Memahami Slag: Peran Krusialnya dalam Produksi Besi Tanur Tinggi

Tanur tinggi (BF) adalah reaktor tertua (lebih dari 700 tahun) dari berbagai reaktor yang digunakan di pabrik baja. Digunakan untuk produksi besi cair (besi mentah). Tanur tinggi adalah reaktor counter current suhu tinggi yang kompleks dan berbentuk tiang di mana bahan mengandung besi (bijih, sinter/pellet) dan kokas diisi bergantian di atas bersama bahan flux (kapur, dolomit, dll.) untuk menciptakan beban berlapis di tanur. Udara panas dihembuskan dari bagian bawah tanur melalui tuyere. Udara panas ini bereaksi dengan kokas untuk menghasilkan gas redutor. Beban bijih yang menurun (oksida besi) direduksi oleh gas redutor yang naik dan meleleh untuk menghasilkan besi mentah. Bahan gangue dan abu kokas meleleh membentuk slag bersama bahan flux. Produk cair (besi mentah dan slag) diangkut (dicabut) dari tanur pada interval tertentu melalui lubang tap. Kualitas besi mentah yang diperoleh bergantung pada pembentukan slag dan transformasi mineralogisnya. Slag berkualitas baik diperlukan untuk besi mentah berkualitas. Slag adalah campuran senyawa kimia dengan titik leleh rendah yang terbentuk dari reaksi kimia gangue beban mengandung besi dan abu kokas dengan bahan flux dalam muatan. Semua senyawa yang tidak direduksi seperti silikat, aluminosilikat, dan calcium alumino silicate, dll. juga bergabung dengan slag.

Telah diketahui bahwa komponen slag yaitu silica (SiO2) dan alumina (Al2O3) meningkatkan viskositas sedangkan keberadaan calcium oxide mengurangi viskositas. Zona leleh slag menentukan zona kohesi tanur tinggi dan oleh karena itu kelincahan dan karakteristik leleh slag memainkan peran besar dalam menentukan produktivitas tanur tinggi. Awalnya slag kaya besi terbentuk dan kemudian karena assimilasi calcium oxide (CaO) dan magnesium oxide (MgO) dari bahan flux, komposisi slag bervariasi. Saat slag menetes, ia menyerap SiO2 dan Al2O3 dari abu yang dihasilkan dari pembakaran kokas. Proses menetes tergantung pada kelincahan (viskositas rendah) slag, yang lebih lanjut dikendalikan oleh komposisi dan suhunya.

Slag harus memiliki afinitas untuk menyerap kotoran yaitu gangue dari muatan bersama kotoran beracun lain yang mempengaruhi kualitas besi mentah. Penting untuk mengetahui perilaku slag dalam hal komposisi kimia, konstitusi mineralogis dan kemampuannya untuk bereaksi dan menangkap kotoran kecil. Juga slag harus bebas mengalir pada suhu operasi dengan pemisahan slag-logam yang tinggi tanpa menangkap logam. Oleh karena itu, berbagai properti produk akhir secara langsung dipengaruhi oleh komposisi slag. Jadi sifat fisikokimia slag memainkan peran penting dalam operasi tanur tinggi.

Slag akhir tanur tinggi yang dihasilkan selama produksi besi mentah terutama dianggap sebagai campuran empat oksida yaitu (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO, dan (iv) MgO. Komponen kecil slag termasuk (i) oksida ferrous (FeO), (ii) oksida mangan (MnO), oksida titanium (TiO2), alkali (K2O dan Na2O), dan senyawa yang mengandung sulfur. Ada empat jenis slag dengan komposisi yang berbeda yang dihasilkan di berbagai wilayah di dalam tanur tinggi. (Gambar 1). Ini adalah (i) slag primer, (ii) slag bosh, (iii) slag tuyere, dan (iv) slag akhir. Empat jenis slag ini masing-masing dihasilkan di (i) zona kohesi, (ii) zona tetes, (iii) raceway dan (iv) hearth. Adalah slag akhir yang dicabut dan oleh karena itu untuk tap yang baik diperlukan bahwa slag harus memiliki kelincahan yang tepat (suhu liquidus rendah dan viskositas rendah).

Gambar 1 Jenis Slag Tanur Tinggi dan Wilayah Pembentukannya

Untuk operasi lancar tanur tinggi, slag harus memenuhi kondisi berikut.

