Mengoptimalkan Pengendapan Slag di Tungku Listrik Kelang untuk Efisiensi Tinggi

Pengendapan slag telah menjadi praktik yang penting dan kritis untuk electric arc furnace (EAF) modern karena slag berbuih yang baik berkontribusi secara signifikan pada efisiensi dan manfaat lainnya untuk proses. Kualitas pengendapan slag adalah faktor penting dalam proses pembuatan baja EAF karena memastikan bahwa panas dari mandi cair tidak hilang melalui dinding EAF. Slag berbuih bermanfaat untuk proses pembuatan baja EAF dalam hal luas permukaan besar yang terbentuk dan perlindungan yang diberikan terhadap kontak langsung leleh dengan atmosfer.

Pengendapan slag adalah teknik yang berguna serta ekonomis. Ini adalah teknik yang banyak digunakan, tidak hanya karena memungkinkan penghematan energi, tetapi karena beberapa keuntungan yang ditawarkannya yang meliputi (i) efisiensi energi yang ditingkatkan, karena panas dari kelang ditangkap oleh slag, (ii) perlindungan panel air dan atap dari radiasi, (iii) pengurangan getaran dan polusi kebisingan, dan (iv) pengurangan serapan nitrogen oleh mandi.

Pembentukan slag berbuih dapat dibagi menjadi 3 langkah. Ini adalah (i) langkah 1 yang merupakan injeksi oksigen dalam fase baja cair, (ii) langkah 2 yang merupakan injeksi karbon ke dalam slag, dan (iii) langkah 3 yang merupakan ketika oksigen diinjeksi ke dalam slag. Awalnya, oksigen diinjeksi ke dalam logam cair (langkah 1). Oksigen ini bereaksi dengan karbon yang ada membentuk gelembung CO (karbon monoksida). Oksigen juga bereaksi dengan besi yang ada di mandi. Ketika besi hilang dalam bentuk oksida besi, karbon diinjeksi ke dalam slag (langkah 2), melakukan reaksi reduksi oksida besi. Langkah ini menghasilkan gas CO, dan juga menyebabkan besi kembali ke mandi, meningkatkan kinerja tungku. Dalam langkah 3, oksigen diinjeksi ke dalam slag, untuk menyebabkan oksidasi karbon yang ada di dalam slag. Dalam langkah ini, karbon dan oksigen juga dapat diinjeksi secara bersamaan, memungkinkan pembentukan CO yang lebih baik dan pengendapan yang lebih baik.

Biasanya ada lapisan slag yang padat di bawah busa. Namun, mungkin bahwa semua slag yang ada diperlukan untuk menghasilkan busa dan tidak ada lapisan padat. Dalam hal ini, jumlah slag yang ada tidak cukup untuk menghasilkan semua busa yang dapat dibentuk oleh slag dan gas.

Telah dilaporkan juga bahwa proses pengendapan slag dapat menghemat energi 3 % hingga 10 % dan konsumsi refraktori 25 % hingga 63 %, masing-masing. Pada dasarnya ada dua persyaratan untuk pengendapan yaitu (i) reaksi atau proses yang menghasilkan gelembung gas kecil, dan (ii) properti slag yang sesuai untuk menjaga gelembung sebagai busa yang stabil. Biasanya, gas yang dihasilkan dari reaksi kimia cenderung membuat slag berbuih dengan gelembung lebih kecil, sedangkan injeksi fase gas (oksigen, argon, dll.) menghasilkan gelembung yang lebih besar dan busa yang lebih tidak stabil.

Sebuah tingkat foamability dari slag yang digunakan untuk proses EAF diinginkan, untuk sejumlah alasan. Selama proses, slag berbuih melindungi elektroda grafit dari aus dan menutupi kelang. Ini memungkinkan produktivitas yang lebih tinggi di tungku, karena meningkatkan transfer panas antara elektroda dan logam cair. Ini juga mengurangi kerugian radiasi, karena slag mengisolasi cahaya. Ini pada gilirannya melindungi refraktori dari aus, yang mengurangi jumlah waktu henti untuk pekerjaan pemeliharaan. Slag berbuih juga berkontribusi pada stabilisasi kelang, memastikan efisiensi yang lebih tinggi. Selain ini, busa membantu mengurangi kebisingan dari EAF, yang menyediakan lingkungan kerja yang lebih baik. Keuntungan lain dengan slag berbuih adalah pengurangan fluktuasi daya dan tegangan.

