Bijih Besi Pellet: Proses Produksi & Teknologi Kunci

Bijih Besi Pellet dan Proses Pelletisasi

Pelletisasi bijih besi dimulai pada tahun 1950 untuk memfasilitasi penggunaan konsentrat bijih besi halus dalam produksi baja. Terdapat dua jenis proses utama untuk pelletisasi bijih besi, yaitu proses straight travelling grate (STG) dan proses grate kiln (GK). Dalam proses STG, lapisan pellet yang diam diangkut melalui travelling grate yang bergerak tanpa henti melalui zona pengeringan, oksidasi, sinterisasi, dan pendinginan. Dalam proses GK, pengeringan dan sebagian besar oksidasi dilakukan pada lapisan pellet yang diam diangkut melalui travelling grate. Selanjutnya, pellet dimuat ke dalam rotary kiln untuk sinterisasi dan kemudian ke circular cooler untuk pendinginan.

Proses pelletisasi dibahas secara detail di tautan https://www.ispatguru.com/iron-ore-pellets-and-pelletizing-processes/.

Pellet dapat diklasifikasikan sebagai pellet asam atau pellet fluks.

• Pellet asam – Dasaritas pellet asam biasanya kurang dari 0,1. Ketahanan pellet yang telah dibakar sebagian besar disebabkan oleh jembatan hematit dengan struktur policristal. Pellet ini biasanya memiliki volume pori terbuka yang besar. Gas reduksi dengan cepat menembus pori ini ke inti pellet dan secara serentak menyerang struktur di banyak titik. Ini mengakibatkan perubahan struktur awal yang dimulai pada suhu rendah di seluruh volume pellet.
• Pellet fluks – Pellet ini juga dikenal sebagai pellet dasar. Dasaritas pellet fluks lebih dari 0,1 dan dapat bervariasi. Dasaritas pellet dasar normal berkisar antara 0,1 hingga 0,6 dan memiliki persentase CaO yang rendah. Saat pembakaran, terbentuk fase escur kaca yang terdiri dari SiO2, CaO, dan Fe2O3 dengan persentase yang bervariasi. Karena penambahan fluks yang meningkat, terbentuk beberapa escur yang menyebabkan ikatan escur dengan kristal bijih besi pada tingkat tertentu. Pellet dasar tinggi memiliki dasaritas lebih dari 0,6 dan mengandung CaO yang lebih tinggi. Pellet ini tidak hanya memiliki fase kaca yang terdiri terutama dari SiO2, CaO, dan Fe2O3, tetapi juga ferrit kalsium (CaO.Fe2O3). Selama pembakaran, ketersediaan CaO secara signifikan mendukung pertumbuhan kristal hematit. Pellet ini biasanya memiliki kekuatan mekanik yang tinggi setelah pembakaran.

Pabrik pellet biasanya terintegrasi dengan pabrik pengolahan bijih besi. Jika tidak terintegrasi, konsentrat bijih besi dalam bentuk slurry biasanya dipompa ke pabrik pellet melalui pipa slurry. Pabrik pellet yang didasarkan pada konsentrat bijih besi kaya jarang ditemukan dan tidak terlalu ekonomis. Seluruh proses pelletisasi dapat dibagi menjadi dua segmen utama, yaitu segmen proses dingin dan segmen proses panas.

Segmen proses dingin mencakup subproses berikut:

• Tangki slurry untuk penyimpanan konsentrat bijih besi slurry dari pabrik pengolahan. Ukuran partikel bijih besi dalam slurry kurang dari 45 mikrometer untuk sekitar 80 persen partikel.
• Bahan aditif (seperti dolomit, batu kapur, kapur, atau olivine, tergantung pada kualitas pellet yang akan diproduksi) ditambahkan ke dalam slurry.
• Sebagian besar air dikeluarkan dari slurry menggunakan filter. Kandungan air bijih besi setelah difilter sekitar 9 persen.
• Mixer digunakan untuk menambahkan pengikat (bentonit atau pengikat organik) guna mendapatkan kekuatan mekanik yang cukup pada pellet hijau.
• Cakram pelletisasi atau drum balling digunakan untuk produksi pellet hijau. Cakram pelletisasi lebih populer untuk produksi pellet hijau.
• Gayar getar biasanya digunakan untuk memisahkan berbagai fraksi pellet hijau. Pellet yang terlalu kecil dikembalikan ke proses, sementara pellet yang terlalu besar dihancurkan sebelum dikembalikan.
• Sisa adalah pellet berukuran sesuai (8 mm hingga 16 mm) yang diangkut melalui conveyor ke proses pengeringan dalam segmen proses panas.

Segmen proses panas mencakup subproses berikut:

• Baku pengeringan untuk menghapus sebagian besar kandungan air pellet hijau dengan aliran udara panas melalui tempatan. Pellet yang sudah kering kemudian memasuki baku pelletisasi.
• Pellet yang sudah kering dibakar (1250 derajat C hingga 1300 derajat C) dalam baku pelletisasi untuk mengubah pellet hijau menjadi produk akhir.
• Pendinginan pellet panas yang telah mengeras menjadi sekitar 200 derajat C dilakukan dalam pendingin dengan menciutkan udara dingin.

Sebagian besar subproses di atas saat ini dioperasikan dengan bantuan teknik kontrol menggunakan kontrol otomatis. Beberapa subproses sangat tergantung pada fungsi yang baik dari subproses sebelumnya. Misalnya, jika ukuran partikel terlalu besar, atau terlalu kering, atau pengeringan tidak berfungsi, maka tidak ada pellet yang dapat diproduksi. Situasi yang kurang kritis terjadi ketika beberapa segmen bekerja tidak optimal. Sebagai contoh, jika dalam proses penambahan pengikat, pengadukan pengikat tidak merata, maka proses pembentukan pellet hijau terganggu. Oleh karena itu, proses pelletisasi bijih besi adalah rantai beberapa subproses yang sangat bergantung pada kinerja satu sama lain.

Penambahan pengikat pada bijih melayani dua tujuan utama, yaitu (i) untuk membuat bijih plastik sehingga dapat membentuk benih yang tumbuh menjadi pellet yang terbentuk dengan baik, dan (ii) untuk menjaga pellet tetap utuh selama penanganan, pengeringan, dan pemanasan awal atau sampai pellet telah cukup diperkuat melalui pengeringan saat pembakaran. Pengikat yang optimal harus menghasilkan pellet berkualitas tinggi dengan biaya minimum dan memperkenalkan kontaminan sebanyak mungkin. Pengikat juga harus non-toksik, mudah ditangani, dan tidak memerlukan sistem pakan yang canggih. Penambahan bentonit dalam jumlah kecil mempromosikan ikatan melalui pembentukan ikatan keramik dan kompartikel yang lebih besar selama pengelupan bola hijau.

Kualitas pellet hijau tergantung pada parameter input seperti mineralogi, kimia, dan granulometri konsentrat bijih, parameter balling seperti ukuran partikel masukan, jumlah air yang ditambahkan selama pelletisasi, kecepatan putaran cakram, sudut kemiringan dasar cakram, dan waktu tinggal bahan dalam cakram.

Pada pellet hijau, air memainkan peran penting. Air mengaglomerasi bijih dan berfungsi sebagai cairan pengikat. Aglomerasi basah dapat ada dalam beberapa status berbeda tergantung pada jumlah air yang ada. Tingkat pengisian cairan pengikat atau saturasi cairan menjelaskan bagian volume pori yang terisi dengan cairan pengikat.

Gambar 1 Presentasi skematis berbagai status aglomerasi basah

Pada saturasi rendah, partikel dipelihara bersama oleh jembatan cair (ikatan pendular, status pendular). Pada status tegangan (funicular), kapiler yang terisi cairan dan jembatan cair bersama-sama ada. Pada status kapiler, semua kapiler terisi cairan dan permukaan cekung terbentuk di lubang pori karena gaya kapiler.

