MENGGUNAKAN REDUKTOR BED BATUBARA DENGAN METODE ISOTERMAL-GRADIEN TEMPERATUR
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penggunaan Metode Isotermal-Gradien Temperatur pada Pelet Komposit
Penggunaan metode isotermal - temperatur gradien pada penelitian ini memakai temperatur isotermal 980ºC. Temperatur ini dipilih berdasarkan penelitian Adhiwiguna[5] yang menyebutkan bahwa berdasarkan hasil TG/DTA dan XRD dari sampel campuran konsentrat pasir besi dan batubara, pada temperatur antara 900-1000ºC didapatkan proses reduksi telah berlangsung relatif sempurna untuk menghasilkan besi. Penelitian menggunakan metode isotermal-gradien temperatur yang dilakukan oleh Suryani[6] menyatakan bahwa produk hasil reduksi menghasilkan besi spons yang memiliki lubang pada bagian tengah pelet. Produk akhir yang dihasilkan juga memiliki tekstur yang padat dan keras. Di samping itu, pelet yang telah direduksi menunjukkan pola topo-chemical di mana bagian dalam pelet berwana lebih gelap dibanding lapisan luar dari pelet. Hal ini menjelaskan bahwa besi bagian luar telah menjadi logam sedangkan pada bagian dalam masih dalam bentuk oksida. Namun, pada penelitian ini didapatkan hasil yang berbeda. Produk akhir dari reduksi pelet komposit menggunakan metode isotermal-gradien temperatur menghasilkan pelet yang poros dan memiliki tekstur yang rapuh. Pada reaksi reduksi pelet komposit konsentrat pasir besi, reaksi berlangsung secara non-topochemical. Fenomena unik lain juga terjadi di permukaan luar pelet, dimana nugget logam dapat ditemukan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3b. Perbandingan hasil penelitian yang dilakukan Suryani[6] dengan penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Perbandingan pelet hasil reduksi
Perbedaan hasil ini disebabkan karena pada penelitian yang dilakukan oleh Suryani[6] digunakan pelet konsentrat pasir besi murni dengan binder bentonit, sedangkan pada penelitian ini digunakan pelet komposit yang terdiri dari konsentrat pasir besi, batubara, dan bentonit. Morfologi non-topochemical terjadi pada pelet komposit konsentrat pasir besi karena batubara yang berada di dalam pelet komposit telah teraduk secara homogen dengan pasir besi. Hal ini menyebabkan reaksi reduksi pasir besi terjadi hampir bersamaan di setiap titik di dalam pelet komposit. Tahapan yang berbeda terjadi pada reaksi reduksi pelet konsentrat pasir besi murni, di mana reaksi reduksi berlangsung secara bertahap dari permukaan luar menuju ke dalam pelet. Selama proses reduksi, batubara yang berada di dalam pelet akan kehilangan karbon, volatile matter, dan ash. Pada akhir reduksi, pelet komposit akan memiliki banyak rongga di dalamnya yang menyebabkan pelet produk akhir pada
penelitian ini memiliki struktur yang berongga dan rapuh. Di samping itu, besi metal dalam fasa liquid lebih mudah untuk menerobos keluar permukaan pelet karena adanya rongga-rongga tersebut.
Mekanisme Reduksi Pelet Komposit Konsentrat Pasir Besi
Penentuan mekanisme reduksi pelet konsentrat pasir besi dilakukan dengan uji X-Ray
Diffraction (XRD) seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4. Sampel yang dilakukan uji
XRD terdiri dari sampel konsentrat pasir besi tanpa perlakuan, sampel yang diambil keluar dari muffle furnace pada suhu 980°C, 1113°C, 1247°C, dan 1380°C. Hal ini dilakukan untuk melihat perubahan senyawa yang terjadi pada tiap tahapan dalam proses reduksi menggunakan metode isotermal-gradien temperatur.
Gambar 4. Hasil XRD tiap tahapan reduksi
Hasil analisis XRD menunjukkan bahwa mineral yang dominan pada pasir besi tanpa perlakuan merupakan magnetit (Fe3O4). Senyawa titanium tidak terbaca pada hasil XRD karena titanium masih membentuk solid-state solution dengan magnetit. Namun, ketika pelet direduksi pada suhu 980ºC, mulai terbaca senyawa titanium dalam bentuk titanomagnetite (Fe3-xTixO4). Hal ini disebabkan karena ikatan titanium dengan magnetit mulai putus. Pada suhu 980°C juga terbaca Fe metal karena adanya proses reduksi pasir besi menggunakan batubara. Pada suhu 1113°C, terbaca senyawa ilmenit (FeTiO3). Senyawa Rutil (TiO2) mulai terbaca pada suhu 1247°C, hal ini menunjukkan bahwa ikatan Ti mulai putus sepenuhnya dengan senyawa Fe.
