Produksi Industri Ferro-Silikon (Fe-Si) – Proses, Grade, dan Aplikasi

Produksi Ferro-Silikon

Ferro-silikon (Fe-Si) adalah ferro-loyang yang memiliki besi (Fe) dan silikon (Si) sebagai elemen utamanya. Ferro-loyang biasanya mengandung Si dalam rentang 15 % hingga 90 %. Konten Si yang biasa pada Fe-Si yang tersedia di pasar adalah 15 %, 45 %, 65 %, 75 %, dan 90 %. Sisa adalah Fe, dengan sekitar 2 % elemen lain seperti aluminium (Al) dan kalsium (Ca).

Fe-Si diproduksi secara industri melalui reduksi karbo-termal dari dioksida silikon (SiO2) dengan karbon (C) dalam kehadiran bijih besi, besi bekas, gilingan pabrik, atau sumber besi lain. Peleburan Fe-Si adalah proses kontinu yang dilakukan dalam tanur arc sumbu terendam (SAF) dengan elektroda self-baking.

Fe-Si (kualitas typikal 65%, 75% dan 90% silikon) terutama digunakan selama pembuatan baja dan di pabrik cetak untuk produksi baja C, baja tahan karas sebagai agen deoksidasi dan untuk legasi baja dan besi cor. Ia juga digunakan untuk produksi baja silikon juga disebut baja listrik. Saat produksi besi cor, Fe-Si juga digunakan untuk inokulasi besi untuk mempercepat grafitasi. Pada pengelasan arc Fe-Si dapat ditemukan di beberapa lapisan elektroda.

Reaksi reduksi ideal selama produksi Fe-Si silikon adalah SiO2+2C=Si+2CO. Namun reaksi sebenarnya cukup kompleks karena zona suhu yang berbeda di dalam SAF. Gas di zona terpanas memiliki konten tinggi oksida silikon monoksida (SiO) yang perlu direkuperi di lapisan beban luar jika pemulihan Si ingin tinggi. Reaksi pemulihan terjadi di lapisan beban luar di mana mereka memanaskan beban ke suhu yang sangat tinggi. Gas keluar dari tanur mengandung SiO2 yang dapat direkuperi sebagai debu silika. Pembentukan Si cair melalui beberapa reaksi menengah. Ini dijelaskan nanti dalam artikel. Ciri karakteristik utama produksi Fe-Si dapat diringkas dalam tiga poin berikut.

• Gas di zona terpanas SAF memiliki konten tinggi gas yang mengandung Si yang perlu direkuperi di lapisan beban luar jika pemulihan Si ingin tinggi.
• Reaksi pemulihan Si di lapisan beban luar memanaskan beban ke suhu yang sangat tinggi dan menciptakan beban lengket yang tidak mudah mengalir ke zona terpanas.
• Gas dari tanur mengandung jumlah signifikan debu yang terdiri dari SiO2.

Lembar alur skematis untuk proses produksi Fe-Si diberikan pada Gambar 1.

Gambar 1 Lembar alur skematis proses produksi Fe-Si

Bahan Baku

Fe-Si dihasilkan dengan peleburan bahan yang mengandung Fe dan bahan yang mengandung Si biasanya dalam SAF. Fe dalam bentuk bijih besi, besi bekas atau gilingan pabrik dan Si biasanya dalam bentuk lump kuarsit. Ini digabungkan dengan bahan karbon seperti batu bara atau arang minyak dan agen pengisi seperti dedakan kayu. Kuarsit adalah sumber Si dalam proses karbo-termal. Keutuhan kuarsit biasanya lebih rendah daripada tipe deposit kuarsit lain tetapi biasanya sesuai untuk produksi Fe-Si.

Furnaceability adalah istilah kualitas industri internasional yang umum untuk kuarsit. Kuarsit memiliki furnaceability yang baik ketika semua kriteria kimia dan fisiknya sedemikian rupa sehingga menjadikannya bahan baku silika yang sesuai untuk produksi Fe-Si dengan konten Si yang tinggi pada tingkat kinerja proses yang tinggi. Persyaratan kualitas mutlak dari bahan baku kuarsit adalah yang diperlukan untuk mencapai agar proses dapat dioptimalkan dan mencakup (i) kimia, (ii) ukuran material (typikal 10 mm hingga 150 mm), (iii) kekuatan mekanis, (iv) kekuatan termal, dan (v) properti pengemasan.

