Mengoptimalkan Operasi Rook Bakar dengan Nut Coke: Manfaat Efisiensi & Biaya
Penggunaan Nut Coke dalam Rook Bakar
Koks metalurgi, juga dikenal sebagai koks rook bakar (BF), memainkan peran penting dalam operasi stabil rook bakar. Koks BF biasanya berukuran 30 mm hingga 60 mm (beberapa rook menggunakan koks BF berukuran 40 mm hingga 80 mm) dan merupakan komponen besar dari biaya produksi logam mentah (HM). Biaya tinggi disebabkan oleh menghasilkan persentase besar fraksi minus koks selama produksi koks BF di rook koks. Fraksi minus ini dikenal sebagai coke breeze (-10 mm) dan nut coke (10 mm hingga 30 mm). Sepanjangnya, coke breeze biasanya dikonsumsi di pabrik sinter selama sintering biji besi halus. Sebelumnya, hampir tidak ada penggunaan nut coke di pabrik baja terpadu dan dijual kepada pengguna lain. Prof. V. I. Loginov pada tahun 1960-an menyarankan untuk memasukkan nut coke ke dalam rook bakar dicampur dengan sinter. Meskipun ide ini berhasil diuji, awalnya ada penentangan untuk menggunakan nut coke di rook bakar.
Namun, penggunaan nut coke di rook bakar sebagai pengganti sebagian koks BF kini dianggap sebagai teknologi yang terbukti, dan penambahan nut coke dalam beban biji rook bakar hampir telah menjadi praktik standar. Penggunaan nut coke sangat tergantung pada ketersediaannya. Konsumsi rata-rata bulanan nut coke di atas 100 kilogram per ton logam mentah (kg/tHM) telah berhasil dicapai di beberapa rook bakar. Analisis statistik indeks tahunan rata-rata beberapa rook bakar Eropa menunjukkan bahwa pemasukan nut coke ke dalam beban rook bakar memberikan faktor penggantian yang mendekati 1.0.
Dalam praktik pembuatan besi rook bakar konvensional, beban ferrous (bijih lumpur, sinter dan pelet) dan koks BF dimasukkan secara bertindih. Nut coke biasanya dimasukkan ke dalam rook bakar dicampur dengan beban ferrous. Penambahan nut coke ke dalam lapisan beban ferrous rook bakar (i) membantu pemanfaatan yang efektif terhadap produk nilai rendah yang dihasilkan selama karbonisasi batubara koksi, (ii) pengurangan konsumsi koks BF di rook bakar, (iii) peningkatan produktivitas rook bakar, (v) mengoptimalkan regime dinamis gas dalam operasi peleburan di rook bakar, (v) meningkatkan indeks teknis-ekonomis rook bakar karena pengurangan biaya produksi HM, dan (vi) mengurangi emisi CO2 karena koks yang lebih sedikit perlu diproduksi di rook koks. Gambar 1 menunjukkan perbandingan pemuatan konvensional dan pemuatan campuran nut coke dari beban biji dalam rook bakar.
Gambar 1 Perbandingan pemuatan konvensional dan pemuatan campuran nut coke dari beban biji
Beberapa studi telah dilakukan dan berdasarkan studi ini, banyak perubahan proses telah dilakukan untuk mengurangi konsumsi koks BF selama produksi HM di rook bakar. Berbagai studi telah menunjukkan bahwa pemuatan campuran nut coke meningkatkan permeabilitas lapisan pengemlahan dan pencairan, serta reduksi langsung. Dengan nut coke, terdapat efek yang lebih baik bagi fenomena ini. Operasi banyak rook bakar telah membuktikan kemungkinan penghematan koks dan peningkatan produktivitas rook bakar saat menggunakan nut coke dicampur dengan beban besi, tetapi alasan dan mekanisme fenomena ini belum sangat jelas hingga waktu terdekat. Secara dasar, tiga alasan dapat mempengaruhi penurunan laju koks. Yaitu (i) peningkatan permeabilitas gas di 'zona kering' rook bakar, (ii) peningkatan kondisi reduksi beban besi, dan (iii) 'perlindungan' koks metalurgi dari reaksi kehilangan larutan di tiang rook bakar karena reaktivitas nut coke yang lebih tinggi.
