Optimasi Operasi Tanur Tiup dengan Lumpur Tinggi Alumina
Lumpur Tinggi Alumina dan Operasi Tanur Tiup
Proses pembuatan besi dengan tanur tiup (BF) menghasilkan besi cair (hot metal) dan lumpur cair melalui reduksi bahan bawaan yang mengandung besi (sinter dan/atau pelet serta bijih lumpur) dengan kok, serta fluksing materi gangue dari bahan baku. Proses ini adalah hasil dari serangkaian reaksi kimia yang terjadi di dalam tanur tiup. Materi gangue dan abu kok mencair untuk membentuk lumpur bersama bahan fluks. Pemisahan lumpur dari besi mentah terjadi dalam keadaan cair. Lumpur memiliki titik leleh lebih rendah dan lebih ringan dibanding besi mentah. Di dalam tanur tiup, lumpur berada pada suhu yang lebih tinggi daripada besi mentah. Lumpur berkualitas baik diperlukan untuk menghasilkan besi mentah berkualitas baik.
Komposisi dan Karakteristik Lumpur Tanur Tiup
Lumpur tanur tiup terutama terdiri dari silika (SiO2), alumina (Al2O3), kapur (CaO), dan magnesia (MgO), bersama dengan jumlah lebih kecil FeO (oksida ferrous), MnO (oksida manganese), TiO2 (dioxid titanium), Na2O (oksida natrium), K2O (oksida kalium), dan S (sulfur). Komposisi lumpur tanur tiup sangat mempengaruhi karakteristik fisiko-kimianya, yang berdampak pada kinerja tanur tiup. Sifat fisiko-kimia lumpur cair memainkan peran signifikan dalam menentukan tingkat desulfurisasi, operasi lancar tanur tiup, penanganan lumpur, konsumsi kok, produktivitas tanur tiup, dan kualitas besi mentah.
Jenis-Jenis Lumpur di Dalam Tanur Tiup
Ada empat jenis lumpur dengan komposisi yang berbeda yang dihasilkan di berbagai wilayah di dalam tanur tiup akibat serangkaian reaksi reduksi. Empat jenis lumpur ini, yaitu lumpur primer, lumpur bosh, lumpur tuyere, dan lumpur akhir, masing-masing dihasilkan di zona kohesi, zona titik, jalan balapan, dan dapur. Pembuangan lumpur yang baik terutama bergantung pada lumpur akhir yang harus memiliki suhu cairan rendah dan kekentalan aliran yang baik.
Pengaruh Kekentalan Aliran Lumpur terhadap Operasi Tanur Tiup
Kekentalan aliran lumpur di tanur tiup mempengaruhi perilaku pemulihan-meleleh di zona kohesi, permeabilitas di bagian bawah tanur akibat penahanan cair di zona titik, aliran cair di dapur tanur tiup, dan kemampuan pengeluarannya melalui lubang pembuangan. Kekentalan aliran lumpur dipengaruhi oleh suhu dan komposisi lumpur, yang latter dipengaruhi oleh mineral gangue bijih dan materi abu kok serta batubara bubuk. Rasio CaO/SiO2 dalam komposisi lumpur biasanya disesuaikan ke kisaran 1,2 hingga 1,3 dengan bahan bantu untuk meningkatkan kekentalan aliran dan kemampuan desulfurisasi lumpur. Konsentrasi Al2O3 dalam lumpur dianggap sebagai faktor yang menurunkan kekentalan aliran lumpur, yang secara semi-empiris ditetapkan pada batas atas sekitar 18 persen (semakin rendah semakin baik) untuk menghindari akumulasi besi dan lumpur serta penurunan permeabilitas di bagian bawah tanur.
Transisi Sistem Lumpur dari Silikat ke Alumina
Jika bijih Al2O3 tinggi digunakan secara luas di tanur tiup, maka terjadi penyimpangan dari sistem lumpur normal ke lumpur baru dengan kandungan Al2O3 yang dapat mencapai hingga 30 persen. Selain itu, perubahan proses terbaru di tanur tiup termasuk peningkatan injeksi batubara bubuk (PCI) juga meningkatkan konsentrasi Al2O3. Ini mengakibatkan transisi sistem lumpur dari berbasis silikat menjadi berbasis alumina. Lumpur adalah sistem oksida kompleks, dan sifat-sifatnya memiliki hubungan erat dengan komposisi. Beberapa studi telah dilakukan untuk menentukan sifat fisiko-kimia lumpur tanur tiup. Namun, sebagian besar studi ini dilakukan pada lumpur tanur tiup dengan Al2O3 rendah dengan kandungan Al2O3 biasanya kurang dari 20 persen.
