Produksi Besi Efisien dengan Tungku Hearth Putar: Reduksi Langsung Menggunakan Batukan Tidak Mengkok

Pembuatan besi di tungku hearth putar (RHF) adalah proses reduksi langsung yang menggunakan batubara tidak mengkok untuk reduksi bijih besi. RHF adalah reaktor proses yang terdiri dari hearth refractory datar yang berputar di dalam tunnel kiln lingkaran yang diam. Di dalam RHF, reduksi langsung bijih besi atau material limbah mengandung besi terjadi, menggunakan batubara sebagai reduksan.

RHF bukan teknologi baru. Ini telah digunakan dengan sukses dalam berbagai aplikasi industri yang meliputi perawatan panas, kalinasi coke batubara pengubah, pengolahan limbah, dan pemulahan logam non-ferrous suhu tinggi.

Sejarah pembuatan besi di RHF dimulai pada pertengahan 1960-an dengan pengembangan proses 'Heat Fast' oleh Midrex. Sejak itu beberapa proses pembuatan besi berdasarkan RHF telah dikembangkan. Ini termasuk proses 'Fastmet'/'Fastmelt', dan proses ITmk3 yang dibawa ke operasi komersial. Proses-proses ini telah dijelaskan dalam artikel terpisah dengan tautan https://www.ispatguru.com/fastmet-and-fastmelt-processes-of-ironmaking/, dan https://www.ispatguru.com/itmk-3-process-of-making-iron-nuggets/. Proses RHF lainnya adalah proses 'Redsmelt', proses 'Inmetco', proses 'Iron Dynamics', proses 'DRyIron', proses 'Comet' dan 'SidComet' dan proses Hi-QIP.

Proses Redsmelt

Teknologi proses Redsmelt telah dikembangkan untuk memenuhi permintaan yang meningkat akan alternatif pembuatan besi yang ramah lingkungan dan biaya rendah dibandingkan rute tungku blast tradisional. Pabrik dengan proses ini dapat dirancang dengan kapasitas produksi 0,3 juta ton per tahun hingga 1,0 juta ton per tahun logam panas. Proses dapat menangani berbagai macam bijih besi halus dan material limbah dari pabrik baja.

Proses Redsmelt didasarkan pada RHF yang mengurangi pelet hijau yang terbuat dari bijih besi, reduksan halus dan pengikat untuk menghasilkan direct reduced iron (DRI) yang dipanaskan dan metalis yang diisi ke submerged arc furnace (SAF). Proses beroperasi pada suhu tinggi dan tekanan atmosfer.

Feed oksida besi ke furnace Redsmelt dalam bentuk pelet hijau yang terbuat dari bijih besi halus, reduksan dan pengikat. Pengikat untuk memberikan pelet hijau kekuatan mekanis yang cukup untuk mendukung shock penanganan downstream. Pelet disaring pada layar roller-type ke ukuran antara 8 mm hingga 16 mm. Material kurang dan melebihi ukuran didaur ulang untuk memberi makan disk pelletizing. Pelet kemudian didistribusikan di atas RHF dalam lapisan hingga 30 kg/sqm. Saat melintasi furnace dalam 12 menit hingga 18 menit, pelet dipanaskan hingga 1370 derajat C. Pengeringan pelet, devolatilasi batubara dan reduksi oksida besi terjadi selama proses pemanasan. Kontak intim antara oksida besi dan karbon pada suhu yang sangat tinggi menghasilkan laju reaksi yang sangat cepat. Untuk mencegah reoksidasi besi yang telah metalis, zona akhir furnace dioperasikan dalam atmosfer sub-stoikiometri. Produk DRI panas kemudian diarahkan ke SAF untuk dilebur menjadi logam panas dan escoria.

Diagram alur proses ditunjukkan secara skematik pada Gambar 1.

Gambar 1 Diagram alur proses Redsmelt

Proses Inmetco

Proses dikembangkan oleh International Nickel Corporation (INCO), Kanada pada 1978. INCO mengembangkan proses ini dan menamainya 'Inmetco' (Inco + met) karena dikembangkan untuk daur ulang limbah metalurgi. Proses juga dapat digunakan untuk mengurangi bijih besi halus dan kombinasi bijih besi halus dan material limbah metalurgi.

Proses Inmetco didasarkan pada RHF yang mengurangi briquette yang terbuat dari bijih besi halus, material limbah mengandung besi dan bubuk batubara untuk menghasilkan DRI yang dipanaskan dan metalis yang dapat langsung diisi ke induction furnace atau electric arc furnace. Proses beroperasi pada suhu tinggi dan pada tekanan negatif sedikit.

