pengolahan bijih besi dengan blast furnace

Pengolahan Bijih Besi Dengan Blast Furnace, Tanur Tiup

Blast furnace atau biasa juga disebut dengan tanur tiup atau tanur tegak digunakan untuk mereduksi secara kimia dan mengkonversi secara fisik bijih besi yang padat menjadi logam besi yang panas. Logam besi panas disebut sebagai hot metal.

Bahan baku yang dimasukkan pada blast furnace adalah bijih besi, kokas dan batu kapur yang diumpan dari atas. Selama proses ditiupkan udara panas atau hot blast dari bagian bawah melalui tuyeres.

Dibutuhkan enam sampai delapan jam bahan baku bijih besi turun ke bagian bawah membentuk produk hot metal besi dan slag. Logam besi ini biasa disebut degan pig iron.

Blast furnace akan beroperasi secara kontinyu selama enam sampai sepuluh tahun dengan hanya berhenti untuk melakukan pemeliharaan yang telah direncanakan.

Besi oksida merupakan Bahan baku utama yang digunakan pada blast furnace yang dapat berupa bijih besi oksida seperti hematite atau magnetite, atau bijih oksida hasil olahan seperti sinter, atau pellet. Ukuran bahan baku ini adalah sekitar 50 mm.

Bijih besi dengan kandungan Besi atau Fe  yang tinggi dapat langsung dimasukkan pada blast furnace tanpa harus melalui proses pengolahan terlebih dahulu. Bijih besi yang dapat langsung digunakan adalah bijih besi yang mengadung Fe antara 50 – 70 persen.

Bijih besi dengan kandungan yang rendah, terlebih dahulu harus diproses untuk meningkatkan kandungan Fe-nya atau melalui proses benefisiasi.

Pellet dibuat dari bijih besi kadar rendah. Bijih melalui serangkai proses seperti crushing, grinding, separation, balling, dan induration. Pellet berbentuk bola-bola kecil seperti kelereng berukuran  antara 10 – 25 mm. Pellet mengadung Fe antara 64 – 67 persen.

Sinter dibuat dari bijih besi ukuran halus, ditambah sedikit kokas, batu kapur dan sejumlah bahan limbah dari pabrik baja yang mengandung besi. Bahan halus ini dicampur secara proposional untuk mendapatkan komposisi tertentu. Bahan  ini kemudian dimasukkan ke dalam sintering strand yang dipanaskan dalam furnace berbahan gas. Sebagian bahan meleleh dan menyatu membentuk sinter berukuran antara 10 – 50 mm.

Operasi Dan Proses Blast Furnace

Secara skemtika, prinsip blast furnace atau tanur tiup atau tungku tegak ditunjukkan pada gambar di bawah. Tanur terdiri dari shaft yang memiliki tinggi antara 20 sampai 30 meter. Shaft terbuat dari baja yang bagian dalamnya dilapisi dengan bata tahan api, atau refractory brick.

Bahan baku yang terdiri dari bijih, kokas dan bahan imbuh (flux) dimasukkan dari bagian atas tanur. Fungsi dari bahan imbuh yang ditambahkan adalah agar komposisi slag menjadi sesuai untuk proses blast furnace. Bahan imbuh yang digunakan umumnya adalah batu kapur (limestone), kapur bakar (lime) atau bahkan kadang ditambahkan dolomit.

Dari bagian bawah tanur, dihembuskan udara panas melalui tuyeres. Gas-gas yang terbentuk di dalam tanur keluar melalui bagian atas tanur, sedangkan lelehan logam pig iron (besi mentah) dan lelehan slag dikeluarkan dari hearth pada bagian bawah tanur. Bagian yang berbentuk kerucut terbalik (inverted cone) antara stack dan hearth disebut bagian zona bosh.

Sedangkan Reaksi-reaksi kimia yang terjadi selama proses dalam tanur dapat dilihat pada gambar.  Pada bagian atas stack, bijih besi direduksi melalui tahapan berikut:

3 Fe₂O₃ + CO = 2 Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO = 3 FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Reaksi-reaksi ini mulai terjadi ketika temperatur telah mencapai beberapa ratus derajat Celcius, namun demikian, reaksi-reaksi utama terjadi dalam rentang temperatur 700 sampai 1200 Celcius. Reaksi antara CO dengan bijih besi pada bagian atas daerah stack ini disebut sebagai reduksi tidak langsung. Di daerah ini, temperatur memang masih terlalu rendah untuk terjadinya reaksi dengan kokas.

Skematika Iron Blast Furnace, Tanur Tiup Besi Dan Reaksi Kimia

Pada aplikasi yang lebih modern, reduksi Fe₂O₃ dan Fe₃O₄  menjadi FeO selesai sebelum reduksi ke besi logam dimulai. Hal ini memberikan kondisi pemanfaatan paling efisien terhadap pemakaian CO yang terkandung dalam gas dan dicapai dengan penggunaan bijih yang reaktif dan berukuran kecil, seperti pellet. Untuk bijih yang lebih kasar dan kurang reaktif, reaksi-reaksi cenderung terjadi secara overlap dan tidak efisien.

