Dampak Alkali pada Efisiensi Pembuatan Besi Tanur Tiang

Dampak Alkali pada Efisiensi Pembuatan Besi Tanur Tiang

Salah satu tujuan utama selama operasi tanur tiang (BF) adalah memaksimalkan produksi logam panas (HM) dengan komposisi kimia yang diinginkan dengan biaya minimum. Ini memerlukan basis bahan baku berkualitas tinggi dan operasi tanur tiang yang teratur dan lancar. Kualitas material beban sangat penting untuk menghindari masalah dalam proses yang disebabkan oleh elemen tidak diinginkan yang masuk ke tanur. Di area ini, perhatian juga perlu diberikan pada kandungan elemen tidak diinginkan dalam muatan input. Elemen-elemen tidak diinginkan ini menyebabkan sejumlah masalah teknologis di BF. Selain itu, mereka secara signifikan mempengaruhi biaya produksi HM. Elemen tidak diinginkan utama yang ada dalam muatan yang dapat menjadi masalah dengan respecto penghapusan dan kinerja BF adalah senyawa alkali dari logam kalium (K) dan natrium (Na).

Efek Negatif Alkali

Dalam proses BF, diketahui kehadiran alkali memiliki pengaruh negatif pada proses. Alkali menyebabkan reaktivitas koks yang lebih tinggi, pelunakkan prematur muatan bijih, dekomposisi sinter, pembengkakan pelet, dan terlibat dalam pembentukan endapan pada lining refraktori BF yang mempercepat aus lining. Efek negatif alkali adalah karena efek katalitik pada gasifikasi koks, destruksi struktur karbon (C) akibat penyisipan alkali, pembentukan scaffold, dan serangan refraktori. Alkali diperkenalkan dengan bahan baku dan karena sirkulasi alkali (Gambar 1) alkali diambil di jalan menuju zona suhu yang lebih tinggi di BF.

Gambar 1 Representasi Teoretis Sirkulasi K

Kehadiran alkali mengarah pada produksi yang menurun dan konsumsi koks yang lebih tinggi di BF, sekitar 4,5% dan 2,3% masing-masing untuk setiap kg/tHM alkali yang ditambahkan dengan muatan bahan baku dari atas. Alkali menurunkan produksi karena penurunan ambang reaksi Boudouard reversibel, C (s) + CO2 (g) = 2CO (g), peningkatan gas koks dan pengurangan kekuatan koks. Permeabilitas gas berkurang karena degradasi koks dan scaffold pada dinding dapat terjadi sehingga mengurangi volume BF.

Reaksi Alkali di BF

Dalam semua reaksi alkali yang diberikan dalam artikel ini, K dapat digantikan oleh Na. Reduksi silikat alkali oleh C dapat terjadi sesuai dengan reaksi reversibel K2SiO3 (terak) + C (s) = 2K (g) + SiO2 (terak) + CO (g), dan K2SiO3 (terak) + 3C (s) = 2K (g) + Si (HM) + 3CO (g). Seberapa banyak reaksi ini terjadi bergantung pada suhu dan tekanan parsial CO (karbon monoksida). Oksida alkali dapat direduksi oleh C dalam koks atau oleh CO sesuai dengan reaksi reversibel K2O + C (s) = 2 K (g) + CO (g), dan K2O + CO (g) = 2 K (g) + CO2 (g).

Volalisasi Alkali

Alkali tervolatil sebagai elemen atau bereaksi dengan C dan N2 (nitrogen) di wilayah bosh BF membentuk uap sianida kalium (KCN) atau sianida natrium (NaCN) sesuai dengan reaksi reversibel 2K (g) + N2 (g) = 2KCN (g). Uap ini dibawa ke atas bersama dengan gas tanur dan tidak larut dalam HM atau terak. Titik leleh dan titik didih untuk K adalah 63,4 °C dan 759 °C masing-masing sementara titik leleh dan titik didih yang sesuai untuk Na adalah 97,7 °C dan 883 °C masing-masing. Titik leleh KCN dan NaCN adalah 622 °C dan 562 °C masing-masing, dan titik didihnya adalah 1625 °C dan 1530 °C masing-masing. Keadaan senyawa ini adalah cair di tiang bawah dan gas di zona raceway dan tiang, tergantung pada suhu. Gas dibawa ke atas oleh gas yang bergerak cepat di BF.