Feed besi ke furnace Inmetco dalam bentuk disk pelet yang terbuat dari bijih besi halus di bawah 250 mikrometer ukuran dan batubara halus atau koks atau char dengan kurang dari 25% matter mudah uap. Mereka didistribusikan di atas RHF dalam lapisan yang sekitar 3 pelet dalam kedalaman melalui conveyor belt pivoting. Proses menggunakan pengikat yang bekerja cepat yang memungkinkan pelet diangkut ke hearth tanpa degradasi yang signifikan. Hearth berputar secara kontinu dan pelet dipanaskan oleh burner yang terletak di sekitar periferi hearth hingga 1250 derajat C hingga 1300 derajat C selama periode 10 menit hingga 15 menit. Burner diatur dalam kelompok, dan membentuk zona pemanasan dan zona reduksi. Zona pemanasan membentuk sekitar satu dari tiga luas hearth dan zona reduksi sekitar dua dari tiga luas hearth. Burner terletak pada lingkaran dalam dan luar. Produk DRI panas dapat dikumpulkan dalam transfer cans purged N2, atau langsung diarahkan ke electric furnace untuk dilebur. RHF beroperasi di bawah tekanan negatif sedikit, dan di seal oleh water seal trough.

Diagram alur proses ditunjukkan secara skematik pada Gambar 2.

Gambar 2 Diagram alur proses Inmetco

Proses Iron Dynamics

Proses pembuatan besi Iron Dynamics (IDI) didasarkan pada RHF yang mengurangi muatan oksida besi karbon menjadi logam besi padat yang diisi ke SAF untuk menyelesaikan reduksi dan melebur serta mendesulfur besi yang direduksi. Melebur DRI juga memungkinkan pemisahan fase dari escaria cair yang dihasilkan dan besi.

Proses IDI terdiri dari lima area proses yaitu (i) penerimaan bahan baku, (ii) giling dan persiapan bijih dan reduksan (batubara), (iii) peletizing, (iv) reduksi rotary hearth, dan (v) SAF smelting. Setelah bijih diterima, ia dikeringkan ke kandungan kelembaban kurang dari 0,5% menggunakan off gas dari RHF. Bijih juga dibenefisiate menggunakan pemisah magnet dan layar untuk mengurangi jumlah bahan gangue. Kemudian dihaluskan hingga 50% minus 200 mesh size. Batubara diangkut ke pulverizer batubara/batu flux untuk sizing hingga 80% minus 200 mesh size. Bijih dan batubara yang dihancurkan dicampur secara intens dengan pengikat dan air di mixer dan diisi ke disc pelletizers. Pelet basah dikeringkan ke kurang dari 1% kelembaban dan di-pre-heat hingga 150 derajat C di circular grate dryer. Pellet charger menerima pelet hijau yang kering dan menumpuknya di atas hearth furnace dalam lapisan tebal 25 mm hingga 40 mm. RHF yang dibakar gas alam memiliki delapan zona reaksi. Suhu, aliran gas dan komposisi gas dikontrol untuk menyediakan kondisi yang diperlukan di setiap zona untuk memanaskan, mengurangi dan melindungi pelet dengan benar. DRI di pengeluaran furnace memiliki sekitar 85% metallization. Fasilitas aditif memperkenalkan flux, koks, silica atau material lain ke transport ladle DRI untuk mengontrol kimia escaria di SAF. Sistem gas buang menghilangkan panas, debu, sulfur dioksida dan nitrous oxide dari flue gas. Sebuah afterburner melakukan pembakaran sisa CO (carbon monoxide) di gas buang duct yang dikondisi air. Gas didinginkan dan NOx dihapus di primary cooler. Gas buang digunakan untuk pre-heat udara pembakaran dan menyediakan panas ke dryer bijih, batubara dan pelet. Setelah dryer pelet, gas difilter dan SOx (oksida sulfur) dihapus sebelum dibuang dari stack. DRI dan aditif jatuh ke lapisan escaria SAF oleh gravitasi di mana smelting terjadi. Average metallization di sini sekitar 95,8 %. Escaria dikeluarkan dari furnace ke slag pot dan dipindahkan ke fasilitas pengolahan escaria.

Diagram alur proses ditunjukkan secara skematik pada Gambar 3.

