Sistem Injeksi Batubara Halus (PCI): Meningkatkan Efisiensi Pembuatan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sistem Penyuntikan Batubara Halus (PCI) adalah proses metalurgi canggih yang digunakan dalam operasi tungku tiup untuk memperkenalkan batubara yang digiling halus ke dalam tiupan panas tungku. Ini berfungsi sebagai pengganti atau tambahan untuk kok, menyediakan cara yang hemat biaya dan efisien untuk mengurangi ketergantungan pada output oven kok. Tujuan utama dari sistem PCI adalah untuk menyediakan aliran batubara halus yang berkualitas tinggi dan terkontrol langsung ke dalam tungku tiup untuk meningkatkan produktivitas, mengurangi biaya operasional, dan menurunkan emisi lingkungan.

Dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, sistem PCI ditempatkan selama tahap persiapan bahan baku utama, yang secara khusus terintegrasi ke dalam proses tungku tiup. Ini berinteraksi erat dengan sistem tiupan panas, memberi makan batubara halus ke dalam zona beban tungku, di mana ia berpartisipasi dalam reaksi reduksi kimia. Peran sistem ini sangat penting dalam mengoptimalkan lingkungan termal dan kimia tungku tiup, mempengaruhi efisiensi reduksi besi dan pembentukan terak.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa dasar di balik sistem PCI melibatkan pengangkutan pneumatik batubara yang digiling halus ke dalam zona tuyere tungku tiup. Proses ini bergantung pada blower bertekanan tinggi dan pipa untuk mengangkut batubara dari pabrik penggilingan ke titik penyuntikan. Sistem ini memastikan aliran partikel batubara yang konsisten dan terkontrol, yang terbakar dengan cepat saat bersentuhan dengan tiupan panas, berkontribusi pada proses reduksi.

Komponen teknologi kunci termasuk pabrik penggilingan batubara, yang menggiling batubara mentah menjadi partikel halus yang biasanya kurang dari 75 mikrometer dalam diameter. Batubara halus kemudian diangkut melalui pipa yang dilengkapi dengan blower atau kompresor yang menghasilkan tekanan pengangkutan yang diperlukan. Lances atau nosel penyuntik dipasang dekat tuyere tungku untuk memperkenalkan batubara ke dalam aliran tiup. Sistem tambahan seperti pengumpan, katup, dan unit pengumpul debu diintegrasikan untuk mengatur aliran dan menjaga kebersihan sistem.

Mekanisme operasi utama melibatkan penyuntikan batubara halus secara terus-menerus ke dalam pipa pengangkutan, di mana ia didorong oleh udara terkompresi atau gas inert. Partikel batubara terjebak dalam gas pembawa, memastikan distribusi dan pengiriman yang merata ke dalam tungku. Setelah disuntikkan, batubara menyala dan terbakar dengan cepat, menyediakan panas dan gas reduksi yang penting untuk pembuatan besi.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk laju penyuntikan, distribusi ukuran partikel, tekanan gas pembawa, dan suhu. Laju penyuntikan yang khas berkisar antara 100 hingga 250 kg per ton logam panas, tergantung pada ukuran tungku dan strategi operasional. Ukuran partikel dipertahankan di bawah 75 mikrometer untuk memastikan pembakaran yang cepat dan meminimalkan kehilangan karbon yang tidak terbakar.

Hubungan antara parameter ini dan karakteristik output adalah langsung: laju penyuntikan yang lebih tinggi dapat meningkatkan produktivitas tungku tetapi mungkin memerlukan penyesuaian dalam parameter tiupan untuk memastikan pembakaran yang lengkap. Ukuran partikel mempengaruhi efisiensi pembakaran; partikel yang lebih halus terbakar lebih lengkap dan cepat, mengurangi kehilangan karbon dan emisi. Tekanan gas pembawa dan suhu mempengaruhi stabilitas aliran dan kualitas atomisasi.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata dan otomatisasi untuk memantau parameter seperti tekanan, laju aliran, dan ukuran partikel. Algoritma kontrol proses yang canggih mengoptimalkan laju penyuntikan dan menjaga operasi yang stabil, memastikan kinerja tungku yang konsisten dan kepatuhan emisi.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi PCI yang khas terdiri dari serangkaian pabrik penggilingan (pabrik bola, pabrik rol vertikal, atau pabrik jet) yang mampu memproduksi batubara halus dengan tingkat kehalusan tertentu. Pabrik-pabrik ini terhubung ke pipa pengangkutan yang membentang ke lances penyuntik yang diposisikan dekat tuyere tungku.

