Mengoptimalkan Produksi Besi: Kimia Pembuatan Besi dengan Tungku Bakar
Kimia Pembuatan Besi dengan Proses Tungku Bakar
Tungku bakar (BF) modern yang beroperasi dengan tingkat koks rendah adalah unit pengolahan yang efisien terutama karena karakteristik intrinsik dari reaktor gas-padah aliran berlawanan. Penerapan yang berhasil dari konsep ini memerlukan setiap bahan yang dimuat ke dalam tungku memiliki karakter fisik yang seragam, dan komposisi yang seragam. Selain itu, setiap bahan harus mempertahankan karakter fisik yang baik saat ia bergerak ke bawah melalui tungku hingga ke tempat penglelehan terjadi.
Saat oksida besi, koks, dan bahan pembentuk escoria bergerak ke bawah melalui tumpukan tungku, beberapa proses pertukaran penting terjadi. Panas dihilangkan dari gas tungku yang naik yang terutama terdiri dari karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), dan nitrogen (N2) dan ditransfer ke bahan beban yang turun. Oksigen (O2) dihilangkan dari oksida besi yang turun dan ditransfer ke gas pereaksi yang naik. Oleh karena itu, dalam reaktor aliran berlawanan yang sangat efisien ini, reaksi kimia terjadi dan seiring dengan penurunan muatan suhu bahan beban meningkat, pelerahan besi tereduksi, oksida besi, dan bahan pembentuk escoria dimulai, dan akhirnya logam cair dan escoria terkumpul di hearth tungku. Mayoritas koks yang dimuat ke dalam tungku dibakar dengan oksigen dalam blast panas di tuyere untuk menyediakan baik panas maupun agen pereaksi CO.
Ketika bahan beban dan koks yang dimuat ke dalam atas BF turun melalui tumpukan, mereka dipanaskan sebelumnya oleh gas panas yang naik dari tuyere. Sebagai hasil dari pemanasan sebelumnya ini, koks terbakar dengan intensitas besar saat mencapai bagian bawah tungku di dekat tuyere dan bersentuhan dengan udara blast panas. Namun, karena suhu yang sangat tinggi (sekitar 1.650 derajat C) dan kuantitas besar karbon (C) yang ada sebagai koks, CO2 yang terbentuk tidak stabil dan segera bereaksi dengan karbon tambahan untuk membentuk CO. Sebagai hasilnya, pembakaran karbon (koks) dalam BF dapat diekspresikan oleh persamaan kimia 2C + O2 = 2CO; delta H = +110.458 kJ/kmol. Dalam operasi BF modern, antara 250 kilogram (kg) dan 400 kg karbon bereaksi dengan cara ini untuk setiap ton logam panas yang dihasilkan. Reaksi ini adalah sumber panas utama untuk operasi peleburan dan juga menghasilkan gas pereaksi (CO) yang naik ke tumpukan tungku di mana ia memanaskan sebelumnya dan mereduksi mayoritas oksida besi dalam beban saat ia turun ke hearth.
Reaksi Kelembaban dan Karbon
Kelembaban (H2O) dalam udara blast juga bereaksi dengan beberapa karbon dalam koks di zona pembakaran. Reaksi ini tidak menghasilkan panas seperti pembakaran melainkan, malah, mengkonsumsi panas. Namun, untuk setiap unit karbon, reaksi ini menghasilkan lebih banyak gas pereaksi daripada yang dihasilkan ketika karbon dibakar dalam udara. Ketika karbon dibakar dalam udara, ia hanya menghasilkan satu unit CO, tetapi ketika ia bereaksi dengan H2O, ia menghasilkan satu unit CO dan satu unit hidrogen (H2). Oleh karena itu, dalam kasus tertentu, di mana tingkat reduksi asli bahan beban lebih rendah dari normal dan di mana suhu blast panas yang relatif tinggi tersedia (antara 1.000 derajat C dan 1.200 derajat C), telah dianggap menguntungkan untuk mempertahankan kadar kelembaban blast pada tingkat yang tinggi secara seragam dengan penambahan kelembaban (uap) untuk meningkatkan kekuatan pereaksi gas BF. Injeksi bahan bakar tambahan memberikan keuntungan yang serupa. Reaksi kimia ini diekspresikan oleh persamaan C + H2O = CO + H2; delta H = +131.378 kJ/kmol. Manfaat tambahan diperoleh dari pengenalan (atau peningkatan) hidrogen dalam gas pereaksi tungku. Seiring dengan meningkatnya persentase hidrogen, densitas gas berkurang. Ini mengakibatkan volume yang setara dari gas pereaksi memberikan lebih sedikit hambatan terhadap penurunan beban.
Gas yang naik mulai mereduksi oksida besi dari beban di bagian atas BF di mana suhu di bawah 925 derajat C. Pada suhu ini, kesetimbangan kimia mencegah semua CO dan H2 digunakan untuk reduksi (rasio CO / CO2 kesetimbangan sekitar 2,3 untuk reduksi wustite, jika rasio jatuh di bawah nilai ini besi direoksidasi. Oleh karena itu, rasio molekuler CO atau H2 terhadap oksida besi harus sekitar tiga kali jumlah yang ditunjukkan oleh reaksi stoikiometri (i) 1/2 Fe2O3 + 3/2 CO = Fe + 3/2 CO2; delta H = +12.866 kJ/kmol, (ii) 1/3 Fe3O4 + 4/3 CO = Fe + 4/3 CO2; delta H = +3.940 kJ/kmol, (iii) FeO + CO = Fe + CO2; delta H = –16.108 kJ/kmol, (iv) 1/2 Fe2O3 + 3/2 H2 = Fe + 3/2 H2O; delta H = +48.953 kJ/kmol, (v) 1/3 Fe3O4 + 4/3 H2 = Fe + 4/3 H2O; delta H = +51.042 kJ/kmol, dan (vi) FeO + H2 = Fe + H2O; delta H = +25.104 kJ/kmol.