Gambar 3 Diagram alur proses Iron Dynamics

Proses DRyIron

Proses DRyIron dikembangkan oleh Maumee Research and Engineering Inc. (MR&E). Proses didasarkan pada RHF yang mengurangi pelet hijau yang terbuat dari material oksida besi limbah dan bubuk batubara non metalurgi untuk menghasilkan DRI yang dipanaskan dan metalis (lebih dari 90 %). Proses beroperasi pada suhu tinggi dan tekanan atmosfer, memiliki waktu tinggal singkat dan juga dapat digunakan untuk daur ulang material limbah mengandung besi.

Feed oksida besi ke furnace DRyIron dalam bentuk pelet/briquette hijau yang terbuat dari oksida besi halus dan batubara atau koks yang menghilangkan pre-drying pelet. Dalam kondisi teoritis suhu tinggi ideal (sekitar 1300 derajat C), oksida besi bereaksi dengan karbon tetap untuk membentuk besi logam di briquette dengan rilis CO2. Rasio teoritis karbon tetap terhadap oksida besi adalah 1,5:1.

Proses DRyIron telah diformulasikan untuk menghasilkan besi logam menggunakan rasio karbon-ke-oksida 6:1, yang menghasilkan evolusi baik CO dan CO2 dan meninggalkan tingkat karbon residu sekitar 4 %. Kunci proses ini adalah mengontrol rasio CO ke CO2 untuk meminimalkan reoksidasi, konsumsi karbon dan waktu tinggal furnace. Saat melintasi furnace, pelet dipanaskan hingga 1300 derajat C. Pengeringan pelet, devolatilasi batubara dan reduksi oksida besi terjadi selama proses pemanasan. Kontak intim antara oksida besi dan karbon pada suhu yang sangat tinggi menghasilkan laju reaksi yang sangat cepat. Produk DRI panas kemudian dapat disediakan ke steel melting shop oleh sejumlah opsi berbeda.

Diagram alur proses ditunjukkan secara skematik pada Gambar 4.

Gambar 4 Diagram alur proses DRyIron

Proses Comet dan SidComet

Proses Comet, yang dikembangkan oleh Centre de Recherches Metallurgiques (CRM), Belgia adalah sistem berbasis batubara yang menghasilkan sponge iron dari bijih halus dan batu kapur di rotary hearth furnace. Proses reduksi langsung Comet menghasilkan DRI dengan gangue rendah dan sulfur rendah dari bijih besi dan batubara halus. Seri uji laboratorium yang panjang telah menunjukkan kelayakan dan fleksibilitas proses, yang secara khusus dapat dioperasikan dengan jenis batubara apa pun, atau reduksan padat lainnya (termasuk lignite dan coke breeze) dan juga sangat cocok untuk daur ulang limbah metalurgi mengandung besi untuk diganti atau dicampur dengan bijih besi. Instalasi laboratorium 100 kg/jam dioperasikan pada November 1996. Berdasarkan hasil sukses yang diperoleh, pabrik pilot 1,5 ton/jam telah dibangun di Sidmar, Ghent, Belgia. Hasil metallization mengonfirmasi yang diperoleh dari unit laboratorium. Produktivitas, biaya, harga, konsumsi energi dan dampak lingkungan telah ditetapkan.

Di proses Comet, bijih besi dan batubara halus tidak dicampur dan dipeletkan tidak seperti proses yang disebutkan sebelumnya. Sebaliknya, mereka diisi dalam bentuk lapisan bergantian di hearth. Batu kapur biasanya ditambahkan untuk mengontrol sulfur dalam batubara. Suhu di zona reduksi sekitar 1300 derajat C. Gas alam, coke oven gas, dan bubuk batubara, dll. dibakar untuk menghasilkan panas. Post-combustion volatiles dan CO yang dilepaskan selama reaksi juga memberikan sejumlah panas. Lapisan DRI mengalami sintering karena suhu tinggi. Namun, char berlebih tetap bubuk dan oleh karena itu dapat dengan mudah dipisahkan menggunakan layar. Gas buang mengalami post-combustion lebih lanjut di luar furnace dan panas digunakan untuk memanaskan udara proses dan bahan muatan. Karena beban yang lebih tinggi pada hearth dalam proses ini, waktu pemrosesan dalam proses ini biasanya jauh lebih besar daripada sekawatnya yang menggunakan pelet komposit.

Diagram alur proses ditunjukkan secara skematik pada Gambar 5.