Kimia dan ukuran adalah spesifikasi yang paling umum digunakan oleh semua produsen Fe-Si untuk menentukan kuarsit. Persyaratan untuk kimia terkait dengan konten elemen pengotor terutama elemen seperti Al, Ca, titan (Ti), boron (B), dan fosfor (P). Biasanya, elemen yang lebih mulia dari Si (misalnya Al dan Ca) berakhir dalam produk, sedangkan komponen volatif pergi ke off-gas. Namun, reaksi dalam tanur jauh lebih rumit daripada itu, dan distribusi elemen dalam bahan baku juga menentukan ke mana elemen pergi. Beberapa elemen, terutama alkali seperti natrium (Na) dan kalium (K) sebenarnya dapat menurunkan titik leleh kuarsit. Secara umum, persyaratan untuk bahan baku terkait dengan persyaratan produk. Produksi Fe-Si biasanya memiliki persyaratan yang memungkinkan konten lebih tinggi dari elemen yang paling sulit.

Persyaratan ukuran dapat bervariasi untuk pabrik yang berbeda dan bervariasi dari 10 mm hingga 150 mm. Namun, beberapa produsen memiliki spesifikasi untuk ukuran yang lebih sempit. Beberapa produsen Si-Fe berfokus pada, atau mengukur kekuatan mekanis dan kekuatan termal, meskipun ini biasanya tidak termasuk dalam spesifikasi ke supplier. Selain itu, beberapa produsen berfokus pada properti pengemasan kuarsit. Lebih lanjut, persyaratan tambahan dapat didefinisikan oleh produsen individual, sesuai dengan yang paling optimal untuk operasi spesifik.

Properti mekanis kuarsit mempengaruhi pengurangan ukuran bahan baku selama produksi di tambang, transportasi dan penyimpanan sebelum dimuat. Material halus yang dihasilkan menciptakan masalah untuk proses karbo-termal karena dapat menurunkan permeabilitas beban dan menghambat aliran gas dari bagian bawah tanur ke bagian atas di mana gas SiO bereaksi dengan C yang tidak bereaksi dalam beban untuk membentuk SiC, yang merupakan reaksi penting dalam tanur. Selain itu, beberapa gas SiO menguap dan membentuk campuran lengket SiO2 dan Si cair. Hilangnya gas SiO melalui saluran gas buang dan pemulihan Si yang menurun dapat disebabkan oleh permeabilitas beban yang rendah.

Halus didefinisikan oleh dua kriteria berbeda. Dalam konteks ini, halus didefinisikan sebagai material kurang dari 2 mm ukuran, yang paling kritis untuk proses. Halus kurang dari 2 mm menurunkan permeabilitas beban. Halus juga dapat didefinisikan sebagai material ukuran lump di bawah spesifikasi (misalnya -10 mm). Seperti halnya properti mekanis, properti termo-mekanis terutama terkait dengan pembentukan halus, namun, dalam hal ini, pembentukan halus terjadi di dalam tanur karena properti termo-mekanis yang buruk mengakibatkan disintegrasi kuarsit akibat panas ekstrim dalam tanur. Secara ideal, kuarsit lump harus menjaga ukuran aslinya saat bergerak ke bawah melalui beban, sampai kuarsit mulai mengempu dan meleleh di bagian bawah tanur di dekat dinding rongga.

Meskipun sebagian besar kuarsit kemungkinan akan disintegrasi hingga tingkat tertentu, tidak boleh menjadi serbuk dan menghasilkan terlalu banyak halus yang menurunkan permeabilitas beban seperti yang dijelaskan di atas. Pengurangan ukuran ini juga dapat, dalam kasus ekstrim, menghasilkan efek pop di mana dalam beberapa kasus fragmen kuarsit dapat dilemparkan ke udara. Kuarsit dengan stabilitas termal rendah yang disintegrasi dalam beban juga dapat berkontribusi pada pembentukan scoria dalam tanur.

Properti pengemasan kuarsit adalah sisi lain dari properti termo-mekanis. Suhu pengemasan, atau interval pengemasan, adalah suhu di mana kuarsit mulai meleleh. Ini lebih rendah dari titik leleh kuarsit pada 1723 derajat C. Suhu pengemasan harus seharusnya mendekati suhu leleh kuarsit sebesar mungkin untuk mencapai proses ideal di mana kuarsit bergerak ke bawah ke dinding rongga sebelum mulai meleleh dan titik kuarsit cair menetes dari dinding rongga ke rongga, di mana reaksi pembentukan Si terjadi. Elemen alkali (dan dalam tingkat yang lebih rendah alkali tanah) dikenal mempengaruhi suhu leleh kuarsit. Harus diperhatikan bahwa kuarsit yang mulai mengempu atau bahkan meleleh terlalu tinggi dalam tanur, menciptakan massa lengket, yang aglomerasi dengan partikel lain dan menjadi konduktor listrik dan mengubah jalur listrik dalam tanur dan bahkan mengurangi daya arc.

