Tanur Silang Terendam: Menggerakkan Manufaktur Baja Modern

Tanur Silang Terendam

Pemanfaatan energi listrik dimulai dengan pengembangan mesin dinaamo oleh Werner von Siemens. Tanur silang telah digunakan selama bertahun-tahun baik untuk peleburan besi sisa (tanur silang terbuka) maupun untuk proses reduksi (tanur silang terendam). Dalam kasus tanur silang terendam (SAF), biji dan agen redultan diumpan ke dalam tanur secara kontinu dari atas sehingga elektroda terendam dalam campuran dan silang terendam. Tanur dinamakan tanur silang terendam karena silang terendam. Susunan fisik yang paling umum terdiri dari kolam lingkar dengan tiga elektroda vertikal disusun dalam segitiga. Tanur enam elektroda dengan kolam lingkar atau persegi panjang juga digunakan tetapi lebih jarang.

Aplikasi dan Sejarah Tanur Silang Terendam

Tanur silang terendam telah menemukan aplikasi dalam lebih dari 20 area industri utama yang berbeda seperti ferro alloy, industri kimia, seng, seng, tembaga, refraktori, titanium oksida, daur ulang, fosforus, dll. Diagram skematik khas dari tanur silang terendam untuk produksi ferro krom bersama dengan neraca bahan diberikan pada Gambar 1.

Gambar 1 Diagram skematik khas dari tanur silang terendam untuk produksi ferro krom bersama dengan neraca bahan.

Sejarah

Permintaan yang meningkat untuk ferro alloy dan agen deoksidasi dalam pembuatan baja pada awal abad kedua puluh memicu pengembangan tanur silang terendam pertama. Konstruksi SAF pertama dimulai pada 1905. Unit 1,5 MVA ini dipasang di Horst Ruhr, Essen, Jerman untuk produksi kalsium karbida. Ini berhasil dioperasikan pada 1906 dan didasarkan pada teknologi DC (arus searah).

Sejak itu sejumlah besar SAF (baik dengan DC maupun AC) telah dioperasikan dengan aplikasi yang beragam. Saat ini, mayoritas tanur silang terendam didasarkan pada konsep AC (arus bolak-balik).

Prinsip dan Karakteristik SAF

Prinsip SAF konvensional adalah pemanasan resistansi listrik. Energi listrik dikonversi menjadi panas dan energi reduksi dengan menggunakan resistansi (R) dari beban atau escair cair, terkadang diperkuat oleh resistansi listrik dari silang antara escair dan elektroda. Energi ditransfer ke hearth tanur oleh elektroda karbon. Daya tanur adalah hasil perkalian resistansi hearth dan kuadrat arus elektroda. Oleh karena itu, peningkatan arus elektroda yang terbatas dapat menghasilkan peningkatan beban yang relatif besar.

Ciri khas proses di SAF adalah elektroda menembus melalui bahan baku ke bawah di hearth di atas kolam logam. Biasanya escair menembus ke dalam tempat koks ini, tetapi tidak sejauh sampai kontak dengan ujung elektroda. Panas listrik untuk peleburan dikembangkan di lingkungan sekitar ujung elektroda di mana sebagian besar penurunan tegangan terkonsentrasi. Tempat koks yang dipanaskan memiliki konduktivitas listrik dan termal yang sangat tinggi dibandingkan dengan bahan baku dingin. Akibatnya hanya sebagian kecil arus yang keluar dari sisi elektroda. Tempat koks juga memindahkan panas ke zona peleburan yang jauh dari elektroda. Gas reaksi dari zona peleburan, terutama gas CO (karbon monoksida), bergerak ke atas melalui bahan baku yang menurun sebagian memanaskan sebelumnya mereka melepaskan panas sensibelnya dan sebagian menyebabkan reduksi status padat dari oksida besi yang lebih tinggi.

