Teknik Aglomerasi Bijih Besi: Tinjauan Sejarah
Proses Aglomerasi Bijih Besi dan Perkembangan Sejarahnya
Ada empat jenis proses aglomerasi yang telah dikembangkan (Fig 1). Mereka adalah (i) briquetting, (ii) nodulizing, (iii) sintering, dan (iv) pelletizing.
Fig 1 Proses aglomerasi
Briquetting adalah proses paling sederhana dan paling awal diterapkan. Bijih besi berbutir halus ditekan menjadi briquette berbentuk bantal dengan penambahan air atau pengikat lain di bawah tekanan kompresi mekanis tinggi. Dalam proses nodulizing, debu atau konsentrat bersama bahan karbon ditetapkan melalui kil rotary miring yang dipanaskan dengan gas atau minyak. Suhu di dalam kil cukup untuk melembutkan tetapi tidak cukup tinggi untuk melelehkan bijih. Nodul sangat bervariasi dalam komposisi dan terlalu padat, bersifat escoria, kurang porositas yang diperlukan dan oleh karena itu proses ini tidak bisa mendapat dukungan yang besar. Briquetting dan nodulizing adalah proses pengikat dingin dan sebagian besar digunakan untuk daur ulang limbah bijih besi yang dipulihkan di pabrik baja. Sintering dan pelletizing adalah proses yang paling penting untuk produksi besi.
Selama 2014, menurut World Steel Association, produksi besi dapur tinggi dan besi reduksi langsung adalah 1183 juta ton dan 73 juta ton masing-masing. Sebagian besar produksi ini berasal dari bijih besi dalam bentuk sinter dan pellet. Sementara bahan baku yang diinginkan untuk besi dapur tinggi adalah sinter dan/atau pellet, untuk besi reduksi langsung adalah pellet saja. Meskipun data produksi yang akurat untuk sinter dan pellet tidak dikompilasi, tetapi produksi dunia sinter dan pellet bersama-sama dapat diperkirakan dengan aman lebih dari 1300 juta ton per tahun untuk mendukung produksi besi sebesar 1256 juta ton.
Sejarah Sintering Bijih Besi
Secara historis, bahan baku untuk dapur tinggi dunia adalah bijih lump alami. Dalam penambangan bijih besi, jumlah besar dihasilkan. Debu ini karena tidak dapat digunakan di dapur tinggi dibuang. Kehabisan endapan bijih lump berkualitas tinggi memaksa pengembangan sintering dari debu yang dihasilkan agar dapat digunakan di dapur tinggi. Kehabisan endapan bijih lump berkualitas tinggi juga memaksa eksplorasi bijih grade rendah yang memerlukan penggerusan halus untuk konsentrasi. Micro fines dari konsentrat berkualitas tinggi ini harus diaglomerasi untuk penggunaan di dapur tinggi dan ini telah mengarah pada pengembangan proses pelletizing. Agregat ini, pada gilirannya, secara tajam meningkatkan kinerja dapur tinggi dan mengarah pada pergeseran besar dalam beban dapur tinggi.
Tengah abad ke-19, pot sintering kecil digunakan untuk dibuat di pertambangan tembaga di Inggris. Asal proses sintering kembali ke tahun 1887 ketika F. Haberlein dan T. Huntington dari Inggris menemukan proses aglomerasi untuk sintering bijih sulfida. Dalam proses ini, sintering dilakukan dengan kandang sintering ditiup udara dari bawah ke atas. Proses ini juga dikenal sebagai proses sintering up-draft. Proses ini dipatenkan pada 11 April 1905 (Patent no. 786814). Metode pot sintering yang digunakan ditunjukkan dalam Fig 2.
Fig 2 Metode pot sintering
Pada tahun 1902, W. Job menemukan sintering pyrite cinder dan bijih besi debu dengan penambahan batu bara dan angin ditiup melalui kandang dari bawah ke atas (paten Jerman nomor 137438). Pada tahun 1905, EJ Savelsberg mengembangkan proses sintering bijih besi dengan campuran sintering yang mengandung batu bara dan arang cinder (paten Jerman nomor 210742). Pada tahun 1906, AS Dwight dan RLloyd keduanya dari USA menemukan mesin sintering jenis sabuk untuk sintering vakum. Pada tahun 1909 Von Schlippenbch menemukan mesin sintering jenis rotary (paten Jerman nomor 226033). Pada tahun 1913, W. Barth merancang sabuk sintering untuk operasi dengan angin ditiup dari bawah ke atas (paten Jerman 276424). Pada tahun 1914, JE Greenawalt diberikan paten (paten AS nomor 1103196) untuk pans miring persegi panjang untuk sintering vakum. Jenis sirkular mesin sintering ditemukan pada tahun 1930 oleh VA Sakharnov.