Konsekuensi dari slag berbuih yang baik di EAF dan kontrol yang tepat meliputi (i) penurunan harmoni karena rendaman elektroda di dalam slag dapat meningkatkan daya pada pengaturan trafo yang sama sebesar 6 % hingga 9 %, (ii) peningkatan daya sebesar 15 % ketika ujung elektroda berada 300 mm hingga 600 mm dalam slag karena plasma kelang yang lebih panas di sekitar ujung elektroda, dan (iii) slag berbuih yang baik memungkinkan burner bakar oksigen (jika digunakan) untuk meniup ke dalam slag, meningkatkan efisiensi energi burner dari 40 % hingga 70 %. Namun, untuk mendapatkan manfaat maksud dari slag berbuih, slag harus dibangun awal dalam pan dan kimia slag harus dikontrol erat dengan membatasi pengosongan slag dan dengan menempatkan kapur atau skala pabrik di bawah ember muatan pertama. Manfaat termal dari slag berbuih yang baik adalah karena pergeseran jalur transfer panas ke mandi dan jauh dari dinding samping. Menurut sebuah studi, variasi kualitas slag berbuih dapat mengakibatkan +/- 0 kWh/t dalam permintaan energi listrik

Berguna untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan pengendapan slag. Pembentukan gas tidak dapat dihindari untuk berhasil dengan praktik slag berbuih. Gas terutama dihasilkan oleh reduksi oksida besi (FeO) dengan karbon membentuk gas CO. Gas menyebabkan gelembung busa terbentuk di atas lapisan slag yang padat. Busa dapat berupa gelembung busa yang relatif kecil seperti busa pada bir atau gelembung yang lebih besar seperti busa sabun di air. Gelembung kecil dihasilkan dari reaksi kimia dan busa yang dihasilkan cukup stabil. Injeksi gas, namun, menghasilkan gelembung yang lebih besar dan busa yang lebih tidak stabil. Pengendapan yang sebenarnya tidak boleh disalahpahami dengan penahanan gas sederhana dari gelembung dalam cairan. Dalam kasus penahanan gas, gelembung gas didistribusikan di seluruh cairan dan ekspansi slag adalah karena gelembung gas dalam cairan. Untuk penahanan gas, ekspansi cepat merosot setelah gas berhenti. Busa sebenarnya dapat cukup stabil dan tetap demikian selama beberapa menit setelah pembentukan gas berhenti.

Reaksi pembentukan gelembung gas, reduksi FeO dalam slag oleh karbon yang ditambahkan dan karbon yang terlarut dalam logam. Dalam proses pengendapan slag, karbon diinjeksi ke dalam slag, bereaksi dengan oksida besi dalam slag untuk menghasilkan gas CO, yang membuat slag berbuih. Reaksi dinyatakan sebagai C (diinjeksi) + (FeO) = Fe + CO. Gas CO untuk pengendapan juga dihasilkan oleh dekarburisasi logam yang diberikan oleh reaksi C (dalam logam) + 1/2 O2 = CO. FeO dihasilkan in situ sebagai produk oksidasi utama dari injeksi oksigen dan oleh karena itu merupakan komponen utama dalam slag (lebih dari 20 %). Jika konsistensi slag cocok untuk mendukung busa, injeksi sederhana karbon ke dalam slag menyebabkan slag berbuih. Laju reduksi yang relatif tinggi memberikan FeO potensi untuk menghasilkan sejumlah besar gas di dalam busa. Laju reduksi FeO oleh karbon cukup cepat. Selain itu, reaksi reduksi juga mengonsumsi panas, yang menghasilkan peningkatan lokal viskositas slag.

Variabel proses yang mempengaruhi pengendapan adalah komposisi slag, kecepatan gas permukaan, suhu mandi, ukuran gelembung, dasaritas slag, densitas slag, viskositas slag, dan tegangan permukaan slag. Kecepatan gas permukaan biasanya diukur dalam meter per detik (m/s) dan merupakan kecepatan gas sebenarnya dikalikan dengan fraksi volume gas.