Dalam waktu terakhir, ditemukan bahwa jumlah kecil nut coke dicampur dengan beban ferrous menghasilkan kinetika reduksi yang lebih baik, konsumsi reduktor yang lebih rendah, dan permeabilitas gas serta cairan yang lebih baik. Nut coke dimasukkan sebagai pengganti koks BF reguler. Penggunaannya mempengaruhi rasio ketebalan lapisan beban ferrous terhadap koks dan permeabilitas. Penggunaannya bervariasi dari satu rook bakar ke rook bakar lainnya. Interaksi nut coke dengan beban pada suhu rendah dan tinggi sangat penting. Jika nut coke dimasukkan lebih dari jumlah optimum, maka menyebabkan nut coke yang tidak terpakai menurun ke bagian bawah rook bakar. Hal ini berdampak buruk pada dapur rook bakar karena nut coke halus yang tidak terpakai menumpuk dan menyumbat zona deadman. Deadman yang tersumbat mengganggu kualitas HM dan produktivitas rook bakar. Efek ini lebih parah ketika rook bakar beroperasi dengan laju injeksi batubara yang tinggi. Secara ideal, nut coke harus habis terpakai sebelum zona kohesif. Gambar 2 menunjukkan perbandingan operasi rook bakar tanpa dan dengan nut coke dalam beban rook bakar.
Gambar 2 Perbandingan operasi rook bakar tanpa dan dengan nut coke dalam beban rook bakar
Studi yang dilakukan mengenai pengaruh ketebalan lapisan sinter dan koks serta campuran sinter-nut coke terhadap permeabilitas gas pada suhu 1.100 derajat C hingga 1.600 derajat C menunjukkan bahwa seiring berkurangnya ketebalan lapisan sinter dan bijih, tekanan jatuh juga berkurang. Pengcampuran 90 gram (g) nut coke dalam 1.400 g sinter mampu menurunkan tekanan jatuh pada 1.400 derajat C dari 380 mm WC (kolom air) menjadi sekitar 50 mm WC. Kesimpulan dari studi tersebut adalah bahwa penerapan teknologi pemuatan campuran nut coke dengan rasio tinggi di rook bakar menghasilkan peningkatan permeabilitas gas di zona kohesif.
Dalam studi lain, segregasi dan distribusi radial nut coke dalam sistem pemuatan sebelum memasuki rook bakar telah disimulasikan menggunakan Metode Elemen Diskrit. Terpelapor bahwa keseimbangan lingkaran massa nut coke di tong pemuatan adalah faktor penting yang mempengaruhi distribusi nut coke. Ditemukan bahwa penerapan stabilizer di ujung chute pemuatan adalah metode yang efisien untuk menghindari segregasi nut coke.
Di beberapa rook bakar, perubahan proses reduksi dengan menggunakan pemuatan campuran nut coke-bijih telah diteliti. Ditemukan bahwa reduksi langsung dapat dipromosikan di zona kohesif dan terhemat di dapur, sehingga pemanasan dapur meningkat. Efek nut coke terhadap konsumsi koks bergantung pada karakterisasi baik nut coke maupun koks BF. Pengaruh dua peran terpisah nut coke sebagai agen reduktor dan sebagai pemisah tempat tidur telah diteliti. Ditemukan karena ukuran nut coke dalam lapisan beban bijih memungkinkan nut coke terutama dikonsumsi untuk meregenerasi gas CO, dan koks BF terlindungi dari degradasi sehingga meningkatkan permeabilitas tempat tidur. Konsumsi preferensial nut coke oleh reaksi kehilangan larutan tergantung pada ukuran nut coke. Gambar 3 memberikan perbandingan pemuatan konvensional dan pemuatan campuran nut coke dari beban biji di rook bakar.
Gambar 3 Perbandingan pemuatan konvensional dan pemuatan campuran nut coke dari beban biji di rook bakar
Tingkat penggantian koks BF dengan nut coke yang lebih tinggi selalu diinginkan, tetapi dengan penggunaan nut coke yang sangat tinggi, selalu ada risiko nut coke yang tidak terpakai pergi ke bagian bawah rook bakar, yang dapat mengakibatkan penyumbatan deadman dan dapur. Dalam studi berdasarkan pemodelan matematika dan eksperimen, disimpulkan bahwa ketika laju nut coke rendah, nut coke habis terpakai oleh reaksi gasifikasi dan menghasilkan permeabilitas yang lebih baik. Namun, ketika laju nut coke sangat tinggi, nut coke tidak habis terpakai sepenuhnya oleh reaksi gasifikasi. Nut coke terus ada di bagian bawah rook bakar dan menyebabkan peningkatan tekanan jatuh dari tempat tidur koks yang dipadatkan. Berdasarkan pengalaman operasional rook bakar, ditemukan bahwa peningkatan penggunaan nut coke melebihi konsentrasi optimum tertentu mempengaruhi kapasitas drainase dapur, dan menghasilkan laju peleburan yang buruk serta produktivitas rook bakar yang lebih rendah.