Proses Huntington dan Haberlein adalah metode terbaik untuk sintering sebelum paten Dwight Lloyd nomor 882517 pada 17 Maret 1908. Proses ini mampu menghasilkan beberapa material sinter, tetapi massa produk tidak memuaskan dalam komposisi dan mahal untuk ditangani. Ini dihasilkan dalam pot besar, di mana ton bijih dicampur dengan kapur dibakar dengan draft yang dipaksa ke atas melalui material. Dalam kondisi ini produk seragam tidak dapat dihasilkan. Bagian bawah muatan, akibat tekanan yang diimpos oleh berat material yang ditumpuk di atasnya, tereduksi menjadi escoria nonporous, dan sementara di bagian atas muatan kuantitas besar debu tetap tidak disinter karena agitasi partikel bijih yang disebabkan oleh arus udara yang naik ke atas. Material yang tidak disinter memerlukan pengolahan ulang dan massa besar material nonporous yang sepenuhnya dilelehkan tidak dapat digunakan di dapur tinggi hingga dipecahkan, dengan biaya besar, dan bahkan kemudian tidak memuaskan, karena struktur fisik dan kimia mereka.
Proses pemanggangan pot yang kaku dari Huntington dan Haberlein tidak dapat dibandingkan dengan proses yang dibuka oleh paten Dwight Lloyd nomor 882,517. Proses yang dijelaskan dalam paten ini menghilangkan berbagai tingkat tekanan di seluruh massa, dan mempertahankan partikel bijih dalam keadaan diam selama pembakaran. Cara dengan yang ini dicapai adalah sederhana, tetapi efektif. Tekanan di seluruh massa dihindari dengan memproses bijih dalam lapisan tipis. Kesepian partikel selama pembakaran dicapai, baik dengan menggunakan draft bawah dengan nyala di permukaan atas, dalam hal ini agitasi partikel dicegah oleh wadah tempat mereka terkandung dan tekanan draft bawah, atau, jika draft atas digunakan, dengan menggunakan layar untuk mempertahankan kesepian partikel di dekat permukaan atas. Dalam porositas, friabilitas, dan struktur kimia produk sinter dari Dwight Lloyd cukup ideal untuk pengolahan di dapur tinggi, dan proses mereka lebih baik dari metode apa pun dalam seni sebelumnya untuk mempersiapkan bijih halus untuk pengolahan di dapur tinggi.
Mesin operasi pertama menurut metode ini dikembangkan oleh Arthur Smith Dwight (1864 – 1946) dan Richard Lewis Lloyd pada Juni 1906 di tambang tembaga di Cananea built, Mexico dan 1907 paten yang sesuai. Pada tahun 1908 Dwight Lloyd memasang alat sintering di pabrik Ohio Colorado Smelting Company di Salida, Colorado. Alat ini adalah mesin tipe kontinu, di mana kandang bijih terus bergerak di bawah igniter dan melintasi kamar seksi, yang mempertahankan draft bawah selama proses sintering. Produk sinter secara otomatis dibuang oleh mesin setelah material telah dinyalakan, melintasi kamar hisap, dan disinter.
Sebelum tahun 1910, JE Greenawalt, yang adalah metalurg dengan pengalaman yang cukup, terlibat dalam studi proses untuk desulfurisasi bijih sulfida. Dalam pekerjaannya ia menemukan penggunaan hearth porous, di mana bijih dipanggang di bawah draft bawah udara, menghasilkan desulfurisasi yang efisien, dan bahwa draft bawah dapat dimanfaatkan untuk menyimpan elemen volabel bernilai dalam produk pembakaran, biasanya dibawa keluar melalui tumpukan dapur. Ia telah mencatat efek sintering dari proses ini pada bijih yang sedang diproses, tetapi bukan tujuannya untuk menghasilkan sinter, dan dalam pengembangan proses pemanggangan usahanya adalah untuk mencegah sintering, yang menghalangi desulfurisasi yang lengkap. Untuk tujuan ini, dalam dua paten draft bawahnya, Nos. 839,064 dan 839,065 (18 Desember 1906), ia menggunakan rabbles.