Status titik air terjadi ketika aglomerasi dipelihara bersama oleh gaya kohesi cairan. Pada status titik air palsu, rongga yang tidak terisi tetap terperangkap di dalam titik air. Ciri umum adalah bahwa pada status kapiler dan titik air, lubang kapiler cekung atau air permukaan bebas, di seluruh permukaan luar aglomenasi diharapkan. Teori kapiler untuk kekuatan aglomenasi basah kini telah terbukti.

Aditif telah digunakan untuk meningkatkan baik operasi maupun ekonomis proses pelletisasi. Kapur (CaO) dan kapur hidrat [Ca(OH)2] terbukti merupakan aditif yang bermanfaat selama produksi pellet. Sifat pellet hijau dan kering serta pellet yang telah dibakar secara signifikan ditingkatkan dengan penambahan kapur atau kapur hidrat.

Kualitas fisik dan metalurgi produk pellet secara luas tergantung pada kualitas pellet hijau, jenis dan jumlah pengikat, fluks, dan aditif yang digunakan, serta parameter pengeringan seperti kondisi pembakaran (suhu dan waktu, dll). Bahan baku pellet hijau bereaksi bersama selama pembakaran untuk membentuk dalam produk pellet fase dan mikrostruktur yang berbeda.

Jenis dan jumlah fase ini, kimia mereka, dan distribusi mereka memainkan peran penting dalam menentukan sifat metalurgi produk pellet selama reduksi dalam proses pembuatan besi yang berikutnya. Studi pellet hijau dan pengeringan konsentrat magnetit dan hematit berkualitas tinggi dengan alumina rendah telah dilakukan di berbagai belahan dunia. Namun, hasil studi ini tidak dapat diinterpretasikan secara langsung untuk bijih besi dengan jumlah alumina (Al2O3) yang lebih tinggi karena perbedaan kimia dan mineralogi. Konsentrat bijih besi dengan kandungan Al2O3 yang relatif tinggi menunjukkan karakteristik pelletisasi yang berbeda.

Sehubungan dengan pembakaran bijih hematit, lebih banyak panas yang harus disuplai dari sumber eksternal karena tidak adanya reaksi eksotermik oksidasi magnetit berikutnya:

4FeO + O2 = 2Fe2O3

Konsumsi energi yang dibutuhkan untuk produksi pellet dari konsentrat bijih hematit lebih besar daripada yang dibutuhkan untuk pelletisasi konsentrat bijih magnetit. Selain itu, pellet yang terbuat dari bijih hematit memiliki sifat pemanggangan yang buruk dan tidak mencapai kekuatan fisik yang memadai sampai suhu pemanggangan lebih dari 1300 derajat C. Teramati bahwa partikel hematit dan struktur pellet mempertahankan bentuk aslinya jika suhu di bawah 1200 derajat C. Ukuran partikel hematit tidak membesar, dan defek jaring kristal Fe2O3 tidak dihilangkan sampai suhu lebih dari 1300 derajat C. Pada suhu tinggi, jembatan penghubung awal terbentuk antara butir kristal dan rekristalisasi Fe2O3 terjadi. Namun, jika suhu pemanggangan lebih dari 1350 derajat C, maka ini berbahaya karena Fe2O3 terdekomposisi menjadi Fe3O4 seperti yang dinyatakan oleh reaksi berikut dan ini secara berakibat mengakibatkan kehilangan kualitas pellet.

6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2

Termodinamika reaksi ini menunjukkan bahwa suhu dekomposisi Fe2O3 meningkat dengan peningkatan tekanan parsial oksigen. Oleh karena itu, suhu pembakaran yang terlalu tinggi dan tekanan parsial oksigen yang rendah harus dihindari untuk mencegah dekomposisi Fe2O3. Dengan demikian, perlu untuk memelihara suhu pemanggangan yang lebih tinggi untuk pellet hematit serta rentang suhu pembakaran yang lebih sempit. Ini membuat operasi peralatan pembakaran menjadi sulit.

