Vol. 1 (2), 2006, h. 87-92
Pengolahan Pellet Bijih Besi Halus menjadi
Hot Metal
di dalam Kupola
Adil Jamali dan Muhammad Amin
UPT Balai Pengolahan Mineral Lampung – LIPI Jln. Ir. Sutami Km.15, Kec. Tanjung Bintang, Lampung
Email: [email protected]
Abstrak. Telah dilakukan penelitian pengolahan bijih besi halus menjadi hot metal atau pig iron menggunakan kupola udara panas. Tujuan dari penelitian yang dilakukan adalah penguasaan teknologi pengolahan bijih besi halus dari tambang menggunakan kupola udara panas dan peningkatan efisiensi pemakaian reduktor dari 1,1 ton/ton pig iron dalam blast furnace sebelumnya menjadi 0,775 ton/ton pig iron. Pada percobaan dengan pellet bijih besi segar terbukti bahwa operasi berlangsung lancar, dari blowing-in, tapping besi cair dan slag serta blowing-out berjalan aman. Sebanyak + 100% besi dari pellet dapat di konversi menjadi hot metal dengan rasio pemakaian bahan bakar sebesar 0,775 ton kokas/ton besi cor. Komposisi pellet dan scrap cor dalam umpan adalah 0% minimal sampai dengan 100% pellet. Besi cor yang dihasilkan termasuk jenis kelabu. Proses pengolahan pellet bijih besi halus menjadi hot metal menggunakan kupola udara panas secara teknis berhasil dilaksanakan menghasilkan hot metal atau pig iron dengan komposisi kimia yang memenuhi standar pasar dan siap digunakan sebagai bahan baku baja paduan serta slag sebagai hasil samping pengecoran yang dapat dimanfaatkan menjadi bahan baku semen, fertilizer, isolator dan sebagainya. Kata kunci: pellet bijih besi, kupola, hot metal.
Pendahuluan
Pig iron sebagai bentuk padat dari hot metal
adalah bahan baku industri pengecoran logam besi atau iron foundry yang saat ini seluruhnya masih diimpor. Sebelum krisis ekonomi 1997 dengan nilai tukar dolar Amerika yang relatif rendah, industri kecil pengecoran masih leluasa menggunakan bahan baku pig iron impor. Dengan berlipatnya nilai tukar dolar, dewasa ini industri kecil semakin sulit memanfaatkan pig iron impor.
Pig iron produksi dalam negeri jumlahnya sangat
kecil.
Pig iron dibuat dari daur ulang scrap bubutan
bahan cor. Untuk memperkuat daya saing industri kecil pengecoran yang terbukti menyerap banyak tenaga kerja, pemikiran untuk usaha pembuatan
Pig iron di dalam negeri perlu dihidupkan kembali.
Saat ini industri kecil mengandalkan bahan baku dari daur ulang scrap cor yang jumlahnya terbatas, sehingga sering kehilangan kesempatan untuk menangani pembuatan produk dalam jumlah besar. Dalam upaya menghidupkan kembali industri pig
iron, perhatian perlu diarahkan pada pabrik
Percobaan Pengolahan Bijih Besi LIPI di Lampung. Setelah berproduksi selama +7 tahun pada tahun
1. Keterbatasan penyediaan arang kayu sebagai reduktor dan belum adanya pabrik kokas di dalam negeri sebagai pengganti arang kayu. 2. Terbatasnya penyediaan bahan baku bijih
bongkah (lump ore)
3. Efisiensi bahan bakar/reduktor yang masih rendah + 1,1 ton arang kayu/ton pig iron 4. Keterlambatan scale up pabrik percobaan ke
skala industri karena terbatasnya dana investasi.