Analisis XRD juga dilakukan pada Nugget besi dan terak untuk memahami secara lebih mendalam mengenai senyawa yang terbentuk. Hasil XRD menunjukkan bahwa pada terak masih terdapat Fe metal, TiO2, dan FeTiO3. Pada Nugget besi, senyawa yang dominan adalah Fe metal dan Fe karbida (Fe3C). Hasil analisis XRD secara keseluruhan menunjukkan bahwa pasir besi tereduksi menjadi Fe metal dan Fe3C, di mana pada pemisahan pengotor dan besi terjadi pada suhu 1380°C. Pengotor seperti TiO2 dan senyawa selain besi terdapat pada terak, sedangkan Fe metal dan Fe3C bermigrasi membentuk nugget yang terbentuk pada permukaan pelet hasil reduksi. Pada hasil uji XRD, tidak terlihat adanya puncak dari wustit dan Fe2TiO4. Hal ini disebabkan karena wustit dan Fe2TiO4 yang terbentuk langsung tereduksi dengan cepat menjadi besi metal dan ilmenit.
Secara keseluruhan, hasil perubahan senyawa yang terjadi selama proses reduksi pelet komposit pasir basi dalam penelitian ini serupa dengan penelitian yang dilakukan oleh Sun et
al[7] dan Hu et al[8] dimana perubahan senyawa yang terjadi adalah sebagai berikut:
Fe3-xTixO4→ FeO+Fe2TiO4→ Fe+Fe2TiO4→ Fe+FeTiO3→ Fe+FeTi2O5 → Fe+TiO2 Pada penelitian ini, mekanisme reduksi pasir besi dapat dilihat secara skematik pada
Gambar 5.
Gambar 5. Alur reduksi konsentrat pasir besi Hubungan Persen Metalisasi terhadap Waktu dan Temperatur Reduksi
Nilai persen metalisasi dapat diperoleh dari pembagian nilai Fe metal dan Fe total yang diperoleh dari analisis kimia melalui titrasi. Nilai persen metalisasi yang dilakukan secara triplo kemudian dihitung rata-ratanya dan juga dihitung standar deviasinya. Hubungan antara persen metalisasi terhadap waktu reduksi ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Hubungan persen metalisasi terhadap waktu reduksi
Pada Gambar 6 dapat terlihat bahwa nilai persen metalisasi cenderung untuk naik seiring dengan bertambahnya waktu reduksi. Persen metalisasi tertinggi dicapai sebesar 99,20% pada temperatur 1380ºC dengan waktu penahanan selama 20 menit yang sebelumnya diikuti dengan perlakuan reduksi 980°C dengan waktu tinggal 60 menit. Penelitian ini menganalisis pengaruh variasi waktu terhadap persen metalisasi baik itu pada waktu tinggal di temperatur awal 980°C maupun waktu penahanan ketika reduksi mencapai temperatur akhir 1380ºC. Berdasarkan Gambar 6 dapat terlihat bahwa waktu penahanan selama 20 menit ketika mencapai temperatur akhir 1380ºC memberikan pengaruh pada kenaikan nilai persen metalisasi. Namun, kenaikan persen metalisasi tersebut bukanlah kenaikan yang signifikan. Hal ini dapat dilihat dari kemiringan kurva yang landai pada selang waktu 20 menit setelah mencapai 1380ºC. Gambar 7 dapat menjelaskan pengaruh dari variasi waktu tinggal selama 20, 40, dan 60 menit pada temperatur 980ºC. Berdasarkan Gambar 7 terlihat bahwa tanpa
memperdulikan pengaruh waktu penahanan pada temperatur 980ºC, persen metalisasi pada suhu di atas 980ºC memiliki nilai yang berdekatan satu sama lain. Pada Gambar 7 juga terlihat bahwa nilai persen metalisasi pada perlakuan reduksi 980°C dengan waktu tinggal 20 menit yang diperkirakan akan memiliki nilai metalisasi yang rendah, ternyata dapat langsung mengejar nilai persen metalisasi perlakuan reduksi 980°C dengan waktu tinggal 40 dan 60 menit. Hal ini terlihat dari kemiringan grafik berwarna biru yang begitu curam pada selang 980ºC hingga 1113ºC.