Reaksi reduksi yang terakhir adalah reduksi dari wustite menjadi besi logam. Reduksi ini hanya terjadi setelah bijih mencapai bagian bawah dari zona stack. Pada bagian bawah stack ini temperatur telah mencapai di atas 1000 Celcius. Pada temperatur ini, reaksi permukaan kokas relatif cukup cepat sehingga dapat mereduksi wustite menjadi besi logam. Reduksi FeO dengan kokas mengikuti reaksi berikut:

FeO + C = Fe + CO

Reaksi ini biasa juga disebut dengan reduksi langsung, walaupun secara aktual terjadi melalui fasa gas. Gas CO₂ yang terbentuk dari reduksi FeO pada daerah atas stack dapat bereaksi dengan karbon untuk menyelesaikan reaksi secara keseluruhan. Oksida besi mengalami reaksi pemurnian, yang diikuti dengan pelelehan kemudian mencair dan akhirnya merembes sebagai cairan besi melalui lapisan kokas ke bagian bawah tungku

Pada bagian paling bawah furnace dihasilkan lelehan utama yaitu hot metal yang menempati lapisan bawah dan di atasnya adalah lelehan slag. Beberapa reaksi juga terjadi dalam batas tertentu mengikuti reaksi berikut:

MnO + C = Mn (lelehan) + CO

SiO₂ + 2 C = Si (lelehan) + 2 CO

Dalam jumlah yang sangat terbatas, Mangan oksida dan silika terreduksi menjadi Mn dan Si yang kemudian larut dalam hot metal. Mn dan Si merupakan bagian dari komposisi elemen yang terkandung pada hot metal.

Pada daerah bawah stack, reaksi Boudouard terjadi secara simultan mengikuti reaksi sebagai berikut:

CO₂ + C = 2 CO

Reaksi antara kokas dengan CO₂ sering disebut juga sebagai solution loss, yang berarti sebagian karbon bereaksi sebelum mencapai tuyeres. Kokas turun ke bagian bawah tungku sampai pada daerah udara dipanaskan atau tempat udara panas (hot blast) masuk blast furnace. Kokas  dipanaskan oleh udara panas dan segera bereaksi untuk menghasilkan panas sebagai berikut:

C + O₂ = CO₂ + Panas

Reaksi berlangsung dalam kondisi karbon berlebih dan terjadi pada suhu tinggi. Reaksi  ini menyebabkan karbon dioksida mengalami reduksi kembali oleh karbon menjadi karbon monoksida sebagai berikut:

CO₂+ C = 2CO

Produk reaksi ini adalah karbon monoksida yang diperlukan untuk mereduksi bijih besi seperti yang terlihat dalam reaksi besi oksida sebelumnya.

Batu kapur turun dalam blast furnace dan tetap sebagai padatan. Batu kapur ini akan mengalami reaksi pertamanya sebagai berikut:

CaCO₃ = CaO + CO₂

Reaksi ini membutuhkan energi dan dimulai pada temperatur sekitar 1600 ° F. Senyawa CaO terbentuk dari reaksi ini digunakan untuk menghilangkan belerang yang terkandung dalam besi. Sulfur harus dikurangi sebelum hot metal dibuat menjadi baja. Reaksi pengurangan sulfur ini mengikuti reaksi sebagai berikut:

FeS + CaO + C = CaS + FeO + CO

Senyawa CAS merupakan bagian dari senyawa-senyawa pembentuk terak atau slag. Terak terbentuk dari senyawa Silika (SiO₂), Alumina (Al₂O₃), Magnesia (MgO) atau Calcit (CaO) yang terkandung dalam bijih besi, pelet, sinter atau coke.

Terak cari memiliki densitas lebih rendah daripada hot metal. Terak cair lalu merebes/menetes melewati lapisan kokas ke bagian bawah tungku dan mengapung di atas besi cair karena kurang padat.

Produk lain dari proses ironmaking, selain besi cair dan terak, adalah gas panas. Gas-gas keluar dari bagian atas tungku tiup dan diproses melalui peralatan pembersih gas. Peralatan ini akan mengeluarkan partikel yang terbawa oleh gas. Kemudian  gas yang didinginkan. Gas ini masih memiliki nilai energi yang cukup tinggi. Gas ini digunakan dan dibakar sebagai bahan bakar dalam “hot blast stoves”  yang digunakan untuk memanaskan udara yang masuk ke blast furnace untuk menjadi “hot blast”.

Gas  yang tidak dibakar di hot blast stoves dikirim ke boiler house dan digunakan untuk menghasilkan uap yang memutar turbo blower untuk menghasilkan kompresi udara yang dikenal sebagai “cold blast” dan kemudian masuk ke dalam stoves.

Pustaka:

1. Tupkary, R. H., Tupkary, V. R., 2007, ” An Introduction to Modern Iron Making”, Third Edition,  Khanna Publishers, Nath Market, Nai Sarak, Delhi.
2. Rosenqvist, T., 2004, ” Principles Of Extractive Metalurgy”, Second Edition, Tapir Academic Press, Trondheim.

Gambar:

1. http://ardra.biz/sain-teknologi/metalurgi/pengolahan-bijih-besi-dengan-blast-furnacetanur-tiup