Dolomit: Teknik Pengolahan dan Peran Kritis dalam Industri Besi & Baja
Dolomit adalah mineral karbonat anhidrat. Ini adalah karbonat ganda kalsium dan magnesium (CaCO3.MgCO3). Ini adalah salah satu bahan baku penting yang digunakan dalam produksi besi dan baja.
Dolomit secara teoritis mengandung 54,35 % CaCO3 dan 45,65 % MgCO3 atau 30,41 % CaO, 21,86 % MgO, dan 47,73 % CO2. Namun, di alam, dolomit tidak tersedia dalam proporsi yang tepat ini. Oleh karena itu umumnya batuan yang mengandung dalam rentang 40 % hingga 45 % MgCO3 biasanya disebut dolomit.
Penggunaan utama dolomit dalam industri besi dan baja adalah (i) sebagai material fluks (ii) untuk perlindungan pelapis tahan api, dan (iii) sebagai material baku tahan api. Dolomit dalam industri besi dan baja biasanya digunakan dalam tiga bentuk. Ini adalah (i) dolomit mentah yang juga adalah bentuk alami dolomit, (ii) dolomit yang telah dibakar, dan (iii) dolomit yang telah disinter. Ketika dolomit digunakan sebagai material fluks maka digunakan sebagai dolomit mentah atau dolomit yang telah dibakar. Ketika dolomit digunakan untuk perlindungan refractories, digunakan dalam bentuk yang telah dibakar dan ketika dolomit digunakan sebagai material baku tahan api, digunakan dalam bentuk dolomit yang telah disinter. Penggunaan dan bentuk dolomit dalam industri besi dan baja ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Penggunaan dan bentuk dolomit dalam industri besi dan baja
Pengolahan Dolomit
Dolomit setelah pertambangan harus melalui beberapa proses sebelum dapat digunakan dalam berbagai proses. Proses dasar dalam produksi dolomit adalah (i) penambangan dolomit mentah, (ii) persiapan dolomit yang ditambang untuk digunakan dengan menghancurkan dan mensizing, (iii) calcining dolomit mentah, (iv) pengolahan lebih lanjut dolomit yang telah dibakar dengan hidrasi untuk menghasilkan hydrated dolomite jika diperlukan untuk digunakan, (v) sintering dolomit untuk digunakan sebagai material tahan api, dan (vi) operasi transfer, penyimpanan, dan penanganan lainnya. Semua proses ini mungkin tidak perlu ada di setiap pabrik.
Secara dasar tiga jenis produk dolomit digunakan dalam proses pembuatan besi dan pembuatan baja. Mereka adalah (i) produk dolomit mentah, (ii) produk dolomit yang telah dibakar, dan (iii) produk dolomit yang telah disinter. Pengolahan untuk dolomit untuk produk ini dijelaskan di bawah ini.
Proses pertama terjadi di tambang dolomit di mana bijih yang ditambang mengalami menghancurkan dan saringan untuk pemisahan fraksi ukuran yang berbeda dari bijih. Di pabrik besi dan baja, di beberapa tempat, dolomit mentah diproses lebih lanjut. Contohnya adalah pabrik sinter di mana dolomit mentah dihancurkan di hammer mills hingga ukuran -3 mm (biasanya dalam rentang 85 % hingga 90 %).
Calcination dolomit adalah proses perawatan termal untuk melakukan dekomposisi termal dari dolomit mentah dan penghilangan LOI (loss on ignition) atau bagian karbon dioksida (CO2) dari komposisinya. Proses calcination adalah reaksi endotermik dan dilakukan dalam keadaan padat. Dolomit berkualitas tinggi umumnya mengandung sekitar 40 % hingga 43 % MgCO3 dan sekitar 57 % hingga 60 % CaCO3. Ini membutuhkan sekitar 2 ton dolomit mentah untuk menghasilkan satu ton dolomit yang telah dibakar. Karena selama calcination, CO2 dihilangkan dari dolomit mentah, dolomit yang telah dibakar (i) berpori (ii) memiliki luas permukaan lebih tinggi, (iii) memiliki reaktivitas tinggi, dan (iv) higroskopis.
Ketika dolomit mentah dipanaskan, karbonat yang tersedia dalam dolomit terdekomposi sesuai persamaan berikut.