Persyaratan agar industri pig iron efisien adalah perlu adanya pabrik kokas di dalam negeri atau pabrik kokas menjadi satu paket terintegrasi dengan blast furnace plant. Hal ini karena sebagian besar biaya berasal dari kokas. Sementara itu di Indonesia pada dasarnya tidak mempunyai cadangan batu bara “coking” sebagai bahan baku pembuatan kokas. Permasalahan kokas memang komplek, lebih-lebih jika skala produksi pig iron masih rendah. Untuk sementara, diasumsikan kokas akan diperoleh dari impor, sambil berusaha meneliti penggunaan kokas briket dari batu bara lokal.
Sebagai usaha memecahkan permasalahan tersebut akan dilakukan penelitian dengan batasan masalah sebagai berikut: penelitian akan diarahkan
di atas dapat diatasi. Dari hasil studi pendahuluan, proses tersebut adalah proses pengolahan bijih besi halus menggunakan kupola udara panas.
Tujuan dari penelitian yang dilakukan adalah penguasaan teknologi pengolahan bijih besi halus dari tambang menggunakan kupola udara panas dan peningkatan efisiensi pemakaian reduktor dari 1,1 ton/ton pig iron dalam blast furnace sebelumnya menjadi 0,7 ton/ton pig iron.
Percobaan Peleburan
Bahan dan peralatan. Bahan-bahan yang
digunakan meliputi: bijih besi segar dari tambang, bentonit, batu kapur CaCO3, batu bara, scrap cor,
scrap baja, ferosilikon, bata api, semen api serta castable.
Peralatan yang dipergunakan dalam percobaan ini adalah: satu unit kupola udara panas dilengkapi dengan hoist pengumpan, blower dan penukar panas; peralatan tapping, meliputi pipa untuk
tapping, ladle penampung 400 kg, ladle penuang
30 kg dan hoist hot metal; alat-alat ukur, tekanan dan suhu; alat pembuat briket, yaitu mesin briket dan mixer; alat pembuat pellet dan hammer mill; serta alat analisis kimia untuk bahan baku dan komposisi produk.
Prosedur percobaan. Percobaan peleburan
bijih besi halus dari tambang (bijih segar)
1. Pemecahan dan penghalusan bijih besi dengan
hammer mill sampai dengan - 80 mesh.
2. Pemecahan batu bara sampai dengan - 80 mesh.
3. Pencampuran bijih besi + batu bara + pengikat bentonit dan air.
4. Pembuatan pellet di pelletizer (mesin pellet). 5. Pengeringan di udara terbuka + sinar matahari. 6. Test reduksi di laboratorium dengan muffle
furnace pada suhu dan waktu reduksi yang
bervariasi.
7. Analisis hasil reduksi untuk mengetahui proses reduksi.
8. Pengeringan pellet hingga mempunyai kuat tekan tertentu ( minimal + l kg/cm2 ) yang
mampu bertahan di kupola.
9. Peleburan di kupola dengan umpan bertahap dari 0% pellet dan 100% pellet.
10. Analisis hasil pengecoran.
Prosedur percobaan digambarkan dalam diagram alir Gambar 1, sedangkan peta alir proses sesuai simbol industri dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 1. Diagram alir proses peleburan bijih besi halus di dalam dapur kupola
Hasil dan Pembahasan
Hasil Percobaan. Percobaan peleburan pellet dalam kupola. Percobaan peleburan pellet dalam kupola dilakukan secara bertahap dari umpan pellet bijih besi 0% sampai 100%. Hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 1.
