrasi Al2O3 dalam terak dianggap sebagai faktor yang menurunkan fluiditas terak dan meningkatkan suhu liquidus. Efek alumina tinggi pada terak adalah sebagai berikut.

• Terak alumina tinggi memiliki viskositas tinggi untuk kebasaan konstan (CaO/SiO2). Namun dengan peningkatan oksida basa dan suhu di atas suhu liquidus terak, viskositas terak alumina tinggi menurun sampai batas tertentu.
• Terak alumina yang lebih tinggi memiliki kecenderungan yang lebih besar terhadap reduksi silikon dan ada kecenderungan peningkatan kadar silikon logam panas.
• Kandungan belerang dari logam panas cenderung meningkat dengan meningkatnya kandungan alumina terak. Oleh karena itu, terak alumina yang tinggi berkontribusi pada desulfurisasi yang kurang efisien.
• Penurunan tekanan di zona tetesan meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi Al2O3 dalam terak. Bahkan jika rasio CaO/SiO2 meningkat, penurunan tekanan di zona tetesan meningkat.

Efek memburuknya alumina tinggi dalam terak diimbangi dengan peningkatan kandungan MgO-nya. Konsentrasi alumina dalam terak secara semi-empiris ditetapkan di banyak negara pada batas atas sekitar 16% untuk menghindari akumulasi terak besi dan penurunan permeabilitas di bagian bawah tanur sembur.