• Volume slag harus semakin rendah yang mungkin.
• Slag harus memiliki kapasitas untuk pengangkatan alkali.
• Slag harus memenuhi persyaratan untuk desulfurisasi.
• Komposisi slag primer harus seragam.
• Pembentukan slag harus terbatas pada ketinggian terbatas dari tanur tinggi dan slag harus stabil.
• Slag harus memberikan permeabilitas yang baik di zona pembentukan slag.
• Titik leleh slag tidak boleh terlalu tinggi atau terlalu rendah.
• Slag akhir harus cukup cair agar dapat diangkut melalui lubang tap.

Lapisan bahan mengandung besi mulai lunak dan meleleh di zona kohesi di bawah pengaruh agen flux pada suhu yang berlaku yang sangat mengurangi permeabilitas lapisan yang mengatur aliran materi (gas/padatan) di tanur. Ini adalah zona di tanur yang dibatasi oleh pelunaknya bahan mengandung besi di atas dan meleleh serta mengalirnya pada bawah. Suhu pelunak yang tinggi dikombinasikan dengan suhu aliran yang relatif rendah akan membentuk zona kohesi yang sempit di bagian bawah tanur tinggi. Ini akan mengurangi jarak yang ditempuh cair di tanur sehingga mengurangi penyerapan silikon. Di sisi lain, slag akhir yang menetes dari wilayah bosh ke hearth tanur, harus menjadi slag pendek yang mulai mengalir segera setelah lunak. Oleh karena itu, perilaku fusione adalah parameter penting untuk mengevaluasi efektivitas slag tanur tinggi.

Kelincahan slag di tanur tinggi mempengaruhi perilaku pelunak-meleleh di zona kohesi, permeabilitas di bagian bawah tanur karena penahanan cair di zona tetes, aliran cair di hearth tanur, dan kemampuan drainase slag melalui lubang tap. Ini juga mempengaruhi kemampuan desulfurisasi. Kelincahan slag dipengaruhi oleh suhu dan komposisi, dengan yang terakhir dipengaruhi oleh mineral gangue bijih dan bahan abu dari kokas dan bubuk arang.

Slag tanur tinggi terutama termasuk tiga sistem slag yaitu (i) sistem tersier CaO–Al2O3–SiO2, (ii) sistem kuaterner CaO–Al2O3–SiO2–MgO, dan (iii) sistem kuiniter CaO–Al2O3–SiO2–MgO–TiO2. Secara umum, wilayah operasi utama slag tanur tinggi untuk kelincahan yang baik pada diagram liquidus kuiniter (SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) adalah fase melilites (solid solusi akermanite, Ca2MgSi2O7, dan gehlenite, Ca2Al2SiO7).

Komposisi slag tanur tinggi memiliki pengaruh yang sangat penting terhadap karakteristik fisikokimia yang mempengaruhi derajat desulfurisasi, kelancaran operasi, penanganan slag, konsumsi kokas, permeabilitas gas, transfer panas, produktivitas besi mentah dan kualitasnya, dll. Properti slag yang paling mempengaruhi adalah viskositas, kapasitas sulfida, kapasitas alkali dan suhu liquidus. Properti ini memiliki pengaruh besar terhadap proses tanur tinggi secara keseluruhan. Viskositas slag sangat dipengaruhi oleh komposisi kimia, struktur dan suhu.

Viskositas slag adalah properti transport yang berkaitan dengan kinetika reaksi dan derajat reduksi slag akhir. Viskositas slag juga menentukan efisiensi pemisahan slag-logam, dan kemudian hasil logam dan kapasitas penghapusan kotoran. Dalam operasi, viskositas slag menunjukkan seberapa mudah slag dapat dicabut dari tanur, dan oleh karena itu berkaitan dengan kebutuhan energi dan keuntungan proses.

Jika kontrol tanur memiliki kemampuan untuk memprediksi viskositas slag dan suhu liquidus, maka memiliki potensi untuk mengoptimalkan analisis dan pengambilan keputusan kontrol selama operasi tanur tinggi. Dalam hal ini mengganti penggunaan aturan jempol terkait komposisi slag. Untuk ini beberapa upaya telah dilakukan di masa lalu untuk mengukur dan memodelkan viskositas untuk berbagai sistem slag.

