Mengoptimalkan Kualitas Sinter: Proses Kunci Sinterisasi Bijih Besi

Kualitas Sinter dan Proses Sinterisasi Bijih Besi

Sinter biasanya merupakan komponen utama beban tanur tinggi (BF). Sinter terdiri dari banyak fase mineral yang dihasilkan selama proses sinterisasi bijih besi. Kualitas dan sifat sinter tergantung pada struktur mineral sinter. Namun, karena kondisi sinterisasi biasanya tidak merata di seluruh tempatan sinter, komposisi fase, dan oleh karena itu kualitas sinter, bervariasi di tempatan sinter.

Struktur sinter tidak merata. Ini terdiri dari pori (dengan ukuran yang bervariasi) dan agregat kompleks fase mineral, masing-masing dengan sifat yang berbeda. Kombinasi pori dan fase mineral ini, serta interaksi di antara mereka, menentukan kualitas sinter, tetapi juga membuat prediksi sifat sinter sangat sulit. Meskipun sejumlah besar penelitian telah dilakukan pada sinter, korelasi antara komposisi kimia dan mineralogi sinter dengan sifat dan perilakunya masih tidak dipahami dengan jelas.

Skematik campuran sinter dan produk sinter ada di Gambar 1.

Gambar 1 Skematik campuran sinter dan produk sinter

Proses sinterisasi adalah istilah umum yang digunakan untuk menggambarkan proses aglomerasi campuran hijau bijih besi, fluks, dan kokas serta limbah padat pabrik dengan ukuran partikel -10 mm untuk menghasilkan sinter yang dapat menahan kondisi tekanan dan suhu operasi yang ada dalam BF. Limbah padat seperti debu, lumpur, escur, dan skala pabrik dll. digunakan untuk pemanfaatannya dalam campuran sinter karena struktur kimia yang kompleks dan komponen mineral dari bahan-bahan ini. Proses sinterisasi dijelaskan secara rinci dalam artikel terpisah yang tersedia di tautan https://www.ispatguru.com/the-sintering-process-of-iron-ore-fines-2/.

Selama proses sinterisasi, saat pembakaran partikel kokas halus dimulai pada suhu antara 700 derajat C hingga 800 derajat C, ini menghasilkan pembentukan gas CO (karbon monoksida). Permukaan inti bijih besi dan partikel halus yang menempel direduksi menjadi magnetit. Saat suhu naik ke 1100 derajat C, fase dengan titik leleh rendah seperti Fe2O3.CaO, FeO.CaO, dan FeO.SiO2 terbentuk melalui reaksi padat-padad. Fase yang disebut SFCA (silico-ferrite of calcium and aluminum), terbentuk pada tahap ini. SFCA diidentifikasi sebagai larutan padat CaO.2Fe2O3 dengan jumlah kecil Al2O3 dan SiO2 yang terlarut. Fase ini dianggap sebagai fase kuaternari kompleks.

Selama proses sinterisasi, hubungan fase kesetimbangan biasanya tidak tercapai karena garasi api yang dengan cepat melewati tempatan sinter. Ini mengakibatkan tingkat heterogenitas sinter yang tinggi, dan pembentukan fase non-kesetimbangan yang tidak dipertimbangkan dari pertimbangan termodinamika. Komposisi sinter oleh karena itu bervariasi dari tempat ke tempat dalam bahan baku, tergantung pada sifat partikel bijih dan fluks individual dan tingkat reaksi di antara mereka.

Secara makroskopis, sinter memiliki struktur yang tidak merata dengan pori besar yang tidak teratur. Secara mikroskopis, ini terdiri dari fase pengikat, partikel bijih relik, fase kaca yang tersisa, dan pori serta retakan yang sangat kecil dan tidak merata. Tergantung pada parameter yang berbeda seperti suhu, komposisi, tekanan parsial oksigen, waktu, dan atmosfer, berbagai fase terbentuk dalam proporsi yang berbeda, sementara morfologi yang berbeda berkembang. Morfologi pada dasarnya mencerminkan cara terbentuknya dan terkait pada komposisi kimia tertentu, laju pemanasan dan pendinginan sinter.