Di tiang di mana potensi oksigen (O2) meningkat (sekitar 1100 °C), K dan KCN tidak lagi stabil dan dioksidasi oleh karbon dioksida (CO2) menjadi karbonat alkali (K2CO3, Na2CO3) sesuai dengan reaksi 2K (g) + 2CO2 (g) = K2CO3 + CO (g), dan 2KCN (g) + 4CO2 (g) = K2CO3 (s) + N2 (g) + 5CO (g) masing-masing dan oksida alkali oleh CO sesuai dengan reaksi reversibel 2KCN (g) + CO (g) = K2O + 3C + N2 (g). Karbonat alkali yang dihasilkan keluar dalam bentuk debu putih, yang didistribusikan di permukaan material beban atau terletak pada lining bata.

Komponen Alkali yang Teradsorpsi

Komponen alkali yang teradsorpsi ke dalam material beban dan koks membentuk senyawa baru sesuai dengan stabilitas relatifnya. Karbonat kalium (K2CO3) dan karbonat natrium (Na2CO3) padat pada suhu di bawah 891 °C dan di bawah 851 °C masing-masing. Senyawa yang mengandung alkali turun bersama dengan material beban dan direduksi dan diavaporasi lagi mencapai zona suhu tinggi, sesuai dengan reaksi reversibel K2CO3(l) + 2C = 2K (g) = 3CO (g).

Sebagian besar alkali dijalur keluar dari BF dengan terak. Namun, sebagian alkali dalam terak direduksi menghasilkan uap alkali yang naik bersama dengan gas sekitar. Uap alkali terkondensasi di bagian atas BF di mana sebagian keluar dengan gas atas, sementara sisa terkondensasi pada dinding dalam atau pada material umpan. Karena volalisasi dan kondensasi alkali di zona termal yang berbeda, alkali cenderung beredar di dalam BF, yang mengarah pada akumulasi dan interaksi dengan bahan umpan lainnya. Ini dapat memiliki dampak yang signifikan pada proses, bahkan ketika alkali diisi dalam jumlah kecil, biasanya kurang dari 5 kilogram per ton logam panas (kg/tHM). Tampilan sederhana sirkulasi alkali di BF ditunjukkan dalam Gambar 2. Studi pada BF yang diekskavasi telah menunjukkan bahwa tingkat alkali tertinggi di mana suhu di atas 1000 °C, yang berarti ada konsentrasi alkali yang meningkat di bagian bawah BF.

Gambar 2 Tampilan Sederhana Sirkulasi Alkali di BF

Siklus Alkali di BF

Alkali biasanya masuk ke BF dengan material besi dan dengan koks dalam bentuk silikat. Untuk operasi BF yang lancar dan efisien, diinginkan untuk membatasi jumlah alkali sekitar 1,5 kg/tHM hingga 5 kg/tHM tetapi biasanya berkisar dari 2,5 kg/tHM hingga 7,5 kg/tHM di berbagai pabrik. Dari dua zat alkali Na dan K, K biasanya merupakan senyawa utama yang masuk ke BF. Sebagian besar alkali keluar dengan terak sementara sebagian menjadi bagian dari gas atas dan keluar dari tanur dengan gas atas. Alkali yang didaur ulang dapat dihapus oleh terak atau oleh gas. K pergi ke gas atas dengan tingkat yang lebih tinggi karena lebih volatil dibandingkan Na yang keluar lebih banyak dengan terak.