CaCO3.MgCO3 + sekitar 725 kcal panas = CaO.MgO +2 CO2
Calcination dolomit mentah adalah proses pembakaran tunggal sederhana yang dilakukan di tanur silinder atau tanur rotary. Dolomit mentah diisi ke dalam tanur dan, sambil bergerak melalui tanur, sedang terdekomposi atau calcined dalam dua langkah. Dalam langkah pertama CO2 mulai dilepaskan dari komponen MgCO3 dari dolomit dan dalam langkah kedua CO2 mulai dilepaskan dari komponen CaCO3 dari dolomit. Suhu dekomposisi bergantung pada tekanan parsial CO2 yang tersedia dalam atmosfer proses.
Dekomposisi dolomit berlangsung dalam dua tahap. Tahap pertama dimulai pada sekitar 550 derajat C ketika dekomposisi MgCO3 dimulai dan tahap kedua berlangsung pada sekitar 810 derajat C ketika dekomposisi CaCO3 dimulai. Dua tahap proses calcining ini direpresentasikan oleh persamaan berikut.
Tahap 1 – CaCO3.MgCO3 = CaCO3. MgO + CO2 (dalam rentang suhu 550 derajat C hingga 700 derajat C)
Tahap 2 – CaCO3.MgO = CaO.MgO + CO2 (dalam rentang suhu 810 derajat C hingga 900 derajat C)
Proses calcination dapat dijelaskan menggunakan potongan dolomit yang sebagian terdekomposi, di mana profil tekanan parsial CO2 dan suhu ditunjukkan pada Gambar 2. Sampel terdiri dari inti karbonat padat yang dikelilingi oleh lapisan pori. Di tanur calcining pada suhu Tgas panas ditransfer oleh radiasi dan konveksi (disebut ‘h’) ke permukaan padat pada suhu Tsurface. Melalui konduksi termal (A) panas menembus melalui lapisan oksida untuk mencapai reaksi front, di mana suhu adalah Trc. Karena enthalpi reaksi banyak kali lebih besar dari energi internal, panas yang mengalir lebih dalam ke inti adalah negibel selama reaksi. Oleh karena itu suhu inti hanya sedikit lebih rendah dari suhu front. Setelah panas disuplai, konstanta reaksi kimia (k) kemudian terjadi yang daya dorongnya adalah deviasi tekanan parsial CO2 dari keseimbangan (p-eq – p-f). CO2 yang dilepaskan difusi (Dp) melalui lapisan oksida pori ke permukaan dan akhirnya melewati konveksi (B) ke lingkungan di mana tekanan parsial CO2 p-surface ada. Sifat kimia dan fisik dolomit yang telah dibakar dipengaruhi oleh calcination yang consequently dipengaruhi oleh konduktivitas, koefisien transfer massa, dan difusivitas lapisan dolomit yang telah dibakar.
Gambar 2 Profil sampel dolomit selama calcining
Untuk calcination lengkap dolomit dan untuk tidak ada inti sisa dolomit yang tidak calcined, diperlukan bahwa panas yang disuplai ke permukaan dolomit mentah harus menembus melalui transfer panas konduktif ke inti. Suhu 900 derajat C harus tercapai di inti setidaknya untuk waktu singkat karena atmosfer di dalam material adalah CO2 murni. Permukaan dolomit mentah harus dipanaskan lebih dari 900 derajat C untuk mempertahankan gradien suhu yang diperlukan dan mengatasi efek insulasi dari material yang telah calcined di permukaan dolomit. Namun, saat menghasilkan dolomit yang telah dibakar, suhu permukaan tidak boleh melebihi 1.100 derajat C hingga 1.150 derajat C karena jika tidak re-kristalisasi CaO akan terjadi dan menghasilkan reaktivitas yang lebih rendah dan consequently properti slaking yang berkurang dari produk yang telah dibakar.
Beberapa waktu retensi atau tinggal diperlukan untuk mentransfer panas dari gas pembakaran ke permukaan dolomit mentah dan kemudian dari permukaan ke inti dolomit mentah. Potongan dolomit mentah yang lebih besar memerlukan waktu lebih lama untuk calcined daripada potongan yang lebih kecil. Secara prinsip, calcining pada suhu yang lebih tinggi mengurangi waktu retensi yang diperlukan. Namun, suhu yang terlalu tinggi secara buruk mempengaruhi reaktivitas produk. Hubungan antara suhu calcining dan waktu retensi yang diperlukan untuk berbagai ukuran dolomit mentah ditunjukkan pada Tab 1.
