Proses Pembuatan Besi Romelt: Pengolahan Reduksi Smelting Efisien untuk Produksi Besi Cair

Proses Romelt untuk Pembuatan Besi

Proses Romelt untuk pembuatan besi adalah proses reduksi peleburan untuk produksi besi cair (logam panas). Proses ini dikembangkan oleh The National University of Science & Technology ‘MISiS’, Rusia (dahulunya dikenal sebagai Moscow Institute of Steel and Alloys). Pengembangan proses dimulai pada tahun 1978 ketika sekelompok ilmuwan ‘MISiS’ yang dipimpin oleh Vladimir Roments mulai merancang proses ini. Patent pertama di Rusia diperoleh pada tahun 1979.

Pabrik produksi percobaan dengan luas rokok 20 meter persegi dan kapasitas 40.000 ton logam panas per tahun dioperasikan pada tahun 1985 di Novolipetsk Iron and Steel Works (NLMK). Pabrik percobaan dirancang oleh Moscow Gipromez. Desain tungku Vanyukov yang andal diambil sebagai prototipe untuk metode pembuatan logam panas baru ini. Proses diuji dan dikuasai di pabrik percobaan ini antara tahun 1985 dan 1998. Selama periode ini, empat puluh satu kampanye dilakukan, masing-masing termasuk startup dan perlambatan, dengan cetusan lengkap logam panas dan escoria dari tungku. Lebih dari 40.000 ton logam panas diproduksi di pabrik percobaan selama periode ini dan digunakan lebih lanjut dalam basic oxygen furnace (BOF) untuk pembuatan baja.

Pabrik Industri di Myanmar

Pabrik industri pertama untuk produksi logam panas berdasarkan teknologi Romelt sedang dibangun di Myanmar. Pabrik ini dirancang oleh Leningrad Gipromez dan disuplai oleh Tyazpromexport, anak perusahaan Rostec. Pabrik ini memiliki kapasitas 200.000 ton per tahun dan didasarkan pada pengolahan bijih besi tanpa pengolahan pencucian dari endapan bijih Pang Pet. Endapan bijih Pang Pet memiliki kandungan Fe hingga 29 persen. Pabrik akan menggunakan batubara non-koks dari bidang batubara Kye Thee. Tampilan panoramis pabrik Romelt di Myanmar ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Tampilan panoramis pabrik Romelt di Myanmar

Bahan Baku dan Ciri Khusus Proses

Bahan pakan oksida besi untuk proses Romelt dapat berupa setiap materi yang mengandung besi, misalnya bijih besi halus dan konsentrat, debu dan lumpur blast furnace dan BOF, mill scale, escoria yang mengandung besi, limbah scarfing dan turnings, dan debu besi, dll. Batubara non-koks basah dengan materi mudah teruapkan 15 persen hingga 20 persen dan sekitar 8 persen hingga 10 persen abu dapat digunakan. Bahan pakan padat (batubara, oksida besi, dan fluks) dimasukkan oleh gravitasi ke dalam tungku.

Ciri khusus proses Romelt meliputi: (i) fleksibilitas untuk menggunakan berbagai macam materi yang mengandung besi, (ii) tidak diperlukan persiapan untuk bahan baku, (iii) penggunaan batubara non-koks sebagai bahan bakar dan agen reduktor, (iv) unit pendukung seperti oven koks dan pabrik sintering tidak diperlukan, (v) memiliki kapasitas untuk menghasilkan daya yang cukup untuk memenuhi kebutuhan keseluruhan pabrik termasuk pabrik oksigen, (vi) mengurangi biaya logam panas dibandingkan rute blast furnace (BF), dan (vii) dapat digunakan untuk pengolahan limbah dalam hal ini biaya logam panas berkurang lebih lanjut.

Prinsip Proses

Proses Romelt adalah proses reduksi besi fase cair tunggal. Dalam proses, materi yang mengandung besi disuplai ke dalam kolam escoria oleh gravitasi dan diaduk oleh gas. Mereka larut dalam escoria. Oksida besi direduksi dari escoria dengan bantuan karbon batubara, yang juga disuplai oleh gravitasi dan ditiup ke dalam kolam. Untuk meningkatkan transfer panas dan massa, pembuikan kolam escoria dengan gas oksidasi, yang ditiup di bawah permukaan escoria, dilakukan. Gas yang mengandung CO dan H2 berkembang dari escoria yang dilelehkan. Gas yang berkembang tersebut dibakar di atas. Panas dari pembakaran pasca ini sebagian besar menyediakan energi termal untuk reaksi yang terjadi dalam kolam escoria. Elemen kunci agar proses efektif dapat terjadi adalah transfer panas aktif antara zona pembakaran pasca dan kolam escoria.