Sifat Lumpurnya yang Paling Mempengaruhi
Sifat lumpur yang paling memengaruhi adalah viskositas, kapasitas sulfida, kapasitas alkali, dan suhu cairan. Sifat-sifat ini memiliki pengaruh besar terhadap proses tanur tiup secara keseluruhan. Lumpur tanur tiup dengan Al2O3 rendah (dengan Al2O3 biasanya kurang dari 15 persen) biasanya memiliki viskositas rendah, kapasitas sulfida tinggi, dan suhu cairan rendah serta volume lumpur lebih rendah dibanding lumpur Al2O3 tinggi. Lumpur Al2O3 tinggi biasanya memiliki kandungan Al2O3 lebih dari 15 persen. Lumpur Al2O3 tinggi terutama ditemui karena rasio Al2O3/SiO2 yang tinggi dalam bijih besi serta dalam sinter dan kandungan abu yang tinggi dalam kok. Lumpur-lumpur ini sangat viskositnya tinggi.
Pentingnya Viskositas Lumpur dalam Pembuatan Besi Tanur Tiup
Dalam pembuatan besi tanur tiup, viskositas lumpur adalah sifat fisik yang sangat penting karena mempengaruhi operasi tanur dalam banyak cara. Viskositas lumpur adalah sifat transportasi yang terkait dengan kinetika reaksi dan tingkat reduksi lumpur akhir. Viskositas lumpur juga menentukan efisiensi pemisahan lumpur-logam, dan kemudian hasil logam serta kapasitas pengapuran impurity. Dalam operasi, viskositas lumpur menunjukkan seberapa mudah lumpur dapat dibuang dari tanur, dan therefore terkait dengan kebutuhan energi dan keuntungan proses.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Viskositas Lumpur
Viskositas lumpur mempengaruhi permeabilitas gas, transfer panas, dan reduksi SiO2, FeO, dll. Terdapat beberapa data yang dilaporkan tentang viskositas lumpur tanur tiup. Namun, sebagian besar data ini terutama untuk lumpur Al2O3 rendah dengan Al2O3 dalam kisaran 10 persen hingga 15 persen. Selanjutnya, data viskositas ini mewakili lumpur dengan rasio CaO/SiO2 tinggi, jumlah aditif yang sangat tinggi seperti FeO, TiO2, dan Fe2O3, dll. yang tidak begitu umum dalam lumpur akhir tanur tiup.
Kontrol Kandungan Al2O3 dalam Lumpur Tanur Tiup
Kandungan Al2O3 lumpur tanur tiup terutama bergantung pada kandungan Al2O3 dari bahan masukan terutama bijih besi. Dalam kasus di mana kandungan Al2O3 bijih besi kurang dari 1 persen, kandungan Al2O3 dalam lumpur jarang melebihi 10 persen. Namun dalam bijih besi di mana kandungan Al2O3 adalah 2 persen dan lebih tinggi, meningkatkan tingkat Al2O3 dalam lumpur tanur tiup menjadi 20 persen dan lebih tinggi. Mengoperasikan tanur tiup dengan lumpur Al2O3 yang begitu tinggi cukup sulit dan membutuhkan keterampilan yang berbeda dari operator tanur tiup karena dengan peningkatan kandungan Al2O3 lumpur, operasi tanur tiup mengalami masalah seperti akumulasi lumpur cair yang berlebihan di dapur tanur tiup dan peningkatan tekanan jatuh di bagian bawah tanur. Oleh karena itu penting untuk mempertahankan kandungan Al2O3 lumpur dalam batas yang memastikan kekentalan aliran lumpur yang baik selama operasi tanur tiup sehingga memiliki permeabilitas yang baik dan pembuangan lumpur yang baik saat pembuangan.
Viskositas Lumpur Bergantung pada Komposisi dan Suhu
Viskositas lumpur tanur tiup bergantung pada komposisi dan suhu. Viskositas rendah tidak hanya membantu mengatur laju reaksi dengan pengaruhnya pada transportasi ion dalam lumpur cair dari dan ke antarmuka lumpur/logam yang bereaksi, tetapi juga memastikan operasi tanur yang lancar. Peningkatan oksida dasar dan peningkatan suhu di atas suhu cairan lumpur menurunkan viskositas. Dalam kasus sistem CaO-MgO-SiO2-Al2O3, Al2O3 dan SiO2 tidak setara pada dasar molar dalam pengaruh mereka meskipun keduanya meningkatkan viskositas cairan ini. Pengaruh yang pertama pada viskositas bergantung pada kandungan kapur lumpur. Ini karena ion Al3+ dapat menggantikan ion Si4+ dalam jaringan silikat hanya jika terkait dengan ion Ca2+ untuk menjaga netralitas listrik.