Di masa lalu, jenis reduksi ini disebut reduksi tidak langsung berkontras dengan jenis yang terjadi pada suhu yang lebih tinggi yang disebut reduksi langsung. Namun, nomenklatur ini telah menjadi membingungkan karena reaksi kimia yang sama disebut reduksi langsung dalam menggambarkan proses DRI seperti Wiberg, HIB, FIOR dan proses serupa. Untuk alasan ini, istilah-istilah ini biasanya tidak digunakan seperti di masa lalu.
Bagian oksida besi yang tidak direduksi di bagian atas tungku di mana suhu relatif rendah harus direduksi di bagian bawah di mana suhu sangat tinggi. Karena CO2 dan H2O tidak stabil pada suhu ini dalam kehadiran kuantitas besar koks, mereka bereaksi dengan karbon hampir sama cepat dengan terbentuknya. Sebagai hasilnya, reaksi reduksi keseluruhan di bagian tungku ini dapat diwakili oleh reaksi FeO + C = Fe + CO; delta H = +156.482 kJ/kmol terlepas dari apakah H2 atau CO adalah reaktan. Reaksi ini diperoleh dengan penambahan aljabar dari reaksi FeO + CO = Fe + CO2; delta H = –16.108 kJ/kmol, dan CO2 + C = 2CO; delta H = +172.590 kJ/kmol atau reaksi FeO + H2 = Fe + H2O; delta H = +25.104 kJ/kmol, dan H2O + C = CO + H2; delta H = +131.378 kJ/kmol.
Reaksi reduksi FeO + C = Fe + CO menyerap kuantitas besar panas, dan oleh karena itu, semakin besar jumlah reduksi yang terjadi dengan cara ini, semakin besar jumlah panas yang harus disuplai ke tungku. Reaksi ini juga menghasilkan CO, yang merupakan gas yang digunakan dalam reaksi reduksi yang terjadi di tumpukan tungku. Dalam mayoritas kasus, operasi yang paling efisien dicapai ketika sekitar satu dari tiga bagian reduksi dilakukan sesuai dengan reaksi FeO + C = Fe + CO dan sisa sesuai dengan reaksi Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2 melalui FeO + H2 = Fe + H2O.
Panas untuk proses tidak dihasilkan sepenuhnya oleh pembakaran koks, karena pada mayoritas BF sekitar 40 % disuplai dari panas sensitif dari udara blast panas. Sebagian besar bahan bakar dapat secara ekonomis diinjeksi melalui tuyere sebagai gas alam, taro, minyak bakar, atau batu bara dalam bentuk serbuk atau butiran. Dalam kasus seperti itu, karbon dalam bahan bakar terbakar menjadi CO, tetapi karena kuantitas besar koks yang ada, hidrogen tetap sebagai H2 dan tidak dioksidasi sampai ia mereduksi oksida besi di mana di atas tuyere.
Komponen yang mengandung besi dalam muatan ke dalam tungku adalah oksida sederhana besi, Fe2O3, dan Fe3O4. Bijih alam biasanya adalah hematit (Fe2O3) atau magnetit (Fe3O4). Pellet terutama Fe2O3. Sinter bijih besi dapat bervariasi dalam komposisi dari Fe2O3 dan Fe3O4 hingga campuran yang terleleh yang mengandung magnetit, fayalit, 2FeO.SiO2, dan ferrit dikalium. Reduksi oksida besi biasanya terjadi dalam tahapan. Reaksi dengan CO diberikan oleh persamaan (i) 3Fe2O3 (s) + CO (g) = 2Fe3O4 (s) + CO2 (g); delta H -48 kJ, (ii) Fe3O4 (s) + CO (g) = 3FeO (s) + CO2 (g); delta H -21.7 kJ, dan (iii) FeO (s) + CO (g) = Fe (s) + CO2 (g); delta H -11 kJ. Reaksi-reaksi ini dilakukan pada suhu yang berturut-turut lebih tinggi, dan lebih jauh ke bawah tungku.
Persentase CO yang berturut-turut lebih tinggi diperlukan untuk menyelesaikan reaksi-reaksi ini oleh gas yang naik. Harus diakui bahwa tidak mungkin seluruh CO dalam gas diubah menjadi CO2 untuk setiap reaksi. Misalnya, terdapat rasio kesetimbangan seperti yang diberikan oleh konstanta K3 untuk tiga persamaan dan K3 = P CO2 / P CO yang bergantung pada suhu. Pada 800 derajat C, campuran gas kesetimbangan mengandung sekitar 65 % CO dan 35 % CO2. Jika kandungan CO2 melebihi nilai ini dalam gas yang bersentuhan dengan FeO dan besi padat pada suhu ini, besi yang ada cenderung dioksidasi kembali menjadi FeO. Oleh karena itu, untuk memaksa reaksi-reaksi ini terjadi, diperlukan konsentrasi CO yang cukup dalam gas pada setiap tahap seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dan tidak mungkin untuk mengubah CO sepenuhnya menjadi CO2 oleh reaksi-reaksi tersebut. Gambar 1 menunjukkan diagram stabilitas untuk sistem Fe-C-O dan Fe-H-O. Kurva S dalam sistem Fe-C-O mewakili 'solution loss' atau reaksi Boudouard.