Bahan baku bijih besi, bentonit, batubara, scrap, batu kapur, ferosilikon di gudang
Bahan baku dibawa ke dapur kupola
Bahan baku digrinding/screening Bijih besi, bentonit dan batubara dibawa ke mesin mixer
Bijih besi, bentonit dan batubara dicampur di mixer
Bijih besi, bentonit dan batubara dibawa ke mesin pellet
Bijih besi, bentonit dan batubara dipelletizing
Pellet bijih besi dibawa ke penjemuran Dibiarkan angin-angin selama 1 minggu supaya kering
Penimbangan komposisi bahan baku
Dibawa ke bagian atas kupola dengan
hoist
Proses peleburan di kupola Proses pencetakan benda jadi Didinginkan 1 malam Pengecekan kualitas Tidak Ya Finishing Penyimpanan di gudang Dikirim ke pemesan
Keterangan : = penyimpanan; = pengiriman = proses ; = pengecekan kualitas
= istirahat/menunggu
Gambar 2. Peta Alir Proses (Flow Process Chart) Berdasarkan Simbol Industri. Peleburan Bijih Besi di
Tabel 1. Hasil Percobaan Peleburan Pellet Bijih Besi dalam Kupola
Bahan baku Produk Jadi (Hot metal) Jenis Jumlah, kg Jenis Jumlah, kg Scrap
Pellet bijih besi Kokas Batu kapur Ferosilikon 540 1300 840 328 30 Pillow block 1060
Hasil Analisis Kimia Produk Jadi/Hot Metal
Tabel 2. Hasil Analisis Kimia
No. Unsur Kimia Hasil, %
1. 2. 3. 4. 5. 6. Si C Mn P S Fe 1,404 3,500 0,760 0,014 0,020 94,102
Hasil Analisis Kimia Slag.
Tabel 3. Hasil Analisis Terak/Slag
No. Unsur Kimia Hasil, %
1. 2. 3. 4. 5. SiO2 CaO FeO Al2O3 MgO 44,50 39,12 0,28 5,24 0,86
Pembahasan. Percobaan peleburan pellet
dalam kupola. Pellet yang dilebur di kupola harus
cukup kuat menahan beban material di dalam kupola, gaya gesek serta suhu. Dalam percobaan ini kuat tekan pellet belum diukur, sebagai pendekatan digunakan cara “test jatuh”. Pellet dijatuhkan dari ketinggian 3 (tiga) meter ke tumpukan kokas dan scrap cor kemudian diamati persentase yang pecah.
Proses penguatan pellet dilakukan dengan pengeringan alami selama 24 jam kemudian pengeringan dengan sinar matahari selama 10 jam. Dari hasil pengamatan ternyata persentase pellet yang pecah dan tergores menjadi debu sangat kecil sehingga tidak terlihat ada perubahan dalam lubang kupola. Dari hasil penimbangan logam besi terbukti bahwa hampir 98% besi yang terkandung dalam pellet di konversi menjadi hot metal.
Dari percobaan dapat diamati bahwa produk besi yang dihasilkan cukup encer, mudah mengalir
diperoleh dengan penambahan ferrosilikon. Produk
slag umumnya berwarna hitam dan encer
menunjukan ada sebagian mengandung FeO + 0,28%. Slag yang terbentuk memiliki basisity 0,88. Dengan basisity tersebut, menunjukkkan bahwa proses di dalam kupola berlangsung lancar, umpan padatan dapat turun dengan lancar. Suhu di kupola dan cerobong normal seperti pada pengecoran
scrap/pig iron. Tapping umumnya lancar dengan
mekanisme pembukaan lubang dengan pemukulan menggunakan batang besi dan palu. Pembukaan dengan oksigen hanya pada akhir tapping dan selanjutnya karena teknik penutupan lubang yang tidak tepat. Jadi bukan karena penurunan suhu. Suhu hot metal cukup baik tidak berbeda dengan operasi peleburan scrap/pig iron.
Rasio bahan bakar atau reduktor adalah sebesar 0,775 ton kokas/ton hot metal. Dari pengamatan rasio ini masih dapat diturunkan lagi. Sesuai target akan diturunkan menjadi 0,7 ton/ton pada percobaan selanjutnya. Selain itu agar ekonomis akan digunakan reduktor briket batu bara sebagai pengganti kokas. Blow-out pada akhir operasi dan pembukaan tutup bawah kupola dapat dilakukan dengan lancar dan kupola telah siap beroperasi kembali.
Pada akhir blow-out masih tersisa kokas yang cukup banyak sehingga suhu cerobong kupola meningkat. Hal ini dapat diatasi dengan penurunan rasio kokas dan penentuan akhir operasi yang tepat sehingga setelah tapping terakhir tidak perlu ditiupkan blower lagi tetapi langsung dibuka tutup bawah kupola.