Kapasitas Desulfurisasi Lumpur
Tanur tiup diharapkan menghasilkan besi mentah dengan kandungan S sekitar 0,05 persen atau lebih rendah. Oleh karena itu, selalu sangat menarik untuk mengetahui kapasitas desulfurisasi lumpur atau dengan kata lain, rasio partisi S antara besi mentah dan lumpur. Telah ditunjukkan bahwa partisi S antara besi mentah dan lumpur mencapai kesetimbangan di tanur tiup untuk lumpur dengan kandungan Al2O3 yang sangat dekat dengan 15 persen atau kurang. Lumpur ini memiliki suhu cairan lebih rendah dari suhu tanur dan juga memiliki viskositas rendah. Kondisi-kondisi ini menguntungkan untuk mencapai kesetimbangan.
Eksperimen Operasi Lumpur Al2O3 Tinggi
Untuk melakukan evaluasi sistematis terhadap efek konsentrasi Al2O3 dalam lumpur terhadap operasi tanur tiup, yang difokuskan pada pembuangan lumpur untuk setiap area di dalam tanur dan permeabilitas di bagian bawah tanur tiup, dari sudut pandang kekentalan aliran lumpur, eksperimen operasi lumpur Al2O3 tinggi (lumpur Al2O3 20 persen) dilakukan di tanur tiup eksperimental (Gambar 1) di Jepang.
Gambar 1 Tampilan potongan lintang tanur tiup eksperimental
Beberapa pengamatan selama eksperimen ditunjukkan secara grafik dalam Gambar 2. Hasil eksperimen diringkas sebagai berikut.
- Fenomena pembuangan lumpur di dapur tanur tiup adalah fenomena fluidisasi yang didominasi oleh viskositas. Laju pembuangan lumpur menurun seiring dengan meningkatnya viskositas lumpur. Oleh karena itu, untuk mempertahankan pembuangan lumpur dengan kandungan Al2O3 lumpur yang tinggi, misalnya, peningkatan konsentrasi MgO dalam lumpur efektif. Selain itu, efek suhu kristalisasi lumpur terhadap laju pembuangan lumpur relatif kecil dibandingkan dengan efek viskositas lumpur.
- Tekanan jatuh di zona titik meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi Al2O3 dalam lumpur. Bahkan jika rasio CaO/SiO2 meningkat, tekanan jatuh di zona titik meningkat. Tekanan jatuh terutama disebabkan oleh efek basibilitas sebagai hasil dari penahanan lumpur statis, dan sedikit karena efek viskositas lumpur titik dan suhu kristalisasi. Dalam lumpur dengan konsentrasi Al2O3 tinggi, untuk menekan peningkatan tekanan jatuh di zona titik, efektif ketika ada penurunan penahanan dengan penurunan rasio CaO/SiO2.
- Resistensi permeabilitas di zona kohesi tunduk pada konsentrasi Al2O3 karena indeks resistensi permeabilitas bijih sinter pada suhu tinggi. Resistensi permeabilitas meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi Al2O3 dalam bijih. Misalnya, peningkatan resistensi permeabilitas dapat ditekan dengan peningkatan MgO dalam bijih. Dari pertimbangan di atas, dalam operasi lumpur Al2O3 tinggi di tanur tiup, efek kekentalan aliran lumpur terhadap setiap area di dalam tanur telah diteliti dan dievaluasi secara sistematis. Sebagai hasilnya, untuk mempertahankan pembuangan lumpur dan permeabilitas yang tepat, telah ditentukan bahwa desain lumpur tanur tiup yang meningkatkan MgO dalam lumpur dan menurunkan rasio CaO/SiO2 dalam lumpur efektif.
Gambar 2 Sifat lumpur yang mempengaruhi operasi tanur tiup
Efek Alumina Tinggi terhadap Lumpur
Kandungan Al2O3 tinggi dalam lumpur tanur tiup memiliki banyak efek buruk. Peningkatan Al2O3 dalam bijih besi tidak hanya mempengaruhi kekuatan sinter, tetapi juga karakteristiknya pada suhu tinggi di zona kohesi. Konsentrasi Al2O3 dalam lumpur dianggap sebagai faktor yang menurunkan kekentalan aliran lumpur dan meningkatkan suhu cairan. Efek Al2O3 tinggi dalam lumpur adalah sebagai berikut.
- Lumpur Al2O3 tinggi memiliki viskositas tinggi untuk dasaritas konstan (CaO/SiO2). Namun dengan peningkatan oksida dasar dan peningkatan suhu di atas suhu cairan lumpur, viskositas lumpur Al2O3 tinggi menurun hingga beberapa derajat.
