FASTMET & FASTMELT: Teknologi Pembuatan Besi Canggih untuk Produksi Logam Efisien

Proses Pembuatan Besi FASTMET dan FASTMELT

Proses FASTMET adalah proses pembuatan besi berbasis batu bara. Ia memungkinkan konversi oksida logam dari bijih besi halus atau sisa metalurgi pabrik baja menjadi besi metalisasi. Proses FASTMELT adalah proses FASTMET dengan penambahan 'tungku peleburan besi listrik' (EIF) untuk menghasilkan besi cair atau logam panas. Kobe Steel dalam kolaborasi dengan Midrex Technologies, Inc., anak perusahaan Kobe Steel di Amerika Serikat, telah mengembangkan proses ini. FASTMET adalah proses unik yang menggunakan tungku hearth rotary (RHF) untuk mereduksi aglomerat yang mengandung batu cara dengan rasio reduksi tinggi dan produktivitas tinggi. Gambar 1 menunjukkan potongan lintang sederhana dan tampilan atas dari RHF.

Gambar 1 Potongan lintang sederhana dan tampilan atas dari RHF

Proses FASTMET mengonversi umpan pelet bijih besi, bijih besi halus dan / atau sisa metalurgi pabrik baja menjadi besi reduksi langsung (DRI) menggunakan batu cara serbuk sebagai agen reduksi. Produk akhir DRI dapat menjadi briquet panas untuk menghasilkan besi briquet panas (HBI), atau dikeluarkan sebagai DRI panas ke dalam wadah transfer, atau didinginkan jika DRI dingin diperlukan. DRI panas langsung dikeluarkan dari RHF ke dalam EIF dan dilebur untuk menghasilkan logam panas. Logam panas dapat dicetak menjadi besi pig. Besi yang direduksi / logam panas dapat diumpankan ke dalam tungku pembuatan baja primer.

Selain memfasilitasi daur ulang sisa metalurgi ke dalam umpan tungku BOF / EAF, ada dua target utama dari proses ini. Salah satunya adalah metalisasi oksida besi yang lebih tinggi, yang mengurangi beban pada proses peleburan. Yang lain adalah rasio penghapusan seng yang tinggi, yang mengurangi konsentrasi seng dalam lingkaran daur ulang. Untuk umpan tungku bakar, kekuatan kompresi tinggi diperlukan, yang juga dicapai dengan menyesuaikan pengikat dan rasio campuran bahan baku dengan proses FASTMET.

Sejarah perkembangan

Reduksi bijih besi dalam RHF pertama kali dicoba oleh Midland Ross Co., pendahulu Midrex Technologies, Inc. Proses ini, yang disebut 'Heat Fast', unik karena melibatkan pelet komposit, yang terdiri dari bijih besi dan bahan karbon, yang dipanaskan sebelumnya di grata, direduksi awal di RHF dan didinginkan di pendingin shaft. Proses 'Heat Fast' diuji dengan sukses di pabrik pilot 2 ton per jam (tph) di Cooley, Minnesota, dari 1965 hingga 1966.

Secara bersamaan dengan perkembangan 'Heat Fast', proses DRI berbasis gas alam Midrex, yang menawarkan produk berkualitas lebih tinggi daripada 'Heat Fast' dan biaya operasi lebih rendah (gas alam dihargai sangat rendah pada saat itu) juga sedang dikembangkan. Karena biaya operasi yang rendah dari proses gas alam pada saat itu, pekerjaan proses 'Heat Fast' dihentikan dan pengembangan komersial tidak pernah dilakukan.

Midrex menghidupkan kembali minatnya dalam menggunakan RHF untuk reduksi langsung pada awal tahun 1980-an. Beberapa studi dilakukan yang menunjukkan bahwa proses berbasis RHF dapat dikembangkan untuk menghasilkan besi reduksi langsung dengan harga yang menarik. Pada tahun 1990-an, harga gas alam naik dan kemudian pabrik pilot FASTMET dibangun dan dioperasikan di pusat teknis Midrex dengan RHF berdiameter 2,75 m yang memiliki kapasitas produksi 160 kilogram per jam. Lebih dari 100 kampanye dijalankan dari 1992 hingga 1994.

