Fastmet: Teknologi Reduksi Langsung Cepat dalam Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Fastmet adalah proses reduksi langsung yang dimiliki yang digunakan dalam industri baja untuk memproduksi besi yang direduksi langsung (DRI) dari pelet bijih besi atau bijih bongkah. Proses ini dirancang untuk dengan cepat mengubah bijih besi menjadi besi logam dengan mengurangi oksida besi menggunakan gas reduksi, terutama karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H₂), pada suhu tinggi.

Tujuan dasar dari Fastmet adalah untuk menyediakan besi logam berkualitas tinggi dengan rendahnya kotoran sebagai bahan baku untuk pembuatan baja dengan tungku busur listrik (EAF), sehingga mengurangi ketergantungan pada operasi tungku tiup. Ini berfungsi sebagai metode reduksi primer alternatif, terutama cocok untuk pabrik baja mini yang mencari sumber besi yang fleksibel dan efisien energi.

Dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, Fastmet berfungsi sebagai langkah pra-reduksi yang menghasilkan DRI, yang dapat langsung dimasukkan ke dalam tungku busur listrik atau digabungkan dengan limbah. Ini menjembatani kesenjangan antara bijih besi mentah dan produksi baja, menawarkan rute yang lebih efisien energi dan ramah lingkungan dibandingkan dengan proses tungku tiup tradisional.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Fastmet menggunakan teknologi tungku hearth berputar (RHF), yang terdiri dari hearth besar yang miring dan berputar yang dilapisi refraktori yang memfasilitasi reduksi pelet bijih besi atau bijih bongkah. Prinsip rekayasa inti melibatkan kontak langsung antara bijih dan atmosfer gas reduksi, memungkinkan transformasi kimia yang cepat.

Komponen teknologi kunci termasuk hearth berputar, sistem injeksi gas, zona pemanasan awal, dan sistem kontrol suhu. Hearth berputar dilengkapi dengan serangkaian rol atau cincin penyangga yang memungkinkan rotasi terus-menerus, memastikan distribusi panas yang merata dan aliran material.

Mekanisme operasi utama melibatkan pemberian material bijih besi ke atas hearth, memanaskannya hingga suhu optimal, dan kemudian mengeksposnya ke campuran gas reduksi. Reduksi terjadi melalui kontak langsung, dengan gas mengalir melalui lapisan bijih, memfasilitasi reaksi kimia yang mengubah Fe₂O₃ atau Fe₃O₄ menjadi besi logam (Fe).

Aliran material dikelola melalui proses berkelanjutan: bijih mentah dimasukkan ke dalam sistem, dipanaskan, direduksi, dan kemudian dikeluarkan sebagai DRI panas. Proses ini dirancang untuk throughput tinggi, dengan kemampuan untuk memproduksi beberapa ratus ribu ton DRI setiap tahun, tergantung pada kapasitas pabrik.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, komposisi gas, waktu reduksi, dan ukuran partikel bijih. Suhu operasi yang khas berkisar antara 850°C hingga 1050°C, dioptimalkan untuk kinetika reduksi yang cepat tanpa konsumsi energi yang berlebihan.

Komposisi gas reduksi biasanya mengandung 20-40% CO, 10-20% H₂, dan sisanya nitrogen (N₂), dengan laju aliran disesuaikan untuk mempertahankan atmosfer reduksi dan mengontrol laju reduksi. Laju aliran gas biasanya berkisar antara 1.000 hingga 2.500 Nm³ per ton bijih.

Waktu reduksi bervariasi dari 15 hingga 30 menit, tergantung pada ukuran bijih dan derajat reduksi yang diinginkan. Mempertahankan kontrol yang tepat atas suhu dan komposisi gas memastikan kualitas produk yang konsisten dan efisiensi energi.

Sistem kontrol memanfaatkan sensor waktu nyata untuk suhu, komposisi gas, dan tekanan, terintegrasi dengan platform otomatisasi untuk penyesuaian dinamis. Algoritma kontrol proses yang canggih mengoptimalkan efisiensi reduksi dan meminimalkan konsumsi energi.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi Fastmet yang khas memiliki tungku hearth berputar dengan diameter berkisar antara 10 hingga 20 meter dan panjang 30 hingga 60 meter. Tungku ini didukung oleh pelapisan refraktori yang kuat yang dirancang untuk menahan suhu tinggi dan kondisi abrasif.