| Tab 1 Hubungan antara suhu calcining dan waktu tinggal |
|---|
| Sl. No. | Ukuran dolomit mentah | Suhu calcining | Waktu tinggal (perkiraan) |
|---|
| Unit | mm | derajat C | Jam |
|---|
| 1 | 50 | 1000 | 2,2 |
| | 1200 | 0,75 |
| 2 | 100 | 1000 | 8,5 |
| | 1200 | 3 |
Beberapa jenis tanur yang berbeda digunakan untuk proses calcination. Tanur ini dapat berupa tanur rotary atau tanur silinder. Jenis tanur yang akan dipilih sangat tergantung pada karakteristik dolomit mentah, tingkat produksi yang diantisipasi, biaya bahan bakar, biaya investasi, bahan bakar yang tersedia, kondisi lokal, infrastruktur dan hal lain. Secara umum, semua data termasuk uji laboratorium harus dievaluasi sebelum memilih tanur calcining.
Tanur rotary, dengan atau tanpa preheater, biasanya memproses dolomit mentah dengan ukuran material antara 10 mm dan 50 mm. Neraca panas jenis tanur ini dikategorikan agak oleh kerugian tinggi dengan gas buang dan melalui cangkang tanur. Nilai tipikal untuk kerugian gas buang berada dalam rentang sekitar 25 % dan untuk kerugian cangkang tanur berada dalam rentang sekitar 20 % dari total kebutuhan panas. Hanya sekitar 60 % energi bahan bakar yang diperkenalkan ke dalam tanur dengan preheater yang digunakan untuk proses calcining.
Dalam kasus tanur silinder tunggal vertikal, terdapat ketidakseimbangan antara panas yang tersedia dari zona calcining dan panas yang diperlukan di zona preheating. Bahkan dengan proses calcination ideal suhu gas buang mungkin lebih tinggi dari 100 derajat C. Dalam kasus tanur PFR (parallel flow regenerative), ada penggunaan yang lebih baik dari panas zona calcining dan peminjaman kehilangan panas dalam gas buang, yang menghasilkan konsumsi panas yang lebih rendah per ton dolomit yang telah dibakar.
Perbandingan data mengenai tanur yang biasanya digunakan untuk calcination dolomit dengan angka konsumsi penting dan ukuran material baku tipikal diberikan pada Tab 2.
| Tab 2 Perbandingan berbagai jenis tanur calcining |
|---|
| Jenis tanur calcining | Kapasitas tanur | Ukuran batu kapur | Konsumsi bahan bakar spesifik | Konsumsi daya spesifik |
|---|
| tpd | mm | kcal/kg | kWh/t |
|---|
| Tanur PFR persegi panjang | 100-400 | 30-120 | 810-870 | Sekitar 20 |
| Tanur PFR lingkaran | 300-800 | 30-160 | 810-870 | Sekitar 20 |
| Tanur silinder lingkaran | 200-600 | 15-200 | 910-980 | Sekitar 30 |
| Tanur silinder tunggal | 50-300 | 10-100 | 980-1100 | Sekitar 35 |
| Tanur rotary dengan preheater | 300-1200 | 10-50 | 1150-1350 | Sekitar 30 |
| Tanur rotary panjang tanpa preheater | 300-1000 | 10-50 | 1600-1700 | Sekitar 20 |
Jenis pengolahan ketiga dari dolomit terdiri dari sintering dolomit. Proses ini juga kadang disebut roasting dolomit mentah. Dolomit yang telah disinter digunakan untuk membuat produk tahan api. Dolomit yang disinter juga dikenal sebagai dolomit yang terbakar mati yang dibuat dengan memanaskan dolomit mentah pada suhu yang lebih tinggi dari 1650 derajat C dan lebih baik melebihi 1800 derajat C. Sintering dolomit mentah dilakukan dengan tujuan untuk mencapai densitas spesifik massa maksimum dan resistensi tinggi terhadap hidrasi.
