1
TUGAS AKHIR – TL 141584
ANALISA PENGARUH KOMPOSISI BATU
KAPUR TERHADAP KADAR Fe DAN
DERAJAT METALISASI PADA PROSES
REDUKSI BESI OKSIDA DALAM PASAR BESI
Farid RizalNRP. 2713 100 041
Dosen Pembimbing
Sungging Pintowantoro, S.T.,M.T.,Ph.D Fakhreza Abdul, S.T., M.T
DEPARTEMEN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
TUGAS AKHIR – TL141584
ANALISA PENGARUH KOMPOSISI BATU KAPUR TERHADAP KADAR Fe DAN DERAJAT METALISASI PADA PROSES REDUKSI BESI OKSIDA DALAM PASIR BESI Farid Rizal NRP 2713 100 041 Dosen Pembimbing : Sungging Pintowantoro,S.T., M.T., Ph.D Fakhreza Abdul, S.T., M.T
DEPARTEMEN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
ii
FINAL PROJECT – TL141584
ANALYSIS OF EFFECT COMPOSITION OF
LIMESTONE TO Fe CONTENT AND DEGREE OF
METALLIZATION IN IRON OXIDE REDUCTION
PROCESS OF SAND IRON Farid Rizal
NRP 2713 100 041 Advisor :
Sungging Pintowantoro, S.T., M.T., Ph.D Fakhreza Abdul, S.T., M.T
DEPARTEMENT OF MATERIALS AND METALLURGICAL ENGINEERING
Faculty Of Industrial Technology
Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya
iv
vii
PADA PROSES REDUKSI BESI OKSIDA DALAM PASIR BESI
Nama Mahasiswa : Farid Rizal
NRP : 2713 100 041
Departemen : Teknik Material dan Metalurgi Dosen Pembimbing : Sungging Pintowantoro, Ph.D Co-Pembimbing :Fakhreza Abdul, S.T., M.T ABSTRAK
Sumber daya pasir besi dan cadangan pasir besi yang melimpah di Indonesia bisa dimanfaatkan lebih untuk diolah menjadi konsentrat Fe dengan produk sponge iron untuk meningkatkan nilai ekonomis dari pasir besi. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi komposisi pengurangan batu kapur pada pasir besi terhadap kadar Fe total dan derajat metalisasi dalam reduksi besi oksida. Terdapat tiga sampel variasi komposisi pasir besi : batubara : batu kapur, yaitu komposisi awal 2:1:1.1, komposisi kedua dengan pengurangan batu kapur 20% 2:1:0.88, komposisi ketiga dengan pengurangan batu kapur 40% 2:1:0.66. Sampel kemudian direduksi menggunakan muffle furnace dengan proses pre-heat pada 950°C selama 2 jam dan proses reduksi pada 1350°C selama 10 jam, dan proses pendinginan dalam furnace selama 12 jam. Sampel hasil reduksi kemudian diuji menggunakan alat EDX, XRD, dan pengujian derajat metalisasi untuk mengetahui Fe total dan Fe metal. Hasil pengujian menunjukkan bahwa hasil reduksi paling baik terjadi pada komposisi dengan pengurangan batu kapur 40% dengan perbandingan pasir besi : batu bara : batu kapur 2:1:0.66.
Kata kunci : batu kapur, pasir besi, proses reduksi, sponge iron.
ix
IRON OXIDE REDUCTION PROCESS OF SAND IRON Name : Farid Rizal
SRN : 2713 100 041
Major : Materials and Metallurgical Engineering Advisor : Sungging Pintowantoro, Ph.D
Co-Advisor :Fakhreza Abdul, S.T., M.T ABSTRACT
Iron sand resources and abundant iron sand reserves in Indonesia can be utilized more to be processed into Fe concentrate with sponge iron products to increase the economic value of iron sand. This study aims to determine the effect of the variation composition of decreasing of limestone on iron sand to the total Fe content and the degree of metallization in iron oxide reduction. There are three sample with variation composition iron sand: coal: limestone, the initial composition of 2: 1: 1.1, the composition of both the decreasing of limestone 20% 2: 1: 0.88, the composition of the third with a decreasing of limestone 40% 2: 1: 0.66. The sample was then reduced using a muffle furnace with a pre-heat process at 950 ° C for 2 hours and a reduction process at 1350 ° C for 10 hours, and a cooling process in the furnace for 12 hours. The reduction sample was then tested using EDX, XRD, and metallization degrees to determine the total Fe and Fe metal. Test results show that the best reduction results occur in compositions with 40% limestone reduction with the ratio of iron sand: coal: limestone 2: 1: 0.66.
ix
Puji syukur kehadirat Allah SWT, karena berkat rahmat dan hidayah-Nya, tidak lupa shalawat serta salam penulis panjatkan kepada Nabi Muhammad SAW sehingga penulis diberi kesempatan untuk menyelesaikan Tugas Akhir. Tugas Akhir ditujukan untuk memenuhi mata kuliah wajib yang harus diambil oleh mahasiswa Departemen Teknik Material dan Metalurgi Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), penulis telah menyelesaikan Laporan Tugas Akhir yang berjudul “Analisa Pengaruh Komposisi Batu Kapur Terhadap Kadar Fe dan Derajat Metalisasi pada Proses Reduksi Besi Oksida Dalam Pasir Besi”.
Penulis menyadari bahwa dalam pembuatan laporan ini masih terdapat kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik yang membangun dari pembaca demi perbaikan dan kemajuan bersama.