Variasi dalam desain termasuk hearth yang stasioner atau sedikit miring, dengan beberapa pabrik menggabungkan beberapa zona reduksi atau bagian pemanasan awal untuk meningkatkan efisiensi. Seiring waktu, peralatan telah berkembang untuk menggabungkan bahan refraktori yang lebih baik, sistem distribusi gas yang lebih baik, dan peningkatan otomatisasi.

Sistem tambahan termasuk pemanas gas, unit pengolahan gas buang, sistem pengumpulan debu, dan sirkuit pendingin. Pembersihan gas sangat penting untuk menghilangkan partikel dan senyawa sulfur, memastikan kepatuhan lingkungan dan umur panjang peralatan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan reduksi oksida besi menjadi besi logam:

• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
• FeO + CO → Fe + CO₂

Reaksi ini secara termodinamika diuntungkan pada suhu tinggi, dengan keseimbangan bergeser menuju besi logam seiring meningkatnya suhu. Proses reduksi dikendalikan secara kinetik oleh difusi gas, luas permukaan reaksi, dan suhu.

Produk reaksi termasuk besi logam, karbon dioksida (CO₂), dan gas sisa. Produk sampingan minor seperti karbon monoksida dan hidrogen dikonsumsi selama reduksi, tetapi beberapa gas yang tidak bereaksi mungkin ada tergantung pada kondisi proses.

Transformasi Metalurgi

Selama reduksi, oksida besi mengalami transformasi fase dari hematit (Fe₂O₃) atau magnetit (Fe₃O₄) menjadi wüstite (FeO), dan akhirnya menjadi besi logam. Secara mikroskopis, proses ini melibatkan pembentukan partikel besi logam berpori yang terbenam dalam matriks oksida sisa.

Mikrostruktur DRI mempengaruhi sifat metalurginya, seperti kekerasan, ketangguhan, dan reaktivitas. Kontrol yang tepat terhadap parameter reduksi memastikan fase logam yang seragam dan rendah kotoran dengan sifat mekanik yang diinginkan untuk pembuatan baja selanjutnya.

Transformasi metalurgi juga melibatkan penghilangan oksigen dan kotoran, menghasilkan produk besi yang lebih bersih dengan kadar sulfur, fosfor, dan elemen berbahaya lainnya yang berkurang, yang meningkatkan kualitas baja.

Interaksi Material

Interaksi antara besi logam, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Lingkungan reduksi dapat menyebabkan pembentukan terak dari kotoran dalam bijih, yang harus dikelola untuk mencegah kontaminasi DRI.

Bahan refraktori dipilih untuk ketahanan korosi tinggi dan stabilitas termal, sering terdiri dari bata berbasis alumina atau magnesia. Mekanisme transfer material termasuk difusi oksigen dan kotoran, yang dapat menyebabkan degradasi refraktori jika tidak dikendalikan dengan baik.

Interaksi yang tidak diinginkan, seperti karburisasi atau infiltrasi terak ke dalam pelapisan refraktori, diminimalkan melalui parameter proses yang dioptimalkan, pemilihan refraktori, dan pelapis pelindung. Kontrol atmosfer gas juga meminimalkan oksidasi atau paduan yang tidak diinginkan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah pelet bijih besi atau bijih bongkah, dengan spesifikasi termasuk kandungan besi tinggi (biasanya > 65%), sulfur rendah (< 0,05%), dan kandungan kelembaban yang terkontrol (< 1%). Distribusi ukuran partikel sangat penting, dengan ukuran tipikal berkisar antara 10 hingga 30 mm untuk pelet.

Masukan tambahan termasuk gas reduksi yang dihasilkan di lokasi atau disuplai dari luar, dan bahan bakar tambahan seperti gas alam atau batubara untuk zona pemanasan awal. Penanganan material yang tepat melibatkan penyimpanan dalam silo tertutup atau tumpukan, dengan sistem pemberian yang dirancang untuk operasi berkelanjutan.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi reduksi, kemurnian produk, dan konsumsi energi. Bijih berkualitas tinggi menghasilkan tingkat kotoran yang lebih rendah dan