Indeks pengendapan (FI) adalah parameter penting untuk pengendapan slag. Ini dapat dilihat sebagai waktu untuk gas untuk melewati slag. Ini adalah indikasi dari tingkat pengendapan dan adalah rasio antara tinggi busa dan kecepatan gas permukaan. Oleh karena itu, satuan FI adalah waktu yang biasanya dalam detik. Dengan demikian, FI dapat ditafsirkan sebagai ukuran waktu yang dibutuhkan gas proses untuk secara vertikal melewati busa. FI terkait dengan properti slag seperti viskositas. Semakin tinggi viskositas, semakin tinggi FI. Konsekuensi yang jelas adalah peningkatan viskositas secara otomatis mengakibatkan peningkatan tinggi busa.

FI menurun dengan peningkatan ukuran gelembung. Secara umum dilihat bahwa gelembung kecil dibentuk oleh reaksi pertama yang disebutkan di atas dan busa yang relatif stabil dihasilkan. Dalam pembuatan baja EAF, telah ditemukan bahwa, di akhir proses, busa menjadi kurang stabil dan tinggi busa menurun. Ini terjadi karena awalnya seiring meningkatnya kandungan FeO, laju reaksi pertama dan pembentukan CO meningkat dan, oleh karena itu, pengendapan meningkat. Namun, seiring meningkatnya kandungan FeO, viskositas slag menurun dan densitas meningkat menyebabkan gelembung busa menguap lebih cepat, berkurang dan busa merosot. Oleh karena itu, ada kandungan FeO kritis di bawahnya pengendapan meningkat dengan kandungan FeO dan di atasnya busa kurang stabil. Ini terjadi pada sekitar 20 % hingga 40 % FeO tergantung pada kondisi lainnya.

Pengendapan slag ketika diperkenalkan dipertemukan oleh injeksi bubuk grafit yang terbuat dari elektroda (80 % ukuran -200 mesh) ke antarmuka logam-slag menggunakan peralatan injeksi yang sesuai dengan udara sebagai gas pembawa. Melalui perhitungan sebelumnya dan proses coba-coba, ditemukan bahwa aliran massal grafit sebesar 25 kg/min cukup baik untuk menghasilkan busa stabil. Nilai yang lebih tinggi dari ini, di awal pan, mempromosikan slopping slag yang berat yang mempengaruhi operasi di lantai kerja dan membuat kelang listrik tidak stabil yang menghambat operasi dengan kelang panjang dengan tegangan tinggi dan arus rendah.

Dalam proses pembuatan baja EAF, operasi kelang panjang terjadi bersamaan dengan praktik slag berbuih. Dengan membuat slag berbuih melalui injeksi karbon, tinggi lapisan slag dapat ditingkatkan sampai menutupi kelang sepenuhnya, menangkap radiasi dan nyala kelang, mentransfer panas ke mandi dan mengurangi beban panas pada dinding samping. Namun, jika slag berbuih yang baik tidak dapat ditahan, maka lebih baik untuk mengurangi tegangan sekunder dan dengan demikian panjang kelang untuk menghindari risiko kerusakan pada struktur tungku.

Fenomena pengendapan slag bergantung pada properti slag dan laju evolusi gas, karena reaksi dalam slag. Oleh karena itu, untuk mendapatkan busa dalam slag, aliran gas diperlukan. Aliran gas dihasilkan ketika karbon (C) dan oksigen gas (O2) ditambahkan ke dalam slag dan mandi logam masing-masing. Kontrol tinggi busa diperlukan untuk mempertahankan operasi yang stabil.

Bergantung pada properti fisik slag (yang dipengaruhi oleh komposisi dan suhu), pengendapan terjadi dalam tingkat yang bervariasi. Dalam pembuatan baja EAF cukup umum untuk ditambahkan karbon (dalam bentuk kokos atau batu bara) ke dalam lapisan slag. Konsumsi karbon terjadi melalui reaksi Boudouard, dan oleh karena itu laju pembentukan CO proporsional dengan laju penambahan karbon ke dalam slag EAF, setelah reaksi telah mencapai keadaan stabil.

