HYL I & HYL III: Proses dan Teknologi Pembuatan Baja Berbasis Hidrogen Kunci

Definisi dan Konsep Dasar

HYL I dan HYL III adalah proses reduksi langsung yang canggih yang digunakan dalam pembuatan baja untuk memproduksi besi spons (juga dikenal sebagai besi yang direduksi langsung, DRI). Proses ini melibatkan reduksi pelet bijih besi atau bijih bongkah menggunakan gas reduksi, yang terutama terdiri dari hidrogen dan karbon monoksida, pada suhu tinggi dalam tungku poros. Tujuan utama dari proses ini adalah untuk memproduksi besi logam berkualitas tinggi yang dapat digunakan langsung dalam tungku busur listrik (EAF) atau jalur pembuatan baja terintegrasi, sehingga mengurangi ketergantungan pada operasi tungku tiup.

Posisi HYL I dan HYL III dalam rantai manufaktur baja secara keseluruhan berfungsi sebagai langkah reduksi primer kunci yang mengubah bijih besi mentah menjadi bentuk yang cocok untuk peleburan dan pemurnian. Mereka biasanya terletak di hulu dari pembuatan baja tungku busur listrik (EAF) atau tungku oksigen dasar (BOF), menyediakan alternatif yang fleksibel dan efisien energi dibandingkan dengan jalur tungku tiup tradisional. Peran mereka sangat penting dalam memungkinkan produksi baja yang lebih berkelanjutan dan efisien energi dengan emisi yang lebih rendah.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik proses HYL adalah reduksi langsung bijih besi menggunakan campuran gas reduksi pada suhu tinggi, biasanya antara 800°C dan 1050°C. Proses ini bergantung pada keberpihakan termodinamika untuk mereduksi oksida besi menjadi besi logam dalam lingkungan yang terkontrol, meminimalkan konsumsi karbon dan emisi.

Komponen teknologi kunci termasuk tungku poros, tempat reduksi terjadi, dan sistem pembangkitan serta daur ulang gas. Tungku poros adalah wadah silindris vertikal yang dilapisi dengan bahan refraktori untuk menahan suhu tinggi dan gas korosif. Proses dimulai dengan pengenalan pelet bijih besi atau bijih bongkah di bagian atas tungku, bersama dengan campuran gas reduksi yang disuplai dari generator gas.

Gas reduksi, yang terutama terdiri dari hidrogen dan karbon monoksida, diproduksi di lokasi melalui reformasi atau gasifikasi gas alam atau hidrokarbon lainnya. Gas ini dipanaskan terlebih dahulu dan disuntikkan ke dalam tungku poros, mengalir berlawanan arah dengan pergerakan bijih. Saat bijih turun, ia bereaksi dengan gas reduksi, secara bertahap kehilangan oksigen dan berubah menjadi besi spons. Material yang telah direduksi diambil dari bagian bawah tungku, didinginkan, dan dipersiapkan untuk langkah pembuatan baja selanjutnya.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, komposisi gas reduksi, tekanan, dan waktu tinggal. Suhu operasi yang khas berkisar antara 850°C hingga 1050°C, dioptimalkan untuk reduksi yang efisien tanpa penggumpalan atau peleburan.

Komposisi gas reduksi umumnya mengandung 70-85% hidrogen dan karbon monoksida, dengan sisanya adalah gas inert seperti nitrogen. Laju aliran gas disesuaikan untuk memastikan reduksi lengkap dalam waktu tinggal, biasanya antara 20 hingga 60 menit tergantung pada desain proses.

Kondisi tekanan biasanya atmosfer atau sedikit tertekan (hingga 2 bar), mempengaruhi kinetika reaksi dan efisiensi pemanfaatan gas. Mempertahankan suhu dan komposisi gas yang optimal sangat penting untuk mencapai tingkat metalisasi yang tinggi (> 90%) dan meminimalkan konsumsi energi.