Surabaya, Juli 2017
Penulis, Farid Rizal
xiii
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... v
ABSTRAK ... vii
KATA PENGANTAR ... xi
DAFTAR ISI ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR TABEL ... xvii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 4 1.3 Batasan Masalah ... 4 1.4 Tujuan Penelitian ... 4 1.5 Manfaat Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pasir Besi ... 7
2.2 Batubara ... 8
2.3 Batu Kapur ... 10
2.4 Reduksi Oksida ... 12
2.41 Prinsip Dasar Reduksi ... 13
2.42 Proses Tunnel Kiln... 14
2.5 Sponge Iron ... 16
2.6 Termodinamika Pasir Besi ... 17
2.7 Kinetika Reduksi Bijih Besi ... 22
2.8 Penelitian Sebelumnya ... 26
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 31
3.5 Rancangan Penelitian ... 50
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Karakterisasi Bijih Penelitian... 51
4.1.1 Pasir Besi ... 51
4.1.2 Karakteristik Batu Bara ... 53
4.1.3 Karakteristik Batu Kapur ... 53
4.2 Pengaruh Variasi Komposisi Pengurangan Batu Kapur terhadap Derajat Fe Total ... 55
4.3 Pengaruh Komposisi Batu Kapur terhadap Fasa dalam Hasil Reduksi Pasir Besi ... 59
4.4 Pengaruh Variasi Komposisi Batu Kapur terhadap Derajat Fe Metal ... 64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 69
5.2 Saran ... 69
DAFTAR PUSTAKA ... xix LAMPIRAN
xv
Gambar 2.1 Batu Kapur Dolomit ... 12
Gambar 2.2 Skema dari Tunnel Kiln ... 15
Gambar 2.3 Produk Sponge Iron pada Umumnya ... 17
Gambar 2.4 Diagram Ellingham ... 19
Gambar 2.5 Kesetimbangan Komposisi Gas Terhadap Fungsi Temperatur Pada Sistem Besi-Karbon-Oksigen ... 21
Gambar 2.6 Pengaruh Tekanan Terhadap Kesetimbangan Reaksi Boudouard ... 22
Gambar 2.7 Garis Besar Mekanisme Reduksi untuk Bijih Besi Berpori ... 24
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 31
Gambar 3.2 Pasir Besi ... 33
Gambar 3.3 Batu Bara ... 33
Gambar 3.4 Batu Kapur ... 34
Gambar 3.5 Kanji ... 34
Gambar 3.6 LPG ... 35
Gambar 3.7 Crucible ... 36
Gambar 3.8 Alat Kompaksi ... 36
Gambar 3.9 Muffle Furnace ... 37
Gambar 3.10 Timbangan Digital ... 38
Gambar 3.11 Ayakan ... 38
Gambar 3.12 Thermocouple ... 39
Gambar 3.13 Blower ... 39
Gambar 3.14 Oven ... 39
Gambar 3.15 Alat Tumbuk ... 40
Gambar 3.16 Briket Pasir Besi ... 42
Gambar 3.17 Olympus Delta Premium Handheld XRF Analyzers ... 43
Gambar 3.18 XRD PAN Analytical ... 44
Gambar 4.3 Perbandingan Kadar Fe pada Sampel Sponge
iron Hasil Reduksi ... 57
Gambar 4.4 Prerbandingan Peningkatan Kadar Fe pada Sampel Sponge Iron Hasil Reduksi ... 58 Gambar 4.5 Hasil Pengujian XRD Sponge Iron ... 60 Gambar 4.6 Hasil Pengujian Derajat Metalisasi ... 65
xvii
Tabel 2.1 Sifat Batubara dalam Pembuatan Sponge Iron ... 9 Tabel 3.1 Rancangan Penelitian ... 50 Tabel 4.1 Hasil Pengujian EDX pada Sampel Pasir Besi ... 51 Tabel 4.2 Hasil Pengujian Proximate Analysis Batubara ... 53 Tabel 4.3 Hasil Pengujian XRF Batu kapur ... 54 Tabel 4.4 Variasi Komposisi Batu Kapur terhadap Kadar Fe
Total ... 56 Tabel 4.5 Hasil Pengujian EDX Sponge Iron ... 57 Tabel 4.6 Hasil Pengujian Derajat Metalisasi Sponge Iron. 65
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Salah satu indikator kuat dan tidaknya perekonomian suatu negara di dunia pada saat ini dan kedepan dapat dilihat dari kekuatan dan kekokohan dari struktur dan kinerja industri besi dan baja yang dimiliki oleh suatu negara yang bersangkutan. Dalam proses pembangunan, keberadaan industri besi dan baja memegang peranan vital, karena besi dan baja merupakan material logam yang memegang peranan sangat penting dalam peradaban atau kehidupan manusia. Karena besi dan baja merupakan bahan utama industri manufaktur dan pembangunan infrastruktur, serta hampir 95% lebih peralatan logam yang digunakan manusia berasal dari bahan baku besi dan baja ini. Atas perannya yang sangat penting tersebut, maka keberadaan industri besi dan baja menjadi sangat strategis untuk memacu kemajuan dan kemakmuran suatu negara.(Prasetyo,2010)
Kebutuhan baja nasional terus mengalami peningkatan seiring dengan perkembangan sektor industri dan semakin intensnya pembangunan infrastruktur di Indonesia. Pada saat ini konsumsi baja telah mencapai ~ 6.3 juta juta ton, sementara produksinya hanya ~ 3.8 juta ton. Kekurangan penyediaan baja sebesar 2.5 juta ton dipasok dari impor. Untuk memproduksi baja di Indonesia diperlukan bahan baku dan bahan-bahan penunjang yang sebagian besar masih diimpor. Bahan-bahan yang 100% pengadaannya masih bergantung impor adalah bijih besi dan bahan peduan alloy. Dilain pihak, Indonesia yang sesungguhnya memiliki potensi sumberdaya bahan–bahan tambang yang diperlukan industri baja seperti misalnya: bijih besi, bijih mangan, bijih chrom, bijih nikel dan lain - lain, justru banyak di ekspor ke negara lain.(Koesnohadi,2008)
Pada tahun 2011, konsumsi baja dalam negeri diperkirakan mencapai 7,48 juta ton, sementara kemampuan produksi baja nasional hanya 6,01 juta ton dengan demikian untuk
memenuhi kebutuhan tersebut maka perlu mengimpor baja dari luar negeri sebanyak 2,59 juta ton. Data lain menyebutkan bahwa pada tahun 2012, permintaan baja nasional mencapai 9 - 10 juta ton, sementara kapasitas produksi nasional hanya 6,3 juta ton, kekurangannya ini juga dipenuhi dengan cara mengimpor baja, termasuk baja dari china.Produsen baja terbesar di indonesia saat ini adalah PT Krakatau Steel Tbk, dengan kapasitas produksi sebanyak 3 juta ton, ditambah lagi dengan pengoperasian PT. Krakatau Posco pada tahun 2014 yang memiliki kapasitas produksi sebanyak 3 juta ton, serta kontribusi dari beberapa perusahaan swasta lainnya. Maka pada tahun 2014 kebutuhan baja domestik dimungkinkan dapat dipenuhi. (Bahtiar,2015).
Kebutuhan baja nasional terus meningkat dan ketergantungan terhadap produk impor semakin meningkat. Pada 2020 konsumsi baja nasional diperkirakan mencapai 27 juta ton. Dalam Keppres nomor 28 Tahun 2008 tentang Kebijakan Industri Nasional ditargetkan pasokan baja mencapai 20 juta ton di tahun 2020. Industri baja domestik harus tumbuh dan berkembang agar ketergantungan terhadap produk impor dapat dikurangi.(IISIA,2015)
Keberadaan industri baja menjadi sangat strategis untuk kemakmuran suatu negara. Indonesia sendiri memiliki potensi yang besar untuk mengembangkan industri baja. Hal ini didasarkan pada data konsumsi baja per kapita Indonesia yang saat ini masih sangat rendah. Pada tahun 2013, konsumsi baja Indonesia baru mencapai 61,6 kg per kapita per tahun dan menempati urutan ke-6 diantara negara-negara ASEAN dibawah Singapura, Malaysia, Thailand, Vietnam, dan Filiphina.(Kemenperin,2014). Sumber daya pasir besi di Pulau Jawa banyak ditemukan di pesisir pantai selatan. Jawa Barat misalnya, memilki sumber daya pasir besi sebanyak 35.612.966,9 ton yang terdiri dari 28.297.032,29 ton (Fe) dan 7.315.934,61 (titan)(Rosana dkk, 2013). Pasir besi juga banyak ditemukan didaerah sungai (Afdal dan Niarti, 2012). Dalam pasir besi terdapat kandungan mineral magnetik seperti magnetit (Fe3O4),
3 | B A B I P E N D A H U L U A N hematit (α-Fe2O3) dan maghemit (γ-Fe2O3) (Yulianto dan
Bijaksana, 2002). Mineral-mineral magnetik tersebut banyak digunakan dalam industri baja. Pasir besi, dengan deposit yang sangat besar yaitu sebesar 2.121 juta ton yang tersebar di D.I Yogyakarta, Maluku Utara dan Papua. Pasir besi merupakan pasir dengan konsentrasi besi yang signifikan Pasir ini terdiri dari magnetit, Fe3O4, dan juga mengandung sejumlah kecil titanium,
silika, mangan, kalsium dan vanadium sedangkan Biji besi primer atau biji besi magnetit-hematit, dengan deposit sebesar 881,8 juta ton. (Kemenperin RI,2014)
Namun sampai saat ini pengolahan dari pasir besi sebagai bahan dasar industry besi baja sendiri belum dilakasanakan di Indonesia. Selama ini pasir besi hanya dijadikan bahan dasar dalam pembangunan konstruksi suatu bangunan. padahal pasir besi mengandung bahan mineral magnetik yang merupakan basis untuk pengembangan alat dalam kehidupan modern. Pasir besi yang telah dipisahkan dari material nonmagnetik banyak digunakan sebagai bahan dalam pabrik baja, bahan peleburan besi dan juga campuran semen (Setyo,2008).