Gambar 5 Diagram alur proses Comet

Proses SidComet mirip dengan proses Comet. Perbedaannya adalah bahwa bijih besi dan batubara halus diisi sebagai campuran dalam hal ini. Waktu tinggal mirip dengan proses Comet. Karena waktu tinggal yang lebih tinggi, produktivitas proses ini biasanya tetap lebih rendah daripada proses berbasis pelet.

Proses Hi-QIP

Berdasarkan konsep yaitu (i) proses tidak memerlukan gas alam atau koks mengkok sebagai agen reduksi, (ii) produk besi proses bebas dari komponen gangue, (iii) peralatan sederhana mungkin, dan (iv) sistem recovery energi minimal, dan hasil eksperimen, sebuah proses pembuatan besi baru yang disebut proses Hi-QIP (High-Quality Iron Pebble) dikembangkan. Proses adalah proses berbasis batubara baru untuk menghasilkan besi berkualitas tinggi. Proses mirip dengan proses ITmk3 karena memungkinkan peleburan besi yang direduksi di rotary hearth furnace. Proses memungkinkan fluktuasi pencampuran bahan baku. Pengembangan saat ini telah mencapai tahap pabrik pilot.

Proses Hi-QIP memiliki dua fitur khas dibandingkan dengan proses serupa. Ini adalah (i) penggunaan lapisan material karbon pada rotary hearth, dan (ii) peleburan besi yang direduksi di dalam furnace. Reaktor utama dalam proses Hi-QIP adalah rotary hearth furnace. Bijih besi butiran kasar atau halus, batubara dan batu kapur digunakan sebagai bahan baku. Penggunaan material lump tidak dipertimbangkan untuk proses. Material karbon, seperti batubara, diletakkan di hearth, dan kerucut kecil terbentuk di lapisan ini oleh roller. Bijih besi digunakan sebagai sumber besi, batubara sebagai agen reduksi, dan batu kapur sebagai agen flux. Material ini dicampur dan diisi di atas kandang material karbon, dan kemudian dipanaskan oleh burner. Dalam proses ini, bijih besi direduksi dan dilebur, dan batubara yang dicampur dalam lapisan bahan baku gasified dan bertindak sebagai agen reduksi. Batu kapur meleleh dan membentuk escoria dengan komponen gangue dan abu dalam campuran. Besi cair dan escoria cair mengalir ke kerucut, di mana mereka membeku oleh chiller, membentuk pebble. Pebble besi dan pebble escoria dikeluarkan dari furnace oleh perangkat screw.

Fitur Umum Utama Pembuatan Besi di RHF

Alur proses umum selama pembuatan besi oleh RHF diberikan pada Gambar 6.

Gambar 6 Alur proses umum selama pembuatan besi di RHF

Reduksi agregat bijih besi/batubara di RHF adalah proses pembuatan besi bebas koks dan ramah lingkungan. Namun, produktivitas dan efisiensi energi proses rendah karena tinggi kandang dangkal, suhu reaksi rendah, dan aditif karbon yang tidak cukup di pelet. Kinetika reduksi oksida besi dalam agregat bijih besi/batubara sangat sensitif terhadap suhu karena melibatkan reaksi endotermik yang kuat. Di sisi lain, suhu yang lebih tinggi mempromosikan reoksidasi DRI yang baru dihasilkan oleh CO2 dan/atau O2. Dalam praktik RHF saat ini, kedalaman kandang agregat dangkal, hanya 2-3 pelet tinggi, dan reduksan padat rendah dalam matter mudah uap. Oleh karena itu, aliran gas yang dapat melindungi pelet dari reoksidasi lemah dan tidak stabil. Praktik mempertahankan rasio CO/CO2 lebih besar dari 2 menghasilkan efisiensi bahan bakar yang sangat buruk sementara suhu proses rendah membatasi produktivitas proses.

Penggunaan yang sukses teknologi RHF untuk reduksi langsung material mengandung besi bergantung pada cara teknologi proses diterapkan melalui proses engineering yang tepat. Jika RHF diintegrasikan dengan benar ke dalam proses global dan teknologi reduksi langsung diterapkan dengan benar, hasilnya adalah sistem hemat energi, ramah lingkungan, dan ekonomis untuk produksi besi alternatif berkualitas.

Konsep reduksi langsung berbasis batubara yang memanfaatkan RHF adalah sederhana. Namun, implementasi komersial konsep ini tidak mudah dicapai.