Gambar 1 Sistem Fe-C-O dan Fe-H-O
Karena hidrogen dalam bahan bakar tambahan dan kelembaban dari bahan bakar dan udara blast, gas yang keluar dari tuyere juga dapat mengandung hingga 2 % atau 3 % hidrogen. Uap dapat ditambahkan ke udara blast panas sebagai bantuan dalam mengontrol tungku. Reduksi uap oleh karbon dalam koks dan bahan bakar berlangsung melalui reaksi keseluruhan H2O (g) + C (s) = CO (g) + H2 (g); delta H = 131.3 kJ. Reaksi ini endotermik sedangkan oksidasi karbon oleh oksigen dalam blast untuk membentuk CO oleh persamaan C (s) + 1/2 O (g) = CO (g); delta H = -110.5 kJ adalah eksotermik. Reduksi oksida besi oleh hidrogen juga berlangsung dalam tahapan (i) 3Fe2O3 (s) + H2 (g) = 2Fe3O4 (s) + H2O (g); delta H = -7.1 kJ, (ii) Fe3O4 (s) + H2 (g) = 3FeO (s) + H2O (g); delta H 62.9 kJ, dan (iii) FeO(s) + H2 (g) = Fe (s) + H2O (g); delta H =30.2kJ.Suhu mempengaruhi kesetimbangan reaksi-reaksi ini.
Reaksi water gas shift CO2 (g) + H2 (g) = H2O (g) + CO (g); delta H = 41.2 kJ dapat terjadi di antara berbagai spesies dalam fasa gas untuk mendistribusikan oksigen kembali dan membawa spesies gas yang mengandung hidrogen dan karbon ke dalam kesetimbangan. Reaksi ini membutuhkan sangat sedikit panas dan konstanta kesetimbangan (P H2O.P CO) / (P H2.P CO2) adalah satu pada 825 derajat C. Gas di tumpukan bereaksi dengan karbon koks serta dengan oksida besi dalam muatan. Reaksi keseluruhan CO dan CO2 dengan karbon sebagai grafit adalah 'solution loss' atau reaksi Boudouard CO2 (g) + C (s) = 2CO (g); delta H 172.4 kJ. Kesetimbangan reaksi bergeser sangat ke kanan pada suhu di atas 750 derajat C. Di bawah 600 derajat C kesetimbangan sangat ke kiri, mengakibatkan penurunan karbon sebagai asap dalam beban tungku 2CO (g) = C (s) + CO2 (g); delta H = -172.4. Kurva 'S' yang mengarah dari kiri bawah ke tengah atas Gambar 1 mewakili kesetimbangan. Gas yang suhu dan komposisinya menempatkannya di atas garis cenderung menurunkan karbon oleh reaksi kedua, dan yang komposisi dan suhunya menempatkannya di bawah garis mengoksidasi karbon sesuai dengan reaksi pertama.
Efek utama dari reaksi solusi karbon pada suhu tinggi adalah pengurangan relatif panas yang dihasilkan di tuyere di mana dibutuhkan dan peningkatan konsentrasi CO dalam gas di daerah tungku di atas 700 derajat C. Kondisi terakhir ini sangat diinginkan karena meningkatkan volume gas dan membantu transfer panas. Harus dicatat bahwa kombinasi reaksi solusi loss dan reaksi FeO (s) + CO (g) = Fe (s) + CO2 (g); delta H -11 kJ sesuai dengan reduksi 'langsung' FeO oleh karbon yang diberikan oleh persamaan FeO (s) + C (s) = Fe (s) + CO (g); delta H = 131.3 kJ. Jelas dari Gambar 1 bahwa gas yang melewati tumpukan tidak dapat biasanya dalam kesetimbangan dengan karbon dalam koks dan pada saat dalam kesetimbangan dengan oksida besi dalam beban yang turun. Pengukuran suhu dan komposisi gas dalam tungku yang beroperasi menunjukkan bahwa mereka cenderung jatuh di antara garis CO/CO2-C dan garis FeO/Fe di atas 800 derajat C, memotong garis FeO/Fe antara 600 derajat C dan 800 derajat C dan kemudian tetap di atau tepat di atas garis Fe3O4/Fe. Pada suhu di bawah 600 derajat C, aliran gas yang sangat cepat memberikan sedikit waktu untuk bereaksi dengan padatan dan kandungan CO gas jauh berlebihan dibandingkan dengan yang dalam kesetimbangan dengan koks.