Oleh karena itu, diperlukan teknologi pengolahan mineral terutama pasir besi yang ada di Indonesia untuk menekan kebutuhan impor itu sendiri, salah satu solusi dari pemenuhan kebutuhan tersebut antara lain adalah proses pembuatan sponge
iron terhadap pasir besi. Banyak sekali metoda yang digunakan
dalam proses pembuatan sponge iron. Diantaranya ialah Rotary
Kiln Process, Tunnel Kiln Process, Hyl Process dll. Pada
penelitian ini digunakan metoda tunnel kiln proses dimana dibutuhkan batu bara dan batu kapur sebagai agen reduktor.
Penelitian mengenai reduksi oksida dalam pasir besi dengan pengaruh komposisi batubara dan batu kapur sebenarnya sudah pernah dilakukan dengan kesimpulan penambahan batu kapur dapat mempengaruhi kadar Fe dan derajat metalisasi dalam hasil reduksi. Semakin banyak batu kapur, maka semakin rendah kadar Fe dan derajat metalisasi dalam hasil reduksi. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut pada komposisi batu kapur.
Komposisi batu kapur dapat dikurangi untuk mencapai komposisi optimal penggunaan batu kapur.(Asshid,2015). Oleh karena itu perlu dikembangkan penelitian terkait pengolahan pasir besi menggunakan muffle furnace dengan harapan dapat memaksimalkan nilai ekonomis dengan biaya yang terjangkau sehingga dapat menjawab permasalahan mengenai pengelolaan pasir besi yang ada di Indonesia. Sehingga hasil penelitian dapat dijadikan acuan dalam pembuatan industry pengolahan pasir besi dalam skala besar di Indonesia, terutama pada proses tunnel kiln.
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana pengaruh variasi komposisi batu kapur terhadap kadar Fe pada produk hasil reduksi pasir besi menggunakan muffle furnace ?
2. Bagaimana pengarub variasi komposisi batu kapur terhadap terhadap derajat metalisasi pada hasil reduksi pasir besi menggunakan muffle furnace ?
1.3. Batasan Masalah
Untuk menganalisa masalah pada penelitian ini terdapat beberapa batasan masalah yaitu :
1. Pasir besi berasal dari daerah Sukabumi, Jawa Barat 2. Batu Kapur berasal dari daerah Gresik, Jawa Timur 3. Komposisi reaksi kimia pasir besi, batubara, dan batu
kapur dianggap homogen.
4. Diasumsikan tidak ada heat loss dalam muffle furnace 5. Kanji digunakan sebagai pengikat dan pengaruh kanji
terhadap reaksi diabaikan.
6. Permeabilitas dan porositas pasir besi diasumsikan sama
5 | B A B I P E N D A H U L U A N 1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah
1. Menganalisa pengaruh variasi komposisi batu kapur terhadap kadar Fe pada produk hasil reduksi pasir besi menggunakan muffle furnace .
2. Menganalisa pengaruh variasi komposisi batu kapur terhadap derajat metalisasi pada produk hasil reduksi pasir besi menggunakan muffle furnace .
1.5. Manfaat Penelitian
Dari peneltian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi tehadap perkembanga teknologi metalurgi ekstraksi di Indonesia. Terutama dalam pengembangan proses reduksi pasir besi menjadi sponge iron dalam skala besar menggunakan proses tunnel kiln.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pasir Besi
Secara umum, mineral dalam pasir besi terdiri dari dua komponen dibedakan atas dasar sifat magnetiknya, yaitu mineral magnetik dan mineral non magnetik. Mineral magnetik menjadi primadona bagi sebagian besar orang dikarenakan jumlahnya yang sangat melimpah dan kegunaannya yang bernilai ekonomi tinggi. Oksida besi-titanium (FexTiyOz) adalah senyawa magnetik
yang cukup dominan selain oksida besi lainnya. Kumpulan senyawa oksida besi-titanium ini terdiri dari mineral-mineral yang memenuhi diagram segitiga ternery diagram dengan anggota-anggota tepi end members terdiri dari TiO2, FeO dan Fe2O3.
(Putnis, 1992)
Pasir besi pada umumnya mempunyai komposisi utama besi oksida yaitu magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3) dan maghemit
(Fe2O3) serta silikon oksida (SiO2) serta senyawa - senyawa lain
yang kandungannya lebih rendah. (Solihah, 2010)
Magnetit memiliki fasa kubus, sedangkan maghemit dan hematit meskipun memiliki komposisi kimia yang sama namun kedua bahan tersebut memiliki fasa yang berbeda. Maghemit berfasa kubus sedangkan hematit berfasa heksagonal. Para peneliti lazimnya menggunakan hematit sebagai bahan dasar dalam proses sintesis serbuk magnet ferit karena hematit memiliki fasa tunggal yang dipercaya akan memiliki sifat kemagnetan yang kuat jika dibandingkan dengan fasa campuran. (Yulianto, 2007)
Ketiga fasa tersebut dapat diperoleh melalui oksidasi dengan temperatur yang berbeda. Awalnya bahan berupa magnetit dan ketika pemanasan mencapai temperatur 250oC maghemit mulai
terbentuk dan mendominasi pada temperatur 350oC. Pada suhu
450oC komposisi fasa maghemit mulai menurun dan
bertransformasi fasa menjadi maghemit dengan bentuk struktur tetragonal. Sedangkan hematit mulai muncul pada suhu 550oC
berfasa tunggal dan mendominasi pada suhu 700-800oC. (Mashuri
dkk, 2007)
Berbagai komposisi kimia dari mineral-mineral oksida yang hampir selalu menjadi perhatian dalam mempelajari sifat kemagnetan batuan, yaitu FeO (wustite), Fe3O4 (magnetite),
γ-Fe2O3 (maghemit), α-Fe2O3 (hematite), FeTiO3 (ilmenit), Fe2TiO4
(ulvospinel), Fe2TiO5 (pseudobrookite), dan FeTi2O5
(ilmeno-rutile atau ferropseudobrookite). Segitiga tersebut juga memuat informasi mengenai tiga deret sistem, yaitu titanomagnetite, titanohematite, dan pseudobrookite. Pada deret tersebut juga dapat ditambahkan deret titanomaghemit yang diperoleh dengan oksidasi titanomagnetit pada temperatur dibawah 300o C. Dari
keempat deret oksida besi titanium tersebut, yang membawa sifat magnetik paling menonjol adalah titanomagnetit. Sistem titanomagnetit, khususnya magnetit, merupakan komponen senyawa paling dominan yang terkandung dalam pasir besi. (Yulianto, 2003) Secara alamiah keberadaan mineral besi oksida dalam pasir besi bercampur dengan berbagai mineral lainnya. Pasir besi merupakan salah satu produk dari batuan beku (Schon, 1998) sehingga komposisi mineral yang menyertai magnetit pasir besi sangat bervariasi bergantung pada batuan induk dan lokasinya.