Deskripsi Proses

Proses Romelt menggunakan teknologi reduksi peleburan tunggal untuk produksi logam panas. Proses menggunakan batubara non-koks untuk reduksi oksida besi dari bijih besi dan bahan limbah. Skematis proses ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Skematis proses Romelt

Materi yang mengandung besi, batubara, dan fluks diumpankan, menggunakan hopper bobot, dari wadah yang relevan ke konveyor umum. Pengisian ke dalam tungku dilakukan melalui lubang di atap tungku. Campuran awal bahan pakan tidak diperlukan karena bahan setelah pengisian langsung pergi ke dalam kolam escoria karena pengadukan intensinya. Pengaturan sluice, yang digunakan dalam unit untuk proses lain yang beroperasi di bawah tekanan, tidak diperlukan dalam tungku Romelt. Ruang kerja tungku Romelt berada di bawah tekanan negatif 1 mm hingga 5 mm kolom air yang dijamin oleh kipas induced draft. Tampilan skematis tungku peleburan tungku Romelt ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Tampilan skematis tungku Romelt

Kolam escoria cair ditiup dengan oksigen atau campuran oksigen-udara melalui lower tuyeres yang terletak di bawah lapisan escoria. Lower tuyeres memiliki struktur sederhana dan andal dalam operasi. Mereka memastikan pengadukan yang diperlukan dari kolam escoria. Batubara non-koks yang ada dalam kolam escoria cair yang diaduk mengurangi oksida besi yang ada dalam beban yang mengandung besi. Besi cair yang dihasilkan dari reduksi oksida besi menjadi kaya karbon. Titik besi cair bergerak menuju rokok tungku karena gravitasi.

Ada tiga zona dalam tungku peleburan. Zona pertama adalah zona escoria yang diaduk. Ini adalah zona di mana semua reaksi terjadi. Zona kedua adalah dasar rokok tempat logam panas yang dihasilkan dikumpulkan. Zona ketiga adalah zona escoria tenang dan terletak antara zona pertama dan kedua. Zona kedua dan ketiga perlu memiliki kapasitas yang cukup untuk menampung logam panas dan escoria yang dihasilkan.

Dua ruang dilapisi (sumpa) terletak masing-masing di satu sisi akhir tungku. Mereka digunakan untuk cetusan terpisah logam panas dan escoria cair. Sumpa terhubung dengan ruang kerja melalui saluran dengan ketinggian yang berbeda. Ini memastikan transportasi terpisah logam panas dan escoria cair ke sumpa logam dan escoria. Ada lubang cetusan untuk cetusan logam panas dan escoria cair, yang terletak pada ketinggian yang berbeda. Pengaturan ini memastikan cetusan berkelanjutan dan bebas dari produk cair (logam panas dan escoria) dengan kecepatan yang sesuai dengan kapasitas tungku.

Dalam kolam escoria, panas yang diperlukan untuk peleburan dan reduksi bahan beban lebih tinggi dari panas yang tersedia karena pembakaran karbon batubara non-koks menjadi CO di dekat lower tuyeres. Oleh karena itu, ciri utama proses adalah pembakaran pasca CO, H2, dan materi mudah teruapkan batubara yang berkembang dari kolam oleh oksigen yang ditiup melalui upper tuyeres. Pembakaran pasca gas menjadi CO2 dan H2O menyediakan panas tambahan ke dalam kolam escoria yang diperlukan untuk memproses bahan baku.