- Viskositas lumpur cair pada dasarnya bergantung pada komposisi kimianya dan suhunya. Viskositas lumpur adalah variabel proses penting dari proses tanur tiup. Ini adalah sifat transportasi lumpur yang terkait dengan kinetika reaksi dan tingkat reduksi lumpur akhir. Viskositas rendah membantu mengatur laju reaksi dengan pengaruhnya pada transportasi ion dalam lumpur cair dari dan ke antarmuka lumpur/logam. Ini juga menentukan efisiensi pemisahan lumpur-logam, hasil logam, dan kapasitas pengapuran impurity. Ini juga memastikan operasi tanur yang lancar.
- Dalam operasi tanur tiup, fenomena pembuangan lumpur di dapur tanur tiup adalah fenomena fluidisasi yang didominasi oleh viskositas. Laju pembuangan lumpur menurun seiring dengan meningkatnya viskositas lumpur.
- Lumpur Al2O3 tinggi memiliki kecenderungan yang lebih besar terhadap reduksi silikon (Si) dan ada kecenderungan terhadap peningkatan tingkat Si besi mentah. Ini bisa disebabkan oleh kenaikan konsentrasi kesetimbangan Si atau tidak mencapai tingkat kesetimbangan sama sekali.
- Kandungan S besi mentah cenderung meningkat dengan peningkatan kandungan Al2O3 lumpur. Oleh karena itu lumpur Al2O3 tinggi berkontribusi pada desulfurisasi yang kurang efisien. Terlihat bahwa tidak hanya distribusi kesetimbangan S antara logam dan lumpur yang terpengaruh secara buruk, tetapi laju mencapai distribusi tersebut juga jauh lebih lambat. Oleh karena itu ada pengambilan S yang lebih lambat oleh lumpur Al2O3 tinggi karena kesetimbangan S tidak tercapai dalam tanur tiup.
- Tekanan jatuh di zona titik meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi Al2O3 dalam lumpur. Bahkan jika rasio CaO/SiO2 meningkat tekanan jatuh di zona titik meningkat. Tekanan jatuh terutama disebabkan oleh efek basibilitas sebagai hasil dari penahanan lumpur statis, sedikit karena efek viskositas lumpur titik dan suhu kristalin. Resistensi permeabilitas di zona kohesi meningkat seiring dengan meningkatnya kandungan Al2O3 lumpur.
Langkah Pengendalian untuk Menghalangi Efek Alumina Tinggi
Efek merusak Al2O3 tinggi dalam lumpur diimbangi dengan meningkatkan kandungan MgO-nya. Konsentrasi Al2O3 dalam lumpur secara semi-empiris ditetapkan di banyak negara pada batas atas sekitar 16 persen untuk menghindari akumulasi besi dan lumpur serta penurunan permeabilitas di bagian bawah tanur tiup.
Peningkatan resistensi permeabilitas di zona kohesi dapat ditekan dengan peningkatan MgO dalam beban. Efek fisik peningkatan kandungan MgO dalam lumpur berlawanan dengan yang terjadi pada Al2O3. MgO membantu mempertahankan pembuangan lumpur yang baik dari dapur selama pembuangan. Seiring dengan meningkatnya tingkat MgO dalam lumpur Al2O3 tinggi, kandungan S besi mentah membaik untuk rentang Si yang tertentu. Ini mungkin disebabkan oleh kekentalan aliran yang lebih tinggi dari lumpur MgO tinggi. Lumpur MgO tinggi menguntungkan untuk kontrol baik S maupun Si. Penurunan dasaritas lumpur juga membantu. Untuk mengimbangi efek merusak operasi lumpur Al2O3 tinggi tanur tiup, langkah-langkah yang penting dijelaskan di bawah ini.
Karena peningkatan MgO lumpur meningkatkan laju pembuangan dapur pada operasi lumpur Al2O3 tinggi, MgO dalam lumpur harus dipertahankan pada tingkat yang lebih dari tingkat minimum. Tingkat MgO yang lebih tinggi dalam lumpur juga meningkatkan permeabilitas di zona kohesi tanur tiup.
Untuk menekan peningkatan tekanan jatuh di zona titik, penting untuk mengurangi penahanan lumpur dengan penurunan rasio CaO2/SiO2. Permeabilitas zona titik ditingkatkan dengan mengurangi rasio CaO/SiO2 lumpur dalam lumpur menjadi sekitar 1 persen.
Satu metode lain untuk mengurangi efek Al2O3 tinggi dalam lumpur adalah dengan mencairkan tingkat Al2O3 dalam lumpur ke konsentrasi yang lebih rendah dengan penambahan bahan pembentuk lumpur tambahan dalam beban tanur tiup. Namun ini menghasilkan volume lumpur yang lebih tinggi dan melibatkan tingkat fluks dan kok yang lebih tinggi serta produktivitas tanur tiup yang lebih rendah. Metode ini dapat digunakan untuk kontrol hanya sebagai obat sementara sesekali.