2.2 Batubara
World Coal Institute (2004) menyatakan bahwa batu bara adalah sisa tumbuhan dari jaman prasejarah yang berubah bentuk, awalnya berakumulasi di rawa dan lahan gambut. Batu bara merupakan batuan organik 3 yang terdiri atas karbon, hidrogen, dan oksigen.
Batubara merupakan bahan bakar solid yang dihembuskan, terbentuk dari vegetasi yang telah terkubur dan terurai selama ribuan tahun. Batubara digunakan untuk pembuatan sponge iron dan harus memenuhi sifat-sifat seperti Tabel 2.1.
9 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A Tabel 2.1 Sifat Batubara dalam Pembuatan Sponge iron
Volatil 28 – 32 %
Debu 25 – 30 %
Fixed carbon 40 – 42 %
Semakin rendah sifat volatilnya, semakin rendah reaktivitasnya. Semakin tinggi volatinya, semakin tinggi reaktivitasnya. Tetapi jika terlalu tinggi sifat volatilnya dapat menghancurkan batubara menjadi serbuk dan hanya membuang-buang aliran gas. (Lalit Kumar Singhania, 2015)
Batubara termasuk dalam agen pereduksi. Agen pereduksi dalam reaktor bertindak sebagai bahan bakar dalam memenuhi kebutuhan panas proses dan mereduksi besi oksida menjadi besi metalik. Bahan bakar yang digunakan dapat berupa solid, liquid atau gas tergantung ketersediaannya. Dalam proses tunnel kiln digunakan bahan bakar gas alam. Batubara adalah bahan bakar hidrokarbon padat yang terbentuk dari tumbuhan dalam lingkungan bebas oksigen yang dipengaruh oleh panas dan tekanan yang berlangsung lama di alam dengan komposisi yang komplek. (Jauhari, 2010) Konsumsi partikel batubara dalam produksi DRI tergantung pada stoikiometri reaksi, Kadar fixed
carbon, dan hilangnya fixed carbon. Diperkirakan biaya batubara
mencapai 75% dari biaya pembuatan DRI dalam rotary kiln. Kualitas batubara sangat berpengaruh dalam seluruh biaya produksi sponge iron.
Parameter yang digunakan dalam Analisis proksimat batu bara:
a) Fixed Carbon
Karbon tetap adalah bahan bakar padat yang tersisa di tungku setelah zat-zat yang terbang (volatile matter) didestilasi. Sebagian besar terdiri dari karbon, tetapi juga berisi beberapa hidrogen, oksigen, sulfur dan nitrogen tidak terbawa oleh gas. Karbon tetap memberi kperkiraan kasar dari nilai kalor batubara
b) Volatile Matter
Material Volatile Matter adalah metana, hidrokarbon, hidrogen dan karbon monoksida, dan gas yang mudah terbakar seperti karbon dioksida dan nitrogen yang ditemukan dalam batubara. Jadi hal yang mudah menguap merupakan indeks dari bahan bakar gas ini. Kisaran khas zat terbang adalah 20 sampai 35%.
• Secara proporsional meningkatkan panjang api, dan membantu dalam pengapian lebih mudah batubara. • Mengatur batas minimum pada tinggi dan volume. Furnace
c) Ash
Ash adalah pengotor yang tidak akan terbakar. Kisaran khas adalah 5 sampai 40%.
d) Moisture
Kadar air dalam batubara harus diperkirakan dan dikurangi seminimal mungkin. Dikarenakan sejak batubara menggantikan panas dari pembakaran utama akan terjadi pengurangan kandungan panas per kg batubara dikarenakan adanya uap air ini. Kisaran khas adalah 0,5 sampai 10% uap air. (A.K.Shaha 1974) Berdasarkan data penelitian sebelumya, didapatkan nilai moisture sebesar 2,816%, ash sebesar 9,299%, volatile matter sebesar 48,890% dan fixed carbon sebesar 39,625%. (Asshid, 2015)
2.3 Batu Kapur
Batu kapur adalah mineral yang terjadi secara alami dan tersebar luas hampir diseluruh dunia, komponen terbesar yang terkandung dalam batu kapur adalah kalsium dan karbonat dimana kedua komponen ini umumnya bergabung membentuk kalsium karbonat (CaCO3).
11 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A Bahan baku lainnya dalam proses pembuatan besi adalah limestone dan dolomit, yang dihancurkan dan diayak dengan ukuran 0.5 – 1.5 inci, mempunyai peran sebagai flux pada blast
furnace. Flux ini bisa berupa batu kapur dengan kemurnian
kalsium tinggi, batu kapur dolomit yang mengandung magnesia atau campuran dari keduanya. Batu kapur dilebur menjadi slag yang mengikat sulfur dan pengotor lainnya, dan dapat dicampur dengan batuan lainnya yang dapat mengoptimalkan pembentukan slag pada proses pembuatan besi. (Lalit Kumar Singhania, 2015)
Dolomit tergolong dalam batuan sedimen karbonat yang merupakan kelas batuan sedimen. Batuan sedimen adalah batuan yang terbentuk akibat proses pembatuan atau lithifikasi dari hasil proses pelapukan dan erosi yang kemudian tertransportasi dan seterusnya terendapkan. Dolomit terutama terdiri atas dua mineral karbonat yaitu kalsit (CaCO3) dan magnesit (MgCO3). Mineral
dolomit murni secara teoritis mengandung 45,6% MgCO3 atau
21,9% MgO dan 54,3% CaCO3 atau 30,4% CaO. Mineral dolomit
dapat dituliskan dengan rumus kimia CaCO3MgCO3,
CaMg(CO3)2 atau CaxMg1- xCO3, dengan nilai x kurang dari satu.
Kandungan unsur magnesium pada dolomit menentukan nama dolomit tersebut. (Eni Febriana, 2011)
Sifat Kimia Dolomit :
1. Suhu leleh = 1415-2800oC.
2.Kandungan MgO lebih dari 19 %, kandungan (SiO2+Al2O3+Fe2O3) kurang dari 2 %.
3. Pada temperatur 737oC akan terjadi reaksi dekomposisi
membentuk MgCO3nCaCO3 dan MgO dengan
Gambar 2.1 Batu kapur dolomit (Asshid, 2015)
Dekomposisi dolomit di bawah tekanan parsial CO2 yang
cukup tinggi terjadi melalui dua tahap, yaitu :
1. Tahap pertama adalah pembentukan CaCO3 simultan
dengan pembentukan MgO berdasarkan reaksi : CaMg(CO3)2 CaCO3 + MgO + CO2 (2.1)
Tahap ini terjadi pada temperatur 550-765 °C dan stabil pada temperatur 900-910 °C.
2. Tahap kedua berhubungan dengan reaksi dekomposisi CaCO3, terjadi pada temperatur 900-910 °C dan stabil
pada temperatur 950-960 °C.