Mekanisme Sirkulasi

Alkali masuk ke BF dalam bentuk silikat (K2SiO3). Studi siklus alkali telah menunjukkan bahwa silikat turun bersama dengan beban dan siklus dimulai dengan silikat alkali direduksi oleh C dari koks di zona leleh sesuai dengan persamaan K2SiO3 + C (s) = 2K (g) + SiO2 + CO (g). Reaksi terjadi pada sekitar 1550 °C sesuai dengan data termodinamika untuk reaksi. Oksida alkali apa pun yang masuk atau terbentuk di BF bereaksi lebih lanjut di BF pada suhu lebih rendah sesuai dengan persamaan K2O + CO (g) = 2K (g) + CO2 (g) karena tidak stabil. K2O juga dapat larut ke dalam terak primer.

Selanjutnya uap K yang dihasilkan pada tingkat tiang di BF, bereaksi dengan batubara halus yang diuntikan dan N2 dari tiupan udara panas sesuai dengan persamaan 2K (g) + 2C (s) + N2 (g) = 2KCN (g, l). Titik didih untuk KCN adalah 1625 °C jadi seiring sianida kalium (KCN) naik dari tiupan udara panas dari tuyere, ia berubah menjadi fase cair saat suhu turun. Waktu di zona tuyere sangat singkat karena aliran gas yang tinggi sehingga sianida alkali memiliki waktu untuk naik di BF sebelum berubah menjadi fase cair. Lebih atas di BF, sianida alkali bereaksi dengan CO2 (karbon dioksida) untuk membentuk karbonat yang lebih stabil pada suhu di bawah 1100 °C sesuai dengan persamaan 2KCN (l) + 4CO2 (g) = K2CO3 + N2 (g) + 5CO (g). Karbonat atau mengikuti gas atas keluar sebagai gas, atau tertinggal pada beban saat mereka mulai terkondensasi di bawah 900 °C.

Dibandingkan silikat alkali, sianida alkali tidak stabil sehingga SiO2 apa pun yang ada di bagian tiang BF dapat bereaksi dengan sianida alkali untuk membentuk kembali silikat alkali. Proses silikat alkali direduksi menjadi uap alkali, yang naik di BF, keluar dengan gas atas, atau bereaksi dengan CO2 untuk membentuk karbonat, dikenal sebagai siklus alkali. Ada beberapa pandangan yang berbeda yang memiliki ringkasan proses yang sedikit berbeda dengan berbeda pada reaksi yang mana yang terjadi. Ada keraguan apakah karbonat sebenarnya terbentuk di puncak BF karena karbonat tidak ditemukan selama ekskavasi BF. Namun, proses utama bahwa sianida alkali terbentuk dan bahwa alkali beredar di BF disetujui dalam semua pandangan.

Gambar 3 menunjukkan sirkulasi alkali di BF. Material yang diisi turun ke zona suhu tinggi sebelum silikat alkali atau terdekomposisi menjadi uap alkali atau diserap oleh fase terak primer dalam bentuk K2O atau Na2O. Siklus juga menunjukkan sekitar kapan uap alkali bereaksi dengan silikat untuk membentuk kembali silikat. Distribusi uap alkali melalui BF bergantung pada jalur aliran gas dan sejumlah aliran gas pusat. Aliran gas memiliki efek besar pada bagaimana panas didistribusikan di BF. Aliran yang lebih berpusat berarti lebih banyak leleh di tengah dan lebih sedikit di periferi BF.

Gambar 3 Sirkulasi Alkali di BF

Pembentukan Amonia dan Sianida Hidrogen di BF

Amonia (NH3) dipercaya terbentuk di BF. Reaksi dasar di balik pembentukan NH3 dan sianida hidrogen (HCN) di BF adalah 2KCN + 3H2O = K2CO3 + 2NH3 + C, dan NH3 + CO = HCN + H2O. Rasio antara reaksi ini bergantung pada beberapa parameter seperti (i) jumlah kelembaban yang tersedia, (ii) jumlah KCN yang tersedia di puncak, dan (ii) suhu selama reaksi. Ambang suhu untuk NH3 sekitar 600 °C dan pembentukan NH3 terus menurun eksponensial hingga 500 °C dan kemudian tidak terdeteksi. NH3 lebih lanjut yang terbentuk dioksidasi oleh Fe2O3 atau CO2 dan jumlah NH3 yang terbentuk berkurang. Pengoksidasian NH3 oleh Fe2O3 atau MnO2 bergantung pada suhu. Pada suhu lebih rendah MnO2 adalah oksidator yang lebih kuat dan pada suhu lebih tinggi Fe2O3 adalah oksidator yang lebih kuat.