Tanur Arc Sumbu Terendam untuk Produksi Fe-Si

Grade komersial Fe-Si dengan konten Si 15 % biasanya diproduksi dalam tanur tinggi (BF) yang dilapisi batu tahan api asam. Fe-Si dengan konten Si lebih tinggi biasanya diproduksi dalam SAF. Ukuran SAF yang memproduksi Fe-Si diberikan dalam istilah beban listrik dan bervariasi dari 1-2 MVA hingga lebih dari 40 MVA. Ukuran SAF biasanya terdiri dari hingga 10 meter diameter dan 3,5 meter kedalaman. Energi listrik disuplai melalui arus bolak-balik (AC) 3 fasa oleh tiga elektroda yang terendam dalam beban. Konsumsi energi spesifik biasanya hingga 9 MWh – 10 MWh (megawatt jam) per ton Fe-Si yang dihasilkan (75 % Si). Untuk beroperasi secara efisien dan mengurangi biaya tetap per unit, SAF diperlukan untuk beroperasi secara kontinu, 24 jam per hari.

Panas yang diperlukan untuk reaksi SiO2 yang sangat endotermis dihasilkan langsung dalam beban SAF sebagai hasil dari aliran arus dengan pemanas resistansi, dan oleh pemanas arc yang membakar di kamar gas yang terletak di dekat ujung elektroda. Struktur internal tanur dan distribusi suhu di zona reaksi memiliki hubungan erat dengan proporsi panas yang dihasilkan dalam tanur berdasarkan prinsip pemanas resistansi dan pemanas arc. Salah satu elemen struktural terpenting dari tanur Fe-Si adalah elektroda ‘Soderberg’ self-baking yang terendam dalam beban yang membawa listrik yang diperlukan untuk proses. Pembakaran arc listrik dan kondisi suhu zona reaksi memiliki hubungan erat dengan posisi ujung elektroda dalam tanur. Arus memanaskan sebagian beban hingga sekitar 2000 derajat C di bagian terpanas. Pada suhu tinggi ini SiO2 direduksi menjadi Si cair.

Distribusi suhu zona reaksi tidak tunduk pada pengukuran langsung, tetapi untuk memberikan kondisi listrik dan suhu yang benar dari proses perlu dilakukan pemindahan elektroda secara sistematis. Posisi optimal elektroda mengarah pada pengurangan indikator ekonomi proses. Dalam periode operasi SAF yang baik dan stabil di zona reaksi adalah kondisi untuk evolusi berkelanjutan produk baru dari reduksi SiO2. Proses ini memiliki sifat siklus dan terkait dengan peleburan dan penetrasi periodik SiO2 cair di dalam kamar arc.

SAF memiliki hood di bagian atas tanur yang mengarahkan gas panas melalui arsip ke sistem pembersih gas. Bahan baku yaitu kuarsit, bahan yang mengandung Fe, dan bahan yang mengandung C diangkut dengan sabuk konveyor dan disimpan terpisah dalam bin harian. Bahan baku dalam bentuk batch campuran yang terdiri dari kuarsit, redutor C, dan pembawa F diimbang, digabungkan dalam proporsi yang diperlukan, dicampur dan dimuat ke dalam tanur melalui tabung pengisian. Tabung ini terletak dengan outlet menuju elektroda. Jumlah tabung yang mengelilingi elektroda bervariasi dari tanur ke tanur. Material yang dimuat berada pada tingkat yang sama dengan lantai di luar tanur yang dikelilingi oleh hood yang memiliki gerbang pengosokan di berbagai bagian dan bagian-bagian ini dapat dibuka selama periode pengosokan.

Proses Produksi Fe-Si

Bahan baku dimuat ke dalam tanur dari atas. Listrik arus tinggi, tegangan rendah disampaikan melalui transformator dan ke dalam tanur melalui elektroda C. Proses sangat intensif energi, membutuhkan sekitar 9.000 kWh hingga 10.000 kWh (kilowatt jam) listrik untuk menghasilkan satu ton Fe-Si 75 %.

SAF yang digunakan untuk produksi Fe-Si biasanya dioperasikan dalam siklus dengan pengosokan, pengisian dan tapping sebagai operasi utama. Selama pengosokan, kerpis tipis di atas beban dipecahkan dan beban lama didorong menuju elektroda. Beban baru kemudian diletakkan di atas beban lama.