Slag cair dapat diklasifikasikan sebagai fluida Newtonian dengan viskositas geser yang independen dari laju geser, dan oleh karena itu disebut viskositas dinamis. Viskositas besar dipengaruhi oleh ikatan dan derajat polimerisasi, dengan SiO2 dan Al2O3 berkontribusi pada viskositas yang lebih tinggi dengan ikatan kovalen yang tinggi. Di sisi lain, monoksida seperti CaO dan MgO menunjukkan perilaku ionik, yang mengakibatkan penghancuran rantai silikat dan penurunan viskositas. Ini hanya benar untuk sistem fase slag cair, dan dalam sistem multiphase, peningkatan monoksida mengarah pada aktivitas lebih tinggi dari fase padat dan presipitasi padat yang mungkin, yang meningkatkan viskositas efektif (teramati).

Dalam operasi typikal di mana mungkin untuk mengubah komposisi slag, perubahan dalam komposisi biasanya memiliki efek yang berlawanan. Misalnya, pencapaian viskositas rendah pada basicitas yang lebih tinggi kemungkinan terkait dengan efek buruk dari peningkatan suhu liquidus. Selain efek pada properti fisikokimia, basicitas slag juga mempengaruhi kapasitas penghapusan sulfur (dan hingga beberapa batas fosfor) dari slag, dan kandungan silikon besi mentah. Basicitas yang lebih tinggi mengarah pada nilai sulfur yang lebih tinggi dalam slag dan nilai silikon yang lebih rendah dalam logam.

Slag Al2O3 rendah umumnya memiliki viskositas rendah, kapasitas sulfida tinggi, dan suhu liquidus rendah serta volume slag yang lebih rendah dibandingkan slag Al2O3 tinggi dengan Al2O3 biasanya lebih dari 15 %. Slag Al2O3 tinggi terutama ditemukan di tanur tinggi India karena rasio Al2O3/SiO2 yang tinggi dalam bijih besi serta dalam sinter dan kandungan abu yang tinggi dalam kokas. Slag ini memiliki viskositas tinggi.

Viskositas slag cair ditentukan terutama oleh suhu dan komposisi kimia. Ketergantungan suhu viskositas dalam rentang suhu tertentu biasanya dijelaskan oleh persamaan Arrhenius seperti yang diberikan di bawah ini.

N = A exp (E/RT)

Di mana

N = Viskositas slag

A = Termin pre-exponential

E = Energi aktivasi aliran viskus

R = Konstanta gas

T = Suhu absolut

Slag silikat dibangun oleh kation Si4+ yang dikelilingi oleh 4 anion oksigen yang disusun dalam bentuk tetrahedron teratur. Tetrahedra SiO4 4- ini bergabung bersama dalam rantai atau cincin oleh oksigen jambatan. Aliran viskus dalam slag bergantung pada mobilitas spesies ionik dalam sistem, yang pada gilirannya tergantung pada sifat ikatan kimia dan konfigurasi spesies ionik. Gaya antarion dalam kasus slag tergantung pada ukuran dan muatan ion yang terlibat. Oleh karena itu, alami untuk diharapkan bahwa gaya antarion yang lebih kuat mengarah pada peningkatan viskositas. Dalam kasus leleh silikat dengan kandungan silica yang tinggi, anion polimerik menyebabkan viskositas tinggi. Dengan peningkatan konsentrasi oksida logam, ikatan Si-O secara bertahap hancur dan ukuran jaringan berkurang diiringi dengan penurunan viskositas slag. Telah ditunjukkan bahwa penambahan oksida alkali hingga 10-20 mole % mengarah pada penurunan drastis viskositas karena de-polimériisasi.

Dalam kasus slag tanur tinggi, alumina selalu ada dan kelompok AlO4 5- membentuk unit polimer dengan SiO4 4-. Dalam slag yang mengandung CaO-MgO-SiO2-Al2O3, alumina meningkatkan viskositas seperti yang dilakukan oleh silica. Di sisi lain, kapur dan magnesia, penyuplai oksigen, memiliki efek yang berlawanan pada viskositas.

Viskositas slag bergantung pada komposisi dan suhu. Viskositas rendah tidak hanya membantu mengatur laju reaksi dengan pengaruhnya pada transportasi ion dalam slag cair ke dan dari antarmuka reaksi slag/logam. Ini juga memastikan operasi lancar tanur tinggi. Peningkatan oksida dasar dan peningkatan suhu di atas suhu liquidus slag mengurangi viskositas. Dalam kasus sistem CaO-MgO-SiO2-Al2O3, alumina dan silica tidak setara pada basis molar dalam pengaruh mereka meskipun keduanya meningkatkan viskositas leleh ini. Efek alumina pada viskositas tergantung pada kandungan kapur slag. Ini karena Al3+ dapat menggantikan Si4+ dalam jaringan silikat hanya jika dikaitkan dengan 1/2 Ca2+ untuk mempertahankan netralitas listrik.