Karena HCN dan NH3 dapat ditemukan di gas atas, kinetika pengoksidasian NH3 tidak cukup cepat untuk menghilangkannya sepenuhnya. Air yang lebih tinggi yang ditemukan di gas atas berarti ada lebih banyak pembentukan NH3 yang dapat terjadi sesuai dengan reaksi di atas. Pembentukan NH3 di BF kompleks karena beberapa parameter yang diberikan di bawah mempengaruhi pembentukan.

Suhu Gas Atas

Suhu Gas Atas – Suhu gas atas bergantung pada rasio antara reaksi endotermik / eksotermik di BF. Suhu mempengaruhi kandungan kelembaban. Suhu yang lebih rendah juga dapat menyebabkan kesiapan NH3 dalam air yang meningkat dan HCN bercampur dalam air, jadi kehadiran air dapat mengurangi kehadirannya di gas atas.

Suhu Nyala Api

Suhu Nyala Api – Suhu nyala api memiliki efek kecil pada jumlah uap alkali yang dihasilkan dan beban alkali total. Suhu tinggi diperlukan untuk mengurangi silikat alkali menjadi gas alkali yang memulai sirkulasi alkali. Suhu nyala api yang diturunkan berakibat lebih banyak alkali keluar dari BF melalui terak.

Dasaritas

Dasaritas – Dasaritas yang lebih rendah mengakibatkan penyerapan alkali yang lebih tinggi dalam terak, jadi ada alkali beredar yang lebih rendah di BF dan lebih sedikit NH3 yang dihasilkan.

Kandungan Kelembaban

Kandungan Kelembaban – Kurangnya kelembaban yang diperkenalkan dengan muatan atau melalui cara lain di BF memberikan kurang air untuk reaksi pembentukan NH3 untuk terjadi.

Efek Alkali dan Penghapusan

Konsentrasi alkali dalam bahan baku telah meningkat dalam beberapa tahun terakhir karena ketersediaan batubara koks berkualitas tinggi yang menurun. Alkali merugikan operasi BF karena menyebabkan reaktivitas koks yang meningkat karena efek katalitik pada reaksi kehilangan larutan (reaksi Boudouard).

Efek Utama Alkali

Salah satu efek negatif utama alkali adalah bahwa alkali katalisis reaksi reversibel Boudouard, menurunkan suhu untuk reaksi dari 900 °C hingga 950 °C turun menjadi sekitar 750 °C hingga 850 °C dan meningkatkan reaktivitas koks tergantung pada kualitas koks. Ini juga mempengaruhi struktur koks secara negatif. Ambang yang diturunkan untuk reaksi Boudouard berarti lebih banyak C yang dikonsumsi di BF dalam reaksi endotermik yang kuat. Oleh karena itu, penambahan koks diperlukan ke dalam BF untuk menjaga operasi yang stabil dengan 2 kg hingga 10 kg koks per kg alkali atau dengan 6 kg hingga 11 kg koks tergantung pada sumber yang digunakan.