Pengendapan slag sangat dipengaruhi oleh aliran gas ke dalam tungku, tetapi juga dipengaruhi oleh properti slag, yang terakhir dikontrol oleh viskositas, densitas dan tegangan permukaan. Properti fisik ini, pada gilirannya, bergantung pada suhu sistem dan komposisi slag.

Untuk proses EAF, komposisi slag bergantung pada grade baja serta metode pemurnian yang digunakan. Dalam memilih komposisi untuk slag, sejumlah hal harus dipertimbangkan. Slag terdiri dari berbagai oksida, yang dapat dibagi menjadi tiga kategori, yaitu (i) oksida dasar (seperti CaO, MgO dan FeO), oksida asam (seperti SiO2) dan oksida amfotirik (seperti Al2O3). Untuk slag dasar, kandungan FeO umumnya dianggap pada tingkat optimum yang berkisar dari 15 % hingga 25 %. Untuk membangun busa dalam slag, viskositas harus cukup tinggi untuk menjadi halangan bagi naiknya gelembung. Untuk mendapatkan viskositas yang sesuai, penting untuk memiliki dasaritas slag yang sesuai. Dasaritas umumnya disebut sebagai rasio komponen dasar dalam slag terhadap komponen asam. Komponen dasar memberikan ion O2 ke leleh dan komponen asam mengikatnya. Viskositas dapat diubah melalui perubahan komposisi, yang menyebabkan perubahan rasio CaO/SiO2, sehingga menurunkan atau meningkatkan dasaritas slag.

Perubahan viskositas juga dapat dicapai melalui perubahan kandungan FeO. Ketika meningkatkan jumlah FeO, viskositas menurun. Cara lain untuk memodifikasi viskositas slag adalah dengan meningkatkan jumlah partikel padat dalam slag, seperti dengan penambahan kapur. Teramati bahwa viskositas slag menurun dengan peningkatan dasaritas, tetapi ketika melewati nilai kritis dan fase padat terendap, viskositas meningkat sekali lagi. Dengan demikian, kehadiran partikel padat berkontribusi pada peningkatan viskositas schijn. Partikel padat juga bertindak sebagai situs inti untuk gelembung. Namun, jumlah partikel padat yang berlebihan mencegah gelembung naik melalui slag.

Dalam sistem cairan, gradien tegangan permukaan atau antarmuka dapat menggerakkan gerak. Ini disebut efek Marangoni. Di antarmuka antara slag dan logam cair secara umum ada gradien yang besar dalam tegangan antarmuka. Konsentrasi FeO dianggap lebih rendah dari pada sisa slag di antarmuka antara slag dan logam, di mana reaksi yang membentuk CO terjadi. Ini memungkinkan gelembung terbentuk, karena kandungan FeO yang lebih rendah menghasilkan tegangan permukaan yang lebih rendah, yang mengakibatkan efek Marangoni. Dengan demikian, kemampuan untuk menciptakan permukaan baru, yang terjadi ketika gelembung terbentuk dalam slag, dipermudah ketika tegangan permukaan rendah.

Tegangan permukaan juga mempengaruhi degradasi busa, merujuk pada stabilitas gelembung. Berbagai studi telah menunjukkan bahwa stabilitas dapat ditingkatkan dengan penambahan komponen aktif permukaan. Juga diamati dalam proses pembuatan baja bahwa kehadiran komponen aktif permukaan mempromosikan pengendapan. Namun, aliran Marangoni, yang membantu pengelolaan gelembung CO dari antarmuka, dapat dihasilkan tanpa elemen aktif permukaan. Densitas slag mempengaruhi tinggi busa. Densitas rendah berarti ada lebih sedikit beban yang harus ditopang, yang memungkinkan tinggi busa yang lebih besar, dibandingkan dengan slag dengan densitas tinggi. Untuk menahan beban, permukaan perlu memiliki properti elastis. Ini dapat dicapai melalui penambahan elemen aktif permukaan yang menghasilkan tegangan permukaan yang bervariasi.