Jika oksida besi secara kimiawi terasosiasi dengan oksida lain, aktivitasnya dalam BF berkurang. Ini berarti oksida besi lebih sulit direduksi dan rasio CO/CO2 yang dibutuhkan lebih tinggi dari yang biasanya dipertimbangkan di sini. Misalnya dengan silikat ferrous, rasio CO/CO2 minimum yang dibutuhkan untuk reduksi pada 700 derajat C harus ditingkatkan dari sekitar 1,5 menjadi sekitar 22, yaitu dari sekitar 60 % CO hingga hampir 96 % CO pada basis gas karbon. Karena oksida gabungan lebih sulit direduksi, suhu yang lebih tinggi diperlukan untuk reduksi dan oleh karena itu jumlah reduksi yang dicapai dengan CO sebelum pembentukan escoria terjadi berkurang. Ini mengakibatkan peningkatan tingkat koks karena kuantitas reduksi yang diperlukan di bagian bawah tungku meningkat.
Reaksi di Bosh dan Hearth
Reduksi oksida lain – Reduksi oksida yang lebih stabil daripada oksida besi seperti oksida mangan dan silika tidak terjadi dalam BF jika produknya logam murni karena reaksi MnO + CO = Mn + CO2 memiliki, pada kesetimbangan, persentase CO sangat dekat dengan 100 %. Artinya, efisiensi reduksi sangat rendah dan kuantitas besar gas diperlukan untuk jumlah mangan yang sangat kecil yang direduksi. Situasi dengan silika bahkan lebih ekstrim karena ia adalah oksida yang sangat stabil. Namun, dengan melarutkan mangan dan silikon dalam besi, reaksi MnO + CO = Mn (terlarut dalam besi) + CO2, dan SiO2 + 2CO = Si (terlarut dalam besi) + 2CO2 digerakkan sedikit ke kanan sehingga ada distribusi mangan dan silikon antara logam dan escoria yang merupakan fungsi dari komposisi escoria dan suhu. Karena reduksi kedua elemen ini adalah endotermik, kuantitas masing-masing dalam logam panas meningkat dengan suhu dan seberapa luasnya reaksi tersebut dikontrol dengan mengontrol suhu di hearth tungku. Yang lebih penting adalah fakta bahwa CO2 yang dihasilkan oleh reaksi ini harus bereaksi oleh reaksi Boudouard dan menyebabkan peningkatan konsumsi koks.
Jumlah mangan yang direduksi jelas juga bergantung pada jumlah dalam bijih yang dimuat. Bijih dengan hingga 2 % mangan memberikan kandungan mangan yang jauh lebih tinggi dari biasanya dalam logam panas dengan tingkat koks yang lebih tinggi per ton logam panas yang dihasilkan. 'Swing' silikon yang disebabkan oleh pemuatan beban yang tidak teratur tungku atau variasi suhu juga dapat memiliki efek serius lainnya, karena silikon yang direduksi ke dalam logam panas harus terkurang dari escoria, sehingga meningkatkan rasio dasaritas dan mengubah titik leleh dan kelembutan escoria kadang-kadang secara dramatis.
Efek pembentukan Silikon monoksida (SiO) – Selama beberapa tahun dianggap bahwa silika dan oksida mangan direduksi secara langsung dari escoria dengan bereaksi dengan karbon dalam besi sesuai dengan reaksi (i) SiO2 (escoria) + 2C = Si + 2CO (g), dan MnO (escoria) + C = Mn + CO (g). Diperkirakan titik leleh besi mengambil silikon saat mereka melewati fasa escoria dan pada gilirannya ke hearth. Berbagai studi, however, telah menyampaikan cahaya baru pada reaksi-reaksi ini dan juga yang melibatkan sulfur. Beberapa studi laboratorium bersama dengan data pabrik telah menunjukkan bahwa pada suhu zona pembakaran, sekitar 2.000 derajat C, gas SiO dihasilkan selama pembakaran koks oleh reaksi SiO2 (abu koks) + CO = SiO (gas) + CO2. Menggabungkan persamaan ini dengan reaksi oksidasi koks [CO2 + C (koks) = 2CO] menghasilkan reaksi keseluruhan SiO2 (abu koks) + C (koks) = SiO (gas) + CO. Sementara kehadiran FeO dalam escoria kemungkinan membuat pembentukan SiO dari escoria sangat sulit, sumber tambahan silika adalah escoria kaya silika yang menempel pada partikel koks yang harus direduksi. Setelah reaksi ini, silikon ditransfer ke titik leleh besi dengan bereaksi dengan SiO dalam fasa gas [SiO (gas) + C = Si + CO]. Saat titik leleh besi yang mengandung silikon melewati lapisan escoria, beberapa silikon dioksidasi oleh oksida besi dan oksida mangan, dan diambil oleh escoria [2FeO (escoria) + Si = SiO2 (escoria) + 2Fe, 2 MnO (escoria) + Si = SiO2 (escoria) + 2Mn.
Reduksi fosfor – Diekspresikan oleh reaksi P2O5 + 5C = 2P + 5CO; delta H = +995.792 kJ/kmol. Reduksi akhir fosfor juga hanya terjadi pada suhu yang sangat tinggi. Namun, tidak seperti mangan dan silikon fosfor pada dasarnya sepenuhnya direduksi. Untuk alasan ini, hampir semua fosfor dalam muatan terlarut dalam logam panas. Satu-satunya cara untuk mengontrol kandungan fosfor logam panas adalah dengan membatasi jumlah yang dimuat ke dalam tungku.
