Peningkatan Oksigen dalam Relau Tiup

Kelebihan Oksigen dalam Pembuatan Keluli Moden

Pembuatan besi dalam relau tiup tidak berubah secara asas selama beratus-ratus tahun. Kok, bijih besi, dan fluks dimasukkan dari bahagian atas; besi cair dan slag keluar dari bahagian bawah; udara panas ditiup masuk melalui tuyere. Namun, butiran-butiran teknikal telah berkembang secara ketara, dan pengayaan oksigen merupakan salah satu penambahbaikan paling berkesan dalam lima puluh tahun kebelakangan ini.

Memasukkan oksigen ke dalam tiupan relau bagas—meningkatkan kandungan oksigen dalam udara pembakaran daripada 21% kepada 25% atau lebih tinggi—mengubah kelakuan terma dan kimia relau tersebut. Kesan langsungnya ialah suhu nyala yang lebih tinggi, yang mempercepat tindak balas penurunan yang menukarkan ferum oksida kepada ferum logam. Kesan sekundernya termasuk peningkatan produktiviti, pengurangan penggunaan kok, dan pelepasan CO₂ yang lebih rendah setiap tan ferum yang dihasilkan.

Bagaimana Oksigen Mengubah Termodinamik Relau

Perhitungannya mudah tetapi implikasinya sangat mendalam. Udara mengandungi kira-kira 79% nitrogen, yang melalui relau tanpa terlibat dalam sebarang tindak balas. Nitrogen ini menyerap haba—haba yang sebaliknya boleh digunakan untuk menurunkan bijih ferum. Apabila oksigen menggantikan nitrogen dalam tiupan, kurang haba terbuang untuk memanaskan gas nadir. Suhu nyala meningkat, dan relau boleh memproses lebih banyak bijih dengan kadar kok yang sama.

Bagi setiap peningkatan 1% dalam pengayaan oksigen, suhu nyala meningkat kira-kira 50°C. Pada kandungan oksigen 25%, suhu nyala mendekati 2,200°C, berbanding kira-kira 2,000°C pada 21%. Nyala yang lebih panas ini membolehkan beberapa peningkatan operasi: kadar injeksi arang batu lumat yang lebih tinggi, pengurangan penggunaan kok, dan peningkatan kadar keluaran pengeluaran.

Komprominya ialah pengayaan oksigen juga meningkatkan kepekaan relau terhadap gangguan. Relau yang beroperasi pada 25% oksigen mempunyai inersia haba yang lebih rendah berbanding relau pada 21%. Operator perlu mengawal taburan beban, suhu tiupan, dan kandungan lembapan dengan lebih ketat untuk mengekalkan operasi yang stabil.

Keuntungan Produktiviti: Apa yang Ditunjukkan oleh Data

Kesan peningkatan produktiviti akibat pengayaan oksigen telah didokumentasikan dengan baik. Data industri daripada kilang keluli terpadu menunjukkan bahawa setiap peningkatan 1% dalam pengayaan oksigen menghasilkan peningkatan kadar pengeluaran sebanyak kira-kira 3 hingga 4%, dengan anggapan suhu tiupan kekal stabil dan kualiti beban konsisten. Pada tahap 25% oksigen, ini bermaksud peningkatan produktiviti sebanyak 12 hingga 16% berbanding operasi udara semula jadi.

Penurunan kadar kok mempunyai nilai yang sangat tinggi. Kok merupakan bahan mentah paling mahal dalam proses relau tiup, dan pengeluarannya menghasilkan pelepasan CO₂ yang ketara. Mengurangkan penggunaan kok sebanyak 5% di sebuah kilang keluli berkapasiti dua juta tan se tahun akan menjimatkan kos kok sebanyak kira-kira USD5 juta setahun serta mengurangkan jejak karbon secara sepadan.

Pelaksanaan Sebenar: Kilang Terpadu di China Utara

Sebuah kilang keluli bersepadu berskala besar di utara China melaksanakan program pengayaan oksigen berperingkat selama tempoh 18 bulan. Fasiliti tersebut mempunyai unit pemisahan udara sedia ada yang menghasilkan oksigen untuk proses lain, tetapi sebelum ini tidak menyuntikkan oksigen ke dalam aliran udara dapur tiup. Projek ini melibatkan pemasangan lancet suntikan oksigen pada aras tuyere, peningkatan sistem kawalan untuk mengurus aliran oksigen tambahan, dan latihan operator mengenai parameter operasi baharu.

Keputusan dapat diukur dalam suku pertama. Pengeluaran meningkat sebanyak 11% dengan pengayaan oksigen sehingga 24.5%, manakala kadar kok meningkat turun sebanyak 7%. Kilang tersebut mencapai peningkatan ini tanpa pelaburan modal utama—oksigen sudah dihasilkan, dan ubahsuaian pada dapur tiup adalah relatif kecil. Tempoh pulangan pelaburan, dikira berdasarkan kos penghasilan dan suntikan oksigen berbanding jimat kok serta nilai tambah hasil pengeluaran, adalah kurang daripada dua belas bulan.