Slag berbuih dalam operasi pembuatan baja timbul dari pembentukan gelembung CO, melalui reaksi reduksi , (i) CO2 + C(s) = 2CO (reaksi Boudouard), (ii) CO + Fe2O3 = CO2 + 2FeO, (iii) CO + FeO = CO2 + Fe, dan (iv) C(s) + FeO = CO + Fe. Reaksi Boudouard dan reduksi FeO oleh karbon padat adalah reaksi endotermis yang sangat tinggi, sementara reduksi Fe2O3 oleh CO adalah energi-neutral dan reduksi FeO oleh CO hanya sedikit eksotermis. Penting untuk dicatat bahwa oksida besi adalah sumber komponen oksigen yang diperlukan untuk pembakaran karbon, bukan oksigen gas, dan oleh karena itu beberapa oksidasi mandi baja diperlukan untuk pengendapan slag.

Gaya dorong untuk pengendapan slag adalah energi pneumatik yang disediakan oleh pembentukan CO selama proses peleburan-pemurnian di EAF. Dalam proses pengendapan slag, karbon diinjeksi ke dalam slag, bereaksi dengan oksida besi (FeO) dalam slag untuk menghasilkan karbon monoksida (CO), yang membuat slag berbuih. Reaksi dinyatakan sebagai C (diinjeksi) + (FeO) = Fe + CO. CO untuk pengendapan juga dihasilkan oleh dekarburisasi logam yang diberikan oleh reaksi C (dalam logam) + 1/2 O2 = CO. Reaksi-reaksi ini bertanggung jawab atas pembentukan CO. Reaksi kedua mewakili reaksi langsung antara oksigen gas dan karbon dalam mandi, sedangkan reaksi pertama adalah reaksi reduksi oksida besi langsung oleh karbon dalam slag. Semua reaksi ini adalah pembentuk CO yang memberikan energi pengadukan untuk transfer massa antara fase logam-slag, karbon, dan gas dan dapat dianggap sebagai kondisi yang diperlukan untuk pengendapan slag. Beberapa reaksi adalah konsumen CO seperti (i) CO + Fe2O3 = CO2 + 2FeO, dan (ii) CO + FeO = CO2 + Fe, yang dapat dikontrol oleh reaksi Boudouard CO2 + C(s) = 2CO.

Situs reaksi ini dapat dilokasikan sebagai (i) di antarmuka slag-logam, (ii) di antarmuka gas-logam, (iii) di antarmuka karbon-slag, dan (iv) di antarmuka slag-gas dan karbon-gas. Gambar 1 menunjukkan diagram skematik reaksi kimia untuk pengendapan slag di EAF. Diagram menunjukkan situs reaksi selama injeksi karbon selama proses peleburan-pemurnian baja di EAF. Terlihat dari diagram bahwa pembentukan CO adalah fungsi yang sangat kompleks dari beberapa variabel proses yang terdiri dari ukuran, jenis dan aliran massal bahan karbonasi, aliran gas pembawa, kandungan karbon dalam mandi, kimia slag, dan area antarmuka slag-logam, dll.

Gambar 1 Diagram skematik reaksi kimia untuk pengendapan slag di EAF

Di sisi lain, kondisi lain untuk pengendapan slag harus terpenuhi. Kondisi ini terkait secara langsung dengan properti transportasi (yang mempengaruhi stabilitas busa) dari slag pembuatan baja pada suhu pemurnian. FI slag menentukan properti ini. FI diukur dalam satuan waktu yaitu detik dan adalah fungsi dari kimia slag. Kurva stabilitas FI dari slag ditunjukkan pada Gambar 2. Simpulan dari kurva diberikan di bawah ini.

• Slag asam memiliki kemampuan indeks pengendapan tertinggi yang dapat disebut sebagai pengendapan homogen.
• Slag dengan kandungan oksida besi rendah (kurang dari 10 %) membentuk busa yang lebih stabil daripada slag yang sangat teroksidasi (lebih dari 40 % FeO pada dasaritas apa pun) yang, oleh karena itu, dapat disebut slag non-foaming.
• Pada kandungan oksida besi rendah, dasaritas slag mempengaruhi stabilitas pengendapan secara kuat. Pada dasaritas yang lebih tinggi, dengan kandungan oksida besi tertentu, FI menurun. Pada kandungan oksida besi tinggi, dasaritas slag tidak berperan.
• Slag dengan kandungan oksida besi menengah dan dasaritas tinggi di zona saturan kapur juga memiliki FI menengah dan kehadiran partikel padat dari larutan kapur dapat membantu menstabilkan pembentukan busa. Oleh karena alasan ini zona ini dapat disebut sebagai pengendapan heterogen.