Perilaku sulfur – Sulfur adalah elemen yang merepotkan dalam operasi BF karena logam panas untuk pembuatan baja harus rendah sulfur. Tingkat 0,035 % hingga 0,02 % adalah normal. Reaksi yang menghapus sulfur dari besi cair (S) ke dalam escoria (S) sering diwakili oleh reaksi S + (CaO) + C = (CaS) + CO (g) Dimana sulfur (S) dan karbon (C) dalam logam bereaksi dengan kapur (CaO) yang terlarut dalam escoria untuk membentuk sulfida kalsium dalam escoria dan gas CO. Distribusi sulfur antara escoria dan logam, (S) /S, sangat dipengaruhi oleh sejumlah faktor seperti yang dijelaskan di sini. Meningkatkan dasaritas escoria (rasio CaO / SiO2) cenderung meningkatkan aktivitas termodinamis CaO dalam escoria yang mendorong reaksi ke kanan. Potensi oksigen yang meningkat dalam sistem mendorong reaksi ke kiri. Ini ditunjukkan dengan menulis ulang reaksi S + (CaO) = (CaS) + O. Efek ini sangat kuat, dan kehadiran konsentrasi kecil FeO dalam escoria secara serius membatasi rasio sulfur (S) / S. Untungnya baik silikon dan karbon meningkatkan aktivitas termodinamis sulfur dalam logam panas 5 kali hingga 7 kali. Oleh karena itu, sulfur dalam logam panas 5 kali hingga 7 kali lebih mudah dihilangkan daripada dari besi cair yang mengandung relatif sedikit karbon dan silikon.
Asumsi sulfur dalam abu koks ada sebagai CaS, reaksi yang dapat terjadi dengan SiO di zona pembakaran untuk membentuk SiS yang mudah beruap adalah CaS (abu koks) + SiO (gas) = CaO + SiS (gas). Dalam skala yang lebih kecil, beberapa gas CS dapat terbentuk oleh reaksi CaS (abu koks) + CO = CaO + CS (gas).
Transfer sulfur dari spesies mudah beruap ini ke titik leleh besi cair kemudian terjadi di zona bosh. Sebuah studi telah menunjukkan bahwa saat titik leleh besi yang mengandung silikon dan sulfur dijatuhkan melalui escoria cair, dalam kehadiran MnO, kandungan silikon dalam logam panas sebenarnya meningkat, dan tidak ada transfer sulfur. Dalam kehadiran MnO, silikon dihapus dari logam oleh reaksi dan mangan transfer dari escoria ke logam bersama dengan transfer sulfur dari logam ke escoria terjadi. Berdasarkan berbagai hasil yang tersedia, urutan reaksi di bosh dan hearth adalah (i) pembentukan SiO dan SiS di zona pembakaran, (ii) transfer silikon dan sulfur ke titik leleh dan titik leleh escoria di bosh, (iii) oksidasi silikon oleh FeO dan MnO dalam escoria saat titik leleh besi melewati lapisan escoria, dan (iv) desulfurisasi titik leleh logam saat mereka melewati lapisan escoria.
Rasio distribusi sulfur yang ditemukan di BF biasanya bervariasi antara 20 dan 120. Di sisi lain eksperimen telah menunjukkan bahwa saat sampel logam dan escoria dari BF dilelehkan kembali dalam susungan grafit pada 0,1 MPa CO, rasio distribusi meningkat menjadi antara 120 dan 220, tergantung pada dasaritas escoria. Ini menunjukkan bahwa potensi oksigen sistem lebih tinggi dari yang diharapkan untuk kesetimbangan C-CO di hearth tungku. Oleh karena itu, sementara kondisi termodinamis mendukung penghapusan sulfur dari logam panas di dalam BF, pertimbangan kinetik menyiratkan bahwa reaksi dapat lebih mudah dilakukan di luar tungku oleh desulfurisasi eksternal.
Reaksi elemen yang kurang melimpah
Selain elemen (yaitu Fe, P, Mn, Si, Al, Ca, Mg dan S) yang biasanya dipertimbangkan dalam pelaporan komposisi kimia dari bahan yang mengandung besi, terdapat sejumlah elemen yang kurang melimpah yang mengalami reaksi kimia di BF. Beberapa dari ini dapat menyebabkan kesulitan operasi yang signifikan dan beberapa dapat mencemari produk dan membuatnya tidak cocok untuk aplikasi pembuatan baja tertentu. Sumber elemen ini tidak hanya dari bijih besi alami, tetapi juga dari bahan limbah seperti logam bekas, debu pembuatan baja, dan gosokan dll., yang didaur ulang melalui BF. Beberapa elemen yang lebih penting di antaranya adalah arsen, barium, klorin, kromium, kobalt, tembaga, fluorin, timbal, molibdenum, nikel, kalium, natrium, timah, titan, vanadium dan seng.
Alkali dan seng – Natrium, kalium dan seng, sering disebut 'elemen galak', dapat menyebabkan masalah operasi serius di BF dan harus dipantau serta dikontrol dengan hati-hati jika kondisi stabil ingin dipelihara. Logam alkali memasuki BF sebagai konstituen gangue dalam bijih dan juga sebagai bagian dari abu koks, biasanya sebagai silikat. Di tumpukan tungku, silikat bereaksi sesuai dengan persamaan (i) K2SiO3 + CO = 2K + SiO2 + CO2 dan (ii) Na2SiO3 + CO = 2Na + SiO2 + CO2.
