Sintering dalam Produksi Baja: Proses, Peralatan & Signifikansi

Definisi dan Konsep Dasar

Sintering adalah proses aglomerasi termal yang digunakan dalam industri baja untuk mengubah bahan baku yang halus, granular, atau bubuk menjadi aglomerat padat dan berpori yang disebut sinter. Proses ini melibatkan pemanasan campuran bahan baku pada suhu di bawah titik lebur mereka, menyebabkan partikel menyatu melalui peleburan sebagian, difusi, dan pengikatan dalam keadaan padat. Tujuan utama dari sintering dalam pembuatan baja adalah untuk mempersiapkan bahan baku—seperti bijih besi halus, fluks, dan debu kokas—untuk reduksi dan peleburan yang efisien di dalam tungku tiup atau unit reduksi lainnya.

Dalam rantai produksi baja secara keseluruhan, sintering berfungsi sebagai langkah pra-pemrosesan yang penting yang mengubah bahan baku halus, yang sering kali tidak dapat digunakan, menjadi bahan muatan yang sesuai. Ini menjembatani kesenjangan antara benefisiasi bijih mentah dan operasi tungku tiup, memastikan kualitas umpan yang konsisten, permeabilitas yang lebih baik, dan kinerja metalurgi yang ditingkatkan. Sintering dengan demikian meningkatkan penanganan material, mengurangi konsumsi energi selama reduksi, dan meningkatkan efisiensi serta stabilitas proses hilir.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa dasar di balik sintering adalah pengikatan termal melalui peleburan partikel yang dipicu oleh panas, yang menciptakan aglomerat berpori dan stabil secara mekanis. Proses ini bergantung pada pembakaran yang terkontrol dan transfer panas dalam lapisan bahan baku, yang mengarah pada peleburan sebagian dan sintering partikel mineral.

Komponen teknologi kunci termasuk strand sinter (atau mesin sinter), sistem pengapian, windbox, dan sistem pendingin. Strand sinter adalah sabuk konveyor horizontal kontinu yang mengangkut lapisan bahan baku melalui berbagai zona. Sistem pengapian memulai pembakaran di ujung pengapian, sementara windbox menyediakan udara yang dipanaskan sebelumnya (gas panas) untuk mempertahankan pembakaran dan mengontrol proses. Zona pendingin menstabilkan sinter sebelum dibuang.

Aliran material dimulai dengan pencampuran bahan baku—bijih besi halus, fluks, debu kokas, dan fines kembali—membentuk lapisan di strand sinter. Gas pembakaran melewati lapisan, menyalakan campuran dan menghasilkan panas. Panas menyebabkan partikel mineral menyatu di titik kontak, membentuk kue sinter yang padat dan berpori. Sinter kemudian didinginkan dan dibuang untuk disaring dan dimasukkan ke dalam tungku tiup.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk kedalaman lapisan, suhu pengapian, aliran udara pembakaran, dan waktu sintering. Kedalaman lapisan yang khas berkisar antara 350 hingga 600 mm, tergantung pada desain pabrik. Suhu pengapian dipertahankan sekitar 950°C hingga 1050°C untuk memastikan pembakaran lengkap tanpa peleburan yang berlebihan.

Kecepatan aliran udara pembakaran mempengaruhi laju pembakaran dan distribusi suhu dalam lapisan. Waktu sintering, biasanya antara 20 hingga 30 menit, mempengaruhi derajat pengikatan dan porositas. Profil suhu dalam lapisan harus dipantau dengan cermat untuk mencegah over-sintering atau pengikatan yang tidak lengkap.

Sistem kontrol menggunakan sensor untuk suhu, komposisi gas, dan permeabilitas lapisan. Loop kontrol otomatis menyesuaikan aliran udara, waktu pengapian, dan pergerakan lapisan untuk mempertahankan kondisi sintering yang optimal. Kontrol proses yang canggih mengintegrasikan data waktu nyata untuk mengoptimalkan throughput, kualitas, dan konsumsi energi.

Konfigurasi Peralatan

Pabrik sinter yang khas terdiri dari strand sinter yang panjangnya sekitar 100–200 meter dan lebar 3–5 meter, dengan sabuk konveyor kontinu yang didukung oleh rol dan digerakkan oleh motor. Strand dilengkapi dengan stasiun pengapian, windbox, dan zona pendingin.