Konfigurasi fisik bervariasi dengan ukuran tungku dan tata letak pabrik. Sistem modern memiliki desain modular yang memungkinkan skalabilitas dan kemudahan pemeliharaan. Lances penyuntik dirancang dengan beberapa nosel untuk memastikan distribusi batubara yang merata dalam aliran tiup.

Sistem tambahan termasuk unit pengumpul debu seperti pemisah elektrostatik atau filter kantong, yang menangkap partikel batubara halus dan mencegah emisi debu. Sistem pembersihan gas juga diintegrasikan untuk menangani gas hasil pembakaran dan mencegah pencemaran lingkungan.

Seiring waktu, evolusi desain telah fokus pada peningkatan efisiensi energi, mengurangi keausan, dan meningkatkan presisi kontrol. Inovasi termasuk pengembangan lances penyuntik bertekanan tinggi, teknologi penggilingan yang lebih baik, dan otomatisasi canggih untuk stabilitas proses.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Selama operasi PCI, batubara halus mengalami pembakaran cepat saat bersentuhan dengan tiupan panas, memulai serangkaian reaksi eksotermik. Reaksi kimia utama termasuk:

• Pembakaran karbon:
  C (s) + O₂ → CO₂ + panas

• Oksidasi parsial yang mengarah pada pembentukan CO:
  C (s) + ½ O₂ → CO

• Reduksi oksida besi oleh karbon monoksida dan karbon:
  Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
  Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO

Secara termodinamika, reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi (> 1200°C), dengan kinetika yang dipengaruhi oleh ukuran partikel dan ketersediaan oksigen. Pembakaran batubara halus menghasilkan panas, CO, dan CO₂, yang memfasilitasi reduksi oksida besi dalam beban.

Produk sampingan reaksi termasuk CO₂, CO, abu, dan senyawa sulfur, yang dikelola melalui sistem pembersihan gas. Kandungan abu batubara berkontribusi pada pembentukan terak, mempengaruhi operasi tungku dan kimia terak.

Transformasi Metalurgi

Penyuntikan batubara halus mempengaruhi transformasi metalurgi dalam tungku tiup. Pembakaran cepat partikel batubara menghasilkan suhu tinggi yang terlokalisasi, mendorong reduksi oksida besi menjadi besi logam.

Secara mikrostruktural, proses ini menghasilkan pembentukan fase logam yang berpori dan seperti spons dengan terak dan abu residu yang terbenam. Kehadiran batubara yang disuntikkan memodifikasi profil termal beban, mempengaruhi perilaku pelunakan, pencairan, dan tetesan bahan beban.

Transformasi fase termasuk reduksi hematit (Fe₂O₃) menjadi magnetit (Fe₃O₄), kemudian menjadi wüstite (FeO), dan akhirnya menjadi besi logam (Fe). Transformasi ini dipengaruhi oleh suhu, komposisi gas, dan waktu tinggal.

Perubahan metalurgi mempengaruhi mikrostruktur produk akhir, mempengaruhi sifat seperti kekerasan, duktilitas, dan kebersihan. Kontrol yang tepat dari proses penyuntikan memastikan hasil metalurgi yang optimal.

Interaksi Material

Interaksi antara batubara yang disuntikkan, bahan beban, terak, dan pelapisan refraktori sangat kompleks. Pembakaran batubara menghasilkan oksida pembentuk terak seperti silika, alumina, dan kapur, yang bergabung dengan kotoran untuk membentuk fase terak.

Interaksi yang tidak terkontrol dapat menyebabkan keausan refraktori, terak menempel, atau pembentukan fase yang tidak diinginkan seperti senyawa kaya seng atau sulfur. Mekanisme ini melibatkan reaksi kimia, stres termal, dan erosi fisik.

Untuk mengontrol interaksi ini, operator mengoptimalkan kualitas batubara, laju penyuntikan, dan profil suhu tungku. Bahan refraktori dipilih untuk ketahanan korosi yang tinggi, dan kimia terak dikel