Siklus pengosokan pengisian adalah siklus operasional. Pengosokan dilakukan oleh mesin khusus yang dilengkapi dengan tongkat pengosokan yang dipasang di depan mesin. Beban yang tidak merata dapat didistribusikan dengan mesin melalui gerbang pengosokan. Beban lama di permukaan didistribusikan menuju elektroda di mana cekungan terbentuk di sekitar elektroda. Cekungan ini dibentuk oleh zona reaksi panas di rongga.

Di dalam tanur, beban dipanaskan hingga sekitar 1815 derajat C. Pada suhu itu, kuarsit berikutan dengan C dalam redutor membentuk gas karbon monoksida (CO) dan melepaskan Si, yang membentuk legasi dengan Fe cair. Fe-Si cair menumpuk di dasar tanur. Konten elemen jejak dari bahan baku (termasuk material reduksi kuarsit dan elektroda) dibawa ke produk.

Secara berkala, pada interval waktu yang setara, legasi cair ditap ke ladle, melalui salah satu lubang tap di lining tanur. Lubang tap terletak di transisi antara lining sisi dan dasar tanur. Jumlah lubang tap bervariasi dari tanur ke tanur. Lubang tap biasanya dibuka secara mekanis dan ditutup dengan campuran tanah liat khusus.

Gas buang dilewatkan melalui pabrik pembersih gas untuk penghapusan debu yang konten utamanya adalah SiO2 amorf yang menguap. Debu ini biasanya digunakan sebagai bahan pengisi dalam beton, keramik, refraktori, karet dan aplikasi yang sesuai lainnya. Tanur menghasilkan sekitar 0,2 ton hingga 0,4 ton debu SiO2 per ton legasi. Gas buang yang dibersihkan terutama mengandung CO, dioksida sulfida (SO2), dioksida karbon (CO2), dan oksida nitrogen (NOx). Panas gas dapat direkuperi dalam sistem pemulihan panas buang.

Reaksi

Proses produksi Fe-Si terdiri dari proses suhu tinggi di mana SiO2 direduksi dengan C menjadi Si dan CO (g). Reaksi keseluruhan proses didasarkan pada reaksi karbo-termal yang diidealkan sebagai reaksi yang diberikan di bawah ini.

SiO2(s) + 2C(s) = 2Si (l) + 2CO (g) Delta H at 2000 derajat C = 687 kJ/mol

Tanur Fe-Si biasanya dibagi menjadi dua zona yaitu (i) zona panas dalam, dan (ii) daerah luar yang lebih dingin. Si dihasilkan di zona dalam. Kondisi seimbang untuk produksi Si diberikan oleh reaksi berikut.

SiO (g) + SiC (s) = 2Si (l) + CO (g)

Suhu untuk produksi Si sekitar 2000 derajat C. Kemudian tekanan seimbang SiO untuk reaksi di atas pada 1 atmosfer adalah 0,5 atmosfer. Untuk mendapatkan pemulihan Si yang tinggi, SiO ini perlu direkuperi di bagian yang lebih dingin dari tanur. SiO direkuperi dengan reaksi dengan C atau dengan penguapan. SiO yang tidak direkuperi hilang sebagai debu SiO2.

Kemampuan bahan C untuk bereaksi dengan SiO disebut reaktivitas. Dalam kasus reaktivitas tinggi, sebagian besar C bereaksi dengan SiO untuk membentuk SiC di zona luar. Jika reaktivitas rendah, C bebas dapat mencapai zona dalam. Maka kurang Si dan lebih SiO dan CO dihasilkan. Karena reaktivitas rendah di zona luar, lebih SiO menguap. Karena penguapan menyediakan panas, ada batas untuk penguapan. Ketika batas terlampaui, SiO meninggalkan tanur. Jika reaktivitas rendah, keseimbangan C dalam beban perlu dikurangi untuk menghindari deposit SiC. Dalam hal ini pemulihan Si berkurang.

Dalam operasi praktis selalu ada beberapa kehilangan Si dalam gas. Ini terutama karena kehilangan spesies gas SiO. SiO membakar bersama dengan CO dalam udara berlebih di atas beban. Deskripsi yang lebih akurat dari proses lebih kompleks dan melibatkan banyak reaksi menengah dan menyulitkan situasi sangat dari apa yang dijelaskan reaksi di atas. Internal SAF dapat dibagi menjadi zona suhu tinggi (sekitar 2000 derajat C) dan zona suhu lebih rendah (kurang dari 1815 derajat C), di mana reaksi yang berbeda mendominasi. Di zona suhu tinggi di sekitar ujung elektroda, reaksi berikut terjadi.

