Besi Langsung Direduksi (DRI): Teknik Produksi dan Proses Industri

Pendahuluan

Besi langsung direduksi (DRI) adalah produk yang dihasilkan oleh reduksi langsung bijih besi atau bahan besi lainnya dalam keadaan padat dengan menggunakan batu bara non-coking atau gas alam. Proses yang menghasilkan DRI dengan reduksi bijih besi di bawah titik leleh besi biasanya dikenal sebagai proses direkt reduksi (DR). Agen pengurang adalah karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2), yang berasal dari gas alam yang direform, syngas, atau batu bara. Bijih besi digunakan sebagian besar dalam bentuk pelet dan/atau lump. Oksigen (O2) dikeluarkan dari bijih besi oleh reaksi kimia berdasarkan H2 dan CO untuk produksi DRI yang altamente metalized.

Dalam proses direkt reduksi, besi logam padat (Fe) diperoleh langsung dari bijih besi padat tanpa memberatkan bijih atau logam ke leleh. Direkt reduksi dapat didefinisikan sebagai reduksi dalam keadaan padat pada potensi O2 yang memungkinkan reduksi oksida besi, tetapi tidak oksida lain (MnO, dan SiO2 dll.), ke elemen yang sesuai. Karena reduksi dalam keadaan padat, ada peluang sangat kecil untuk elemen ini terlarut (pada aktivitas termodinamika rendah) dalam besi yang direduksi, sehingga oksida yang lebih stabil dari besi tetap pada dasarnya tidak direduksi.

DRI memiliki struktur berpori. Ini karena DRI dihasilkan dengan menghilangkan O2 dari bijih besi. Ini juga dikenal sebagai besi spons karena strukturnya seperti spons dengan jaringan pori yang terhubung. Pori ini menghasilkan area permukaan internal yang besar yang sekitar 10.000 kali lebih besar dari area permukaan internal besi padat.

DRI dihasilkan dalam banyak bentuk. Ini adalah lump, pelet, hot briquetted iron (HBI), fines, dan cold briquetted iron (CBI). HBI dan CBI adalah bentuk padat dari DRI untuk memfasilitasi penanganan dan transportasi. HBI dihasilkan dengan memadatkan DRI di bawah tekanan sangat tinggi pada suhu di atas 650 derajat C. Ini menutup banyak pori dan membatasi area kontak yang tersedia untuk reaksi dengan udara. Ini juga meningkatkan konduktivitas termalnya.

Kandungan Besi dalam DRI

Kandungan besi dalam DRI ada dalam dua bentuk. Satu adalah dalam bentuk logam yang dikenal sebagai besi logam, Fe (M), dan bentuk kedua besi yang ada dalam oksida besi sisa, Fe (O). Total besi, Fe (T), dalam DRI adalah jumlah kedua komponen besi ini. Besi logam adalah jumlah agregat besi, baik bebas atau gabungan dengan karbon (sebagai cementite) yang ada dalam DRI. Metalisasi DRI adalah ukuran konversi oksida besi menjadi besi logam (bebas atau dalam gabungan dengan karbon sebagai cementite) dengan penghapusan O2 karena tindakan redusan yang digunakan. Tingkat metalisasi DRI adalah seberapa besar konversi oksida besi menjadi besi logam selama reduksi. Ini didefinisikan dalam persentase massa besi logam dibagi dengan massa total besi.

Sejarah Proses DR

Patent pertama untuk produksi DRI pada 1792 di Inggris Raya. Dipresumsi menggunakan rotary kiln. Pengembangan proses DR modern began in the middle of nineteenth century. Since 1920 more than 100 DR processes have been invented and operated. Most of them have not survived. The modern era of DRI production began on December 5, 1957 when the HYL process plant started production at Hylsa. The first plant of Midrex process came into operation in May 17, 1969 at Oregon Steel mills in Portland, Oregon. The coal based rotary kiln process combines the Republic Steel-National Lead (RN) process developed in 1920s for beneficiating low grade ores, and the Stelco-Lurgi (SL) process conceived in the early 1960s for producing high-grade DRI.

Proses Produksi DRI

Proses produksi DRI melibatkan pencampuran intim dari bijih besi yang disiapkan (ukuran) dengan redusan, yang juga biasanya digunakan untuk memanaskan ranjang bijih ke suhu yang diperlukan untuk mencapai laju reduksi yang memadai. Redusan dapat berupa gas atau padat. Proses produksi DRI utama adalah berbasis gas alam atau berbasis batu bara. Bahan masukan untuk proses DR adalah bijih besi yang disesuaikan ukurannya berkisar dari 10 mm hingga 30 mm atau pelet bijih besi berukuran 8 mm hingga 20 mm yang dihasilkan di pabrik pelet bijih besi.

Proses berbasis gas menggunakan shaft furnace untuk reaksi reduksi. Proses berbasis batu bara menggunakan salah satu dari empat jenis reaktor untuk reaksi reduksi. Reaktor ini adalah (i) rotary kiln, (ii) shaft furnace, (iii) fluidized bed reactor, dan (iv) rotary hearth furnace. Rotary kiln adalah reaktor paling populer untuk proses berbasis batu bara.