Rokok dan bagian bawah kolam tungku, yang berisi logam panas yang selalu panas dan escoria cair yang tenang, dilapisi dengan bata refraktori. Dalam zona ini, lapisan refraktori berada di bawah kondisi yang menguntungkan yang terdiri dari suhu yang sesuai dan sifat atmosfer yang tidak mengoksidasi. Dalam zona escoria yang diaduk, dinding tungku dibangun dengan panel pendingin air yang terbuat dari tembaga. Pembentukan lapisan dinding kulit escoria pada mereka mengurangi kehilangan panas dan menghilangkan kemungkinan kerusakan mereka. Ini juga menghindari kerusakan lapisan di tempat serangan paling agresif dari emulsi gas-escoria logam. Di atas kolam escoria, dinding terbuat dari panel pendingin air yang terbuat dari baja. Atap tungku juga pendingin air.

Setelah pembakaran pasca, gas dengan suhu hingga 1700 derajat C mengalir melalui pipa buang pendingin air ke dalam boiler sisa panas. Di sana gas dibakar sepenuhnya dengan aliran udara alami dan didinginkan ke 250 derajat C hingga 300 derajat C. Setelah energi dipulihkan dan gas didinginkan, gas dibersihkan dalam sistem pembersih gas dan dihilangkan sulfurnya sebelum dibuang ke atmosfer melalui arsir. Pembentukan debu asap dari tungku Romelt yang diukur di pipa buang sekitar 3 persen rata-rata dari berat bahan yang dimasukkan.

Perilaku Batubara dalam Kolam Escoria

Terlepas dari mekanisme reduksi, batubara adalah satu-satunya sumber agen redutora dalam proses. Tidak ada keterbatasan utama pada rentang batubara yang digunakan untuk menjalankan proses dalam kondisi normal. Setiap batubara dengan kandungan karbon tetap, abu, dan materi mudah teruapkan yang berbeda dapat digunakan sebagai agen redutora. Namun, konsumsi batubara dan oksigen spesifik sangat bergantung pada komposisi batubara yang digunakan.

Batubara basah yang tidak diproses dalam proses Romelt jatuh dari atas ke dalam kolam escoria. Materi mudah teruapkan dihasilkan dalam kolam escoria dan memiliki pengaruh stimulasi terhadap kemajuan proses. Keseimbangan materi dan keseimbangan panas proses bergantung pada bagaimana dan dalam bentuk apa materi mudah teruapkan dihasilkan dan peran yang dimainkannya dalam proses utama yang terjadi di tungku. Itulah sebabnya perilaku materi mudah teruapkan batubara adalah salah satu titik terkritikal untuk proses Romelt terlepas dari kelas batubara yang digunakan.

Laju batubara dalam proses Romelt terdiri dari dua bagian yaitu: (i) konsumsi batubara yang diperlukan untuk reaksi dengan oksigen yang ditiup di lower tuyeres untuk menghasilkan CO, dan (ii) konsumsi batubara yang diperlukan untuk reduksi oksida. Kekurangan batubara dapat menjadi alasan peningkatan potensi oksidasi kolam escoria, yang dapat mengakibatkan pembuikan tidak terkontrol dari kolam tersebut. Namun, laju batubara yang berlebihan selain meningkatkan biaya produksi logam panas, juga merusak kondisi termal di dalam tungku Romelt.

Umumnya tampaknya bahwa jumlah batubara yang diperlukan hanya bergantung pada kandungan karbon tetap dalam batubara. Namun, dalam tungku Romelt, materi mudah teruapkan juga secara sebagian berpartisipasi dalam proses yang terjadi dalam kolam escoria cair. H2, CO, dan N2 dari materi mudah teruapkan tidak mengalami perubahan dalam kolam escoria karena gas-gas ini berkembang dari batubara untuk menghasilkan fase gas. Namun, CH4 dan CO2 dari materi mudah teruapkan berpartisipasi dalam reaksi kimia sesuai dengan persamaan CH4 = C + 2H2 dan CO2 + C = 2CO. Jika jumlah CO2 kecil dan jumlah metana (CH4) substansial, maka transformasi kimia ini mengarah pada ketersediaan jumlah karbon tambahan untuk reduksi oksida. Karbon yang dihasilkan dari dekomposisi metana berukuran halus dan sangat aktif dan meningkatkan kinestika reaksi reduksi.

Dalam proses Romelt, batubara basah dengan kadar kelembaban sekitar 10 persen hingga 12 persen digunakan. Dalam tungku, kelembaban ini menguap dan secara sebagian terdekomposisi sesuai dengan persamaan H2O + C = CO + H2. Ini memerlukan kebutuhan karbon tambahan untuk melanjutkan reaksi dekomposisi air untuk produksi gas air yang terdiri dari CO dan H2.