Proses paling umum untuk produksi dolomit yang telah disinter adalah proses pembakaran tunggal di tanur silinder atau tanur rotary. Dolomit mentah diisi ke dalam tanur dan, sambil bergerak melalui tanur, terdekomposi dalam dua langkah. Dalam langkah pertama CO2 dilepaskan dari komponen MgCO3 dari dolomit dimulai pada sekitar 550 derajat C dan dalam langkah kedua komponen CaCO3 terdekomposi pada suhu sekitar 810 derajat C. Setelah calcination lengkap, dolomit yang telah calcined dipanaskan lebih lanjut ke suhu sintering. Pada suhu ini, porositas material yang telah calcined sebelumnya berkurang menghasilkan densitas spesifik massa yang meningkat dari produk yang vital untuk aplikasi tahan api. Angka konsumsi tipikal serta beberapa ukuran dolomit mentah baku umpan tanur dasar diberikan pada Tab 3.
| Tab 3 Parameter tipikal untuk sintering dolomit |
|---|
| Sl. No. | Parameter | Unit | Tanur silinder vertikal suhu tinggi | Tanur rotary |
|---|
| 1 | Energi termal | kcal/kg | Sekitar 1200 | Sekitar 2400 |
| 2 | Energi listrik | kWh/ton | Sekitar 65 | Sekitar 65 |
| 3 | Ukuran umpan material baku | mm | 10-50 | 5-50 |
Kinerja proses sintering sangat bergantung pada sinterability dolomit mentah, yang consequently dipengaruhi oleh karakteristik tekstural spesifik seperti komposisi kimia, kemurnian, homogenitas, asal, geneses, porositas dan struktur kristal. Selain itu, bahan bakar (seperti abu bahan bakar padat) untuk proses pembakaran dapat memiliki pengaruh yang signifikan pada kualitas produk akhir. Dalam kasus dolomit mentah dengan kemurnian tinggi, kualitas produk yang memuaskan seringkali hanya dapat dicapai dalam kombinasi dengan bahan bakar padat dengan impurities bahan bakar yang bertindak sebagai ‘penolong sintering’. Karakteristik dolomit mentah dapat mempengaruhi kualitas produk secara negatif menghasilkan densitas spesifik massa yang rendah dan tidak homogen atau resistensi yang buruk terhadap hidrasi. Salah satu parameter ini dapat membatasi aplikasi di industri tahan api, terutama jika batu bata tahan api berkualitas tinggi akan diproduksi. Hampir tidak mungkin untuk memperbaiki efek ini dengan operasi tanur yang dimodifikasi.
Tanur silinder vertikal yang digunakan untuk sintering dolomit menggunakan briquette dolomit yang telah calcined sebagai material umpan. Ini bekerja pada teknologi aliran arus berseberangan dan terdiri dari cangkang baja silindris dengan tinggi sekitar 10 m dan dilapisi dengan refractories dasar. Briquette dolomit yang telah calcined memasuki tanur melalui hopper pengisian yang diposisikan di atas tanur. Sambil melewati zona preheating di bagian atas tanur, briquette dolomit dipanaskan dari suhu ambient mendekati suhu sintering karena kontak intensif dengan gas tanur upstream yang panas.
Tanur silinder tunggal dapat dirancang untuk mencapai suhu tanur yang sangat melebihi 2000 derajat C dengan konsumsi panas spesifik terendah untuk sintering dolomit untuk produksi refractories dasar. Ini dicapai (i) dengan menggunakan prinsip aliran arus berseberangan, (ii) sistem multi-burner radial spesifik, (iii) meja pengeluaran yang beroperasi secara kontinu, dan (iv) sistem pendingin produk terintegrasi di zona pengeluaran tanur.
Tanur silinder vertikal suhu tinggi dapat sepenuhnya memenuhi kriteria kualitas sambil memenuhi persyaratan yang sulit dengan biaya produksi rendah. Juga konsep tanur memungkinkan operasi yang stabil bahkan pada kapasitas yang dikurangi. Tanur biasanya desain kompak yang memberikan kinerja yang diinginkan yang dapat diandalkan dan memastikan operasi tanur yang kontinu dan halus. Waktu retensi yang cukup pendek produk dalam kombinasi dengan paparan optimum ke atmosfer tanur menjelaskan dimensi tanur yang kecil dibandingkan dengan tingkat produksi spesifik yang tinggi. Berbagai parameter operasi dan profil suhu yang ditentukan dapat dengan mudah disesuaikan yang memberikan fleksibilitas tinggi dalam operasi tanur. Karakteristik ini digabungkan dengan konsumsi panas spesifik yang rendah serta biaya operasional dan investasi yang rendah.