Namun, ketebalan zona di mana bahan dipanaskan ke suhu reaksi sangat kecil sehingga gas tidak memiliki waktu retensi yang cukup untuk memberikan reduksi yang luas. 10 % hingga 20 % pre-reduksi adalah normal dalam operasi bahan baku dingin.

Persamaan dasar untuk input daya ke dalam tanur diberikan oleh persamaan P = 3E Cos ?I = 3RI², di mana P adalah daya, E adalah tegangan muka antara trafo dan hearth tanur, I adalah arus elektroda dan R adalah resistansi ohmik hearth. Seperti yang terkait dengan faktor daya, persamaan adalah PF = Cos ? – V [R/(R²+X²)], di mana R dan X masing-masing adalah resistansi ohmik dan reaktansi sistem. Reaktansi tanur X terutama ditentukan oleh dimensi tanur dan susunan listrik dan mendekati konstan selama kondisi operasi umum yang sama dipertahankan. Dengan tidak mempertimbangkan faktor daya pada jaringan listrik, resistansi ohmik pada hearth dan arus yang diizinkan pada elektroda adalah parameter yang menentukan beban dalam tanur.

Namun, efek dari faktor daya rendah dapat dengan mudah dikompensasi dengan pemasangan bank kapasitor untuk memperbaiki faktor daya pada jaringan.

Ada berbagai cara untuk mengatur resistansi ohmik dengan pilihan bahan baku dan terutama granulometri dan kualitas bahan karbon. Namun, ada beberapa faktor utama berikut yang memerlukan pertimbangan khusus.

• Tendensi untuk mengumpulkan tempat koks besar biasanya menghasilkan resistansi ohmik yang menurun.
• Bahan konduktif dalam beban cenderung memberikan aliran arus dari sisi elektroda yang lagi-lagi menghasilkan resistansi yang berkurang.
• Peningkatan suhu di sisi elektroda meningkatkan kemungkinan aliran arus dari sisi dan oleh karena itu mengurangi total resistansi.

Pengalaman SAF konvensional adalah bahwa ekonominya bergantung pada ketersediaan energi listrik murah. Selanjutnya, persyaratan jenis agen redultan tertentu untuk mengontrol resistansi listrik di dalam tanur sangat penting. Waktu retensi rendah di dalam tanur dibandingkan dengan tanur blast memberikan kesempatan untuk mengurangi reduksi status padat dan utilizasi gas di dalam tanur. Oleh karena itu, gas buangan mewakili proporsi besar dari input panas dalam proses dan utilizasi yang bermakna dari gas adalah faktor utama dalam ekonomi proses.

Kualitas bahan baku memiliki dampak terbesar pada proses. Di satu sisi ia mempengaruhi komposisi escair dan di sisi lain pola peleburan di dalam tanur (berdasarkan properti fisik dan jumlah input energi).

Properti fisik menentukan apakah pelebur dapat berjalan dalam (i) mode resistansi konvensional menggunakan resistansi listrik escair, atau (ii) mode silang terlindung menggunakan resistansi listrik escair dan silang atau menggunakan resistansi listrik campuran pengumpan.

Ciri-ciri SAF

SAF khas dengan operasi escair terdiri dari cangkang tanur berbentuk lingkar atau persegi panjang dengan lubang keluaran terpisah untuk escair dan logam. Untuk beberapa proses escair dan logam dicetak melalui satu lubang keluaran dan dipisahkan downstream melalui cetakan tangga atau skim. Cangkang tanur dilapisi refraktori dan – jika pendinginan cakkang tambahan diperlukan oleh proses – pendingin air oleh sistem pendinginan dinding samping khusus. Dasar cakkang biasanya didukung oleh ventilasi udara paksa. Elektroda dikonsumsi oleh kolam tanur. Elektroda self baking dengan casing atau elektroda prebaked secara berkala diperpanjang dengan potongan baru. Elektroda secara semi otomatis dimasukkan ke dalam kolam dengan tanur pada beban listrik penuh dan tanpa gangguan operasi tanur.