SFCA acikular mulai terbentuk di bawah 1185 derajat C; saat suhu naik ke 1245 derajat C, hematit yang tidak bereaksi menghilang dan ukuran kristal SFCA meningkat. SFCA mulai terdekomposisi saat suhu melebihi 1300 derajat C membentuk hematit jika tekanan parsial oksigen tinggi dan suhu di bawah 1350 derajat C, dan magnetit jika tekanan parsial oksigen rendah dan suhu di atas 1350 derajat C dengan komponen escur dialirkan kembali ke leleh. Dekomposisi SFCA ditingkatkan oleh waktu yang lebih lama di atas suhu dekomposisi, dan suhu maksimum yang meningkat.

Dalam proses sinterisasi, reaksi kimia di atas terjadi pada suhu tinggi yang menghasilkan pembentukan fase leleh yang digunakan selama reaksi padat-cair untuk assimilasi dan penggabungan konsentrat bijih besi dan fluks. Selama proses, terbentuknya leleh terjadi di garasi api di mana suhu di atas 1100 derajat C. Leleh ini kemudian membeku menjadi fase pengikat yang membentuk mayoritas fase lain dalam sinter. Fase pengikat utama biasanya terdiri dari SFCA.

Volume fase leleh memainkan peran signifikan dalam proses sinterisasi. Leleh berlebih menghasilkan struktur kaca yang homogen, yang memiliki redaabilitas rendah, sedangkan konsentrasi leleh yang sangat rendah menyebabkan ketahanan yang tidak memadai, yang mengakibatkan jumlah konsentrat kembali yang tinggi.

Reaksi kimia selama sinterisasi menghasilkan pembentukan kue sinter yang merupakan bahan multiphase dengan mikrostruktur heterogen. Ini terdiri dari beberapa fase mineral di mana fase utamanya adalah hematit, magnetit, bijih besi, SFCA, silikat kalsium dua, dan fase kaca. Distribusi mineralogis fase-fase berbeda menentukan mikrostruktur sinter yang memberikan kualitas sinter seperti kekuatan mekanik dan perilakunya selama reduksi dalam BF. SFCA dianggap sebagai komponen terpenting dari fase pengikat karena kelimpahannya dalam sinter dan pengaruhnya yang signifikan terhadap kualitas sinter.

Dari mekanisme sinterisasi jelas bahwa fase sinter terutama terbentuk selama proses sinter pada suhu di atas 1100 derajat C. Oleh karena itu, karakteristik waktu-suhu proses sinter berkontribusi secara kuat pada mikrostruktur dan komposisi fase sinter.

Profil suhu di tempatan sinter ditandai dengan kenaikan tajam ke suhu maksimum selama siklus pemanasan. Suhu maksimum yang tercapai biasanya lebih tinggi dari 1300 derajat C dan dapat mencapai 1350 derajat C. Lereng yang lembut setelah mencapai suhu maksimum menunjukkan pendinginan yang relatif lambat dari sinter yang selesai selama siklus pendinginan.

Karena perubahan permeabilitas tempatan selama proses sinterisasi, berbagai profil suhu diperoleh dari atas ke bawah di tempatan sinter. Oleh karena itu, laju pemanasan, suhu maksimum yang tercapai, waktu pada suhu di atas 1100 derajat C, dan laju pendinginan biasanya berbeda di lapisan atas, tengah, dan bawah tempatan sinter. Karena karakteristik waktu-suhu yang berbeda, terdapat variasi dalam komposisi fase melalui tempatan sinter. Karena perbedaan ini, sinter dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