Dalam studi simulasi lain tentang zona deadman di dapur rook bakar, diperhatikan bahwa voidage lebih penting daripada diameter koks di zona deadman. Voidage rendah di zona deadman dapat menyebabkan penetrasi gas panas ke wilayah bawah rook bakar yang lebih rendah dan mengembangkan zona suhu rendah di area deadman. Pembentukan debu dan akumulasi tidak diinginkan untuk zona deadman yang permeabel. Pernyataan bahwa debu koks yang ada di bagian bawah rook bakar menyebabkan peningkatan tekanan jatuh, dan peningkatan tekanan jatuh ini lebih besar dari magnitudo penurunan tekanan jatuh di zona kohesif karena nut coke. Jadi, tekanan jatuh secara keseluruhan meningkat di rook bakar.
Temukan di atas jelas menunjukkan bahwa ada jumlah optimum nut coke di atasnya manfaat penggunaan nut coke sangat sedikit, selain itu dapat juga menyebabkan beberapa ketidaknormalan dalam perilaku rook bakar dan menghambat produksi.
Efek memuat nut coke dengan beban ferrous
Pemuatan nut coke dengan beban ferrous di rook bakar memiliki efek berikut terhadap operasi rook bakar.
Peningkatan permeabilitas – Permeabilitas adalah parameter yang dikontrol oleh volume angin dan tekanan jatuh kolom tiang. Dalam kondisi volume angin konstan, permeabilitas dapat ditingkatkan dengan menurunkan tekanan jatuh. Permeabilitas tempat tidur adalah salah satu faktor paling penting dalam operasi rook bakar. Produktivitas rook bakar dapat ditingkatkan dengan intake angin yang lebih tinggi dan membutuhkan permeabilitas gas yang memadai. Permeabilitas gas tempat tidur menentukan alur gas rediktor di rook bakar. Cara gas rediktor mengalir di rook bakar mempengaruhi produktivitas. Dipercaya bahwa tekanan jatuh dapat diturunkan dengan menambahkan nut coke ke dalam beban ferrous.
Penggunaan nut coke dengan beban ferrous memiliki keuntungan permeabilitas yang lebih baik di zona kering rook bakar. Penambahan nut coke dalam beban ferrous memiliki efek positif terhadap permeabilitas gas. Efek bermanfaat penambahan nut coke ke dalam beban ferrous terhadap permeabilitas kurang signifikan dalam kasus rasio campuran nut coke yang rendah. Dengan penggunaan sekitar 10 % dan 20 % nut coke dalam beban ferrous, produktivitas rook bakar dapat ditingkatkan sebesar 1,5 % dan 2,5 % masing-masing.
Studi dilakukan selama dua periode di rook bakar. Periode pertama dioperasikan dengan pemuatan konvensional tanpa nut coke dan periode kedua dioperasikan dengan pemuatan beban ferrous dengan nut coke. Di kedua periode, jumlah bijih dijaga sama. Ditemukan bahwa lompatan tekanan gas rook bakar meningkat dan bervariasi dengan jumlah nut coke. Operasi rook bakar menjadi lebih merata seiring bertambahnya persentase nut coke. Hasil rook bakar juga meningkat dan alasan utama untuk hasil yang lebih tinggi adalah pengurangan konsumsi koks BF. Kemampuan pemanas dan reduksi alur gas sepenuhnya dimanfaatkan karena distribusi gas rook bakar yang lebih baik dan operasi rook bakar yang lebih merata.
Dalam studi lain tentang operasi rook bakar menggunakan jumlah besar nut coke dicampur dengan beban biji, disimpulkan bahwa penambahan nut coke ke dalam lapisan beban biji mencegah penurunan permeabilitas di bagian bawah rook bakar. Dari studi ini disimpulkan bahwa koks BF normal tetap besar di bagian bawah sebagai hasil dari reaksi kehilangan larutan selektif nut coke dan permeabilitas lapisan kohesif tetap baik karena pemuatan nut coke dengan beban ferrous.