Kobe Steel dan Midrex Technologies, Inc. bekerjasama untuk memulai ulang pengembangan proses berbasis batu bara RHF dengan niat untuk mengkomersialkan teknologi. Berdasarkan pekerjaan pabrik pilot 'Heat Fast' yang risal ke tahun 1960-an, perbaikan dilakukan pada teknologi yang menghasilkan produktivitas yang lebih tinggi, kualitas produk yang ditingkatkan, fleksibilitas proses yang lebih besar, dan efisiensi proses yang meningkat. Hasil akhirnya adalah pengembangan proses FASTMET. Kobe Steel dan Midrex telah mengambil proses FASTMET satu langkah lebih lanjut dalam mengembangkan proses FASTMELT yang membutuhkan pengeluaran DRI panas dari RHF dan pemuatan oleh gravitasi ke dalam EIF, tungku peleburan yang dirancang khusus untuk melebur DRI panas FASTMET untuk menghasilkan logam panas.

Pabrik pilot demonstrasi dibangun pada tahun 1995 di pabrik Kakogawa Kobe Steel Limited (KSL). Pabrik memiliki RHF berdiameter 8,5 m dan kapasitas produksi 2,5 tph. Pabrik beroperasi secara berkelanjutan dari 1995 hingga 1998. Melalui berbagai operasi demonstrasi yang dilakukan di sana, Kobe Steel dan Midrex Technologies, Inc. telah mendirikan proses FASTMET untuk komersialisasi. Pada tahun 2000, pabrik FASTMET komersial pertama disuplai ke pabrik Hirohata Nippon Steel Company (NSC) untuk mereduksi 190.000 ton per tahun (tpa) sisa pabrik baja. Proses FASTMET diakui karena kemampuannya untuk mendaur ulang debu pabrik baja secara efisien. Detail dari lima pabrik pertama yang telah dioperasikan tercantum dalam Tab 1.

Dapat dilihat bahwa proses ini saat ini digunakan untuk pemanfaatan sisa metalurgi pabrik baja. Selain sisa metalurgi, proses ini juga dapat menggunakan bijih besi halus dengan ukuran yang sama dengan umpan pelet (kurang dari 45 mikrometer). Hal ini karena proses ini memiliki langkah aglomerasi bawaan. Proses FASTMET/FASTMELT menawarkan rute alternatif untuk pembuatan besi dengan kapasitas mulai dari 100.000 tpa hingga 500.000 tpa. Proses FASTMELT menawarkan alternatif untuk teknologi mini tungku bakar (BF). Refraktori yang digunakan dalam RHF dan EIF adalah spesifikasi standar yang biasanya digunakan dalam pembuatan besi. Desain EIF didasarkan pada desain teruji dari teknologi EAF (tungku listrik arc) dan LF (tungku tong).

Fitur proses FASTMET

Proses FASTMET jelas berbeda dari proses reduksi berbasis gas menggunakan gas reformasi yang dihasilkan dari gas alam, dalam hal ia memanaskan dan mereduksi aglomerat komposit, yang masing-masing terdiri dari bijih besi, atau sisa metalurgi pabrik baja, dan batu cara. Proses sederhana dan unik ini yang melibatkan pemanasan cepat mencapai reaksi reduksi yang cepat. Aglomerat ditempatkan dalam satu atau dua lapis rata di atas hearth dan dipanaskan menggunakan panas radiasi. Ini mencegah oksidasi aglomerat, meski kondisi dalam tungku gas buang pembakaran, yang memiliki potensi oksidasi yang cukup tinggi.

Proses dapat mencapai pemanasan dan reduksi aglomerat secara bersamaan dan efektif pada rasio udara-gas ideal dalam RHF. Selain itu, gas mudah terbakar yang dihasilkan dari karbon dalam aglomerat terbakar dalam pembakaran sekunder di atasnya. Ini menekan emisi NOx secara signifikan, meski RHF adalah tungku yang memiliki lingkungan suhu tinggi. Ini adalah fitur lain dari proses FASTMET.