CaCO3 CaO + CO2 (2.2)
Sedangkan untuk dekomposisi dolomit di bawah j;atmosfir udara atau tekanan parsial CO2 cukup rendah diyakini bahwa
Dolomit terdekomposisi berdasarkan reaksi :
CaMg(CO3)2 CaO+MgO+CO2 (2.3)
(P. Engler, 1988)
2.4 Reduksi Oksida
Pembelajaran tentang proses pengolahan besi merupakan hal yang penting untuk dipelajari, mengingat logam tersebut
13 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A digunakan pada berbagai macam aplikasi. Teknik yang paling umum digunakan secara komersial yaitu dengan menggunakan blast furnace dan juga converter. Pada blast furnace reaksi yang terjadi yaitu sebagai berikut (Toru Yamasita dkk, 2007) :
• 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
• 3Fe3O4+CO → 3FeO + 2CO2
• FeO+CO → Fe + CO2 (2.4)
Dari persamaan reaksi diatas terlihat bahwa bijih besi dapat direduksi secara langsung dengan menggunakan karbon padat, namun reduksi dengan menggunakan gas CO mengindikasikan reaksi utama yang terjadi pada beberapa reduksi bijih besi. Pemrosesan reduksi bijih besi dengan menggunakan blast furnace memiliki kelemahan utama, yaitu karena temperatur proses yang terlalu tinggi maka logam lain ( Si, Mn, dll.) akan banyak yang ikut melebur bersama dengan Fe sehingga akan sulit untuk dipisahkan. Oleh karena itu dikembangkan suatu metode baru untuk mengatasi hal tersebut dengan menggunakan proses reduksi langsung. Proses reduksi langsung adalah proses pengurangan oksigen dari besi oksida dimana besi oksida tersebut tidak mengalami perubahan fasa, yaitu fasa padat. Proses reduksi langsung menggunakan zat pereduksi yang afinitas terhadap oksigen lebih besar daripada besi oksida. Proses ini dilakukan dengan menggunakan temperatur tinggi, namun lebih rendah dari temperatur yang digunakan pada pemrosesan dengan menggunakan blast furnace.
2.4.1 Prinsip Dasar Proses Reduksi
Proses reduksi langsung merupakan reduksi bijih besi dengan menghindari fasa cair. Proses ini dilakukan dengan menggunakan pereduktor seperti karbon coal, minyak bumi dan juga gas metana (CH4). Prinsip dasar proses ini adalahmengurangi
kadar oksigen dengan menggunakan unsur yang afinitas terhadap O (oksigen) lebih besar daripada Fe (besi). Proses ini dilakukan tanpa mengubah fasa, yaitu fasa padat. Hasil akhir proses ini
menghasilkan bijih besi yang didalamnya masih terdapat oksida. Proses reduksi langsung digunakan dengan beberapa alasan sebagai berikut :
a. Menggunakan batu bara/ gas bumi sebagai pengganti kokas
b. Produk berkualitas tinggi
c. Kapasitas produksi bisa rendah, sesuai dengan permintaan pasar
d. Emisi CO2 rendah sehingga lebih ramah terhadap
lingkungan. (Eko Mulia, 2009) 2.4.2 Proses Tunnel Kiln
Teknologi tunnel kiln bukan teknologi baru di Indonesia karena sudah banyak industri yang menggunakannya, tapi aplikasi pada pengolahan bahan tambang belum dikenal luas di kalangan industri. Dalam hal kebutuhan energi, tunnel kiln dapat memanfaatkan potensi gas alam mengatasi permasalah-permasalahan di atas dengan mempertimbangkan kemampuan teknologi dalam negeri dengan didukung oleh sumber daya yang ada yang masih sangat besar dan tersebar di seluruh wilayah Indonesia, namun karena kapasitas produksinya yang relatif lebih kecil daripada peralatan yang lain sehingga kurang berkembang di industri komersial. (Barman Tambunan, 2016)
Tunnel kiln merupakan sebuah tungku yang biasa digunakan
dalam industri pembuatan keramik. Namun dengan beberapa modifikasi, tungku ini dapat digunakan untuk mereduksi pellet komposit menjadi sponge. Pellet komposit berdiameter 10-20 mm dibuat menggunakan sebuah alat disc pelletizer, adapun komposisi dari pellet adalah 75% bijih besi, 20% batubara, dan 5% bentonite. Dari proses ini dihasilkan pellet komposit tereduksi (sponge) dengan kadar 85 – 93%. (Adil Jamali, 2008)
Pada proses ini, material dilewatkan pada rezim temperatur yang berbeda dari pemanasan, dan reduksi seperti pada Blast
furnace tetapi dengan material bed yang tetap. Oleh karena itu,
15 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A Kualitas dari produk sangat baik, dan juga prosesnya dapat diaplikasikan pada reduksi Ferro-nikel, ilminit, dan lainnya. Keuntungan lainnya adalah proses ini juga memanfaatkan debu benefisiasi lansung tanpa terjadi pengerasan. Investasi dan pemeliharaan dari tunnel kiln juga rendah. Dikarenakan prosesnya menggunakan gas, ini juga ramah lingkungan. Tidak seperti pada
rotary kiln, pemanasan dilakukan diluar dan memungkinkan
penggunaan sumber karbon yang berbeda sebagai pemanas dan pereduksi. Satu-satunya kelemahan dari proses tunnel kiln adalah rendahnya produktivitas, sangat kurang bahkan jika dibandingkan dengan rotary kiln.
Tunnel kiln adalah sebuah tungku berisolasi panjang yang stasioner terbuat dari refraktori batu bata atau pressed ceramic
wool blanket. Tungku ini memiliki rel tertentu di dalam kiln
berfungsi sebagai jalannya troli. Material dimasukkan ke dalam troli yang kemudian masuk ke bagian ujung dari kiln melalui feed. Kemudian material keluar dari ujung lainnya kiln, berjalan di dalam kiln dengan kecepatan tertentu. Kiln mempunyai tiga daerah berbeda, yaitu pre-heat zone (pemanasan), firing zone (deoksida), dan cooling zone. Skema tunnel kiln terdapat pada Gambar 2.2. (S. C. Khattoi, 2013)
Gas alam digunakan untuk memanaskan kiln. Karbon di dalam kokas dan antrasit digunakan sebagai agen pereduktor dan juga sebagai bahan bakar. Campuran pereduktor yang terdiri dari kokas, antrasit, dan batu kapur, dimasukkan bersama iron ore di dalam kapsul yang ditumpuk di atas cars (tempat berjalannya
kiln). Kemudian cars didorong dari ujung ke ujung melewati tunnel kiln tersebut. Waktu diantara dua cars memasuki kiln
disebut dengan “pushing time”. Perlu dingat bahwa penurunan
pushing time berarti kenaikan laju produksi. Tunnel kiln terdiri
atas tiga zona : zona pemanasan, zona pembakaran, dan zona pendinginan. Cars pada kiln pertama-tama melewati zona pemanasan, kemudian melewati zona pembakaran dimana ore direduksi menjadi besi pada temperatur tinggi konstan sekitar 1100 – 1200 °C. Setelah itu, cars pada kiln didinginkan pada zona pendinginan di kiln. Proses cars pada kiln ini bisa berlangsung 2 – 3 hari untuk melewati sebuah kiln.
