Optimisasi Produksi Siliko-Mangan dalam Tanur Arc Sumbu Terendam
Produksi Siliko-Mangan dalam Tanur Arc Sumbu Terendam
Siliko-mangan (Si-Mn) adalah legasi yang digunakan untuk menambahkan silikon (Si) dan mangan (Mn) ke baja cair selama pembuatan baja pada konten karbon (C) rendah. Legasi Si-Mn standar mengandung 65 % hingga 70 % Mn, 15 % hingga 20 % Si dan 1,5 % hingga 2 % C. Grade legasi Si-Mn adalah C sedang (MC) dan C rendah (LC). Industri pembuatan baja adalah satu-satunya konsumen legasi ini. Penggunaan Si-Mn selama pembuatan baja sebagai ganti campuran legasi ferro-mangan (Fe-Mn) C tinggi dan legasi ferro-silikon (Fe-Si) didorong oleh pertimbangan ekonomi.
Baik Mn maupun Si adalah komponen penting dalam pembuatan baja. Mereka digunakan sebagai deoksidator, desulfurizer dan elemen legasi. Si adalah deoksidator primer. Mn adalah deoksidator yang lebih lemah daripada Si tetapi meningkatkan efektivitasnya melalui pembentukan silikat mangan dan aluminat yang stabil. Ia juga berfungsi sebagai desulfurizer. Mangan digunakan sebagai elemen legasi dalam hampir semua jenis baja. Yang sangat menarik adalah efek modifikasinya pada sistem besi-karbon (Fe-C) dengan meningkatkan daya keras baja.
Si-Mn dihasilkan dengan reduksi karbo-termal dari material baku oksida dalam tanur arc sumbu terendam (SAF) tiga fasa, arus bolak-balik (AC) yang juga digunakan untuk produksi Fe-Mn. Operasi proses untuk produksi Si-Mn sering kali lebih sulit daripada proses produksi Fe-Mn karena diperlukan suhu proses yang lebih tinggi. Ukuran umum SAF yang digunakan untuk produksi Si-Mn biasanya dalam rentang 9 MVA hingga 40 MVA menghasilkan 45 ton hingga 220 ton Si-Mn per hari.
Dalam reduksi karbo-termal dari material baku oksida, panas sama pentingnya dengan C untuk reduksi, karena reaksi reduksi endotermis dan kekurangan panas dapat menyebabkan reduksi yang tidak sempurna. Penetrasi elektroda yang baik sangat penting untuk memiliki panas yang memadai untuk mendorong reaksi hingga selesai.
Bahan baku yang digunakan dalam produksi Si-Mn terutama terdiri dari bijih Mn, scoria Fe-Mn C tinggi, kuarsit, arang dan batu bara, dan fluks (dolomit atau kalsit). Sumber utama Mn dalam bahan baku untuk produksi Si-Mn adalah bijih Mn dan scoria kaya Mn dari produksi Fe-Mn C tinggi. Material beban yang berbeda menunjukkan perilaku yang berbeda saat dipanaskan dan bereaksi dengan C, yang mempengaruhi konsumsi arang dan energi listrik, jumlah scoria dan komposisinya, serta produktivitas tanur.
Jumlah pembentukan scoria per ton logam Si-Mn terutama ditentukan oleh rasio bijih/scoria. Meningkatnya porsi scoria Fe-Mn pada bekas bijih Mn mengarah pada rasio scoria/logam yang lebih besar dalam proses produksi Si-Mn. Volume scoria yang tinggi mengarah pada konsumsi energi yang meningkat dan mungkin pada kehilangan inklusi logam yang lebih tinggi dalam scoria akhir.