Semua tiga reaksi yaitu dekomposisi metana, reduksi CO2 menjadi CO, dan dekomposisi air terjadi dalam kolam escoria secara bersamaan.

Aspek Kimia dan Metalurgi Proses

Sebagian besar proses reduksi terjadi dalam zona escoria yang diaduk. Oksigen atau campuran oksigen dan udara ditiup melalui lower tuyeres untuk menghasilkan kolam yang sangat diaduk. Bahan baku pakan jatuh ke dalam escoria yang diaduk di mana peleburan dan reduksi terjadi. Kolam escoria dipertahankan di sekitar 1400 derajat C hingga 1500 derajat C. Batubara non-koks berfungsi baik sebagai redutora maupun sebagai sumber bahan bakar dalam zona ini. Berikut reaksi yang terjadi dalam zona escoria yang diaduk.

• Reduksi oksida besi. x C + FeOx = x CO +Fe
• Gasifikasi karbon. 2 C + O2 = 2CO
• Pecahan materi mudah teruapkan dalam batubara. 2 CxHy = 2x C + y H2
• Reduksi air. H2O + C = CO + H2

Besi yang direduksi membentuk titik kecil yang menggumpal dan terpisah dari escoria bergerak ke rokok tungku di bawah zona escoria tenang karena densitasnya yang lebih tinggi. Interaksi antara logam dan escoria dalam zona escoria yang diaduk dan tenang memungkinkan logam untuk disaring melalui partisi elemen minor antara fase-fase.

Gas yang dihasilkan dalam kolam, terutama CO dan H2, memasuki zona pembakaran. Di sini gas bereaksi dengan oksigen yang ditiup melalui upper tuyeres dan melepaskan energi yang digunakan untuk reaksi peleburan. Reaksi yang terjadi dalam zona pembakaran adalah sebagai berikut.

• Pembakaran pasca. CO + O2 = CO2 dan 2 H2 + O2 = 2 H2O
• Pembakaran materi mudah teruapkan batubara. 4 CxHy + (4x+y) O2 = 4x CO2 + 2y H2O

Energi yang dilepaskan dari reaksi pembakaran ditransfer kembali ke kolam. Transfer panas ditingkatkan oleh tingkat turbulensi yang tinggi yang dihasilkan dalam kolam escoria oleh lower tuyeres. Gas buang hanya sebagian dibakar dalam tungku yang memungkinkan pemulihan energi lebih lanjut dalam sistem boiler sisa panas konvensional.

Proses Romelt didasarkan terutama pada reduksi fase cair besi. Oleh karena itu, proses memiliki keseimbangan yang lebih baik dari aspek kimia dan energi dari dua tahap reduksi yaitu fase padat dan fase cair. Dalam proses Romelt, sebagian besar pemanasan dan reduksi dialihkan ke tahap fase cair.

Reduksi besi dari oksidanya dalam escoria dilakukan oleh partikel batubara dan oleh karbon yang larut dalam inklusi logam dalam escoria. Ada dua cara yang menunjukkan keterlibatan batubara dalam reduksi oksida besi dalam tungku.

• Reduksi yang terjadi pada permukaan gelembung gas yang berisi partikel batubara. Peran partikel ini adalah untuk meregenerasi atmosfer redutora dalam gelembung (kondisi termodinamik yang ada dalam proses membuat sulit bagi gelembung gas yang tidak berisi partikel batubara untuk mereduksi oksida besi).
• Reduksi yang terjadi dengan partikel batubara dalam kontak acak langsung dengan escoria. Di sini, reduksi terjadi dalam kondisi serupa dengan yang ada ketika besi direduksi oleh bahan padat berkarbon yang berputar dan gelembung gas secara paksa dikeluarkan dari permukaan bahan.