• Sinter atas – Biasanya lemah dan rapuh, menghasilkan hasil sinter yang buruk dengan pengurutan ukuran yang dapat diterima. Sinter ini dilelehkan pada suhu tinggi dan ditinjuk segera setelahnya. Sinter dikeluarkan dalam keadaan dingin dari talang sinter.
• Sinter tengah – Sinter ini terbentuk dalam kondisi optimal untuk peluluhan dan pengeringan dan memberikan hasil maksimum sinter dengan pengurutan ukuran yang dapat diterima. Sinter dikeluarkan dalam keadaan dingin dari talang sinter.
• Sinter bawah – Sinter ini dikeluarkan dalam keadaan panas dan ditinjuk secara keras saat melewati pemecah sinter panas dan di atas layar pengeluaran ke pendingin sinter. Ini menghasilkan sifat fisik yang buruk yang menghasilkan hasil sinter yang lebih rendah dengan pengurutan ukuran yang dapat diterima. Jika pendinginan di talang diterapkan, sinter memiliki sifat yang hampir sama dengan sinter di lapisan tengah.

Biasanya sinter terdiri menurut volume 40 persen hingga 70 persen oksida besi, 20 persen hingga 50 persen ferrit terutama SFCA, sekitar 10 persen silikat kalsium dua, dan sekitar 10 persen fase kaca. Ini juga dapat mengandung sulfida (FeS), piroksen [(Mg,Fe)SiO3], kuarsa, dan kapur dalam proporsi kecil. Reaksi sinterisasi mengatur fraksi volume setiap fase mineral dan secara khusus mengontrol konsentrasi dan mikrostruktur fase SFCA. Ini pada gilirannya mengontrol dan meningkatkan karakteristik sinter.

Kualitas sinter merujuk pada sifat fisik dan metalurgi sinter. Kualitas sinter biasanya didefinisikan dalam hal hal berikut:

• Kekuatan fisik atau kekuatan dingin sinter pada suhu ruang seperti yang diukur dengan tes hancur atau tes pengadukan
• Nilai indeksi degradasi reduksi (RDI) yang merupakan hancuran sinter setelah reduksi pada suhu rendah (550 derajat C) seperti yang ditentukan oleh tes degradasi reduksi
• Indeksi redurabilitas (RI) yang menentukan redurabilitas sinter seperti yang ditentukan oleh tes redurabilitas pada 900 derajat C
• Sifat lembutan dan leleh suhu tinggi sinter yang terkait dengan suhu di mana sinter mulai lembut, meleleh, dan menitis selama reduksi pada suhu di atas 1150 derajat C
• Semua sifat ini dikendalikan oleh mikrostruktur sinter, khususnya fase pengikat, terutama SFCA, yang membentuk mayoritas fase dalam sinter (hingga 80 persen)

Semua sifat di atas, yang biasanya dievaluasi sesuai dengan tes yang standarisasi, sangat terkait dengan mineralogi, struktur mikroskopis dan makroskopis sinter. Reproduktibilitas tes ini yang dilakukan pada partikel sinter untuk mengevaluasi kualitasnya oleh karena itu rendah karena tingkat variabilitas yang tinggi dalam komposisi fase antara partikel sinter, bahkan ketika partikel sinter ini diperoleh dari bahan baku yang sama.

Ukuran partikel bijih memainkan peran penting. Kemampuan assimilasi bijih halus lebih besar dari pada partikel kasar. Luas permukaan reaksi konsentrat bijih besi tinggi yang menghasilkan laju reaksi yang lebih tinggi. Namun, pembentukan konsentrasi leleh yang lebih tinggi mengakibatkan penurunan kecelelaran leleh. Oleh karena itu, terdapat keperluan untuk menyertakan partikel kasar dalam campuran sinter untuk meningkatkan permeabilitas tempatan sinter, karena ini terkait dengan peningkatan gerakan besar skala antara leleh dan partikel padat.