Bijih Mn umumnya mengandung elemen yang tidak diinginkan yang tidak dapat dihilangkan selama tahap penambahan dan pemrosesan. Dalam hal ini kandungan P (fosfor) penting karena permintaan yang ketat terhadap elemen ini dalam legasi Si-Mn. Fe, P dan As (arsenik) direduksi lebih mudah daripada Mn dan oleh karena itu pergi ke logam terlebih dahulu. Kontennya dalam legasi akhir dikontrol oleh seleksi bijih. Scoria Fe-Mn C tinggi adalah sumber Mn yang sangat murni karena pengotor yang mudah direduksi dalam bijih telah diambil oleh logam Fe-Mn C tinggi selama produksinya. Konten pengotor, seperti P, dalam legasi Si-Mn dikontrol, tidak hanya oleh seleksi bijih Mn, tetapi juga oleh jumlah relatif bijih Mn dan scoria Fe-Mn C tinggi dalam campuran bahan baku.
Suhu proses dalam rentang 1600 derajat C hingga 1650 derajat C diperlukan untuk mendapatkan legasi Si-Mn dengan konten Si yang cukup tinggi dan untuk pembentukan scoria buangan dengan MnO rendah. Scoria Fe-Mn memiliki suhu leleh yang relatif rendah (sekitar 1250 derajat C) dibandingkan bijih Mn. Oleh karena itu, porsi scoria Fe-Mn yang tinggi cenderung memberikan suhu proses yang lebih rendah. Saat bijih Mn mulai meleleh pada sekitar 1350 derajat C, biasanya berisi campuran fase padat dan cair, di mana fase padat adalah MnO. Pemanasan lebih lanjut dan reduksi ke 1550 derajat C atau lebih diperlukan sebelum bijih yang meleleh mencampur scoria dan mengalir dengan bebas. Dengan porsi bijih Mn yang tinggi dalam campuran, suhu permukaan dan suhu proses di zona lapisan arang biasanya lebih tinggi.
Untuk produksi Si-Mn dalam SAF, C (arang dan batu bara) digunakan sebagai agen reduksi sementara panas disuplai oleh listrik. Arus listrik dikirim melalui beban, dan panas diciptakan sesuai dengan P = R*I2, di mana P adalah efek yaitu panas yang diciptakan, R adalah resistensi beban dan I adalah kepadatan arus.
Dalam SAF ujung elektroda terendam dalam campuran beban pori, dan energi listrik dilepaskan oleh mikro-arc ke lapisan arang kaya scoria yang melayang di atas kolam legasi cair. Kebutuhan panas disuplai sebagai energi listrik dan arang bertindak baik sebagai agen reduksi dan elemen resistensi listrik. Tanur berbentuk lingkaran, dengan diameter eksternal 11,6 m dan tinggi 6,2 m yang typikal untuk tanur 40 MVA. Reaksi yang terjadi selama produksi Si-Mn diberikan di bawah ini.
Reduksi Si dan Mn dalam produksi Si-Mn terjadi melalui serangkaian langkah reduksi yang berbeda.
(SiO2) + 2C = Si + 2CO (g)
(SiO2) + 2SiC = 3Si + 2CO (g)
(MnO) + C = Mn + CO (g)
(SiO2) + 2Mn = Si + 2(MnO)
(SiO2) + Si = 2SiO (g)
Mn = Mn (g)
Reaksi seimbang utama yang mengontrol distribusi Si dan Mn antara scoria dan legasi Si-Mn adalah berikut ini.
(MnO) + C = Mn + CO (g)
(SiO2) + 2C = Si + 2CO (g)
Kurung siku menunjukkan bahwa spesies tersebut ada dalam scoria, sementara garis bawah menunjukkan spesies dalam legasi. C adalah sumber karbon, yang dapat larut dalam legasi atau padat, yaitu arang.