Studi lain telah dilakukan pada sifat lapisan beban biji yang terdiri dari biji dan nut coke. Dua metode untuk mencampur lapisan digunakan dalam studi. Yang pertama adalah mengubah tinggi dan memiliki lebih banyak lapisan. Yang kedua adalah mengubah jumlah nut coke ke dalam lapisan biji. Ditemukan bahwa tekanan jatuh menurun dengan berkurangnya tinggi lapisan (peningkatan jumlah lapisan) dan puncak hilang dalam kondisi lebih dari 3 lapisan. Tekanan jatuh menurun dengan cepat dengan peningkatan jumlah nut coke. Diperkirakan bahwa karburisasi terjadi di antarmuka sinter dan koks. Pada saat logam mencair di batas, gas terutama melewati koks dan sekitarnya dan permeabilitas tempat tidur yang dipadatkan tetap memadai. Secara umum diyakini bahwa semakin besar voidage di lapisan beban, semakin tinggi permeabilitasnya. Namun, melalui studi dinamika gas, ditemukan bahwa ketika nut coke dicampur di lapisan beban, voidage berkurang, tetapi permeabilitas meningkat dibandingkan dengan pemuatan konvensional biji tanpa nut coke. Oleh karena itu, baik voidage maupun struktur voidage perlu dipertimbangkan saat mempelajari permeabilitas beban.
Penambahan nut coke ke dalam lapisan biji dapat mengurangi resistensi gas zona kohesif. Penurunan resistensi permeabilitas gas adalah karena koks yang dicampur menambahkan void baru ke lapisan biji.
Kinetika reduksi
Beban ferrous di rookakar terutama terdiri dari Fe2O3 dan Fe3O4. Menghilangkan oksigen (O2) dari beban biji disebut reduksi. Proses rookakar didasarkan pada perilaku reduksi bahan beban ferrous. Laju reduksi dan tingkat reduksi mempengaruhi produksi rookakar secara langsung. Suhu zona cadangan termal di rookakar sekitar konsisten dengan suhu awal reaksi Boudouard (kehilangan larutan) koks (C + CO2 = 2CO), yang melibatkan reaksi endotermik intensif. Reaksi Boudouard mengontrol reaksi keseluruhan di dalam rookakar. Jika suhu awal zona cadangan termal dapat diturunkan, konsentrasi ekuilibrium reaksi reduksi FeO-Fe (FeO + CO = Fe + CO2) beralih ke efisiensi penggunaan gas CO yang lebih tinggi. Ini menghasilkan peningkatan efisiensi penggunaan gas CO di atas rookakar dan penurunan konsumsi agen reduksi.
Laju reduksi oksida besi yang lebih tinggi diinginkan untuk produktivitas rookakar yang lebih tinggi. Dalam studi, berdasarkan analisis eksperimental pada reduksi oksida besi dari 900 derajat C hingga 1200 derajat C, disarankan bahwa reaksi yang mengontrol laju untuk 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 dari reaksi kedua. Pada tahap akhir reduksi FeO oleh karbon (C), laju reduksi lebih menurun lagi karena pembentukan escoria fayalitik (FeO.SiO2). Fenomena 'penurunan laju reduksi' terutama terjadi selama dan setelah pengemlahan beban ferrous. Studi berdasarkan pengamatan eksperimental mengonfirmasi bahwa pada suhu tinggi (di atas 1100 derajat C) beban ferrous tanpa nut coke mengalami 'penurunan laju reduksi', tetapi dalam beban ferrous dicampur dengan nut coke fenomena ini tidak diamati. Untuk tingkat reduksi yang lebih tinggi, ditemukan bahwa ukuran nut coke harus sebanding atau lebih kecil dari ukuran beban ferrous.
Perilaku pengemlahan dan pencairan – Area di mana bijih mulai mengemoleh dan mencair dikenal sebagai zona kohesif. Pengemlahan dan pencairan adalah fenomena fisik dan perubahan kimia dalam perilaku zona kohesif terkait dengan lokasi dan bentuk zona kohesif serta aliran gas, dan memiliki pengaruh penting terhadap operasi rookakar.
Zona kohesif yang lebih tipis diinginkan untuk tekanan jatuh yang lebih rendah dan permeabilitas yang lebih baik di rookakar. Ini dapat dicapai dengan beban ferrous yang memiliki selisih suhu yang lebih kecil antara pengemlahan dan pencairan. Ketebalan zona kohesif juga dapat diubah dengan mencampur nut coke dalam beban ferrous. Dengan melakukan eksperimen suhu tinggi dengan nut coke dicampur dengan beban ferrous dalam studi, ditemukan bahwa suhu pengemlahan dan pencairan meningkat sebesar 86 derajat C dan 15 derajat C masing-masing. Selisih suhu pengemlahan dan pencairan disempit sebesar 71 derajat C. Ini menunjukkan pembentukan zona kohesif yang lebih tipis dengan beban ferrous dicampur nut coke.