Greenawalt mengembangkan alat sintering intermiten berdasarkan draft bawah yang dipasang di Modern Smelting Refining Company, di Denver, Colorado sekitar tahun 1909. Proses Greenawalt ditemukan oleh Greenawalt beberapa bulan di depan Proses Dwight Lloyd. Ciri-ciri proses ini adalah kebocoran udara yang sangat sedikit dan dasar pot terbuat dari grate atau plat baja berlubang. Pemberian dan igniter furnace dapat digerakkan dengan sinter biasanya terjatuh karena rotasi pot di atas hopper. Mesin ini terdiri dari pan yang dipasang pada trunnion, di mana material disinter, downdraft dipertahankan oleh kamar hisap di pan di bawah kandang di mana bijih disinter. Produk sinter dibuang dengan memutar pan pada trunnion-nya, ketika diisi ulang dan proses diulang. Proses ini dipasang untuk sintering flue dust dapur tinggi. Ini adalah pabrik sintering komersial pertama dari proses Greenawalt. Greenawalt mematenkan proses ini dan sejak tahun 1910, alatnya telah digunakan secara luas dalam pengolahan bijih sulfida dan sejak tahun 1912 dalam pengolahan bijih ferrous.
Proses sintering Dwight Lloyd dengan draft bawah menjadi populer dan sebagian besar sinter yang dihasilkan saat ini adalah dengan proses ini. Dua penemu, yang mendirikan pada tahun 1907 "Dwight and Lloyd Metallurgical Company" di New York, tidak hanya membangun sejumlah besar pabrik ini sendiri, tetapi melisensikan proses di dunia, di antaranya di pabrik manufacturer Lurgi. Mesin pertama yang menyinter bijih besi proses Dwight-Lloyd dibangun pada tahun 1910 di Amerika Serikat. Pabrik sintering Dwight-Lloyd pertama di Jerman dibangun pada tahun 1917.
Meskipun sejumlah besar perbaikan telah dilakukan sejak itu dalam desain mekanis mesin dan dalam proses sintering bijih besi, masih prinsip dasar proses tetap sama.
Sejarah Pelletizing
Pelletizing berbeda dari sintering karena pellet mentah yang tidak dibentuk dan dibakar dibentuk lalu diharden dengan pemanasan. Selama pengembangan proses sintering, upaya awal adalah dalam arah perbaikan lebih lanjut proses untuk menggunakan bijih micro fines. Ini telah mengarah pada pengembangan proses yang merupakan alternatif untuk sintering. Proses ini disebut proses pelletizing. Di Swedia dan Jerman, penggunaan jumlah besar debu dalam campuran sinter menghasilkan produktivitas terbatas, dan dengan itu membawa fase pertama dari perkembangan dalam proses pelletizing. Paten pertama pada pelletizing diberikan kepada AG Andersson dari Swedia pada tahun 1912 (Patent nomor 35124) dan pada tahun 1913 kepada CA Brackelsberg di Jerman. Sebuah pabrik pilot pellet dengan kapasitas 120 ton per hari dibangun pada tahun 1926 untuk Krupp di pabrik baja Rheinhausen. Pabrik ini dibongkar pada tahun 1937 untuk memberi ruang pada pabrik sinter besar.
Fase kedua dari perkembangan proses pelletizing terjadi di AS. Rumah tangga utama dari teknik ini dan sumber dari mana aliran perkembangan modern yang sukses telah muncul adalah Mines Experiment Station di University of Minnesota, AS. Selama tahun 1940-an, peneliti di stasiun ini di bawah arah Dr. EW Davis dan rekan-rekannya memeriksa masalah pemanfaatan bijih besi grade rendah Minnesota. Perhatian khusus diberikan pada batu feruginous di dekat bijih utama dari Mesabi Range. Bijih grade rendah ini (25 % hingga 30 % Fe) sangat keras dan aus secara luar biasa dan dikenal secara lokal sebagai 'taconites'. Bijih ini adalah bahan asli dari mana bijih hematit berkualitas tinggi Mesambi telah berevolusi oleh pelurihan dan oksidasi alami. Mineral besi yang dapat dipulihkan adalah magnetit yang terdistribusi halus dan bijih harus digerus hingga sekitar 80 % ukuran - 325 mesh untuk pembebasan, konsentrat yang mengandung sekitar 65 % besi dan 8 % silica.
