Finmet: Proses Penyelesaian Lanjutan dalam Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Finmet adalah proses reduksi langsung yang dimiliki secara eksklusif yang digunakan dalam industri baja untuk memproduksi besi spons (juga disebut besi yang direduksi langsung, DRI) dari bijih besi. Proses ini dirancang untuk mengubah pelet bijih besi atau bijih bongkah menjadi besi logam dengan mengurangi oksida besi menggunakan gas reduksi, yang terutama terdiri dari hidrogen dan karbon monoksida, pada suhu tinggi.

Tujuan mendasar dari Finmet adalah untuk menyediakan besi logam berkualitas tinggi dengan rendahnya kotoran yang dapat digunakan langsung dalam tungku busur listrik (EAF) atau rute pembuatan baja terintegrasi, sehingga mengurangi ketergantungan pada operasi tungku tiup. Ini memainkan peran penting dalam tahap pemrosesan utama pembuatan baja, menjembatani pemrosesan bijih mentah dan pembuatan baja dengan menyediakan sumber besi logam yang bersih dan efisien energi.

Dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, Finmet diposisikan sebagai alternatif untuk rute tungku tiup tradisional, menawarkan metode reduksi besi yang lebih fleksibel dan ramah lingkungan. Ini adalah bagian dari segmen reduksi langsung (DR), yang menyediakan DRI atau besi briket panas (HBI) sebagai produk setengah jadi untuk pencairan dan pemurnian selanjutnya.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Finmet beroperasi berdasarkan prinsip reduksi langsung, di mana bijih besi direduksi secara kimia dalam keadaan padat tanpa meleleh. Proses ini menggunakan kiln putar atau reaktor bed cair, tergantung pada desain pabrik tertentu, untuk memfasilitasi transfer panas yang merata dan reaksi gas-padatan.

Komponen teknologi inti mencakup reaktor reduksi (biasanya kiln putar), sistem pembangkitan dan pengkondisian gas, serta sistem pendinginan dan penanganan untuk besi spons yang dihasilkan. Reaktor reduksi dilapisi dengan bahan refraktori yang tahan terhadap suhu tinggi dan gas korosif.

Dalam operasi, pelet bijih besi atau bijih bongkah dimasukkan ke dalam reaktor bersama dengan gas reduksi yang dihasilkan dari gas alam atau hidrokarbon lainnya. Gas reduksi mengalir berlawanan arah dengan bijih, memfasilitasi reduksi oksida besi yang efisien menjadi besi logam. Proses ini melibatkan sirkulasi gas yang terus menerus, transfer panas, dan pergerakan material, memastikan operasi dalam keadaan stabil.

Parameter Proses

Variabel proses yang kritis mencakup suhu, komposisi gas reduksi, tekanan, dan waktu tinggal. Suhu operasi yang tipikal berkisar antara 800°C hingga 1050°C, dioptimalkan untuk reduksi yang efisien sambil meminimalkan konsumsi energi dan sintering.

Komposisi gas reduksi biasanya terdiri dari 70-85% hidrogen dan karbon monoksida, dengan sisanya adalah gas inert seperti nitrogen. Laju aliran gas dikalibrasi untuk mempertahankan lingkungan reduksi yang seragam, dengan kecepatan gas tipikal 1-3 m/detik.

Tekanan dalam reaktor umumnya mendekati atmosfer atau sedikit lebih tinggi (hingga 2 bar), tergantung pada desain. Waktu tinggal untuk bijih biasanya antara 20 hingga 60 menit, tergantung pada ukuran bijih dan derajat reduksi yang diinginkan.

Sistem kontrol menggunakan sensor canggih dan otomatisasi untuk memantau suhu, komposisi gas, tekanan, dan laju aliran. Akuisisi data waktu nyata memungkinkan penyesuaian dinamis untuk mengoptimalkan efisiensi reduksi dan kualitas produk.

Konfigurasi Peralatan

Pabrik Finmet yang tipikal memiliki kiln putar yang panjangnya sekitar 20-50 meter dan diameter 3-6 meter, dipasang pada rol dengan kemiringan ringan untuk pergerakan material. Kiln dilengkapi dengan pembakar, pelapisan refraktori, dan perangkat pengangkat internal untuk memfasilitasi distribusi panas yang merata.