Perilaku fusione slag dijelaskan dalam bentuk empat suhu karakteristik yaitu (i) suhu deformasi awal (IDT) melambangkan ketegangan permukaan, penting untuk gerakan materi dalam keadaan padat, (ii) suhu padat (ST) melambangkan distorsi plastis, menunjukkan awal distorsi plastis, (iii) suhu setengah bola (HT), yang juga adalah suhu leleh atau liquidus, melambangkan aliran lambat, memainkan peran signifikan dalam aerodinamika tanur dan transfer panas dan massa, dan (iv) suhu aliran (FT) melambangkan mobilitas cair.

Slag yang terbentuk di zona kohesi adalah slag primer yang terbentuk dengan FeO sebagai konstituen flux primer. Suhu solidus, suhu leleh, interval solidus-leleh secara signifikan dipengaruhi oleh FeO. Slag ini sepenuhnya berbeda dari slag akhir di mana fluxing terutama disebabkan oleh keberadaan konstituen dasar seperti CaO atau MgO. Meskipun tidak mungkin untuk mendapatkan slag primer dari tanur tinggi, selalu mungkin untuk menyiapkan slag sintetik di laboratorium yang mirip dengan slag primer dan mempelajari karakteristik alirannya. Slag akhir adalah slag dengan selisih kecil antara ST dan FT. Slag seperti ini memperoleh mobilitas cair dan menetes dari tanur jauh dari lokasi tempat mulai distorsi plastis, secepat mungkin. Aksi ini mengekspos situs segar untuk reaksi lebih lanjut dan anggap bertanggung jawab atas peningkatan laju reaksi slag-logam, mempengaruhi operasi tanur tinggi dan kualitas logam.

Karakteristik aliran slag tanur tinggi sangat dipengaruhi oleh tingkat reduksi oksida besi pada suhu rendah (di zona granular) selain dipengaruhi oleh komposisi, dan kualitas dan kuantitas gangue dalam bahan mengandung besi. Rasio CaO/SiO2 dan kandungan MgO slag tanur tinggi sangat mempengaruhi properti pelunak-melehannya. Ketersediaan MgO nanti dalam proses sering menghasilkan rentang suhu zona kohesi yang kecil yang menghasilkan permeabilitas yang lebih baik dari tempat tidur yang pada gilirannya mempengaruhi konsumsi kokas dan kualitas besi mentah yang dihasilkan.

Peningkatan Al2O3 dalam bijih besi tidak hanya mempengaruhi kekuatan sinter, tetapi juga karakteristiknya pada suhu tinggi di zona kohesi. Konsentrasi Al2O3 dalam slag dianggap sebagai faktor yang menurunkan kelincahan slag dan meningkatkan suhu liquidus. Efek alumina tinggi dalam slag adalah sebagai berikut.

• Slag alumina tinggi memiliki viskositas tinggi untuk basicitas konstan (CaO/SiO2). Namun dengan peningkatan oksida dasar dan suhu di atas suhu liquidus slag, viskositas slag alumina tinggi berkurang hingga beberapa batas.
• Slag alumina tinggi memiliki kecenderungan yang lebih besar terhadap reduksi silikon dan ada kecenderungan untuk peningkatan kadar silikon besi mentah.
• Kadar sulfur besi mentah cenderung meningkat dengan peningkatan kandungan alumina dalam slag. Oleh karena itu, slag alumina tinggi berkontribusi pada desulfurisasi yang kurang efisien.
• Penurunan tekanan di zona tetes meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi Al2O3 dalam slag. Bahkan jika rasio CaO/SiO2 meningkat penurunan tekanan di zona tetes meningkat.

Efek merusak alumina tinggi dalam slag diimbangi dengan meningkatkan kandungan MgO. Konsentrasi alumina dalam slag ditetapkan semi-empiris di banyak negara pada batas atas sekitar 16 % untuk menghindari akumulasi slag besi dan penurunan permeabilitas di bagian bawah tanur tinggi.