Jadi secara teknis percobaan ini telah berhasil melebur pellet bijih besi menghasilkan hot metal yang memenuhi syarat jika dicetak menjadi pig iron. Percobaan selanjutnya diarahkan untuk peningkatan efisiensi bahan bakar sehingga prosesnya lebih ekonomis.
Jumlah scrap dalam umpan adalah 540 kg, sedangkan pellet bijih besi yang dimasukan 1300 kg. Dalam perhitungan ideal, 1300 kg pellet bijih besi menghasilkan besi = 1300 kg x 0,75 x 0,58 kg = 565,5 kg. Besi dari scrap 96% jadi hot metal = 0,96 x 540 kg = 518,4 kg. Jadi besi yang diharapkan menjadi hot metal = 565,5 + 518,4 = 1083,9 kg. Hasil penimbangan besi yang tercetak dan tidak tercetak/scrap hasil peleburan = 1060 kg. Jadi tingkat perolehan = 1060 100%
1083,9 = 97%. Dari hasil analisis komposisi kimia hot metal (Tabel 2) dapat dilihat bahwa hasil pengecoran hot metal berjenis kelabu dan dapat digunakan menjadi
bahan dasar pembuatan baja paduan. Dari hasil analisis komposisi kimia terak/slag (Tabel 3) bahwa terak tersebut dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan semen, keramik, fertilizer, dan sebagainya dikarenakan sifat slag yang glassy (kandungan SiO2 tinggi).
Proses peleburan bijih besi halus dari tambang di dalam kupola dapat disejajarkan dengan proses yang terjadi di blast furnace dengan sedikit perbedaaan dari segi kinetika reaksi. Di dalam
blast furnace, bijih besi atau besi oksida direduksi
oleh karbon dioksida (CO) yang terbentuk sebagai hasil perubahan karbon dalam lingkungan reduksi.
Agar dapat dilebur dalam kupola yang relatif lebih pendek dari blast furnace, waktu reaksi harus dipercepat dari 6 – 7 jam menjadi 1/2 jam maksimal. Percepatan reaksi diperoleh dengan cara memperpendek difusi CO, yaitu menyediakan ruang reduksi di dalam pellet yang menyebar lebih banyak. Bijih besi halus dicampur dengan karbon (dari batu bara, kokas halus) kemudian dicampur pengikat (bentonit) lalu dibuat pellet. Dengan pemanasan >1000C karbon akan bereaksi menjadi CO yang langsung bertemu dengan bijih besi di sebelahnya sehingga terjadilah reaksi reduksi.
Di dalam pellet, reduksi ini merupakan reaksi yang sekunder. Mekanisme reaksi yang utama merupakan reaksi reduksi langsung oksida besi oleh karbon. Suhu reaksi yang lebih tinggi >1200C juga dimungkinkan sehingga reaksi besi lebih cepat. Sebagai gambaran reduksi dalam pellet campuran dapat dilihat pada Gambar 3.
Reduksi pellet bijih besi di dalam dapur kupola: - di dalam pellet, reaksi utama
Fe2O3 + 3C 2FeO + 3CO
- reaksi sekunder
Fe2O3 + 3CO 2FeO + 3CO2
Dengan perkataan lain proses fisik difusi yang lambat dipercepat dengan proses mekanik yaitu penghalusan bijih dan reduktor serta pencampuran dan pembuatan pellet. Dengan cara ini maka bijih pellet – campuran dapat dilebur dalam kupola udara panas dengan waktu tinggal kurang dari 1/2 jam.
Perhitungan Tekno-Ekonomi. Hot metal hasil
pengecoran selanjutnya dicetak menjadi produk jadi contohnya seperti pillow block. Perhitungan teknoekonomi dari percobaan ini diuraikan pada Tabel 4.