Variasi dalam peralatan termasuk sistem multi-strand untuk pabrik dengan kapasitas lebih tinggi dan mesin sinter putar untuk aplikasi tertentu. Seiring waktu, evolusi desain telah berfokus pada peningkatan otomatisasi, efisiensi energi, dan pengurangan emisi.

Sistem tambahan termasuk pengumpan bahan baku, unit penyaringan dan penghancuran, sistem pengumpulan debu, dan perangkat kontrol emisi seperti pemisah elektrostatik atau filter kantong. Sistem ini memastikan kepatuhan lingkungan dan stabilitas operasional.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Selama sintering, beberapa reaksi kimia utama terjadi, terutama yang melibatkan oksidasi, reduksi, dan transformasi mineral. Pembakaran debu kokas dan fluks menghasilkan panas dan menghasilkan gas seperti CO₂, CO, N₂, dan SO₂.

Reaksi kunci adalah oksidasi karbon dalam kokas menjadi CO₂ dan CO, yang menyediakan panas yang diperlukan untuk sintering:

C + O₂ → CO₂ (eksotermik)

Oksidasi sebagian karbon menghasilkan CO, yang bertindak sebagai agen pereduksi dalam transformasi mineral berikutnya.

Reaksi mineral termasuk pembentukan silikat kalsium, aluminat, dan ferrit dari fluks dan konstituen bijih. Misalnya, kalsium karbonat terurai pada suhu tinggi:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Kalsium oksida kemudian bereaksi dengan silika dan alumina untuk membentuk fase terak:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (terak)

Produk sampingan reaksi seperti oksida sulfur (SO₂, SO₃) dapat dihasilkan dari mineral yang mengandung sulfur.

Transformasi Metalurgi

Sintering menyebabkan perubahan mikrostruktur, termasuk pengikatan partikel, pembentukan pori, dan transformasi fase. Peleburan sebagian konstituen mineral mengarah pada pembentukan struktur berpori yang stabil secara mekanis dengan jalur yang saling terhubung.

Transformasi fase melibatkan pembentukan fase kaca dan kristalin dalam matriks sinter. Derajat sintering mempengaruhi mikrostruktur, porositas, dan kekuatan mekanik produk akhir.

Perubahan metalurgi ini secara langsung mempengaruhi kemampuan reduksi sinter di dalam tungku tiup, permeabilitasnya, dan kemampuannya untuk menahan stres penanganan. Pengendalian kondisi sintering yang tepat memastikan mikrostruktur yang optimal untuk reduksi dan peleburan yang efisien.

Interaksi Material

Interaksi antara muatan logam, terak, lining refraktori, dan atmosfer sangat penting. Selama sintering, fase mineral dapat bereaksi dengan lingkungan sekitar, yang berpotensi menyebabkan reaksi terak-logam atau korosi refraktori.

Kontaminasi dapat terjadi jika ada kotoran seperti sulfur, fosfor, atau logam alkali yang hadir dalam bahan baku, yang mengarah pada cacat seperti titik panas atau pengikatan yang lemah. Untuk mengontrol interaksi yang tidak diinginkan, bahan baku berkualitas tinggi, penambahan fluks yang tepat, dan pemilihan refraktori sangat penting.

Aliran gas dalam lapisan sinter memfasilitasi reaksi mineral dan mempengaruhi penghilangan komponen yang mudah menguap. Penyegelan dan manajemen gas yang tepat mencegah emisi dan memastikan stabilitas proses.

Aliran Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama termasuk bijih besi halus (ukuran partikel < 6 mm), fluks seperti batu kapur atau dolomit, debu kokas (partikel kokas berukuran kecil), dan fines kembali dari penyaringan sinter sebelumnya. Spesifikasi biasanya menuntut kemurnian tinggi, kandungan kotoran rendah, dan distribusi ukuran partikel yang konsisten.

Persiapan material melibatkan pencampuran, penggabungan, dan kadang-kadang peletisasi untuk memastikan keseragaman. Penanganan memerlukan konveyor, pengumpan, dan silo penyimpanan.

Kualitas bahan masukan secara langsung mempengaruhi kekuatan sinter, kemampuan reduksi, dan permeabilitas. Kotoran seperti sulfur atau fosfor dapat menyebabkan cacat atau ketidakefisienan proses.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan pencampuran bahan baku dan memberi makan ke strand sinter. Lapisan disusun secara merata, kemudian dinyalakan di zona pengapian.

Pembakaran