Reduksi dalam tungku Romelt terjadi (i) ketika partikel batubara dalam kontak langsung dengan escoria (60 persen hingga 80 persen), (ii) ketika karbon dalam kontak langsung dengan titik logam (10 persen hingga 15 persen), dan (iii) di antarmuka 'gas–escoria' (10 persen hingga 25 persen). Biasanya, 85 persen hingga 90 persen besi direduksi dengan partisipasi langsung partikel batubara. Ini membedakan reduksi fase cair yang terjadi dalam proses Romelt dari proses reduksi peleburan lainnya di mana karbon yang larut dalam logam memainkan peran yang signifikan (DIOS) atau peran utama (Hlsmelt) dalam operasi reduksi.

Dalam proses Romelt, ada nilai optimum tertentu untuk kandungan partikel batubara dalam kolam escoria, meskipun parameter ini dapat bervariasi dalam rentang nilai yang luas. Tungku Romelt tidak dapat dimuat berlebihan atau kurang muat dengan batubara. Pengisian jumlah batubara yang suboptimal mengarah pada oksidasi berlebihan leleh escoria dan pembuikan yang tidak terkontrol. Oleh karena itu, batubara lebih dari jumlah yang dihitung seringkali dimasukkan ke dalam tungku untuk mencegah oksidasi berlebihan, dan ini kadang-kadang membantu dalam stabilisasi proses. Namun, ada batas untuk jumlah berlebihan partikel batubara dalam escoria. Batas ini juga dapat menyebabkan gangguan dalam proses seperti penurunan suhu kolam escoria, peningkatan kandungan oksida besi dalam escoria, penurunan tingkat pembakaran pasca gas keluar, dan pelepasan lebih banyak panas dalam boiler sisa panas.

Pemberian oksigen tambahan ke dalam tungku tidak mempromosikan pembakaran pasca karena oksigen tidak bereaksi sepenuhnya dengan batubara yang melayang di permukaan escoria. Lapisan padat batubara ini terbentuk sebagai akibat dari pengisian batubara berlebihan atau pengisian bahan baku yang mengandung oksida kurang. Kehadiran lapisan ini menekan percikan dan lengketan escoria ke dinding, yang berdampak buruk pada transfer panas dari zona pembakaran gas primer ke kolam escoria karena transfer panas terjadi terutama melalui titik escoria dan film escoria yang mengalir ke bawah dinding dalam zona pembakaran pasca.

Terlihat bahwa dalam tungku Romelt, jika kandungan batubara lapisan permukaan escoria sekitar 20 persen hingga 30 persen, proses transit ke regime yang tidak diinginkan di mana batubara menghambat transfer panas dari zona pembakaran pasca ke kolam. Kejadian regime ini tidak hanya bergantung pada jumlah dan komposisi batubara yang telah terkumpul dalam escoria, tetapi juga pada laju sirkulasi turbulensi escoria karena turbulensi ini menentukan efisiensi dengan mana batubara dicampur dengan komponen lain dari lelehan escoria.

Karakteristik Produk dan Konsumsi Spesifik

Analisis tipis logam panas dari proses Romelt terdiri dari karbon – 4,5 persen, silikon – 0,1 persen, mangan – 0,08 persen, sulfur – 0,05 persen, dan fosfor – 0,1 persen.

Analisis tipis escoria dari proses Romelt terdiri dari CaO – 39 persen, MgO – 7 persen, SiO2 – 36 persen, Al2O3- 11 persen, FeO – 3,0 persen, MnO – 3 persen, TiO2 – 0,1 persen, dan S – 0,04 persen.

Angka konsumsi spesifik tipis per ton logam panas adalah sekitar 940 kg – 1200 kg untuk batubara non-koks kering, dan 750 N cum hingga 850 N cum untuk oksigen.

Keuntungan Proses Romelt

Berikut adalah keuntungan proses Romelt.

• Biaya modal rendah karena operasi tekanan rendah dan penggunaan alat pendukung konvensional.
• Tidak diperlukan koks atau batubara koks sehingga biaya operasional lebih rendah.
• Dapat memproses setiap materi yang mengandung besi termasuk limbah metalurgi, tanpa pengolahan pra apa pun.
• Tidak diperlukan pengaglomeran oksida besi.
• Memiliki tingkat pemulihan besi yang tinggi.
• Memungkinkan pendirian sumber logam panas skala kecil yang efektif untuk pabrik kecil.
• Ramah lingkungan karena eliminasi oven koks dan pabrik pengaglomeran (sintering dan pelletizing).