Gambar 3. Kinetika reduksi pellet bijih besi yang mengandung karbon di dalam dapur kupola
Tabel 4. Data Output dan Input Pengecoran Pellet Bijih Besi di Kupola Deskripsi Kuantitas Harga Satuan(Rp) Nilai Total(Rp) OUTPUT - Pillow block 1060 kg 6.500 6.890.000 OUTPUT TOTAL 6.890.000 INPUT MATERIAL - Bijih besi - Batubara - Bentonit - Scrap cor - Kokas Batu Kapur Ferrosilikon
INPUT TENAGA KERJA Pekerja langsung INPUT ENERGI Energi listrik INPUT FINISHING - Biaya penghalusan 1300 kg x 75% 1300 kg x 20% 1300 kg x 5% 540 kg 840 kg 328 kg 10 kg 8 orang x 1 shift 8 jam x 1 shift 1060kg 250/kg 300/kg 400/kg 2500/kg 3000/kg 100/kg 14.000/kg 25.000/orang 12.500/jam 2000/kg 243.750 78.000 26.000 1.350.000 2.520.000 32.800 140.000 200.000 100.000 2.120.000 INPUT TOTAL 6.810.550
Produktivitas total = Output total 6.890.000 Input total 6.810.550 = 1,01167
Nilai produktivitas total sebesar 1,01167 dapat diinterpretasikan bahwa setiap penggunaan input total sebesar Rp. 1 juta akan mengalami output sebesar Rp. 1,01167 juta. Dalam arti setiap penggunaan uang sebesar 1 juta, kita akan
Kesimpulan
Dari percobaan yang dilakukan, hasil peng-amatan dan pembahasan dapat disimpulkan bahwa:
1. Proses pengolahan bijih besi halus menjadi
hot metal menggunakan kupola udara panas
secara teknis dan ekonomis berhasil dilak-sanakan menghasilkan hot metal atau pig
iron.
2. Pada percobaan dengan pellet bijih besi segar terbukti bahwa operasi berlangsung lancar, dari blowing-in, tapping besi cair dan slag serta blowing-out berjalan aman. Sebanyak +97% besi dari pellet dapat di konversi menjadi hot metal dengan rasio pemakaian bahan bakar sebesar 0,775 ton kokas/ton besi cor. Komposisi pellet dalam umpan adalah 0% minimal sampai dengan 100% pellet. Besi cor yang dihasilkan termasuk jenis kelabu. 3. Secara ekonomis, produktivitas total
diperoleh adalah 1,01167 yang berarti bahwa dalam penggunaan Rp. 1 juta memperoleh keuntungan Rp. 11.670.
Pustaka
1. Kitaev, B.I.; Yurosinko, Yu.G.; Suckov, V.P. Heat Exchange in Shaft Furnace. 1st ed Pergamon Press:
Oxford, 1967.
2. Biswas, A.K. Principles of Blast Furnace Iron Making. Cootha Publishing House: Brisbane, 1981. 3. Voest – ALPINE Industrieanlagenbau. Finmet – the
DR I – technology for the New Millenium dalam Prosiding Seminar Sehari Bidang Logam Masyarakat Material Indonesia, 2000.
4. Tennies, W.L.; Lepinski, J.A.; Kopfle, J.T. The Midrex RHF Process A Simple, Economic Iron making option, SEAISI Indonesia Seminar on Altenative Iron – making technologies, 1990. 5. Goksel, M.A.; Weiss, F.J.; Kaiser, F.T. Production
of Hot Metal from Carbon – bearing Iron Oxide Pellets by the pelletech (PTC) Process. Iron and Steel Engineers, 1986, 34–40.
6. Peters, A.T. Ferrous Production Metallurgy. John Willey and Sons: New York, 1982.
7. Gaspersz, V. Manajemen Produktivitas Total. Gramedia Pustaka Utama: Jakarta, 1998.
8. Sritomo Wignjosoebroto. Pengantar Teknik Industri. PT. Guna Widya: Jakarta, 1993.