Terdapat cabaran operasi. Relau memerlukan pemantauan yang lebih kerap terhadap taburan beban untuk mengelakkan penyaluran—suatu keadaan di mana gas mengalir secara tidak sekata melalui kawasan tertentu, menyebabkan pengurangan tidak sekata dan berpotensi membentuk struktur rangka. Pasukan operasi menyesuaikan corak pengecasan atas tanpa loceng untuk mengimbangi keadaan ini, dan relau menjadi stabil dalam tempoh enam minggu selepas suntikan oksigen pertama.

Pertimbangan Bekalan Oksigen untuk Suntikan ke dalam Relau Tiup

Oksigen untuk pengayaan relau tiup biasanya diperoleh daripada unit pemisahan udara di tapak atau daripada bekalan paip. Keperluan ketulenan adalah sederhana berbanding aplikasi oksigen lain—kandungan oksigen 90 hingga 95% adalah mencukupi untuk suntikan ke dalam relau tiup, manakala aplikasi perubatan atau semikonduktor memerlukan 99.5% atau lebih tinggi .

Keperluan ketulenan yang lebih rendah ini membuka pilihan bekalan. Sistem pengayakan tekanan vakum (VPSA) mampu menghasilkan oksigen 90–95% dengan kos modal dan operasi yang lebih rendah berbanding pemisahan udara kriogenik, walaupun biasanya terhad kepada kapasiti yang lebih kecil. Bagi kilang-kilang yang lebih besar, unit pemisahan udara kriogenik (ASU) masih menjadi piawaian, menghasilkan oksigen dengan ketulenan melebihi 99.5% serta fleksibiliti untuk juga menghasilkan nitrogen dan argon.

Sistem suntikan oksigen itu sendiri memerlukan rekabentuk kejuruteraan yang teliti. Oksigen mesti dihantar pada tekanan yang mencukupi untuk mengatasi tekanan balik relau tiup—biasanya 3 hingga 5 bar. Pelancar suntikan mesti direkabentuk untuk tahan suhu tinggi di aras tuyere—sekitar 2,000°C—dan aliran oksigen mesti dikawal secara tepat untuk mengekalkan tahap pengayaan yang diinginkan.

Pertimbangan Keselamatan dalam Pengendalian Oksigen

Pengayaan oksigen memperkenalkan pertimbangan keselamatan yang layak mendapat perhatian. Oksigen menyokong pembakaran lebih kuat berbanding udara, dan sebarang kebocoran atau sentuhan tidak disengajakan dengan hidrokarbon boleh mencipta risiko kebakaran. Paip injeksi oksigen mesti direka mengikut piawaian perkhidmatan oksigen, dengan keperluan ketat terhadap kebersihan serta bahan pembinaan yang sesuai.

Piawaian industri menangani kebimbangan ini secara langsung. CGA G-4.1 daripada Compressed Gas Association memberikan panduan komprehensif mengenai pembersihan dan rekabentuk sistem oksigen. ASME B31.3 merangkumi keperluan paip untuk perkhidmatan oksigen, termasuk pemilihan bahan dan rekabentuk sambungan.

Fasiliti yang melaksanakan pengayaan oksigen perlu menjalankan semakan bahaya secara menyeluruh sebelum permulaan operasi, merangkumi senario kebocoran yang mungkin berlaku, prosedur penghentian kecemasan, dan latihan operator. Risiko-risiko ini boleh dikawal dengan kawalan kejuruteraan dan prosedur operasi yang sesuai.

Apabila Pengayaan Oksigen Adalah Logik—dan Apabila Ia Tidak

Pengayaan oksigen tidak sentiasa memberi manfaat secara umum. Aspek ekonomi bergantung kepada kos oksigen, harga kok, dan nilai tambahan hasil pengeluaran. Kilang-kilang yang menghasilkan oksigen di tapak—khususnya yang mempunyai kapasiti berlebihan dari unit penghasilan udara (ASU)—adalah calon semula jadi. Kilang-kilang tanpa bekalan oksigen sedia ada perlu membuat keputusan modal: memasang sistem ASU atau VPSA, atau menerima produktiviti yang lebih rendah dalam operasi udara semula jadi.

Terdapat juga pertimbangan khusus bagi relau tertentu. Relau tiup yang beroperasi hampir pada kapasiti pengeluaran maksimumnya mungkin mempunyai peningkatan terhad dari pengayaan oksigen—bottleneck beralih kepada proses hilir seperti relau oksigen asas atau penuangan berterusan. Dalam kes-kes ini, pengayaan oksigen mungkin tidak memberikan peningkatan produktiviti yang dijangkakan.

Bagi relau dengan sekatan bekalan kok atau harga kok yang tinggi, aspek ekonominya menjadi lebih menarik. Setiap tan kok yang dijimatkan bermaksud satu tan kok yang tidak perlu dibeli, diangkut, atau dimasukkan ke dalam relau.

GreenFir membekalkan peralatan pemisahan udara kriogenik untuk pengeluaran oksigen di kilang keluli, dengan rekod pemasangan dalam operasi pembuatan keluli terpadu di seluruh Asia.