Rakas elektroda berisi semua fasilitas untuk memegang, memasangkan, dan mengatur penetrasi ke dalam kolam. Semua operasi elektroda dilakukan secara hidrolik.

Daya listrik biasanya disuplai dari trafo tanur melalui garis arus tinggi, tabung bus fleksibel pendingin air pada elektroda dan klem kontak ke elektroda. Jika proses menghasilkan gas buangan yang mengandung jumlah CO tertentu, tanur biasanya dirancang sebagai jenis tanur tertutup dan gas buangan dikumpulkan dan digunakan untuk aplikasi lebih lanjut seperti generasi listrik, pemanasan, pompa, generasi uap, dll.

Ciri-ciri normal utama dari tanur berbasis AC adalah sebagai berikut.

• Rakas elektroda yang mudah dirawat untuk berbagai jenis elektroda
• Perangkat pegang dan pasang elektroda yang aman dan dirancang kokoh
• Desain tanur kokoh tidak mengizinkan membungkus/gerakan
• Sistem pengisian elektroda berongga
• Desain atap pendingin air yang gas-tight menghasilkan gas CO berkualitas tinggi
• Penerapan sistem pemulihan energi mungkin

Tanur DC Konvensional

Tanur DC biasanya jenis lingkar dan energi listrik dikonversi menjadi panas terutama oleh silang, yang dirintis di antara ujung elektroda dan kolam escair. Elektroda atas dihubungkan sebagai katoda dan sistem dasar konduktif dihubungkan sebagai anoda. Tanur khas dengan operasi kolam escair terbuka biasanya terdiri dari 1 hingga 3 lubang keluaran escair dan 1 hingga 2 lubang keluaran logam pada elevasi lebih rendah. Tanur memerlukan susunan pendingin yang canggih di area atap dan dinding samping karena fakta bahwa suhu escair cair berada dalam kontak langsung dengan material refraktori dan karena radiasi panas dari silang. Konsep refraktori biasanya dirancang dengan hati-hati untuk mengadopsi kondisi agresif ini. Elektroda dikonsumsi oleh proses tanur. Elektroda prebaked secara berkala diperpanjang dengan potongan baru. Konsep konvensional menggunakan lengan elektroda untuk mengatur elektroda. Fungsi mekanik dan prinsip transfer daya listrik mirip dengan rakas elektroda konvensional berbasis AC.

Selain itu, tanur DC dapat dirancang sebagai jenis tanur tertutup dan CO dapat dikumpulkan. Konsumsi energi dapat dioptimalkan dengan pengatur gerakan elektroda gabungan dengan pengontrol ignisi tiristor dan kecepatan elektroda tinggi. Sistem rakas elektroda DC biasanya memungkinkan pemasangan dan nippling pada daya penuh (menyediakan waktu daya-on yang dimaksimalkan). Perangkat potongan tengah yang dapat diganti dengan cepat sangat penting untuk waktu operasional maksimum. Dalam tanur DC biasanya diperlukan susunan pengisian yang cerdas untuk memaksimalkan throughput dan umur refraktori. Ciri-ciri lain dari tanur DC meliputi hal berikut.

• Desain cakkang kokoh
• Sistem pengisian elektroda berongga
• Desain sistem pendingin atap dan dinding samping untuk mendukung perlindungan yang cukup pada level konsumsi energi sedang

Tanur DC biasanya beroperasi dengan silang terbuka, yang melebur bahan dalam waktu sangat singkat. Bahan dapat diisi melalui sistem elektroda berongga langsung ke dalam silang. Biasanya silang menari di ujung elektroda. Oleh karena itu, juga praktis untuk memasang bahan langsung di sekitar ujung elektroda. Dalam beberapa tanur mungkin untuk menumpuk lapisan perlindungan dinding samping dengan bahan yang diisi. Sebagian besar proses, di mana escair terlalu panas tidak mengizinkan jenis perlindungan dinding samping ini. Secara umum dapat dinyatakan bahwa konsumsi energi keseluruhan tanur DC lebih tinggi dibandingkan dengan tanur AC karena hal berikut.