Sistem tambahan mencakup pembangkit gas (misalnya, reformer atau pembakar reformer), unit pembersihan gas, penukar panas, dan sistem pendinginan untuk pembuangan besi spons. Pabrik modern dapat mengadopsi desain modular untuk memfasilitasi pemeliharaan dan skalabilitas.

Variasi desain telah berkembang dari konfigurasi kiln putar tradisional untuk mencakup reaktor bed cair untuk meningkatkan transfer panas dan kontrol proses. Bahan refraktori telah berkembang untuk tahan terhadap suhu yang lebih tinggi dan gas korosif, memperpanjang umur peralatan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan reduksi oksida besi (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) menjadi besi logam (Fe). Reaksi utama adalah:

• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O
• Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Reaksi ini secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi, dengan reduksi berlangsung melalui interaksi gas-padatan. Keseimbangan bergeser menuju besi logam seiring dengan meningkatnya suhu, tetapi suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan sintering atau peleburan.

Kinetika dipengaruhi oleh komposisi gas, suhu, dan ukuran partikel bijih. Proses reduksi bersifat eksotermik, melepaskan panas yang mempertahankan zona reaksi, tetapi input panas eksternal sering kali diperlukan untuk mempertahankan suhu proses.

Produk sampingan reaksi termasuk uap air (H₂O) dan karbon dioksida (CO₂), yang dihilangkan melalui sistem pembersihan gas untuk mencegah kontaminasi dan memfasilitasi daur ulang gas.

Transformasi Metalurgi

Selama reduksi, perubahan mikrostruktur terjadi di dalam partikel bijih. Awalnya, oksida besi diubah menjadi besi logam berpori dengan struktur mirip spons. Seiring dengan berjalannya reduksi, porositas meningkat, meningkatkan difusi gas.

Transformasi fase mencakup transisi dari hematit (Fe₂O₃) ke magnetit (Fe₃O₄), kemudian ke wüstite (FeO), dan akhirnya ke besi logam. Transformasi ini mempengaruhi sifat mekanik dan reaktivitas material.

Mikrostruktur dari besi spons akhir ditandai oleh jaringan besi logam dengan porositas residual, yang mempengaruhi densitas, kekuatan, dan perilaku peleburan. Pengendalian parameter reduksi yang tepat memastikan kontaminasi minimal dan sifat metalurgi yang diinginkan.

Interaksi Material

Interaksi antara besi logam, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Bijih besi dan besi spons dapat bereaksi dengan komponen terak, yang berpotensi menyebabkan kontaminasi atau terjebaknya terak.

Bahan refraktori dipilih karena ketidakaktifan kimia dan stabilitas termal, tetapi korosi dan erosi pada suhu tinggi dapat terjadi seiring waktu. Pelapisan pelindung dan perbaikan desain refraktori mengurangi masalah ini.

Paparan oksigen atmosfer diminimalkan selama penanganan untuk mencegah oksidasi besi spons. Manajemen aliran gas mencegah oksidasi dan memastikan reduksi yang efisien.

Metode seperti penutupan gas inert dan ruang atmosfer terkontrol digunakan untuk membatasi interaksi yang tidak diinginkan, menjaga kualitas produk dan umur peralatan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah bijih besi dalam bentuk pelet atau bongkah, dengan spesifikasi termasuk kandungan besi tinggi (biasanya > 65%), kotoran rendah (silika, alumina), dan distribusi ukuran yang sesuai. Pelet lebih disukai untuk keseragaman dan kinetika reduksi yang optimal.

Bahan masukan tambahan termasuk gas reduksi yang dihasilkan dari gas alam atau hidrokarbon lainnya, yang dipanaskan dan dikondisikan sebelum masuk ke reaktor. Reagen seperti oksigen atau udara dapat digunakan untuk pembakaran tambahan.

Persiapan material melibatkan penghancuran, penyaringan, dan peletisasi untuk memastikan kualitas umpan yang konsisten