Kesetimbangan scoria / legasi / gas yang lengkap memerlukan pendirian kesetimbangan untuk kedua reaksi secara bersamaan. Kedua reaksi sangat bergantung pada suhu dan tekanan CO sistem. Suhu yang lebih tinggi memberikan konten seimbang Si yang lebih tinggi dalam legasi Si-Mn dan konten MnO yang lebih rendah dalam scoria yang dihasilkan. Tekanan gas CO yang rendah juga mendukung konten Si yang lebih tinggi dalam legasi Si-Mn dan kurang MnO dalam scoria. Biasanya tekanan gas CO cukup dekat dengan 1 atmosfer dalam tanur arc sumbu terendam. Kombinasi dari dua reaksi di atas memberikan reaksi kesetimbangan parsial scoria / legasi, yang dinyatakan oleh reaksi berikut ini.
2 (MnO) + Si = 2Mn + (SiO2)
Reaksi ini sedikit bergantung pada suhu dan independen dari tekanan dan komposisi fase gas.
Ekskavasi tanur Si-Mn tiga fasa 16 MW memberikan informasi tentang distribusi fase di zona reaksi dalam tanur. Interior tanur biasanya dibagi menjadi dua area utama yaitu (i) zona pemanasan awal dan reduksi awal di mana komponen beban masih padat, dan (ii) zona lapisan arang di mana bijih, scoria dan fluks cair. Dalam tanur ini, diamati bahwa oksida Mn direduksi hampir sepenuhnya dari scoria Fe-Mn dan bijih Mn di atas lapisan arang. Ini ditunjukkan pada Gambar 1 yang didasarkan pada ekskavasi tanur 16 MW yang disebutkan di atas.
Gambar 1 Zona tanur siliko-mangan
Ekskavasi tanur menunjukkan bahwa posisi ujung elektroda sekitar 600 mm di atas kolam logam telah cocok untuk operasi yang baik. MnO2 dalam bijih dekomposisi awal menjadi Mn2O3, tetapi reduksi lebih lanjut menjadi Mn3O4 oleh gas CO atau oleh dekomposisi termal terbilang modest. Prereduksi ke MnO yang signifikan hanya diamati dalam serbuk beban. Scoria Fe-Mn kaya MnO direduksi hampir hingga komposisi scoria Si-Mn akhir sebelum reduksi substansial dan pelehahan bijih Mn dimulai. Hampir semua reduksi MnO selesai di atas lapisan arang. Pelarutan dan reduksi kuarsa jelas terjadi di zona lapisan arang setelah reduksi utama oksida Mn selesai. Mungkin ’pengambilan’ Si dalam legasi cukup cepat dan terjadi saat logam cair mengalir ke bawah melalui lapisan arang menuju kolam legasi cair.
Reduksi oksida Mn tertinggi (MnO2) terjadi dalam empat langkah. Langkah reduksi pertama dari MnO2 ke Mn2O3 tercapai pada suhu lebih dari 450 derajat C hingga 500 derajat C dan langkah kedua Mn2O3 ke Mn3O4 pada lebih dari 900 derajat C hingga 950 derajat dan keduanya dapat direalisasikan tanpa agen reduksi dan hanya oleh dekomposisi termal. Kedua langkah dalam dekomposisi termal menunjukkan rentang stabilitas oksida Mn. Reduksi Mn3O4 ke MnO hanya mungkin oleh gas CO atau C padat. Reduksi MnO oleh karbon pada tekanan atmosfer hanya feasible pada suhu lebih dari 1410 derajat C. Untuk mencapai reduksi penuh suhu perlu lebih tinggi lagi. Masalah di sini adalah tekanan uap Mn yang tinggi dan penguapan yang kuat yang dihasilkannya. Dalam kasus proses produksi Mn dengan langkah-langkah reduksi yang berbeda, MnO pertama kali larut dalam fase scoria dari mana Mn direduksi oleh C padat dan bergerak ke fase logam. Di sini solusi non-ideal dari scoria dan legasi sangat penting. Metode termodinamika yang terkini harus digunakan untuk menentukan fase dan keseimbangan energi berdasarkan keseimbangan massa.