Prinsip direkt reduksi bijih besi ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Prinsip direkt reduksi bijih besi

Prinsip proses direkt reduksi bijih besi ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Prinsip proses direkt reduksi

Proses Berbasis Gas

Dalam proses reduksi berbasis gas, shaft kiln vertikal digunakan di mana bijih besi diisi ke dalam atas kiln dan besi spons jadi diambil dari bawah setelah pendingin untuk mencegah reoksidasinya. Gas pengurang dilewatkan melalui ranjang bijih, dan gas habis dikirim ulang setelah dipanaskan dan direform menjadi campuran H2 dan CO di reformer, di mana juga dipanaskan ke suhu 950 derajat C, yang merupakan suhu yang diperlukan untuk mencapai laju reaksi reduksi yang memadai. Shaft furnace bekerja pada prinsip counter current di mana bahan masukan bijih besi bergerak ke bawah di tungku oleh gravitasi dan direduksi oleh gas pengurang yang mengalir ke atas.

Dalam proses DR berbasis gas, bahan bakar gas digunakan. Bahan bakar ini harus memiliki kemampuan untuk direform atau pecah untuk menghasilkan campuran gas H2 dan CO. Gas alam dengan kandungan metana tinggi adalah gas yang paling banyak digunakan. Gas alam direform untuk memperkaya campuran H2 dan CO dan campuran gas yang diperkaya dan direform ini dipanaskan awal dan dikirim ke shaft DR furnace.

Proses berbasis gas mudah dioperasikan dan melibatkan tiga langkah utama yaitu (i) reduksi bijih besi, (ii) pemanasan awal gas, dan (iii) reforming gas alam. Saat ini proses berbasis gas juga tersedia di mana reforming gas alam tidak diperlukan.

Jantung proses berbasis gas adalah shaft furnace. Ini adalah wadah silinder yang dilapis refractory dan merupakan komponen kunci dari proses direkt reduksi. Ini adalah reaktor yang fleksibel dan serbaguna. Ini dapat menggunakan gas alam, syngas dari batu bara, gas oven coke, atau gas buang dari proses Corex sebagai gas pengurang.

Reaksi reduksi terjadi baik dengan H2 maupun CO dalam proses DRI berbasis gas. Reaksi yang terjadi dengan H2 adalah (i) 3Fe2O3 + H2 =2Fe3O4 + H2O, (ii) Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O, dan (iii) FeO + H2 = Fe + H2O. Reaksi yang terjadi dengan CO adalah (i) 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2, (ii) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2, dan (iii) FeO + CO = Fe + CO2.

DRI berbasis gas tidak dilakukan pemisahan magnetik karena tidak ada kontaminasi dengan bahan non-magnetik yang mungkin. Proses berbasis gas fleksibel untuk menghasilkan tiga bentuk produk yang berbeda, tergantung pada persyaratan spesifik setiap pengguna. Tiga bentuk DRI adalah cold DRI, HBI atau hot DRI.

Ada tiga proses berbasis gas yang populer. Ini adalah (i) proses HYL, (ii) proses Midrex, dan (iii) proses PERED. Versi terbaru dari proses HYL dikenal sebagai proses Energiron. Flowsheet dari proses Energiron ada pada Gambar 3.

Gambar 3 Flowsheet proses Energiron

Flowsheet dari proses Midrex ada pada Gambar 4.

Gambar 4 Flowsheet proses Midrex

Proses Berbasis Batu Bara

Dalam proses berbasis batu bara, reaktor untuk reaksi reduksi adalah rotary kiln yang sedikit miring terhadap posisi horizontal. Proses direkt reduksi dilakukan dengan suhu operasi yang dipelihara dalam kisaran 1.000 derajat C hingga 1.100 derajat C. Di rotary kiln, baik batu bara maupun bahan masukan bijih besi diisi dari ujung yang sama dari kiln. Selama gerakan bahan masukan maju reaksi oksidasi karbon dalam batu bara dan reaksi reduksi gas CO diatur dengan hati-hati. Profil suhu yang bervariasi dari 800 derajat C hingga 1050 derajat C dipelihara sepanjang panjang kiln di zona yang berbeda dan saat materi mengalir ke bawah karena gravitasi bijih direduksi. Reaksi reduksi dasar dalam proses adalah (i) C + O2 = CO2, (ii) CO2 + C = 2CO, (iii) 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2, (iv) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2, dan (v) FeO + CO = Fe + CO2.

Produk kiln (campuran DRI dan char) kemudian didinginkan di rotary cooler dengan sistem pendingin air eksternal ke suhu 100 derajat C hingga 200 derajat C. Produk setelah dikeluarkan dari kiln diayakkan dan dipisahkan secara magnetik. DRI yang magnetik tertarik dan dipisahkan dari char non-magnetik. DRI yang terpisah diayakkan menjadi dua fraksi ukuran +3 mm dan -3 mm. Fraksi -3 mm terkadang dibriquet dengan menggunakan kapur hidrat dan melas sebagai pengikat. Flowsheet dari proses DR berbasis batu bara ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 Flowsheet proses rotary kiln berbasis batu bara untuk produksi DRI

Properti DRI

Perbandingan properti DRI berbasis batu bara dan DRI berbasis gas diberikan dalam Tab 1

Perbandingan komposisi DRI berbasis batu bara dan DRI berbasis gas ada dalam Tab 2

Keuntungan DRI

Berbagai keuntungan DRI adalah (i) ini memungkinkan pengenceran residual logam dalam skrap selama pembuatan baja, (ii) karena ini adalah produk manufaktur, memiliki komposisi yang seragam, (iii) memiliki ukuran yang seragam, (iv) memiliki kandungan sulfur dan fosfor yang lebih rendah dibandingkan skrap, (v) jika diisi di tungku timur bersama dengan bahan beban lain, meningkatkan produktivitas tungku timur.