2SiO2 (s, l) + SiC(s) = 3SiO (g) + CO (g) Delta H at 2000 derajat C = 1364 kJ/mol

SiO2 (s, l) + Si (l) = 2SiO (g) Delta H at 2000 derajat C= 599 kJ/mol

SiO (g) + SiC (s) = Si (l) + CO (g) Delta H at 2000 derajat C = 167 kJ/mol

Yang paling lambat dari ketiga reaksi ini mungkin adalah reaksi yang menghasilkan SiO (g) yang mengkonsumsi sebagian besar energi listrik yang dikembangkan. Si dapat dihasilkan melalui reaksi pada suhu di atas 1815 derajat C. Gas SiO bergerak ke atas dalam tanur dan direkuperi baik dengan reaksi C dengan material seperti yang diberikan di bawah ini atau dengan penguapan di mana suhu cukup rendah (kurang dari 1800 derajat C). Kedua reaksi terakhir yang diberikan di bawah ini adalah reversibel.

SiO (g) + 2C (s) = SiC (s) + CO (g) Delta H at 1800 derajat C = -78 kJ/mol

3SiO (g) + CO (g) = 2SiO2 (s, l) + SiC (s) Delta H at 1800 derajat C = -1380 kJ/mol

2SiO (g) = SiO2 (s, l) + Si (l) Delta H at 1800 derajat C = – 606 kJ/mol

Kedua reaksi yang menghasilkan penguapan ini sangat eksotermik dan merupakan faktor utama bagaimana panas ditransportasikan ke atas dalam tanur. Kondisi seimbang untuk reaksi lainnya ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Tekanan parsial SiO (g) dalam kesetimbangan dengan SiO2, SiC dan C

Di atas beban tanur, suhu dapat bervariasi antara 1000 derajat C hingga 1700 derajat C. Hasil si typikal industri sekitar 85 % dalam tanur yang dioperasikan dengan baik. Reaksi pembentukan SiC adalah reaksi pemulihan SiO yang disukai di atas 1512 derajat C. Di bawah suhu ini, gas SiO biasanya ditangkap oleh dua reaksi penguapan terakhir. Suhu memiliki efek besar pada kondisi seimbang untuk reaksi-reaksi ini. Jika suhu di atas sekitar 1620 derajat C (tekanan parsial SiO=0.1 atm.) dan pemulihan SiO utama melalui penguapan, maka hasil Si sekitar 80 %.

Pengolahan dan Cetakan Fe-Si

Pengotor dalam legasi cair seperti Al dan Ca dapat dihilangkan oleh oksigen (O2) dan udara sementara legasi dalam tahap cair di ladle sebelum cetakan. Legasi cair dapat ditap dari tanur ke ladle baja yang dilapis refraktori.

Fe-Si cair dicurahkan dari ladle ke cetakan besi cor besar dan datar. Cetakan disiapkan dengan menambahkan lapisan serbuk Fe-Si pada permukaan cetakan. Material cetak dikeluarkan dari cetakan ketika telah dingin hingga tingkat di mana kekuatan material cukup tinggi untuk dikeluarkan dan ditumpuk dalam tumpukan untuk pendinginan lebih lanjut. Setelah pendinginan dan pembekuan, Fe-Si dihancurkan dan disaring untuk menghasilkan ukuran lump yang diperlukan. Dalam proses penghancuran, beberapa serbuk dihasilkan. Material halus tersebut dapat dihaluskan lebih lanjut menjadi bubuk, digabungkan dengan perekat, dan dibentuk menjadi briquet. Leleh juga dapat digranulat.

Semua grade Fe-Si dihasilkan menggunakan proses yang pada dasarnya sama, tetapi beberapa langkah tambahan diperlukan untuk menghasilkan grade Fe-Si yang lebih murni. Grade tersebut dihasilkan menggunakan bahan baku yang mengandung jumlah pengotor yang lebih rendah. Selain itu, pemurnian Fe-Si cair untuk menghilangkan pengotor yang tidak diinginkan dan penambahan elemen legasi khusus terjadi di ladle. Pemrosesan lebih lanjut ini untuk menghasilkan Fe-Si yang lebih murni dikenal sebagai metalurgi ladle. Grade spesial 15 % Fe-Si untuk aplikasi medium padat biasanya dihasilkan dengan meleleh kembali Fe-Si 75 % dengan besi bekas dalam tanur lampu api dan mencetak ke dalam spray air tekanan tinggi.