Saat hearth RHF berputar, pelet atau briquet melewati tiga zona dan dipanaskan dengan cepat. Setiap zona memiliki tiga pembakar gas, di mana rasio udara / bahan bakar dapat disesuaikan untuk mencapai pembakaran kurus atau kaya yang diinginkan di setiap zona. Di akhir zona 3, bahan melewati di bawah dinding pemisah yang memisahkan zona pembakaran akhir dari zona pengeluaran. Penggerak helis mengangkut produk DRI panas dari hearth ke dalam wadah diverter dan kemudian oleh gravitasi ke dalam wadah produk DRI yang dibersihkan nitrogen atau ke dalam EIF.

Penyedot panas yang dipasang pada alat pengolahan gas buang mengubah energi yang terkandung dalam gas buang suhu tinggi menjadi energi untuk memanaskan udara yang digunakan untuk pembakaran atau pengeringan bahan baku. Ini mengurangi konsumsi energi keseluruhan.

Bahan baku seperti debu pabrik baja kadang-kadang dapat menghasilkan dioksin saat terbakar. Dalam proses FASTMET, namun, suhu RHF adalah 1.300 derajat C atau lebih, yang cukup tinggi untuk menekan generasi dioksin. Gas buang dari RHF didinginkan dengan cepat melalui wilayah suhu di mana dioksin dapat merekombinasi, sehingga mencegahnya merekomposisi. Gambar 2 menunjukkan aliran proses yang khas dari proses FASTMET / FASTMELT.

Gambar 2 Aliran proses khas dari proses FASTMET / FASTMELT

Gas buang panas yang keluar dari RHF didinginkan melalui pendingin evaporatif sebelum memasuki penyedot panas. Panas sensitif dalam gas buang digunakan untuk memanaskan sebelumnya udara pembakaran RHF dan udara pengering bola hijau hingga sekitar 350 derajat C. Gas buang yang keluar dari pemanas sebelumnya didinginkan lebih lanjut oleh pendingin evaporatif kedua sebelum memasuki bag house, di mana oksida seng dipulihkan dan dikirim ke silo debu untuk penyimpanan. Pengarut angin ditempatkan di keluar bag house untuk mencapai penurunan tekanan yang diperlukan untuk sistem gas buang dan mengontrol RHF di bawah tekanan negatif sedikit.

Utilitas yang diperlukan adalah udara pabrik, nitrogen, uap, udara instrumen, air make-up, dan gas alam cair. Pabrik juga membutuhkan sirkuit air proses sirkulasi terbuka serta sirkuit air pendingin mesin tertutup.

DRI panas, yang dikeluarkan dari RHF, memiliki tiga opsi pengeluaran yaitu (i) didinginkan untuk menghasilkan DRI dingin, (ii) dibriquetkan di mesin briquet untuk menghasilkan HBI, (iii) dilebur di EIF untuk menghasilkan besi cair. Besi cair ini dapat dicetak di cetakan pig untuk menghasilkan besi pig.

DRI memiliki banyak pori yang tersisa setelah proses reduksi. Jika terpapar udara untuk waktu yang lama, besi logam direoksidasi kembali menjadi oksida besi, mengurangi kualitasnya. Jika DRI tidak digunakan segera sebagai bahan baku untuk tungku peleburan atau tungku bakar, pemadatan dan pengikisan DRI menjadi briquet besi panas (HBI) mencegah reoksidasi. Ini memungkinkan penyimpanan besi yang direduksi untuk waktu yang lama tanpa degradasi kualitas. HBI yang disimpan dapat diumpankan ke tungku pembuatan baja primer atau ke tungku bakar. Apakah besi yang direduksi yang dihasilkan oleh proses FASTMET digunakan sebagai DRI dalam bentuk pelet / briquet atau dibentuk menjadi HBI menggunakan peralatan HBI tergantung pada aplikasi produk (sumber besi) dan periode penyimpanannya.

Sisa metalurgi (debu) yang dihasilkan di pabrik baja secara konvensional dipeletkan atau disinter di dalam pabrik untuk mendaur ulang debu sebagai bahan baku untuk tungku bakar. Namun, bahan baku tungku bakar mengandung komponen mudah uap, terutama seng, yang menguap di zona suhu tinggi tungku bakar. Namun, tidak semua uap lolos dari tungku bakar. Sebagian uap didinginkan dan ditangkap oleh bahan yang baru dimuat, tetap di dalam tungku. Komponen mudah uap yang terakumulasi mengurangi permeabilitas tungku bakar, dan secara signifikan mengurangi produktivitasnya.