Aplikasi Dolomit dalam Proses Pembuatan Besi dan Pembuatan Baja
Selama produksi besi melalui rute tanur blast (BF), dolomit ditambahkan baik dalam proses sintering atau sebagai umpan langsung di tanur blast. Dolomit mentah biasanya digunakan untuk penambahan ini. Penambahan dolomit dilakukan selama pembuatan besi untuk mendapatkan persentase MgO yang diinginkan dalam escoria BF. Penambahan dolomit melalui sinter adalah rute yang lebih disukai karena CO2 dolomit dihilangkan selama proses sintering. Dalam kasus sintering, dolomit dihancurkan hingga -3 mm (dalam rentang 85 % hingga 90 %) di hammer crushers sebelum dicampur dalam campuran sinter. Dalam kasus umpan langsung ke tanur blast, lump dolomit (ukuran 10 mm hingga 30 mm) digunakan.
Dalam kasus penambahan dolomit melalui sintering, saat ini dolomit yang telah dibakar juga langsung digunakan. Penggunaan dolomit yang telah dibakar dalam proses sintering memiliki keuntungan (i) Peningkatan karakteristik pengikat campuran sinter, (ii) peningkatan produktivitas mesin sintering, (iii) peningkatan kekuatan sinter, dan (iv) pengurangan volume gas buang dengan keuntungan yang terkait.
Kandungan silika (SiO2) tinggi dalam dolomit yang digunakan untuk tujuan sintering disukai karena SiO2 mencegah efek alumina (Al2O3) di tanur blast.
Dalam produksi besi reduksi langsung (DRI) oleh proses tanur rotary, dolomit digunakan sebagai agen desulfurisasi. Dolomit mentah digunakan dalam rentang ukuran 4 mm hingga 8 mm.
Penggunaan kedua utama dolomit adalah dalam pembuatan baja. Dalam pembuatan baja dolomit digunakan baik sebagai material fluks dan juga sebagai material tahan api. Untuk digunakan dalam pembuatan baja, kandungan SiO2 (karena sifat asamnya) dalam dolomit harus sangat rendah lebih rendah dari 1 %. Ketika digunakan sebagai material fluks, digunakan dalam bentuk yang telah dibakar. Sebagai material fluks, ia memiliki peran ganda. Dalam peran pertamanya ia adalah sumber beberapa lime (CaO) dan consequently mengurangi konsumsi lime yang telah dibakar. Namun peran kedua dari dolomit yang telah dibakar adalah peran yang lebih penting. Dalam peran ini ia digunakan untuk melindungi pelapis magnesia-carbon dari wadah pembuatan baja. Ini dilakukan dengan membuat escoria pembuatan baja yang super saturated dalam MgO pada suhu pembuatan baja.
Saat ini teknologi splash escoria digunakan secara luas untuk peningkatan umur pelapis wadah BOF (basic oxygen furnace). Dalam teknologi ini, dolomit yang telah dibakar ditambahkan ke escoria cair yang dipertahankan yang akan dilontarkan pada wadah BOF. Ini dilakukan untuk meningkatkan viskositas escoria sehingga dapat memiliki properti menempel yang lebih baik dan juga untuk meningkatkan refraktoriness escoria.
Dolomit yang telah dibakar juga semakin digunakan sebagai bagian dari escoria sintetis yang biasanya ditambahkan selama metalurgi ladle. Ini dilakukan untuk melindungi pelapis ladle terutama di garis escoria.
Ketika dolomit digunakan sebagai material tahan api, maka digunakan dalam bentuk dolomit yang telah disinter. Dolomit yang telah disinter digunakan dalam pembuatan baja untuk produksi batu bata dolomit tar, batu bata dolomit impregnasi pitch atau batu bata dolomit bonded resin untuk pelapis wadah BOF, wadah AOD (argon oxygen decarburization), dan dalam hal yang lebih kecil tanur busur listrik. Batu bata ini juga digunakan untuk pelapis ladle baja.
Refractories monolitik berbasis dolomit seperti campuran guniting juga digunakan untuk pemeliharaan refractories tanur pembuatan baja. Guniting biasanya dilakukan di daerah pelapis tahan api di mana ada aus tinggi. Refractories ini juga digunakan untuk membentuk hearth dan bank di EAF, dan untuk memelihara mereka secara rutin. Pemeliharaan daerah ini sering dilakukan menggunakan dolomit yang telah disinter dengan besi tinggi yang diterapkan secara rutin di antara heats menggunakan mesin putar. Mesin diturunkan ke dalam tanur dan menerapkan beberapa ton material fettling dalam beberapa menit di antara heats. Solusi cepat, rendah biaya ini digunakan terutama di bagian tanur di mana ada aus refractories yang cepat.