Alkali yang telah masuk ke dalam struktur koks mengurangi kekuatan koks di bagian bawah BF karena reaktivitas koks yang meningkat dan dengan demikian degradasi yang meningkat. Laju reaksi tampak koks pada tingkat tuyere telah terbukti sepuluh kali dari laju reaksi koks umpan, yang terkait dengan jumlah total kehadiran K. K diketahui meningkatkan reaktivitas koks dengan CO2 dan dapat mengakibatkan retakan koks karena pembengkakan butir koks oleh penyisipan K. Peningkatan reaktivitas dapat menguntungkan karena mengurangi suhu operasi BF, suhu di zona cadangan termal dan dengan demikian menurunkan suhu untuk reduksi oksida besi. Namun, tujuan koks juga untuk bertindak sebagai dukungan beban di dalam tanur, dan oleh karena itu, retakan koks perlu diminimalkan.

Studi Penetrasi Uap K

Studi pada penetrasi uap K ke dalam koks telah mengonfirmasi bahwa struktur mineral koks dapat terpecah karena ekspansi volume mineral yang dialkali terutama kalsilite. Luas permukaan antara mineral dan matriks C meningkat karena pecahnya mineral dalam koks. Ini memfasilitasi interaksi materi mineral dengan C dan gas BF mempercepat gasifikasi koks. Ekspansi dalam koks juga dapat terjadi ketika uap alkali menembus lapisan kristal koks untuk membentuk senyawa interlayer. Kekuatan koks dan dukungan beban selama operasi BF adalah kritis karena runtuhnya beban mengurangi permeabilitas gas dan cair, yang mengurangi efisiensi baik dengan respecto produksi HM dan emisi CO2 yang meningkat.

Partikel koks kecil dengan ukuran yang berbeda mengurangi celah dalam ranjang koks di zona basah dan luas permukaan koks meningkat. Pecahan koks juga mempromosikan banjir, penyangga tiang, dan pembakaran yang meningkat dari tuyere dan notch terak, semuanya yang membatasi output tanur. Kecenderungan gas yang naik untuk diangkut di dekat dinding meningkat ketika permeabilitas menurun, yang mengurangi utilizasi gas dan dengan demikian meningkatkan tingkat koks.

Efek Lain Alkali

Efek lain dari alkali adalah kemungkinan yang meningkat dari pembentukan scaffold di tiang saat alkali terkondensasi pada lining dan dapat mengikat material halus padanya. Scaffold adalah penumpukan material padat pada dinding tanur dan meredam menuju pusat tanur. Scaffold dapat terjadi di mana pun dari bagian tengah hingga bagian atas tiang. Efek pembentukan scaffold adalah penurunan beban menjadi lambat atau terganggu, dan dalam kasus ekstrim mengarah pada hanging, geseran, dan pengisian yang tidak terkontrol. Scaffold juga mengurangi volume kerja BF. Kecepatan gas meningkat di bagian tiang yang tidak terpengaruh, yang mengarah pada suhu gas atas yang meningkat dan utilizasi CO yang berkurang. Ketika scaffold pecah dari dinding tanur itu seringkali mengakibatkan tiang dingin. Scaffold dapat dihapus dengan meningkatkan sementara suhu tanur atau dihapus ketika aliran gas suhu tinggi mencapai area tersebut.

Material beban juga dapat diikat bersama oleh sianida dan karbonat cair yang terkondensasi yang mengurangi permeabilitas ranjang. Selain itu, alkali dapat menyerang material refraktori, terutama refraktori berbasis C yang biasanya digunakan di bagian bawah tanur. Senyawa alkali menembusi blok C yang dikonsumsi membentuk uap alkali. Ini mengakibatkan umur pakai lining refraktori yang lebih pendek dan kebutuhan untuk relining yang lebih sering.

Penghapusan Alkali

Penghapusan alkali terutama dilakukan dengan terak dan paling baik dilakukan pada nilai dasaritas rendah. Dari alkali yang dihapus lebih dari 90% dihapus melalui terak. Di sini dasaritas dianggap sebagai CaO/SiO2. Hasil beberapa studi telah menunjukkan bahwa dasaritas terak yang rendah meningkatkan jumlah alkali dalam terak. Namun, masalah dengan dasaritas terlalu rendah adalah bahwa tingkat sulfur (S) yang lebih tinggi tetap dalam HM, karena S dapat dikaitkan oleh CaO yang ada dalam terak BF dan CaO lebih rendah ketika dasaritas lebih rendah. Batas bawah dasaritas untuk menjaga kualitas HM tetap terkendali berbeda dari pabrik ke pabrik. Batas bergantung pada parameter BF dan kualitas bahan baku yang digunakan. Nilai dasaritas di atas atau sekitar 1 dapat dilihat sebagai batas jika alkali akan dihapus dan kualitas HM akan dipertahankan.