Sinterabilitas tempatan sinter di mana partikel lebih besar telah disertakan meningkat karena permeabilitas tempatan sinter yang ditingkatkan serta reaksi sinter yang ditingkatkan selama proses. Ketika partikel lebih besar tersedia di tempatan sinter, area densitas rendah terbentuk di sekitar partikel yang meningkatkan permeabilitas tempatan sinter. Karena peningkatan permeabilitas tempatan sinter, laju aliran gas serta kecepatan garasi api lebih tinggi di sekitar partikel yang lebih besar dibandingkan partikel yang lebih halus. Reaksi leleh dan assimilasi oleh karena itu terjadi dengan cepat di sekitar partikel besar karena kecelelaran leleh yang tinggi.

Karakteristik kualitas penting sinter

Berikut adalah karakteristik kualitas penting sinter.

• Struktur sinter termasuk kehadiran ferrit dengan sifat yang bermanfaat untuk kekuatan sinter dan redurabilitas. Struktur optimal biasanya dibentuk oleh inti hematit yang dikelilingi oleh jaring ferrit acikular. Struktur ini diutamakan saat bekerja dengan dasaritas sinter yang lebih tinggi.
• Ukuran bijih besi mempengaruhi sifat sinterisasi. Peningkatan ukuran bijih besi mempromosikan produktivitas sinter, tetapi dapat sedikit mengurangi kekuatan pengadukan dan menghemat sedikit kokas.
• Mineralogi sinter lebih mudah diprediksi dari komposisi kimianya daripada sifat fisik dan kimianya.
• Peningkatan konsentrasi MgO dalam sinter meningkatkan jumlah spinel (oksida magnesium aluminium) dan fase kaca. Kehadiran MgO dalam sinter meningkatkan RDI, karena MgO menstabilkan magnetit dan sehingga mengurangi kandungan hematit, yang menyebabkan stres yang lebih rendah di sinter selama reduksi hematit ke magnetit.
• Peningkatan konsentrasi SiO2 dalam sinter meningkatkan jumlah total SFCA, mengurangi rasio acikular/kolumnar SFCA dan kandungan fase kaca.
• Peningkatan kandungan Al2O3 dalam sinter menghasilkan penurunan drastis pada sifat kimia dan fisiknya, meskipun konsentrasi fase SFCA meningkat. Dengan kandungan alumina yang meningkat, jumlah SFCA acikular, kolumnar, dan blok meningkat secara signifikan bersama dengan pengurangan yang substansial pada jumlah SFDA dendritik dan eutektik.
• Kandungan MgO dan SiO2 sinter besi sepenya memiliki efek yang saling terkait pada sifat fisik dan kimianya. Memprediksi efek yang akan dimiliki oleh jumlah yang bervariasi MgO dan SiO2 pada sifat sinter oleh karena itu kompleks. Tren yang jelas adalah AI (indeksi pengikisan) yang meningkat dengan peningkatan kandungan MgO, dan RI dan AI sinter yang menurun dengan peningkatan kandungan SiO2 sinter.
• Sinter dengan kandungan FeO yang rendah (< 8 persen) mendukung redurabilitas yang lebih baik. Ketika komposisi kimia campuran bijih ditetapkan, FeO dapat memberikan indikasi tentang kondisi sinterisasi, khususnya laju kokas. Peningkatan kandungan FeO dalam sinter menurun (memperbaiki) indeks RDI. Namun, ketika kandungan FeO meningkat, redurabilitas menurun. Penting untuk menemukan kandungan FeO optimal untuk meningkatkan RDI tanpa mengubah sifat sinter lainnya.
• Bentuk mineral di mana fluks ditambahkan ke campuran sinter bahan baku (mis. oksida vs karbonat) memiliki efek yang jelas pada mineralogi dan sifat sinter yang dihasilkan.
• Karena komposisi kimia yang berbeda dan distribusi ukuran partikel yang heterogen dalam bahan baku, reaksi selama proses sinterisasi heterogen dan menghasilkan sinter dengan struktur heterogen.