Di BF, reaksi kalium dapat terjadi di atas 500 derajat C, sementara reaksi natrium terjadi sekitar 600 derajat C. Pada suhu sekitar 900 derajat C, logam alkali berada di atas titik didihnya jadi mereka bergabung dengan fasa gas. Namun, saat gas-gas ini mulai naik ke atas tungku, logam menjadi tidak stabil dengan respecto terhadap senyawa lain yang dapat terbentuk dan sianida, oksida, dan karbonat semuanya mulai menyedot dari fasa gas sebagai asap atau kabut yang sangat halus, karena sianida cair dalam rentang suhu yang luas. Partikel padat dan cair halus ini dapat menempel pada partikel bijih besi, koks, dan dinding tungku, dengan beberapa, tentu saja, dibawa bersama gas BF dan ditangkap dalam sistem penangkap debu. Terutama senyawa alkali cair dapat menembusi pelapis bata tungku dan menyebabkan kerusakan serius serta pelupukan. Selain itu, senyawa ini dapat menumpuk di dinding dan menyebabkan scaffolding, hanging, dan slipping.
Alkali yang mendarat pada besi dan koks dibawa ke bagian bawah tungku. Di sana, mereka kembali direduksi menjadi logam yang naik ke atas tumpukan sebagai gas, membentuk senyawa alkali yang sama, dan mengulangi siklus, bergabung dengan bahan baru dalam proses. Reduksi membutuhkan karbon, meningkatkan tingkat koks, dan mengudinkan tungku, dan bahan daur ulang dapat menumpuk hingga titik di mana ia merusak koks di tungku, menyebabkan ia pecah menjadi potongan kecil dan meningkatkan reaktivitas koks terhadap CO2.
Reaktivitas yang meningkat ini dapat kembali mengurangi suhu tungku dan menurunkan efisiensi panas keseluruhan sistem. Konsentrasi alkali yang tinggi di tungku juga mempengaruhi kekuatan dan karakteristik reduksi bahan yang mengandung besi, menyebabkan pembengkakan dramatis dan mengkatalis pembentukan karbon pada pellet. Reaksi merusak ini baik pada koks maupun bijih dapat memiliki dampak serius pada permeabilitas gas di tungku dan pada stabilitas operasi BF.
Untungnya, oksida alkali adalah oksida yang sangat basa dan dapat dicampur dengan SiO2 dalam escoria asam dan dihilangkan dari tungku. Biasanya, penurunan dasaritas escoria dapat membawa kuantitas alkali yang meningkat pergi dalam escoria. Ini berseberangan langsung dengan penghapusan sulfur, di mana peningkatan dasaritas escoria meningkatkan penghapusan sulfur. Sebagian besar desulfurisasi terjadi di BF, ada konflik antara pencapaian sulfur rendah dan penghapusan alkali dan dasaritas tungku dikontrol dengan hati-hati untuk menyeimbangkan kedua masalah tersebut. Dengan desulfurisasi eksternal, ini tidak lagi masalah dan tungku biasanya dapat dimuat untuk meminimalkan serangan alkali.
Seng biasanya berasal dari debu gas buang pembuatan baja dari tungku yang menggunakan logam bekas galvanis yang dalam beberapa cara telah didaur ulang ke BF. Sesekali, kandungan seng dalam bijih besi atau abu batu bara juga dapat menjadi sumber yang cukup. Berperilaku tidak jauh berbeda dari natrium, seng direduksi dari oksida atau ferrit pada sekitar 600 derajat C, membentuk uap yang kemudian membentuk oksida atau karbonat yang dapat bereaksi dengan dinding samping atau dibawa ke bawah tungku pada koks atau bijih untuk direduksi dan dikonversi lebih lanjut, mengkonsumsi koks pada setiap putaran. Seng yang lolos sebagai asap dalam aliran gas, memasuki filter cake BF, membuatnya tidak sesuai untuk didaur ulang jika ada dalam persentase yang cukup tinggi. Tidak seperti alkali, seng tidak ditangkap dalam escoria dalam bentuk apa pun dan hanya dapat efektif dihilangkan dengan mengurangi input dan membiarkan uap daur ulang perlahan-lahan pergi melalui fasa gas.
Jelas, perlindungan terbaik terhadap logam alkali dan seng adalah untuk memastikan bahwa minimum mutlak adalah bagian dari masukan BF. Karena kecenderungan elemen ini untuk beredar di dalam tungku, mereka adalah konsumen koks yang tidak terlihat dan tidak diketahui dan menyebabkan masalah refraktori, bijih dan koks. Untungnya, gejala masalah tidak selalu jelas sampai masalah cukup besar dan kemudian membutuhkan tindakan yang cukup drastis, seperti menghilangkan beberapa bahan masukan, untuk mencapai solusi.
Timbal dan titan – Timbal jarang menjadi masalah di BF tetapi sesekali cukup banyak dapat memasuki BF melalui bijih atau sinter untuk menyebabkan masalah. Timbal sangat mudah direduksi dalam besi BF dan jatuh ke dasar hearth yang biasanya memiliki lapisan logam panas dingin yang melindungi refraktori hearth. Timbal hampir tidak memiliki kelerengalan dalam logam panas jadi ia membentuk kolam cair titik leleh rendah di mana logam panas melayang, dan oleh karena itu mempromosikan serangan yang lebih cepat pada hearth. Di beberapa tungku di mana masalah ini diketahui terjadi, lubang tapan kedua, lebih dalam dari lubang besi, dapat digunakan untuk secara berkala menap timbal.