Untuk meningkatkan pengeringan pellet hematit, baik metode penambahan magnetit maupun metode beban karbon ditemukan menjadi teknik yang menguntungkan dalam praktik.

Dalam kasus pelletisasi bijih magnetit, ketika pellet mulai oksidasi, cangkang hematit terbuka sementara inti pellet masih magnetit. Perubahan volume termal dalam dua fase ini menunjukkan bahwa sinterisasi dalam fase magnetit dimulai lebih awal (950 derajat C) dibandingkan fase hematit (1100 derajat C). Perbedaan laju sinterisasi antara fase magnetit dan hematit lebih besar pada sekitar 1100 derajat C. Laju sinterisasi meningkat pada kedua fase dengan peningkatan kehalusan konsentrat magnetit. Oleh karena itu, penggilingan yang lebih halus pada bahan baku mempromosikan pembentukan struktur duplex yang tidak diinginkan dengan inti yang lebih teresterisasi yang terlepas dari cangkang. Pada porositas asli yang konstan pada pellet hijau, laju oksidasi menurun seiring konsentrat magnetit menjadi lebih halus, karena sinterisasi yang ditingkatkan. Namun, dalam balling praktis, bahan baku yang lebih halus memerlukan penggunaan lebih banyak air dalam balling, yang mengakibatkan peningkatan porositas pellet hijau. Dua efek berlawanan ini menyeimbangi dan waktu oksidasi menjadi konstan. Dalam kondisi proses industri, perbedaan struktur duplex masih diharapkan. Ini karena hanya oksidasi parsial yang terjadi sebelum pengeringan.

Penambahan kapur (CaO) pada konsentrat bijih besi sedikit menurunkan produktivitas pellet hijau, tetapi meningkatkan ketahanan jatuh dan kekuatan tekan pellet hijau. Selain itu, kekuatan pellet berbanding lurus dengan penyejutan yang terjadi selama pembakaran pellet. Dalam kasus pellet fluks, penambahan kapur meningkatkan penyejutan pellet dan sehingga meningkatkan kekuatan pellet. Ini disebabkan oleh interaksi antara kapur, silika, dan oksida besi yang membentuk silikat kalsium dan ferrit kalsium. Penambahan kapur mengakibatkan sinterisasi partikel halus hematit yang didukung oleh ikatan mineral sekunder yang sangat lokal di sekitar lokasi partikel kapur asli. Seiring peningkatan suhu dan konsentrasi kapur, lebih banyak escur terbentuk yang mengonsolidasikan struktur dan menurunkan porositas yang dapat diakses.

Penggunaan kapur hidrat [Ca(OH)2] memiliki pengaruh positif pada ketahanan jatuh dan kekuatan tekan pellet hijau dan kering. Juga terdapat pengaruh baik Ca(OH)2 pada kekuatan akhir pellet yang telah dibakar.

Penambahan Ca(OH)2 mengakibatkan penurunan efisiensi bentonit sebagai pengikat dengan penggantian ion natrium yang lebih efisien dengan ion kalsium, mengubahnya menjadi yang lebih kalsik dan kurang efisien, yang mengakibatkan penurunan sifat pellet. Oleh karena itu, dalam beberapa kasus tidak diinginkan untuk menambahkan lebih dari satu pengikat pada saat yang sama selama proses pelletisasi karena ini dapat mengakibatkan penurunan sifat pellet alih-alih peningkatan mereka. Setelah sejumlah Ca(OH)2 ditambahkan, beberapa peningkatan sifat pellet dicapai yang dapat diatribusikan pada efek Ca(OH)2 sebagai pengikat selama proses pelletisasi. Kinetika reduksi pellet yang mengandung 0,4 persen bentonit dan 4 persen Ca(OH)2, yang memiliki sifat fisiko-kimia tertinggi, menunjukkan bahwa reduksi pellet ini dikontrol oleh reaksi kimia antarmuka.