Mencegah Gasifikasi Silikat Alkali

Untuk mencegah gasifikasi silikat alkali, tekanan parsial CO perlu dipertahankan tinggi. Suhu tinggi untuk reaksi pada 1550 °C berarti suhu nyala api yang lebih rendah juga dapat digunakan untuk memperlambat reduksi dan gasifikasi dan dengan demikian menurunkan sirkulasi alkali. Penghapusan alkali membutuhkan pengurangan daur ulang materi yang mengandung alkali ke BF karena alkali jika tidak hanya akan diperkenalkan kembali ke BF.

Penurunan efek katalitik alkali pada gasifikasi koks dapat dilakukan dengan penambahan abu koks yang dapat mengikat alkali yang ada dalam bentuk yang lebih stabil. Ini telah dicoba dengan penambahan mineral tertentu sebelumnya. Seperti alkali menembus melalui koks, lapisan dari penambahan mineral dapat mengstabilkan alkali pada permukaan koks mencegahnya dari mengerus bagian dalam koks.

Kontrol Beban Alkali

Untuk mengontrol beban alkali di BF, input alkali harus dipertahankan rendah sebanyak mungkin. Jika ada variasi dalam bahan masuk, campuran bijih harus dicampur dengan baik untuk meminimalkan risiko bagian alkali tinggi di BF. Aturan lain adalah menghindari daur ulang debu gas buangan dengan tingkat alkali tinggi. Cara untuk meminimalkan risiko pembentukan scaffold adalah dengan meningkatkan kekuatan beban besi dan koks untuk menghindari pembentukan fines.

Aliran Gas Pusat

BF dapat dioperasikan dengan aliran gas pusat. Karena itu, suhu gas atas di pusat ditingkatkan ke tingkat sehingga sebagian alkali keluar dari tanur sebagai uap dengan gas atas. Namun, suhu gas atas yang lebih tinggi mengakibatkan kehilangan panas yang meningkat.

Alkali yang didaur ulang dapat diturunkan dan sebagai keluar BF melalui terak dengan mengoperasikan BF dengan terak asam. Semakin rendah dasaritas terak, semakin mudah alkali dasar K dan Na diserap ke dalam terak karena kapur (CaO) dan magnesia (MgO) menempati situs yang sama dalam jaringan silika seperti oksida alkali. Dasaritas yang diturunkan dapat dicapai dengan menurunkan dasaritas dalam beban besi dan penambahan flux. Namun, dasaritas yang lebih rendah juga mengakibatkan kandungan S (sulfur) yang meningkat dalam HM karena S terikat dengan Ca dalam terak.

Volume Terak

Kemungkinan lain untuk menurunkan beban alkali adalah dengan meningkatkan volume terak, yang mengurangi aktivitas oksida alkali dalam terak dan dengan demikian meningkatkan penyerapan alkali dan keluaran melalui terak, tetapi volume terak yang meningkat juga meningkatkan tingkat koks.

Suhu yang lebih rendah di BF mengakibatkan penurunan reduksi dan vaporisasi alkali. Operasi BF dengan suhu nyala api yang lebih rendah mengakibatkan beban alkali yang diturunkan tetapi juga produktivitas yang diturunkan dan tingkat koks yang lebih tinggi. Beban alkali juga dapat diturunkan dengan mengoperasikan BF dengan tekanan parsial CO yang tinggi karena lawan reaksi gasifikasi alkali gas. Ini dapat dicapai dengan pengayaan O2 dari tiupan atau tekanan atas yang tinggi.