Pada tahun 1945 penelitian dan pengembangan di Stasiun telah membuat kemajuan yang signifikan. Di sini tidak hanya teknik konsentrasi yang menjanjikan telah berevolusi tetapi juga cara baru telah diselidiki untuk menggunakan konsentrat yang sangat halus yang dihasilkan. Konsentrat basah dibentuk bola dalam tabung berputar lalu diharden dengan perlakuan panas yang sesuai di kil poros. Pellet keras (sekitar 15 mm hingga 25 mm diameter) dianggap sebagai bahan masukan dapur tinggi yang cocok dan tes selanjutnya di dapur tinggi eksperimen kecil mengesankan. Hasil ini menarik perhatian produsen besi di seluruh dunia dan menginspirasi pekerjaan yang sangat energik dan sukses di Swedia. Di AS, perusahaan baja dan bijih melihat dalam teknik ini cara untuk memperpanjang sumber bijih yang kaya tetapi menipis Minnesota dan Michigan dengan membuat material yang sebelumnya tidak dapat digunakan tersedia. Perusahaan baru dibentuk untuk mengeksplorasi kemungkinan ini, dan penelitian ditingkatkan. Pada tahun 1949, secara umum disetujui di AS dan di Swedia bahwa cara terbaik untuk membuat bola dari konsentrat adalah dalam tabung berputar, tetapi pendapat terbagi pada metode perlakuan panas.
Penting bahwa alat yang digunakan, apapun bentuknya, harus (i) memberikan kontrol suhu yang ketat, (ii) membutuhkan jumlah bahan bakar minimum, yaitu harus merekuperasi panas geser, (iii) memiliki operasi yang relatif bebas masalah dan andal, dan (iv) memiliki keluaran unit yang memadai.
Awalnya, kil poros vertikal digunakan secara eksklusif dalam penelitian pabrik pilot, bola lembab konsentrat diisi di atas dan bergerak ke bawah melawan aliran gas panas yang naik yang pertama mengeringkannya, lalu meningkatkan suhu mereka ke wilayah pengkerasan. Pellet keras ditarik dari dasar kil.
Pekerjaan Davies mencapai puncaknya pada tahun 1943 ketika pellet eksperimen dibakar di dapur poros. Setelah Perang Dunia II, pada tahun 1947, unit eksperimen serupa dibangun di Swedia. Pada tahun 1950-an, jelas bahwa pelletizing adalah metode aglomerasi bijih halus yang ekonomis. Pabrik pelletizing pertama dirintis di Swedia di mana pellet dibakar di dapur poros dengan kapasitas 10 hingga 60 ton per hari.
Meskipun proses ini secara intrinsik sederhana, dan oleh karena itu menarik, terbukti dalam praktik memiliki beberapa fitur yang kesulitan. Di antara kesulitan yang paling akut pada awal tahun 1950-an adalah (i) kesulitan untuk mendapatkan distribusi gas yang merata, (ii) kesulitan untuk mendapatkan penurunan stok yang merata, perlakuan pellet yang seragam dan pembuangan produk yang bebas masalah, (iii) kesulitan untuk mendapatkan output yang tinggi dari satu unit, dan (iv) ketidakpastian tentang 'scaling-up' dan bentuk kil yang paling sesuai.
Masalah-masalah ini menyebabkan Reserve Mining Company di AS mencari jalan lain. Garis kemajuan baru berawal dari 'Lepol kiln process', yang digunakan di industri semen. Proses ini, yang dikembangkan di Eropa, terdiri dari unit pembentukan bola yang menyediakan sabuk bergerak di mana bola-bola dikeringkan dan sebagian diharden. Sabuk mengeluarkan ke dalam kil berputar di mana proses pembakaran diselesaikan gas panas dari kil dibalik ke sabuk tempat mereka melakukan fungsi pengeringan dan pengkerasan yang baru disebutkan.
Mitchell telah melaporkan bahwa Dr. Lellep dari Perusahaan Allis-Chalmers menyarankan bahwa drum pembentukan bola dan sabuk mungkin dapat digunakan untuk menghasilkan pellet yang dibakar dari konsentrat magnetit halus. Jika susunan seperti itu dapat dirancang untuk mengering dan membakar pellet dan untuk merekuperasi panas geser produk, mungkin dapat menyelesaikan masalah aglomerasi magnetit halus dengan relatif murah.