Distribusi Si antara legasi Si-Mn dan scoria MnO-SiO2-CaO-Al2O3-MgO multi-komponen terutama ditentukan oleh suhu proses, konten SiO2 scoria dan rasio R-nya yang didefinisikan sebagai (CaO + MgO) / Al2O3. Sebagai contoh, konten seimbang Si dalam legasi Si-Mn meningkat sekitar 6 % jika rasio R dikurangi dari 2 ke 1 asalkan suhu dan konten SiO2 konstan. Efek suhu juga cukup besar. Konten seimbang Si meningkat sekitar 6 % per 50 derajat C dalam rentang suhu 1550 derajat C hingga 1700 derajat C. Konten seimbang MnO dalam scoria Si-Mn tergantung pertama pada suhu dan kedua pada konten SiO2 scoria. Pada 1600 derajat C konten seimbang MnO menurun dari sekitar 9 % pada saturasi SiO2 hingga minimum sekitar 3 % hingga 4 % ketika konten SiO2 dikurangi menjadi sekitar 40 % hingga 45 %.
Faktor yang mempengaruhi pemulihan Mn selain suhu adalah (i) dasar scoria [(CaO + MgO) / SiO2], (ii) rasio CaO/MgO, dan (iii) konten Al2O3 scoria. Peningkatan suhu mendukung reaksi reduksi endotermis baik secara termodinamika maupun kinetik. Efek kimia scoria pada reduksi oksida Mn lebih kompleks. Pemulihan Mn lebih tinggi untuk scoria dasar, karena koefisien aktivitas MnO yang lebih tinggi dalam scoria dasar. Penambahan kapur ke dalam campuran bahan baku menurunkan konsentrasi saturasi MnO dan meningkatkan aktivitas MnO dalam scoria untuk konten MnO yang sama. Hasilnya adalah konsentrasi seimbang MnO yang menurun dalam scoria dan laju reduksi yang meningkat. Peningkatan dasar scoria di atas 1,1 memiliki efek yang kurang signifikan pada pemulihan Mn. Konten CaO dan MgO yang jauh lebih tinggi mengakibatkan viskositas scoria yang lebih tinggi yang melemahkan reduksi Mn. Al2O3 juga meningkatkan viskositas scoria dan ini dapat memperlambat reaksi reduksi Mn. Untuk menjaga scoria tetap alir dengan baik, konsentrasi Al2O3 dalam scoria tidak boleh melebihi 20 %.
Selama peleburan Si-Mn, penambahan dolomit atau kalsit ke dalam beban meningkatkan dasar scoria, yang meningkatkan aliran scoria dan memfasilitasi reduksi MnO dari scoria. Konten SiO2 typikal dalam scoria Si-Mn dalam rentang 35 % hingga 45 %. Scoria ini memiliki suhu liquidus antara 1300 des C dan 1380 derajat C, tergantung pada komposisi scoria. Peningkatan suhu atau konten SiO2 dalam scoria dan pengurangan rasio (CaO + MgO) /Al2O3 semuanya meningkatkan koefisien partisi logam Si – scoria.
Untuk perbaikan aliran scoria, konten MgO scoria diperlukan untuk melebihi 7 %. Pengurangan yang signifikan dalam konten MnO scoria dapat dicapai dengan meningkatkan proporsi MgO dalam scoria. Ini pada gilirannya meningkatkan pemulihan Mn.
Produksi Si-Mn bergantung pada perilaku bijih Mn, scoria Fe-Mn, kuarsa, dan fluks selama peleburan, reduksi, dan pembentukan scoria. Proses-proses ini dapat dibagi ke dalam tiga tahap berikut.
- Pemanasan dan prereduksi dalam keadaan padat – Pada tahap ini, yang terjadi pada suhu antara 1100 derajat C dan 1200 derajat C, oksida Mn direduksi menjadi MnO, dan oksida besi direduksi menjadi besi logam.