Gas pembakaran mengalir secara berlawanan arah dengan
cars pada kiln. Ini berarti udara segar dingin mendinginkan cars
yang panas dan setelah melewati zona pembakaran, gas buang panas dari pemanasan keluar dari kiln. (Kristina Eriksson, 2005) 2.5 Sponge Iron
Sponge iron merupakan besi yang diperoleh dari reduksi bijih
besi secara langsung pada temperatur dibawah titik lelehnya, bijih besi ini sering dalam bentuk pellet atau bulatan, dan mengacu kepada proses produksi yang dibuat menggunakan reduktor gas alam atau gas dari batubara atau reduktor padat misalnya batubara (Adil J, 2010). Dalam perkembangan selanjutnya istilah reduksi langsung menjadi lebih umum digunakan sebagai suatu teknologi pembuatan besi spons. Adapun besi spons digunakan sebagai salah satu bahan baku pada industri baja yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas baja yang dihasilkan. (Yayat I, 2012)
Menurut standar IS 15774: 2007 dalam praktiknya sebuah sponge iron harus memiliki derajat metalisasi lebih dari 82%. Hal
17 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A ini dikarenakan Sponge Iron digunakan sebagai bahan baku dalam proses Steel Making, selain dari besi scrap.
Proses pembuata sponge iron sudah ada sejak tahun 1300 M, dan merupakan sumber utama dalam pembuatan besi dan baja sebelum proses Blast Furnace ditemukan. Pembuatannya dulu memakai Hearth Furncae atau Shaft Furnace, dengan charcoal sebagai bahan bakar dan reduktor. Walaupun proses ini sudah ada namun masih terus digunakan sampai sekarang dengan berbagai perbaikan dan pengembangan. (Feinman,1999)
Gambar 2.3 Produk Sponge Iron pada Umumnya (Khattoi, 2014) 2.6 Termodinamika Pasir Besi
Diagram Ellingham adalah plot G versus temperatur. Sejak ΔH dan ΔS dasarnya konstan dengan temperatur kecuali perubahan fasa terjadi, energi bebas versus temperatur dapat ditarik sebagai rangkaian garis lurus, di mana ΔS adalah slope dan ΔH adalah perpotongan sumbu Y. Kemiringan garis berubah ketika salah satu bahan yang terlibat meleleh atau menguap. Energi bebas Gibbs (∆G°) dari reaksi adalah ukuran gaya pendorong termodinamika yang membuat reaksi terjadi. Sebuah nilai negatif untuk ∆G° menunjukkan bahwa reaksi dapat melanjutkan spontan tanpa energi eksternal, sementara nilai
positif mengindikasikan bahwa itu tidak akan terjadi tanpa energi eksternal. Itu persamaan untuk energi bebas Gibbs adalah:
∆G = ∆H – T∆S (2.5)
dimana ΔH adalah entalpi tersebut, T adalah temperatur absolut, dan ΔS adalah entropi. Entalpi (ΔH) adalah ukuran dari energi aktual yang dibebaskan ketika reaksi terjadi ("Panas reaksi"). Jika negatif, maka reaksi mengeluarkan energi, sementara jika itu adalah positif maka reaksi membutuhkan energi.
Entropi (ΔS) disebut juga derajat kebebasan, merupakan salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur. Entropi menggambarkan kecenderungan sistem untuk berjalan dar tingkat yang lebih tinggi ke yang lebih rendah pada tingkat molekuler atau dalam istilah lain entropi merupakan nilai tertentu yang mengukur berapa banyak energi yang dilakukan sistem ketika transformasi ke energi potensial yang lebih rendah.
Pada diagram diagram Ellingham, logam yang aktif secara kimia memiliki energi bebas yang paling tinggi (negatif) dalam membentuk oksida terletak pada diagram di bagian paling bawah. Sedangkan untuk logam yang memiliki energy bebas terkecil (positif) dalam membentuk oksida terletak pada diagram di bagian paling atas. Nilai ΔG° untuk reaksi oksidasi merupakan ukuran afinitas kimia suatu logam terhadap oksigen. Semakin negatif nilai ΔG° suatu logam menunjukkan logam tersebut semakin stabil dalam bentuk oksida. Dari diagram Ellingham pada Gambar 2.4 dapat diketahui temperatur minimal yang dibutuhkan agar terjadi reaksi tersebut terjadi. Hal tersbut dapat ditunjukkan oleh perpotongan antara kurva oksida dan garis pembentukan CO. Termodinamika hanya dapat digunakan untuk menentukkan apakah suatu reaksi dapat berjalan spontan atau tidak pada temperatur tertentu berdasarkan energi bebas yang dimiliki. Namun tidak dapat digunakan untuk menentukan laju reaksi. Perpotongan antara garis reaksi oksida dan reduksi secara
19 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A termodinamika menunjukkan bahwa reaksi tersebut berjalan pada temperatur tertentu.
Reduksi dari besi oksida dapat digambarkan dengan skema berikut:
Pada T > 570°C Fe
2O3→ Fe3O4→ FeO →Fe
Pada T < 570°C Fe
2O3→ Fe3O4 →Fe karena
Pada T < 570°C terjadi reaksi 4FeO → Fe
3O4 + Fe (2.6)
Klasifikasi reaksi reduksi bijih besi berdasarkan reducing
agent dikemukakan oleh metallurgist Prancis bernama Jacquez
Assenfratz pada tahun 1812. (Chatterjee, 1988) Dia membuktikan secara pengujian bahwa reduksi bijih besi terjadi dalam 2 cara, yaitu: kontak antara bijih dan batubara atau interaksi dengan
reducing gas.
Dalam proses berdasar batubara, gas reduktor utama adalah CO. Tiga reaksi reduksi dan entalpi reaksi pada 25°C dapat dituliskan sebagai berikut:
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 ΔH = -12636 cal/mol (2.7)
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 ΔH = +8664 cal/mol (2.8)
FeO + CO → Fe + CO2 ΔH = -4136 cal/mol (2.9)
Entalpi reaksi pada 25°C dapat diketahui dari entalpi pembentukan. Reaksi 2.7 dan 2.9, mempunyai entalpi negatif, yang berarti reaksi eksotermik dan reaksi 2.8 mempunyai entalpi positif, berarti reaksi endotermik dan membutuhkan energi. Karena wustit metastabil di bawah 570°C, Fe3O4 dapat direduksi
dalam satu langkah menjadi besi metalik, tanpa melewati reaksi wustit.
1/3Fe3O4 + CO → 3/4 Fe + CO2 ΔH= -936 cal/mol (2.10)
Dari standard energi untuk reaksi (2.7), (2.8), dan (2.9) dapat diketahui konstanta kesetimbangan dan komposisi fasa gas pada setiap temperatur. Setiap data kesetimbangan komposisi gas yang diperoleh dari kalkulasi dapat diplotkan dalam diagram komposisi gas terhadap fungsi temperatur. (Gambar 2.5)
21 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A Gambar 2.5 Kesetimbangan Komposisi Gas Terhadap Fungsi Temperatur Pada Sistem Besi-Karbon-Oksigen (Arabinda dan Bidyapati, 2011)
Dalam sistem solid dan reduktor berfasa gas, seluruh rekasi selama reduki bijih besi dapat terjadi dalam dua langkah (Ross, 1980): reduksi bijih besi (2.11) dan gasifikasi karbon (2.12)
MFexOy + pCO (g) → nFezOw(s) + rCO2 (g) (2.11)
C(s) + CO2 (g) → 2CO (g) (Reaksi Boudouard) (2.12)
Dalam reaksi Boudouard, ketika karbon dioksida bereaksi dengan karbon membentuk karbon monoksida, 1 volume karbon dioksida menghasilkan 2 volume karbon monoksida pada tekanan konstan. Jika dalam volume konstan, reaksi Akan meningkatkan temperatur. Jika tekanan meningkatkan, maka kesetimbangan istem karbon oksigen Akan bergeser untuk melepas tekanan. Oleh karena itu untuk menjaga rasio CO/CO2 tetap Sama pada tekanan
tinggi, temperatur harus ditingkatkan. Sehingga ditunjukkan pada Gambar 2.6, kurva reaksi (2.12) Akan bergeser ke kanan menuju temperatur yang lebih tinggi.