Proses FASTMET menguap logam berat seperti seng dan timbal, yang telah menghambat daur ulang logam bekas, dan mengonversinya menjadi oksida seng mentah dan sebagainya. Ini memungkinkan pembuangan elemen-elemen ini ke dalam saluran gas buang tanpa mengedarkannya dalam proses. Fasilitas pengolahan gas buang dilengkapi dengan sistem pendingin dan pengumpulan debu, yang, dikombinasikan dengan pendinginan udara dan pendinginan air, mencegah komponen mudah uap menempel pada dinding peralatan. Ini memungkinkan operasi stabil dan berkelanjutan untuk waktu yang lama dan pengumpulan oksida seng mentah dan sebagainya, menggunakan filter kantong. Oksida seng mentah yang dikumpulkan adalah sumber daya yang berharga dan didaur ulang bersama dengan besi yang direduksi.

Proses dan reaksi prinsip

Proses FASTMET dimulai dengan pencampuran bijih besi halus atau sisa metalurgi pabrik baja (yang mengandung persentase tinggi oksida besi) dengan serbuk batu cara, aglomerasi campuran menjadi pelet atau briquet menggunakan peletizer atau briquetter, pengeringan aglomerat di pengering, dan penempatan aglomerat di atas hearth RHF dalam satu atau dua lapis rata.

Pelet atau briquet harus diisolasi dari udara saat memasuki tungku. Tingkat penginputan mereka dikontrol dengan tepat pada saat yang sama. Proses FASTMET berisi sistem pipa penginputan yang memungkinkan penyesuaian jumlah pipa sesuai dengan ukuran tungku, sehingga secara bersamaan mencapai isolasi dari udara dan kontrol volume. Sistem pengaturan pengait jenis penggerak diadopsi untuk menempatkan aglomerat dalam satu atau dua lapis rata.

Saat hearth berputar, briquet dipanaskan oleh radiasi dari suhu zona RHF lebih dari 1.300 derajat C dan oksida besi direduksi menjadi besi logam. Reduksi oksida besi dicapai terutama oleh karbon padat elemen yang bereaksi dengan magnetit (Fe3O4) atau hematit (Fe2O3) untuk membentuk besi logam (Fe) dan wustite dalam bentuk padat sambil mengeluarkan gas karbon monoksida (CO) dan karbon dioksida (CO2). Beberapa karbon larut dalam besi logam untuk membentuk karbida besi (Fe3C).

Oksida seng, oksida timbal, dan oksida logam mudah uap lainnya yang terkandung dalam masukan sisa metalurgi juga direduksi menjadi bentuk logam dan menguap. Uap logam ini direoksidasi kembali dalam gas buang sebelum keluar dari tungku melalui saluran gas buang.

Metode pemanasan cepat, teknologi milik Kobe Steel, diadopsi untuk memanaskan pelet atau briquet yang diletakkan di atas hearth, dengan cepat mencapai suhu tinggi 1.350 derajat C. Pemanasan ini menghasilkan reaksi oksida dan karbon. Tinggal selama 8 menit hingga 16 menit, aglomerat diubah menjadi DRI, yang dikeluarkan dari tungku atau disuplai ke proses hilir, pada suhu 1.000 derajat C hingga 1.200 derajat C. Reaksi berbeda yang terjadi di antara oksida dan karbon adalah (i) Fe2O3＋3C = 2Fe＋3CO, (ii) Fe3O4 ＋4C = 3Fe＋4CO, (iii) Fe2O3 ＋3CO = 2Fe＋3CO2, (iv) Fe3O4 ＋4CO = 3Fe ＋4CO2, (v) FeO ＋CO = Fe＋CO2, dan (vi) ZnO ＋CO = Zn＋CO2.

Gas pembakaran (gas CO) yang dipancarkan dari pelet / briquet sebagai hasil reaksi reduksi dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk RHF, yang secara signifikan mengurangi jumlah bahan bakar yang disuplai ke pembakar.

Atmosfer di EIF proses FASTMELT pada dasarnya terdiri dari gas CO dan oleh karena itu sangat pereaksi. Atmosfer pereaksi ini mempromosikan reduksi silikon dan penghapusan sulfur.