Konsep proses untuk pembuatan besi di RHF dan perbandingan pengisian satu lapis dengan multi-lapis ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7 Konsep proses di RHF dan perbandingan pengisian satu lapis dengan multi-lapis

Berikut reaksi yang terjadi selama pembuatan besi di RHF.

FexOy + y C = x Fe + y CO

FexOy + y CO = x Fe + y CO2

C + O2 = CO2

C + CO2 = 2 CO

Ada tiga hingga empat zona utama di dalam RHF yaitu (i) zona preheating (b) zona reduksi utama (c) zona reduksi akhir dan (d) zona pendinginan. Atmosfer furnace dikontrol untuk memenuhi persyaratan termal dan metalurgi proses dengan kontrol yang tepat terhadap rasio bahan bakar dan oksigen. Potensi oksigen yang lebih tinggi diperlukan di zona preheating untuk mengekstrak energi kimia maksimum yang tersimpan dalam bahan bakar yang terbakar di zona ini. Eliminasi kelembaban yang terjebak dan matter mudah uap juga terjadi di zona ini. Dua zona reduksi memiliki potensi oksigen yang jauh lebih rendah yang mencegah reoksidasi pelet yang direduksi. Di zona reduksi, oksida besi dan beberapa oksida logam impurities lain direduksi menjadi bentuk logam mereka. Di zona pendinginan DRI didinginkan di bawah 300 derajat C sebelum dikeluarkan.

Selain pembakaran bahan bakar, ada sumber panas lain di dalam RHF. Post-combustion gas CO yang dihasilkan selama reduksi membantu mengurangi kebutuhan energi proses. Kadang-kadang, udara sekunder juga diuntikan untuk memfasilitasi post-combustion gas buang. Pembakaran matter mudah uap juga melepaskan sejumlah panas. Jumlah panas kecil juga dihasilkan selama pembakaran karbon yang ada di pelet/briquette.

Batubara tidak mengkok dan terkadang material karbon rendah gradasi termasuk limbah plastik dapat digunakan di RHF sebagai reduksan. Penggunaan reduksan karbon rendah gradasi ini memungkinkan proses RHF untuk menghasilkan besi logam dengan mengurangi oksida besi. Namun, persentase kandungan matter mudah uap dalam reduksan karbon sangat krusial untuk penggunaannya di RHF. Evolusi gas yang cepat meningkatkan tekanan internal yang dapat mengakibatkan keruntuhan pelet/briquette. Ini dapat dihindari dengan mempertahankan persentase lump yang tinggi dalam produk DRI.

Kecepatan rotasi hearth harus dikontrol secara eksternal. Kecepatan bergantung pada reaktivitas bahan baku. Praktik normal adalah memastikan waktu tinggal yang cukup lama untuk pelet/briquette untuk mencapai tingkat metallization yang tinggi.

RHF biasanya dioperasikan pada tekanan negatif kecil untuk menghindari kebocoran gas furnace ke lingkungan eksternal dan di seal menggunakan water seal trough.

Secara umum menguntungkan untuk memanfaatkan kalor DRI panas dengan hot-charging ke smelter. Dalam hal smelting tertunda, praktik biasa adalah mengonversi DRI menjadi hot briquetted iron (HBI) untuk meminimalkan tingkat reoksidasi dengan mengurangi luas permukaan yang tersedia.

Transfer panas ke lapisan bawah adalah salah satu kekurangan serius RHF, terutama ketika kandang pelet multi-lapis digunakan alih-alih satu lapis untuk meningkatkan produktivitas. Susut pelet komposit/briquette diharapkan memfasilitasi transfer panas dari lapisan atas ke bawah. Susut pelet/briquette terjadi karena efek gabungan reaksi kimia dan sintering oksida besi. Ini meningkatkan kinetika reaksi lapisan bawah. Ini bergantung pada suhu dan waktu. Beberapa studi tentang fenomena susut mengungkapkan bahwa pelet komposit/briquette arang kayu memiliki perilaku susut yang lebih baik daripada pelet komposit/briquette char batubara bituminous dan graphite.

Gas buang dari RHF biasanya mengalami post-combustion lengkap dengan memanfaatkan udara tambahan. Energi yang diperoleh dari ini digunakan yaitu (i) untuk pre-heat udara pembakaran, (ii) keringkan bahan muatan, atau (iii) menghasilkan uap di boiler recovery sisa panas.

Debu gas buang dikumpulkan di bag filter. Debu ini mengandung persentase tinggi logam mudah uap seperti seng dan kadmium terutama karena daur ulang material limbah.