Titan adalah oksida yang lebih stabil daripada silika tetapi di BF ia dapat membentuk karbida dan nitrida yang sangat stabil. Senyawa titan, jika ada dalam kuantitas kecil dapat efektif dalam membentuk lapisan pelindung ringan pada permukaan hearth dan memperpanjang umur hearth. Untuk alasan ini, bijih titan-ferris ditambahkan secara bijaksana ke campuran sinter. Namun, pada konsentrasi tinggi, senyawa yang sama ini dapat mengakibatkan escoria menjadi kaku sambil membangun lapisan hearth yang tebal, mengurangi kapasitas hearth tungku. Seperti dengan seng, solusi terbaik adalah mengurangi input dan perlahan-lahan menghilangkan titan dari tungku.
Arsen – Arsen ditemukan sejumlah bijih besi. Perilaku arsen sangat mirip dengan fosfor, yaitu ia hampir sepenuhnya direduksi dan terlarut dalam logam panas. Ia meningkatkan kelembutan logam panas dan oleh karena itu, tampaknya meningkatkan aus refraktori. Ia tidak sepenuhnya dihilangkan selama proses pemurnian baja dan memberikan kekeruhan pada baja jadi.
Barium – Barium secara kimiawi mirip dengan kalsium dan terjadi sebagai oksida yang sangat basa di beberapa bijih besi dan mangan. Ia tidak direduksi di BF tetapi menjadi bagian dari escoria, meningkatkan dasaritas escoria. Ia dapat menyebabkan kesulitan dalam mengontrol komposisi logam jika operator tidak menyadari kehadirannya.
Klorin – Klorin terjadi sebagai klorida alkali di beberapa bijih besi dan sebagai senyawa kontaminan dalam bijih yang diproses dengan air laut. Klorin juga ada dalam beberapa batu bara yang digunakan untuk injeksi. Di zona suhu tinggi BF, senyawa-senyawa ini menguap dan saat mereka naik ke atas tungku mereka mendensasi di sekitar plat pendingin dan menyebabkan korosi. Mereka juga dapat mendensasi di saluran naik dan turun di mana mereka membentuk endapan yang pada akhirnya dapat membatasi aliran gas atas, atau bereaksi untuk membentuk asam HCl (hidroklorida) dan menyerang sistem pembersih gas.
Kromium – Kromium ditemukan di beberapa bijih dan direduksi hingga tingkat tertentu tergantung pada dasaritas escoria dan suhu operasi. Biasanya, sekitar 50 % hingga 60 % kromium direduksi ke dalam logam panas.
Kobalt, tembaga, dan nikel – Kobalt, tembaga, dan nikel terjadi di beberapa bijih yang berbeda. Mereka juga ada dalam sisa pengolahan yang mengandung besi dari industri tembaga yang terkadang disinter dan digunakan di BF untuk memulihkan besi. Ketiga elemen ini direduksi hampir sepenuhnya ke dalam logam panas dan tidak dioksidasi selama proses pemurnian baja. Sebagai hasilnya, di operasi yang menghasilkan baja yang harus memenuhi spesifikasi duktilitas yang ketat, bijih seperti ini tidak dapat digunakan.
Fluorin – Senyawa fluorin ditemukan di beberapa bijih dan berperilaku mirip dengan senyawa klorin. Kemampuan asam HF (hidrofluorit) untuk menyerang sistem pembersih gas dikenal baik.
Molibdenum dan tungsten – Molibdenum dan tungsten sangat jarang terjadi dan hanya dalam kuantitas sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Jika ada senyawa elemen-elemen ini di BF, mereka setidaknya 90 % direduksi ke dalam logam panas.
Timah – Timah adalah elemen yang memasuki BF sebagian besar melalui bahan daur ulang seperti logam bekas atau debu yang disinter. Ia hampir sepenuhnya direduksi dan terlarut dalam logam panas.
Vanadium – Vanadium terjadi dan berperilaku dengan cara yang mirip dengan kromium. Sekitar 50 % vanadium dalam beban direduksi dan memasuki logam panas.
Selenium dan telurium – Selenium dan telurium, meski cukup jarang, dapat ada dalam beberapa bahan baku. Dalam reaksi mereka mirip dengan sulfur tetapi memiliki kecenderungan yang lebih besar untuk tetap bersama logam.
Fluks
Batu kapur yang dimuat ke dalam tungku dikalsinasi oleh reaksi CaCO3(s) = CaO(s) + CO2 (g); delta H = 177.8 kJ pada sekitar 800 derajat C. Karbonat magnesium dalam dolomit muatan dikalsinasi oleh reaksi serupa MgCO3(s) = MgO(s) + CO2(g); delta H = 167.4 kJ pada suhu 50 derajat C hingga 100 derajat C lebih rendah. Reaksi-reaksi ini menghasilkan beberapa kondisi yang tidak diinginkan di dalam tungku. Yang pertama adalah mereka membutuhkan panas yang cukup dan yang kedua adalah CO2 dilepaskan di dalam tungku. CO2 tambahan meningkatkan potensi oksigen gas yang menghambat langkah akhir dalam reduksi bijih besi, yaitu, FeO menjadi Fe. Ia juga mendukung 'pelarutan' karbon dari koks oleh persamaan CO2 (g) + C(s) = 2CO (g).