• Ada beban panas radiasi yang lebih tinggi di freeboard tanur
• Ada persyaratan pendingin tanur tambahan karena suhu proses yang lebih tinggi
• Ada tingkat fuming logam yang tinggi yang mengonsumsi energi tambahan

Manfaat tanur DC adalah penggunaan langsung bahan halus yang menghilangkan kebutuhan investasi dalam proses aglomerasi intensif yang diperlukan upstream tanur. Selain itu, level harga bahan halus yang lebih rendah membantu dalam mengurangi biaya operasional keseluruhan.

Aplikasi SAF

Area aplikasi untuk SAF meliputi produksi ferro krom, ferro nikel, ferro mangan, silico mangan, ferro niobium, Ilemenite (TiO2 slag) serta potensi untuk daur ulang limbah.

Awalnya, ferro alloy secara eksklusif diproduksi dalam tanur blast khusus yang menghasilkan pig iron yang mengandung kecil hingga medium kandungan silikon, kromium dan mangan. Tipe peleburan dan kesetimbangan metalurgi menentukan kandungan karbon pada alloy ini. Tanur silang terendam adalah unit yang jauh lebih berkualifikasi untuk produksi ferro alloy dengan kontrol suhu dan penyesuaian terhadap potensi reduksi yang berbeda. Seiring waktu, industri ferro alloy mandiri terbentuk yang memenuhi permintaan yang terus meningkat dari industri baja saat ini. Mayoritas ferro alloy diproduksi oleh peleburan pirometalurgi yang terjadi dalam tanur silang terendam. Daya saing yang kuat tanur silang terendam di sektor ini terutama dicapai dengan pemasangan unit peleburan daya tinggi canggih.

Saat ini lebih dari 99 % produksi ferro alloy dan TiO2 dilakukan dalam tanur silang terendam berbasis AC. Tidak ada aplikasi dalam pirometalurgi untuk tanur DC yang tidak dapat dilakukan dalam tanur AC.

Pengembangan sistem elektroda besar, teknologi trafo canggih dan prinsip konstruksi tanur baru telah memungkinkan desain SAF persegi panjang besar kapasitas dengan dimensi sampai 36 m panjang dan 17 meter lebar. Dari sudut pandang teknologis, unit yang lebih besar mungkin tetapi kelayakan ekonominya harus diperiksa dengan hati-hati.

Saat ini SAF kapasitas tinggi 120 MVA tanur persegi panjang dengan sistem pendingin tiristor plus tembaga dan tanur DC 70 MW untuk ferro krom telah dipasang.

Pengembangan baru dikenal untuk proses yang menerapkan operasi kolam escair yang meningkat dalam konstruksi unit yang sangat efisien dengan daya padat tinggi. Daya padat yang lebih tinggi di dalam tanur menyebabkan flux panas yang lebih tinggi melalui dinding samping yang menuntut penerapan konsep pendingin baru.

Sistem kontrol juga mengalami evolusi yang signifikan selama beberapa dekade terakhir seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

• 1906 – Dikontrol secara manual
• 1955 – Pengontrol balok seimbang listrik
• 1960 – Pengontrol kawat gerak
• 1965 – Pengontrol transductor
• 1975 – Pengontrol transistor
• 1985 – Pengontrol H&B
• 1995 – Pengontrol perangkat lunak

Sejak akhir 1950-an semua SAF dilengkapi dengan pengontrol elektroda. Tanur silang terendam canggih saat ini menggunakan pengontrol perangkat lunak. Aplikasi DC untuk teknologi tanur silang terendam menunjukkan di seluruh dunia pangsa yang meningkat di area niche terutama dalam beberapa unit ferro-alloy, pembersihan escair dan produksi TiO2. Meskipun itu, mayoritas tanur silang terendam adalah dan akan tetap didasarkan pada teknologi AC.