Gambar 7. Hubungan persen metalisasi terhadap temperatur reduksi
Berdasarkan Gambar 6 dan Gambar 7, dapat terlihat bahwa perlakuan waktu penahanan pada 980ºC dan 1380ºC tidak terlalu berpengaruh pada persen metalisasi. Sehingga, dapat disimpulkan bahwa reduksi pada tahap temperatur gradien menuju 1380ºC lebih berpengaruh daripada reduksi isotermal dengan variasi waktu penahanan pada temperatur 980ºC. Perhitungan persen metalisasi juga dilakukan dengan perangkat lunak Factsage. Pada Gambar 8 dapat dilihat bahwa nilai persen metalisasi cenderung naik sejalan dengan naiknya temperatur. Hal yang serupa juga ditemui pada percobaan ini, baik pada variasi waktu tinggal 20, 40, dan 60 menit pada reduksi awal suhu 980ºC. Hasil yang ditunjukkan oleh perhitungan Factsage terlihat stabil pada nilai 99% dalam rentang 1000ºC-1400ºC. Hal ini disebabkan karena Factsage mensimulasikan sebuah reaksi hanya secara termodinamika tanpa memperhitungkan kinetika reaksi tersebut.
Gambar 8. Perbandingan persen metalisasi terhadap perhitungan Factsage Pemisahan Besi dengan Oksida Titanium
Pasir besi sebagai bahan baku alternatif dalam proses pembuatan besi dan baja masih memiliki beberapa aspek permasalahan dalam penentuan teknologi yang sesuai serta efisien untuk proses pengolahannya. Salah satu permasalahan yang cukup rumit adalah pemisahan besi dari unsur-unsur pengotornya. Titanium yang umumnya berada dalam bentuk titanium oksida yang merupakan salah satu pengotor dalam proses reduksi pasir besi menimbulkan
permasalahan yang cukup rumit dalam proses reduksi pasir besi. Seperti yang dituliskan pada bagian-bagian sebelumnya bahwa titanium (IV) oksida akan ikut tereduksi menjadi titanium karbida (TiC) dan titanium (II) oksida yang membuat titik leleh logam menjadi tinggi dan juga menghasilkan terak yang kental. Titik leleh logam yang tinggi membuat proses pengolahan menjadi sulit karena lelehan logam tidak dapat di-tapping serta energi yang dibutuhkan menjadi lebih tinggi untuk. Di samping itu, titik leleh logam yang tinggi membuat umur tanur menjadi tidak tahan lama, karena tanur harus mampu bekerja pada temperatur yang lebih tinggi dari biasanya.
Metode reduksi konsentrat pasir besi yang digunakan oleh Sasabe[9] menunjukkan bahwa besi dapat terpisah dari pengotornya terutama titanium oksida. Hal yang serupa juga terjadi pada penelitian yang dilakukan oleh Suryani[6] yang dilakukan melalui metode isotermal-gradien temperatur, dimana besi akan bermigrasi ke bagian permukaan luar pelet, sedangkan pengotor akan berpindah di bagian dalam pelet. Pada penelitian ini, terlihat juga fenomena yang serupa, namun besi akan terbentuk menjadi nugget di permukaan luar pelet. Pemisahan besi dengan pengotor hanya terjadi pada temperatur 1380°C yang terlihat dari penampakan fisik pelet, dimana nugget besi baru mulai terbentuk ketika temperatur mencapai 1380°C.
Hasil X-ray mapping untuk pelet komposit yang telah direduksi pada temperatur 980°C dengan waktu tinggal selama 60 menit diperlihatkan pada Gambar 9 dimana unsur besi dan titanium masih tersebar secara merata pada bagian penampang permukaan pelet. Hal ini ditunjukkan dengan warna merah muda yang mendominasi pada bagian besi dan titanium. Hasil EDX menghasilkan nilai unsur besi sebesar 49,91 % dan titanium sebesar 11,16 %.
Gambar 9.X-Ray Mapping sampel 980°C dengan perbesaran 30x
Pada temperatur 1380ºC terbentuk nugget dan terak. Hasil X-ray mapping untuk bagian terak pada temperatur 1380ºC diperlihatkan pada Gambar 10 dimana persebaran besi semakin sedikit dan didominasi oleh titanium. Besi terkonsentrasi pada satu bagian saja di bagian menuju pusat pelet. Titanium dalam bentuk oksida masih tersebar di bagian terak. Hal ini juga didukung dengan nilai EDX yang menunjukkan hasil untuk besi sebesar 24,48 % dan untuk titanium sebesar 24,36 %.
Hasil X-ray mapping untuk bagian nugget pada temperatur 1380ºC diperlihatkan pada
Gambar 11. Pada bagian nugget, hal yang terlihat merupakan kebalikan dari hasil terak. Uji
SEM-EDX pada nugget dilakukan dalam bentuk serbuk. Nugget yang diperoleh dari hasil reduksi, digerus terlebih dahulu menggunakan Ring Mill. Pada Gambar 11 dapat dilihat bahwa unsur besi tersebar dengan banyak dan merata, sedangkan persebaran titanium terlihat sangat sedikit. Hasil EDX juga menunjukkan bahwa nilai titanium sebesar 0,88 %, sedangkan nilai besi sebesar 61,12%.