Pengeluaran DRI yang stabil dan berkelanjutan dari RHF pada suhu tinggi dicapai oleh teknologi milik KSL seperti mengangkat hearth tungku reduksi. Tidak seperti tungku bakar, FASTMET dapat memulai dan menghentikan operasi dengan relatif mudah tergantung pada jumlah produksi, yang memungkinkan produksi sesuai dengan permintaan.

Mekanisme reduksi

Kinematika reaksi reduksi dalam tungku reduksi biasanya dikontrol oleh difusi gas reduksi dari luar. Dalam proses FASTMET, reaksi reduksi terjadi di dalam pelet / briquet komposit karbon yang terdiri dari bijih besi halus dan serbuk batu cara. Setelah pelet / briquet komposit dipanaskan, gas CO di dalamnya, mempromosikan reduksi oksida besi. Oleh karena itu reaksi reduksi berlangsung lebih cepat dalam pelet / briquet komposit karbon daripada reaksi reduksi yang terjadi dalam proses reduksi langsung konvensional. Reaksi reduksi dasar yang dianggap terjadi selama proses FASTMET adalah (i) FexOy + yC = xFe + y CO (reaksi endotermik), (ii) CO2 + C = 2CO (reaksi endotermik), dan (iii) FexOy + yCO = xFe + yCO2 (reaksi eksotermik).

Pada suhu di bawah titik leleh besi, hampir tidak ada reaksi langsung dengan karbon padat serbuk batu cara dan oleh karena itu reaksi seperti yang diberikan dalam persamaan (i) mendominasi kinematika reaksi. Pada suhu lebih tinggi 1.000 derajat C dan lebih, reaksi pembentukan gas CO oleh solusi loss karbon sesuai dengan persamaan (ii) dan reaksi oksida besi oleh gas CO sesuai dengan persamaan (iii) terjadi secara beruntun di dalam pelet / briquet komposit karbon. Dalam reaksi ini pembentukan gas CO mengontrol kinematika reaksi dengan sifat endotermik yang tinggi. Oleh karena itu untuk mempromosikan reaksi, perlu menyuplai panas yang dibutuhkan untuk reaksi ke dalam pelet / briquet komposit karbon pada suhu lebih tinggi 1.000 derajat atau lebih. Ini berarti panas harus ditransfer secara efisien oleh radiasi dari atmosfer ke permukaan pelet / briquet, dan oleh konduksi dari permukaan pelet / briquet ke interiornya. Gambar 3 menunjukkan mekanisme reduksi pelet / briquet komposit karbon

Gambar 3 Mekanisme reduksi pelet / briquet komposit karbon

Dalam RHF, pelet / briquet biasanya dipanaskan dengan suhu zona lebih dari 1.300 derajat C dan direduksi menjadi besi logam. Waktu tinggal di hearth biasanya 8 menit hingga 16 menit. Ini bervariasi tergantung pada bahan yang diproses, ukuran pelet / briquet, dan faktor lain. Laju reduksi cepat yang dicapai dalam proses FASTMET disebabkan oleh suhu reduksi yang tinggi, laju transfer panas yang tinggi, dan kontak yang erat dari karbon yang terkandung di dalam briquet dengan oksida besi. Transfer panas dan reaksi reduksi berbeda yang terjadi di RHF ditunjukkan secara skematis pada Gambar 4.

Gambar 4 Skema transfer panas dan reaksi reduksi di RHF

Produk

Produk akhir proses FASTMET / FASTMELT dapat berupa HBI, DRI panas yang dikeluarkan langsung ke dalam wadah transfer, DRI dingin, atau besi cair (logam panas). Metalisasi yang dicapai selama proses lebih dari 85 %. Suhu logam panas yang dihasilkan oleh proses FASTMELT berkisar dari 1.450 derajat C hingga 1.550 derajat C dan memiliki komposisi khas karbon – 3 % hingga 5 %, silikon – 0,3 % hingga 0,6 %, mangan – 0,6 % hingga 1,2 %, sulfur – kurang dari 0,05 %, dan fosfor – kurang dari 0,03 %.