Sistem kontrol menggunakan sensor canggih dan otomatisasi untuk memantau suhu, komposisi gas, tekanan, dan aliran material. Akuisisi data waktu nyata memungkinkan penyesuaian dinamis, memastikan operasi yang stabil dan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi HYL yang khas memiliki tungku poros vertikal dengan diameter berkisar antara 3 hingga 6 meter dan tinggi 20 hingga 50 meter, tergantung pada kapasitas. Tungku dilengkapi dengan serangkaian tuyeres atau injektor gas yang didistribusikan sepanjang tingginya untuk memastikan distribusi gas yang merata.

Unit pembangkitan gas, sering kali reformer atau gasifier, terletak di sebelah tungku poros, menyediakan gas reduksi secara terus-menerus. Sistem tambahan termasuk pemanas awal untuk bijih, sistem pendingin untuk besi spons, dan peralatan pengumpul debu untuk mengontrol emisi.

Variasi desain telah berkembang dari konfigurasi awal HYL I menjadi sistem HYL III yang lebih canggih, yang menggabungkan daur ulang gas yang lebih baik, otomatisasi, dan fitur pemulihan energi. Pabrik modern juga mengintegrasikan unit kontrol lingkungan seperti scrubber dan filter untuk memenuhi standar emisi.

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
• Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O
• FeO + H₂ → Fe + H₂O

Demikian pula, karbon monoksida mereduksi oksida besi:

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

Reaksi ini secara termodinamis lebih disukai pada suhu tinggi, dengan reduksi berlangsung melalui interaksi gas-padatan. Proses ini dikendalikan secara kinetik, dengan laju reaksi dipengaruhi oleh suhu, komposisi gas, dan ukuran partikel bijih.

Produk reaksi termasuk besi spons logam dan produk sampingan gas seperti uap air (H₂O) dan karbon dioksida (CO₂). Pengelolaan gas-gas ini sangat penting untuk efisiensi proses dan kepatuhan lingkungan.

Transformasi Metalurgi

Selama reduksi, oksida besi mengalami transformasi fase dari hematit (Fe₂O₃) atau magnetit (Fe₃O₄) menjadi magnetit, kemudian menjadi wüstite (FeO), dan akhirnya menjadi besi logam. Secara mikroskopis, proses ini melibatkan pembentukan besi spons berpori dengan luas permukaan tinggi, yang memfasilitasi reduksi lebih lanjut.

Mikrostruktur berkembang dari partikel oksida padat menjadi besi logam berpori, yang mempengaruhi sifat mekanik dan perilaku peleburan produk akhir. Pengendalian kondisi reduksi yang tepat memastikan pembentukan inklusi terak atau oksida yang tidak bereaksi minimal, menghasilkan derajat metalisasi yang tinggi (> 90%).

Interaksi Material

Interaksi antara besi logam, terak residu, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat kompleks. Partikel bijih besi dapat bereaksi dengan komponen terak, yang berpotensi menyebabkan kontaminasi atau degradasi bahan refraktori.

Gas seperti CO dan H₂ dapat difusi melalui lapisan bijih, memfasilitasi reduksi tetapi juga menyebabkan potensi korosi pada pelapisan tungku jika tidak dikelola dengan baik. Untuk mengontrol interaksi yang tidak diinginkan, parameter proses dioptimalkan untuk mempertahankan zona suhu yang stabil, dan bahan refraktori dipilih untuk ketahanan korosi yang tinggi.

Sistem pembersihan gas menghilangkan debu, senyawa sulfur, dan kotoran lainnya dari gas buang, mencegah pencemaran lingkungan dan korosi peralatan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah bijih besi dalam bentuk pelet atau bongkah, dengan kandungan besi tinggi (biasanya > 60%) dan kotoran rendah. Bijih harus dipersiapkan dengan baik, dengan ukuran dan kandungan kelembapan yang seragam, untuk memastikan reduksi yang konsisten.

Gas reformasi dihasilkan di lokasi dari gas alam atau hidrokarbon lainnya, dengan spesifikasi termasuk kemurnian tinggi dan komposisi yang terkontrol. Bahan tambahan termasuk fluks atau pengikat, jika diperlukan, untuk pembentukan pelet.

Kualitas masukan secara langsung mem