- Pembentukan scoria cair dan reduksi oksida Mn – Tahap ini diselesaikan di atas lapisan arang di mana suhu tidak pasti dan dapat dinilai sebagai berikut. Konten oksida Mn seimbang dalam scoria pada 1500 derajat C dengan Fe-Mn (sebelum dimulainya reduksi SiO2) dalam rentang 10 % hingga 25 % tergantung pada komposisi scoria. Sampel scoria yang diambil dari atas lapisan arang selama ekskavasi tanur mengandung sekitar 10 % MnO. Konten MnO yang rendah seperti ini dalam scoria diharapkan pada suhu lebih dari 1550 derajat C. Lebih lanjut, scoria cair diperlukan untuk memiliki viskositas rendah untuk meresap melalui lapisan arang. Oleh karena itu, suhu di atas lapisan arang diharapkan dalam rentang 1550 derajat C hingga 1600 derajat C.
- Reduksi SiO2 dari scoria dan reduksi lebih lanjut MnO – Tahap ini terjadi dalam rentang suhu 1550 derajat C hingga 1650 derajat C. Konten SiO2 scoria di lapisan arang diharapkan dalam rentang 40 % hingga 45 % yang sama dengan dalam scoria akhir. Ini menunjukkan bahwa laju pelarutan kuarsa ke dalam scoria mendekati laju reduksi SiO2 dari scoria dan mempertahankan konsentrasi SiO2 dalam scoria relatif konstan. Konten MnO dalam scoria berkurang lebih lanjut menjadi sekitar 5 % hingga 10 %. Scoria ini biasanya dibuang.
Komponen utama fase gas di dalam interior tanur adalah CO. Silikon monoksida (SiO) dan uap Mn hanya ada dalam jumlah kecil. Pada suhu rendah di dekat atas tanur, gas juga mengandung CO2 dan uap air.
Reaksi reduksi mengubah komposisi bijih, mengarah pada perubahan suhu leleh dan properti lainnya dari bijih. Laju perubahan ini bergantung pada laju reduksi, yang dipengaruhi oleh beberapa parameter berbeda seperti suhu, komposisi dan morfologi bijih, properti material karbon, dan lainnya.
Jumlah scoria per ton Si-Mn terutama ditentukan oleh rasio bijih/scoria. Meningkatnya porsi scoria Fe-Mn pada bekas bijih Mn mengarah pada rasio scoria/logam yang lebih besar dalam proses produksi Si-Mn. Volume scoria yang tinggi mengarah pada konsumsi energi yang meningkat dan mungkin pada kehilangan inklusi Mn yang lebih tinggi dalam scoria akhir.
Ekonomi peleburan Si-Mn ditingkatkan dengan meminimalkan kehilangan Mn sebagai inklusi logam, sebagai MnO yang larut dalam scoria, dan dengan produksi legasi yang tinggi Si dan rendah C.
Si-Mn C rendah dengan sekitar 30 % Si dihasilkan dengan meningkatkan legasi standar dengan penambahan limbah Si dari industri legasi Fe-Si.
Konsumsi daya spesifik untuk produksi legasi Si-Mn standar dari campuran bijih Mn, scoria Fe-Mn C tinggi dan leleh logam kaya Si, biasanya dapat 3500 kWh hingga 4500 kWh per ton Si-Mn dan bergantung pertama pada jumlah logam yang ditambahkan ke umpan. Konsumsi daya meningkat dengan konten Si dari Si-Mn yang dihasilkan, dan juga dengan jumlah scoria per ton Si-Mn. Setiap 100 kg scoria tambahan yang dihasilkan mengkonsumsi sekitar 50 kWh energi listrik tambahan. Sekitar 100 kWh per ton Si-Mn dan beberapa arang dihemat jika fraksi bijih dalam beban dikurangi menjadi MnO oleh gas CO yang naik dari zona reduksi peleburan.