Gambar 2.6 Pengaruh Tekanan Terhadap Kesetimbangan Reaksi Boudouard (Chatterjee, 1988) 2.7 Kinetika Reduksi Bijih Besi
Kinetika reaksi reduksi bijih besi adalah kecepatan besi oksida untuk bertransformasi menjadi logam besi dengan melepaskan oksigen. Kecepatan reaksi reduksi bijih besi ditentukan oleh tinggi rendahnya kemampuan bijih besi tersebut untuk direduksi yang dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu ukuran partikel, bentuk dan distribusi ukuran partikel, bobot jenis, porosity, struktur kristal, serta komposisi kimia (Ross 1980). Kinetika reduksi langsung menggunakan reduktor batu bara dipengaruhi oleh kombinasi beberapa mekanisme, yaitu perpindahan panas, perpindahan massa oleh konveksi, difusi fase gas, serta reaksi kimia dengan gasifikasi karbon. El-Geassy, dkk
23 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A (2007) menjelaskan bahwa ada banyak faktor yang memengaruhi reduksi besi oksida seperti komposisi bahan baku, basisitas, komposisi gas, dan suhu reduksi. Pengaruh komposisi gas terjadi pada perubahan volume dari besi oksida pada suhu 800-1100 °C. Bijih besi dapat dianggap tersusun atas butiran-butiran. Celah diantara butiran-butiran dikenal sebagai Pori makro dan Pori yang lebih kecil dikenal sebagai Pori makro. Mekanisme reduksi bijih besi bertahap melalui langkah-langkah sebagai berikut dan diilustrasikan Gambar 2.7.
1. Difusi gas reduktor melewati lapisan batas butir. 2. Difusi gas reduktor melalui pori-pori makro pada bijih
besi.
3. Difusi gas reduktor melalui pori-pori mikro menuju posisi reaksi.
4. Reaksi pada batas fasa.
5. Difusi gas hasil reaksi reduksi melalui pori-pori mikro. 6. Difusi gas hasil reaksi reduksi melalui pori-pori makro. 7. Difusi gas hasil reaksi reduksi melalui lapisan batas
butir.
Gambar 2.7 Garis besar mekanisme reduksi untuk bijih besi berpori (McKewann, 1958)
Beberapa mekanisme reaksi reduksi telah diajukan dalam beberapa literatur. Mekanisme yang diajukan Edstrom untuk bijih yang dikeraskan dapat diterima. Berdasarkan Gambar 2.8 (a) mekanisme ini mengklaim oksigen dihilangkan dari antarmuka besi-wustit dengan reaksi (2.8). Oksida lain direduksi menjadi oksia yang lebih rendah dengan difusi ion besi dan elektron berdasarkan reaksi:
Fe3O4 + Fe++ + 2e → 4FeO (2.13)
4Fe2O3 + Fe++ + 2e →3 Fe3O4 (2.14)
Berdasarkan mekanisme ini, oksigen dihilangkan dari besi oksida hanya pada antarmuka besi-wustit dengan reaksi gas CO Atau H2 yang masuk melalui lapisan besi dan hasil gas CO2 atau
25 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A pada tahun 1962 dan diaplikasikan pada bijih berpori, oksigen dihilangkan dengan gas reduktor secara keseluruhan pada semua antarmuka. Pada kondisi ini, reaksi terjadi adalah reaksi (2.7), (2.8), dan (2.9). Mekanisme ketiga diusul oleh Lien, El-mehairy dan Ross yang menyerupai mekanisme yang diusulkan Edstrom (Takuda, Yoshikoshi, dan Ohtano, 1973). Pada pendekatan ini C atau H2 mereduksi wustit menjadi besi, C atau H2 berekasi pada
permukaan lebih luar dari lapisan besi yang tidak tembus gas reduktor.
Dari semua mekanisme reduksi, langkah-langkah yang mendasar dalam reduski bijih besi, diantaranya (Tokuda M dkk, 1973):
(i) Perpindahan panas dalam reaksi antarmuka (ii) Perpindahan Massa antara gas dan permukaan
padat oksida, yang meliputi difusi gas reduktor kedalam permukaan solid atau gas hasil reduksi keluar dari permukaan.
(iii) Perpindahan Massa antara permukaan oksida dan reaksi antarmuka internal melalui lapisan hasil reduksi, yang dipengaruhi oleh:
• Difusi solid melalui oksida rendah • Difusi solid melalui lapisan besi metal
• Difusi antar partikel gas reduktor atau gas hasil reduksi.
(iv) Reaksi kimia penghilangan oksigen pada permukaan antarmuka.
(v) Pengintian dan pertumbuhan fasa besi metalik. Faktor yang mempengaruhi kemampuan reduksi bijih besi adalah:
i. Sifat besi oksida dalam bijih ii. Sifat dan komposisi pengotor iii. Ukuran dan bentuk bijih iv. Porositas dan struktur Kristal v. Swelling
vi. Kecepatan linier gas vii. Temperatur
viii. Komposisi gas ix. Tekanan gas 2.8 Penelitian Sebelumnya
Sudah banyak penelitian yang dilakukan dalam hal efisiensi pereduksian pasir besi menggunakan bermacam-macam reduktor. Peningkatan kadar Ferro dari dalam pasir besi diantaranya dipelajari oleh Azwar Manaf (2005) yang melakukan karakterisasi senyawa-senyawa di dalam pasir besi. Pemisahan pengotor yang digunakan adalah dengan metoda gravity
separator (yang dan pemisahan magnetis. Dengan metoda itu
berhasil ditingkatkan kadar Fe pasir besi serta diidentifikasi bahwa sebagian Fe terikat sebagai senyawa FeTiO3 (16%) dan
Fe3O4 (84%), prosentasi didasarkan atas total senyawa Fe.
Walaupun ketelitian prosentasi unsur kimia masih kurang akurat karena tidak dilakukan analisa kimia, namun hasil studi ini yang didukung alat analisa X-ray Flourescence dan XRD, cukup memberikan petunjuk jenis senyawa Fe dan metoda pemisahan pengotor terutama Si guna meningkatkan kadar ferro dalam pasir besi.