Pengolahan gas buang dan kontrol lingkungan

Gas buang yang keluar dari RHF terbakar sepenuhnya, mengandung sekitar 2 % oksigen. Penyedot panas menggunakan energi termal dalam gas buang untuk memanaskan udara pembakaran untuk pembakar RHF dan pengering persiapan bahan baku. Gas buang keluar dari tungku hearth rotary melalui atap dan mengalir melalui saluran gas buang yang dilapisi refraktori ke saluran gas buang. Lokasi yang tepat dari saluran gas buang relatif terhadap zona pembakaran RHF ditentukan oleh analisis bahan masukan, kinematika reduksi, dan diverifikasi oleh 'Computational Fluid Dynamics'. Udara penurun disuntik ke dalam saluran gas buang untuk memberikan pendingin dan membakar sisa bahan mudah terbakar (hidrogen dan CO) dalam aliran gas buang.

Air penyemprotan ditambahkan ke pendingin primer untuk mendinginkan gas dari lebih dari 1.400 derajat C hingga 1.000 derajat C untuk meminimalkan pembentukan NOx dan untuk memberikan suhu masuk yang dapat diterima untuk recuperator. Dari pendingin primer gas buang mengalir melalui pemanas udara pembakaran dan udara pengering di mana panas dari gas buang digunakan untuk memanaskan udara pembakaran untuk pembakar rotary hearth dan rotary dryer. Gas buang keluar dari pemanas pembakaran ke pendingin sekunder. Air penyemprotan ditambahkan ke pendingin sekunder untuk mendinginkan gas dari sekitar 800 derajat C hingga 120 derajat C untuk memberikan suhu masuk yang dapat diterima untuk sistem filter kantong. Gas buang kemudian mengalir ke bag house jet fabric filter di mana oksida seng mentah dikumpulkan dan kemudian ke ID fan di mana ia dikeluarkan melalui tumpukan ke atmosfer.

Kontrol SO2 biasanya tidak diperlukan dalam proses FASTMET karena sebagian besar SO2 bereaksi dengan dan diserap oleh oksida logam dalam aliran gas buang. Injeksi kapur dapat digunakan untuk mengontrol SO2 lebih lanjut. NOx dikontrol dengan menggunakan pembakar NOx rendah dan kontrol operasi yang ketat pada rasio udara terhadap bahan bakar dan suhu pembakaran. Dioksin dan furan dihancurkan oleh suhu tinggi dan waktu tinggal yang lama di dalam RHF. Laju pendinginan gas buang dikontrol untuk meminimalkan reformasi dioksin dan furan. Partikel dihilangkan dari gas buang oleh sistem filter kantong. Oksida seng mentah dikumpulkan oleh sistem filter kantong dan disimpan dalam silo.

Proses FASTMET adalah proses yang ramah lingkungan. Emisi CO2 dari proses FASTMELT sekitar 1,6 ton per ton logam panas (t/tHM) dibandingkan dengan sekitar 2,1 t/tHM emisi CO2 dalam kasus mini tungku bakar. Emisi NOx berada dalam rentang 0,3 kilogram per ton logam panas (kg/tHM) hingga 1,5 kg/tHM dan emisi SOx sekitar 2,4 kg/tHM.

Manfaat proses FASTMET

Proses FASTMET menyediakan opsi lain untuk penanganan sisa metalurgi pabrik baja. Pabrik FASTMET yang terletak di pabrik baja dapat memproses debu dan menghasilkan dua produk utama, DRI untuk umpan kembali ke tungku pembuatan baja primer, dan oksida seng mentah untuk dijual ke pemroses seng. Ini mengubah beban menjadi aset. Biaya peniagaan yang tinggi dihilangkan dan pasokan satuan besi yang murah tersedia.

Manfaat proses meliputi (i) pembuatan halus yang sangat rendah dalam proses menghasilkan kandungan seng yang tinggi dan kandungan besi yang sangat rendah dari debu sekunder, (ii) metalisasi tinggi dan pengurangan seng yang tinggi membuat produk besi yang direduksi dapat didaur ulang ke tungku pembuatan baja primer, (iii) tidak ada limbah yang dihasilkan untuk dibuang, (iv) perawatan suhu tinggi mengurai dioksin, dan (v) debu seng dapat ditangani secara ekonomis dan menjadi produk, bukan limbah.