Penelitian dilanjutkan di laboratorium Allis-Chalmers dengan hasil yang mengesankan, dan pada tahun 1954 Reserve Mining Company menyediakan mesin eksperimen 1.000 ton per hari berdasarkan prinsip-prinsip ini, tetapi dirancang secara mekanis pada garis mesin sinter oleh Perusahaan Arthur G. McKee. Pellet dikering dengan menyemburkan panas ke atas melalui kandang, lalu diharden dengan menarik gas panas ke bawah dari dapur khusus. Pengaturan dibuat untuk mendinginkan pellet ini di strand dan panas yang direkuperasi digunakan untuk mengering bola basah di ujung pemasukan, sehingga mengurangi konsumsi bahan bakar. Pengalaman operasi yang berguna diperoleh dan setelah beberapa bulan percobaan manajemen Reserve memesan (April 1954) untuk desain enam mesin besar untuk dipasang di Silver Bay, di tepian barat Danau Superior.
Perusahaan lain, however, terus melanjutkan pengembangan proses kil vertikal, lagi-lagi untuk konsentrat magnetit, dan kemajuan mereka juga memaksa pembangunan beberapa instalasi besar: Pabrik Erie Mining Company di Hoyt Lakes, yang terbesar dari jenisnya, dirintis pada tahun 1957 dan mencakup 24 dapur poros vertikal.
Pada tahun 1950-an, oleh karena itu, baik kil poros vertikal maupun mesin sabuk bergerak sedang dikembangkan dan diterapkan pada pelletizing konsentrat magnetit halus. Konsentrat magnetit relatif mudah dipeletkan. Partikel berbentuk butiran (bukan seperti plat) dengan luas permukaan yang tinggi, dan dengan permukaan yang tidak terkontaminasi oleh agen flotation. Jika diobati dengan benar mereka oksidasi saat pembakaran, memberikan pelepasan panas yang berguna. Oksidasi juga terkait dengan pertumbuhan butir dan rekristalisasi yang berkontribusi pada pengembangan kekuatan akhir yang diperlukan. Namun, tidak semua konsentrat ferrous adalah magnetit. Di bagian Michigan ada endapan jaspilite yang besar di mana mineral besi adalah hematit specular yang terbagi halus. Bijih ini disebut sebagai counterparts Michigan dari Minnesota taconites, tetapi mineral besi dapat dipulihkan dengan metode flotation dan gravitasi, bukan dengan konsentrasi magnet.
Konsentrat hematit seperti ini mempresentasikan masalah khusus dan eksploitasinya telah menjadi perhatian utama dari Perusahaan Cleveland Cliffs Iron. Pada tahun 1956 mereka memulai operasi di Eagle Mills (Michigan) dengan mesin sabuk, tetapi sejak saat itu dua pabrik besar yang sangat berhasil telah dibangun menggunakan sistem kil sabuk, ini adalah proses Lepol secara keseluruhan yang diterapkan secara langsung pada masalah bijih besi. Sistem ini telah dikembangkan oleh Allis-Chalmers dan pabrik-pabrik itu sendiri telah dirangka dan dibangun oleh Perusahaan McKee. Secara umum dapat dikatakan bahwa proses Lepol (pengeringan dan pemanasan sebelumnya di sabuk dan pengkerasan di kil) telah terbukti sangat berhasil dengan konsentrat hematit (yang tidak memiliki keuntungan dari panas oksidasi eksotermik) sementara untuk magnetit 'straight grate' atau poros vertikal adalah alat yang biasa digunakan.
Pelletizing bijih besi adalah metode asal Swedia, dipatenkan pada tahun 1912 oleh AG Andersson (Yamaguchi et al., 2010). Proses ini dikembangkan di AS pada tahun 1940-an, dan pabrik komersial pertama mulai operasi di Babbitt, Minnesota pada tahun 1952. Pabrik pellet bijih besi pertama tipe kil sabuk didirikan di Humboldt Mine, Michigan pada tahun 1960. Allis-Chalmers (perusahaan pendahulu Metso) sejak saat itu telah membangun sekitar 50 pabrik seperti itu. Namun, sangat sedikit dari pabrik lama yang dibangun sebelum 1975 yang masih digunakan. Konstruktor lain dari pabrik kil sabuk adalah Kobe Steel, yang membangun pabrik pertamanya pada tahun 1966 di Kobe Works, Nadahama, dan sejak saat itu telah membangun lebih dari sepuluh pabrik, sebagian besar masih digunakan.
Sejak tahun 2000, proses kil sabuk yang dikembangkan oleh Shougang Group telah dengan cepat diadopsi di China. Pendirian pabrik kil sabuk baru di China sangat menonjol dalam dekade terakhir, dengan munculnya fabrikator baru seperti Jiangsu Hongda dan Citic. Ada peningkatan eksponensial sejak tahun 2000, yang didorong terutama oleh instalasi di China.