Gambar 2 Foamability dari slag pembuatan baja

Gambar 2 juga menunjukkan komposisi slag dan pengendapan. Partikel padat yang terpadu dalam slag cair mempengaruhi viskositasnya. Biasanya dilihat bahwa dengan hanya 20 % fraksi volume partikel padat dalam slag cair, ada peningkatan dua kali lipat viskositas slag dan zona untuk pengendapan heterogen dapat diperluas secara signifikan, sebagian merangkul zona non-foaming, seperti yang ditunjukkan oleh garis titik-titik pada Gambar 2.

Untuk memiliki gambaran yang lebih lengkap tentang pengendapan slag selama injeksi karbon, aktivitas oksida besi dalam slag kompleks telah menjadi subjek beberapa studi. Studi-studi ini telah menunjukkan hal-hal berikut.

• Zona pengendapan homogen dengan aktivitas oksida besi rendah (kurang dari 10 %) menunjukkan resistensi yang kuat terhadap reduksi besi oleh karbon tidak hanya karena aktivitas oksida besi rendah tetapi terutama karena sifat aktif permukaan dari silica dalam slag. Reduksi besi dalam zona ini dikendalikan secara campuran oleh transfer massa dan mekanisme reaksi kimia.
• Slag yang sangat teroksidasi mudah direduksi oleh karbon karena aktivitas oksida besi cukup tinggi tetapi mereka tidak membentuk busa yang stabil.
• Komposisi normal dari slag pembuatan baja menunjukkan perilaku menengah. Meskipun, slag akhir cenderung sangat teroksidasi.

Kritis untuk mempertahankan slag berbuih adalah pemantauan kondisinya. Ketika pengendapan slag pertama kali diperkenalkan, ia dipantau secara manual, operator tungku menggunakan mata dan telinga mereka, bersama dengan pengalaman mereka, untuk menilai apakah slag sudah tepat atau tidak, dan langkah-langkah yang diperlukan untuk memperbaikinya. Mulai pertengahan tahun 1980, pemantauan elektronik dan kontrol komputer dari pengendapan slag diperkenalkan, dengan beberapa sinyal yang dipelajari seperti distorsi kelang, kebisingan kelang, dan emisi cahaya. Saat ini, distorsi kelang tampaknya merupakan sinyal yang paling banyak digunakan dalam operasi EAF AC untuk memantau kondisi busa, karena sensor dan program yang diperlukan sering terintegrasi dengan regulator elektroda yang canggih. Banyak EAF menggunakan harmoni yang dihasilkan dalam pasokan listrik oleh kelang sebagai monitor slag berbuih, karena slag berbuih yang lebih baik mengarah pada kelang yang lebih stabil dan lebih sedikit harmoni. Pemantauan melalui suara dan emisi cahaya dari EAF juga telah dicoba sebagai metode pemantauan busa.

Pengendapan di EAF, namun, telah menjadi bagian integral dari proses pembuatan baja, terutama selama tahap pemurnian pan. Proses kelang panjang saat ini memaksimalkan transfer energi ke limbah di sekitar elektroda dan kelang. Dengan demikian, limbah menangkap sebagian besar radiasi kelang dan sedikit yang melewati ke dinding samping.

Namun, setelah limbah meleleh, semua radiasi kelang dapat mengenai dinding samping. Dengan menutupi sebanyak mungkin kelang yang terbuka, slag berbuih menangkap energi ini, mencegahnya mencapai dinding, dan mentransfernya ke mandi baja alih-alih. Slag berbuih dapat dibangun perlahan saat limbah meleleh dan dinding samping serta atap tungku secara bertetap terpapar panas yang memancar dari kelang, mencapai tinggi maksimum selama tahap pemurnian pan. Karbon yang diinjeksi dan CO juga membantu mengurangi oksida besi dalam slag kembali menjadi besi logam.