Gambar 11. Hasil uji x-ray mapping sampel nugget 1380°C dengan perbesaran 200x Analisis Persen Ekstraksi dan Fe Total
Pada Gambar 12 dapat dilihat bahwa pada penelitian ini besi yang berhasil terekstrak dalam bentuk nugget yang muncul di permukaan pelet rata-rata berada pada rentang 46-67%. Adapun nilai persen ekstraksi besi paling tinggi sebesar 66,56% yang diperoleh pada perlakuan reduksi awal 980ºC dengan waktu tinggal 40 menit, yang dilanjutkan menuju suhu 1380ºC dengan penahanan selama 20 menit. Untuk memperoleh nilai persen ekstraksi besi yang lebih tinggi, diperlukan temperatur akhir reduksi yang lebih tinggi ataupun waktu penahanan pada temperatur akhir yang lebih lama.
Perhitungan neraca massa proses reduksi pelet komposit konsentrat pasir dapat dilihat pada Gambar 13. Prinsip utama neraca massa adalah massa yang masuk sama dengan massa yang keluar. Pada neraca massa di atas digunakan besi sebagai basis perhitungan. Pada neraca massa tersebut terlihat bahwa massa besi yang masuk sebesar 2,15 gram hampir sama dengan massa besi produk dari proses sebesar 2,09 gram. Berdasarkan prinsip neraca massa tersebut, maka dapat dibuat grafik persebaran besi dan pengotor dalam setiap tahap reduksi pelet komposit pasir besi. Grafik persebaran besi dengan pengotor pada tiap tahap reduksi dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 13. Neraca massa proses reduksi pasir besi komposit
Pada Gambar 14 dapat dilihat persebaran besi dan pengotor selama proses reduksi. Sebelum pelet komposit direduksi, kandungan pengotor serta karbon sebanyak 53% dan besi sebanyak 47%. Seiring dengan naiknya temperatur, volatile matter dari batubara yang berada di dalam pelet komposit menguap. Mineral-mineral oksida tereduksi yang menyebabkan ikatan dengan oksigen putus yang berakibat terhadap pengurangan massa dari pelet komposit. Hal inilah yang menyebabkan kandungan besi di dalam pelet komposit akan semakin besar, sedangkan pengotor akan semakin kecil. Pada suhu 1380ºC, ketika pelet komposit terbagi menjadi nugget dan terak, besi bermigrasi keluar permukaan pelet membentuk nugget besi. Pada Gambar 14 dapat dilihat bahwa pada bagian nugget, besi mendominasi kandungan berat sebesar 88%, sedangkan pengotor hanya tersisa sebesar 12%. Berbeda dengan bagian terak, jumlah kandungan besi dan pengotor berimbang yaitu sebesar 53% dan 47%. Hal ini sesuai dengan hasil XRD, X-ray mapping, dan perhitungan persen ekstraksi, dimana pada bagian terak masih cukup banyak terdapat besi, sehingga tahap berikutnya perlu diadakan penelitian lebih lanjut untuk memaksimalkan proses reduksi dengan metode isotermal-gradien temperatur supaya dapat dihasilkan persen ekstraksi besi yang lebih tinggi.
KESIMPULAN
Berdasarkan serangkaian percobaan dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Penggunaan metode isotermal-gradien temperatur pada pelet komposit pasir besi menghasilkan produk akhir berupa nugget besi dan terak pada temperatur 1380ºC. Reaksi reduksi yang terjadi merupakan reaksi non-topochemical.
2. Mekanisme reduksi konsentrat pasir besi terlihat dari perubahan senyawa yang terjadi selama proses reduksi, yaitu sebagai berikut: Fe3O4 → Fe → Fe3C dan Fe3O4 → Fe 3-xTixO4 → FeO +Fe2TiO4 → Fe + Fe2TiO4 → Fe + FeTiO3 → Fe + TiO2 → Fe3C + TiO2. 3. Proses reduksi lebih dipengaruhi oleh tahap reduksi gradien menuju temperatur 1380ºC
dibandingkan pada tahap reduksi isotermal di 980ºC. Hal ini terlihat dari variasi waktu tinggal pada 980ºC yang ternyata tidak memberikan dampak yang signifikan pada kenaikan persen metalisasi.
4. Proses reduksi isotermal-gradien temperatur pada pelet komposit menyebabkan besi terpisah dari oksida titanium dan pengotor lainnya. Bagian nugget didominasi oleh logam besi, sedangkan bagian terak didominasi oleh oksida pengotor dan masih terdapat besi di dalamnya. Adapun persen ekstraksi besi rata-rata pada bagian nugget diperoleh sebesar 57,63%.