Peningkatan yang signifikan dalam operasi tungku dicapai ketika aglomerat 'self-fluxing' dari konsentrat bijih besi adalah muatan yang mengandung besi utama ke dalam tungku. Batu kapur dan dolomit dapat ditambahkan ke masukan mesin sinter dan tungku peletisasi. Saat sinter dibakar dan pelet diindurasi, fluks dikalsinasi dan bereaksi dengan oksida besi untuk membentuk ferrit kalsium dan senyawa yang lebih kompleks lainnya. CaO dan MgO yang dibawa ke dalam BF oleh aglomerat ini kemudian bebas dari CO2.
Escoria
Dasar-dasar escoria BF kompleks. Pada sekitar 40 %, oksigen adalah elemen tunggal terbesar dalam escoria. Escoria, oleh karena itu, adalah sistem oksida dan ionik dalam sifatnya. Sistem oksida yang membentuk dasar untuk escoria BF adalah sistem lime-silica-alumina (CaO-SiO2-Al2O3) yang dimodifikasi karena kehadiran persentase tertentu MgO dalam escoria. Gambar 4 menunjukkan diagram fase sistem CaO-Al2O3-SiO2-10 % MgO. Karena sifat proses BF, pembentukan escoria adalah proses multi-tahap yang melibatkan perubahan yang signifikan dalam komposisi dan suhu. Empat komponen primer escoria membentuk banyak senyawa yang menghasilkan rentang yang luas dari properti kimia dan fisik. Komponen yang lebih sedikit dari escoria sangat menarik perhatian perihal kimia logam panas dan kontrol tungku, dan menambah kompleksitas properti fisiko-kimia escoria.
Gambar 4 Diagram fase sistem CaO-Al2O3-SiO2-10 % MgO
Escoria dengan komposisi di wilayah sekitar 40 % SiO2, 48 % CaO, dan 12 % Al2O3 memiliki titik leleh rendah, yaitu, 1.300 derajat C, dan sesuai untuk kontrol sulfur dan silikon dalam logam panas. Seringkali 6 % hingga 10 % MgO digunakan alih-alih kuantitas setara CaO untuk menurunkan viskositas escoria. Kuantitas kecil MnO, FeO, Na2O, dan K2O dll. membantu menurunkan titik leleh escoria.
Pada dasarnya terdapat dua escoria di dalam tungku. Yang pertama adalah escoria 'primer, atau bosh, atau awal' yang terbentuk terutama dari konstituen gangue dalam bijih dan aglomerat dan CaO dan MgO dari fluks yang dikalsinasi, atau bagian self-fluxing dari aglomerat. Escoria ini relatif basa dibandingkan escoria akhir dan mengandung beberapa oksida besi. Escoria 'akhir atau hearth' terbentuk oleh persatuan escoria awal dengan konstituen abu koks yang dilepaskan dari koks saat dibakar sebelum tuyere. Escoria akhir ini terus mengalami modifikasi komposisi saat ia melewati ke dalam hearth dan mencampur dengan besi cair yang juga mengalir ke dalam krusibel. Ada penyesuaian dalam kandungan silika escoria, oksida besi dapat direduksi darinya dan ia dapat menyerap sulfur dari koks dan besi cair.
Pembentukan escoria di zona pembentukan escoria sangat spesifik untuk tungku karena dampak properti beban dan operasi tungku. Zona pembentukan escoria dimulai di zona kohesi, di mana pelunak beban dimulai, dan berlanjut ke bawah ketinggian elevasi tuyere. Zona pembentukan escoria oleh karena itu mencakup zona kohesi, zona koks aktif, deadman, dan raceway. Escoria yang terbentuk di bagian atas zona pembentukan escoria disebut escoria 'bosh' atau 'primer', dan escoria yang meninggalkan zona di bawah adalah escoria 'hearth'. Escoria primer biasanya diasumsikan terdiri dari semua komponen escoria beban termasuk oksida besi yang tidak direduksi di zona butiran, tetapi tidak mencakup abu koks atau batu bara yang diinjeksi. Komposisi escoria berubah saat ia turun di dalam tungku karena penyerapan abu koks dan abu batu bara, sulfur dan silikon dari gas, dan reduksi oksida besi. Suhu escoria meningkat sekitar 500 derajat C saat ia turun ke ketinggian tuyere. Perubahan komposisi dan suhu ini dapat secara signifikan mempengaruhi properti fisik escoria, khususnya suhu liquidus dan viskositas.
Escoria yang dihasilkan di zona pembentukan escoria terkumpul di lapisan escoria di zona hearth, mengisi ruang kosong di hearth koks dan 'melayang' di atas lapisan logam panas. Logam panas melewati lapisan escoria untuk mencapai lapisan logam panas. Luas permukaan yang tinggi antara logam panas dan escoria saat logam panas melewati lapisan escoria meningkatkan kinestika reaksi kimia. Reaksi-reaksi ini menghasilkan perubahan yang signifikan dalam kimia logam panas. Khususnya kandungan (Si) dan (S) sebelum memasuki lapisan escoria jauh lebih tinggi daripada yang ada dalam lapisan logam panas.