Pada tahun 2013 Xu Bin, dkk membahas tentang penambahan dolomit menguntungkan untuk pengurangan pembengkakan properti pelet bijih besi. RSI dari pelet menurun dari 13,3% menjadi 4,0%. Dengan peningkatan dosis dolomit dari 0 sampai 10,5%, porositas pelet meningkat dari 35% menjadi 40%. Selain itu, magnesium ferit yang dihasilkan dan penggabungan magnesium dalam kalsium silikat terjadi selama pelet pada proses roasting dengan penambahan dolomit. Pori-pori tidak hanya menyerap bagian dari volume ekspansi selama transformasi kristal tetapi juga mengurangi perlawanan difusi gas selama proses pengurangan. Magnesium ferit menstabilkan kristal hematit dan mengurangi ekspansi volume saat Fe2O3 diubah
27 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A menekan fase transisi dari 2CaO · SiO2. Dengan demikian,
pengurangan swelling Properti pelet panggang ditingkatkan. Prasetya dkk pada tahun 2008, penletian ini terhadap sampel bijih besi dari beberapa daerah di Indonesia antara lain dari Solok, Ketapang, dan Pulau Belitung yang kesemuannya berasal dari batuan grafit. Sampel ini dikarakterisasi menggunkan pengujian Karakterisasi XRF dan diperoleh hasil Fe Belitung (65, 1%). Sayangnya dalam penelitian ini kurang mendetail dikarenakan hasil yang diproleh masih belum bisa menjelaskan fasa yang terkandung dalam bijih besi tersebut.
Menurut Anameric B dan S.K. Kawatra pada 2004 mencoba mereduksi pellet magnetite campuran antara besi oksida (magnetit, batu bara, limestone, dan bentonite secara berturut 71,84% ; 20.00% ; 7,5% ; 0,66%. Pellet pada penelitian ini dibakar dengan Furnace sampai pada temperatur 14500C sealam
22 menit dihasilkan pig iron dengan kadar Fe 96,46%. Namun sayangnya penelitian ini masih berskala laboratorium. Yong Li .,dkk menganalisa tentang penambahan batubara dalam bijih besi
(inner coal) pada proses tunnel kiln. Bijih yang digunakan berupa
hematit mempunyai kadar Fe awal 43.58%, SiO2 22.2%, Al2O3
6.99% dan batubara dengan fixed carbon 45.91%, ash 47.12%, volatile matter 6.79%. Proses reduksi dilakukan dengan temperatur 1150°C dan campuran bahan melewati bahan tunnel
kiln dengan tahapan: preheat 12 jam, holding 12 jam, dan cooling
25 jam. Setelah proses reduk, produk dihancurkan hingga < 4 mm, dan dilakukan separasi magnetik. Ketika inner coal atau batubara yang ditambah dalam bijih besi semakin bertambah dari 0% hingga 15%, maka kadar Fe menurun dari 94.94% hingga 88.81% dan iron recovery meningkat dari 55.94% menjadi 92.94%.. Pada tahun 2012, Ika Ismail melakukan penelitian terhadap reduksi langsung pasir besi menggunakan gelombang mikro menggunakan microwave dengan variabel daya yang diberikan yaitu 1000, 2000, dan 3000 watt dengan lama radiasi 40,50, dan 60 menit. Disini paremeter keberhasilannya adalah derajat reduksi, yang merupakan prosentase perbandingan kadar
oksigen yang hilang dibagi dengan kadar oksigen mula mula, dan diperoleh hasil tertinggi sejumlah 81, 67% yang diperoleh dengan menggunakan variabel temperatur tertinggi serta waktu holding terlama. Sayangnya dalam proses ini kurang dijelaskan batasan temperatur optimal terhadap hasil.
Penelitian lainnya yang dilakukan oleh Barman Tambunan dari BPPT (2016), yaitu pengolahan pasir besi menjadi sponge
iron menggunakan tunnel kiln. Dalam penelitiannya yang
berjudul “Desain dan Simulasi Tungku Bakar untuk Pengolahan Pasir Besi menjadi Sponge iron dengan Teknologi Tunnel Kiln”, dituliskan bahwa benefisiasi merupakan salah satu parameter kunci keberhasilan pembuatan sponge iron menjadi bahan baku industri baja, semakin tinggi kandungan Fe3O4 & Fe2O3 pada
pasir besi, kandungan Fe yang terbentuk pada sponge iron juga akan semakin tinggi. Beberapa parameter kunci lainnya yang menentukan keberhasilan proses reduksi adalah gas pereduksi (CO dan H2) hasil dari proses pembakaran fuel serta lamanya
waktu pembakaran. Derajat metalisasi dari sponge iron yang terbentuk adalah 36.68%..
Pada tahun 2012 Yong Li, dkk melakukan penelitian menganalisa tentang penambahan batubara dalam bijih besi pada proses tunnel kiln. Hematit mempunyai kadar Fe awal 43.58%, SiO2 22.2%, Al2O3 6.99% dan batubara dengan fixed carbon
45.91%, ash 47.12%, volatile matter 6.79%. Proses reduksi dilakukan dengan temperatur 1150°C dan campuran bahan. Pada saat proses tunnel kiln dengan tahapan: preheat 12 jam, holding 12 jam, dan cooling 25 jam. Setelah proses reduksi, produk dihancurkan hingga < 4 mm, dan dilakukan separasi magnetik. Ketika inner coal atau batubara yang ditambah dalam bijih besi semakin bertambah dari 0% hingga 15%, maka kadar Fe menurun dari 94.94% hingga 88.81% dan iron recovery meningkat dari 55.94% menjadi 92.94%.
Pada penelitian lain yang dilakukan oleh Asshid pada tahun 2015 dimana peneliti melakukan uji XRD dan XRF terhadap pasir besi dari Lumajang dan diketahui bahwa fasa yan terkandung
29 | B A B I I T I N J A U A N P U S T A K A dalam pasir besi dari Lumajang adalah Magnetite, Magemite,
Ilmenite, dan Silica, dengan kadar Fe yang terkandung sebesar 51,
28%. Dalam penelitian ini didaptkan nilai kadar Fe Total dan derajat metalisasi optimal pada saat perbandingan pasir besi ; batubara ; batu kapur adalah 2,3 ; 1 ; 0.68. Semakin rendah komposisi batu kapur maka akan menaikkan kadar Fe dan derajat metalisasinya.
BAB III
METODELOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Percobaan
33 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N 3.2. Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 3.2.1. Pasir Besi
Bijih besi yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasir besi yang berasal dari daerah Sukabumi, Jawa Barat. Pasir besi diayak terlebih dahulu dengan ukuran 50 mesh.
Gambar 3.2 Pasir besi 3.2.2. Batubara
Batubara merupakan penyedia gas reduktor, batu bara dalam penelitian ini dihancurkan hingga ukuran 50 mesh.
Gambar 3.3 Batubara
3.2.3. Batu Kapur
Batu kapur yang digunakan berasal dari Gresik. Batu kapur terlebih dihancurkan hingga ukuran 50 mesh.
Gambar 3.4 Batu kapur 3.2.4. Kanji
Kanji digunakan sebagai pengikat (binder) dalam membuat briket.
35 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N 3.2.5. Air
Air digunakan dalam membuat briket pasir besi. Air yang digunakan air ledeng.
3.2.6. LPG
LPG atau gas alam merupakan bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan sagger dalam muffle furnace.
Gambar 3.6 LPG 3.3. Peralatan Penelitian
Adapun peralatan yang digunakan pada percobaan sebagai berikut:
3.3.1. Crucible
Crucible seperti pada Gambar 3.7 merupakan silinder
tempat berlangsungnya proses reduksi. Crucible terbuat dari Silika Karbida (SiC) dengan dimensi sebagai berikut::
Diameter dalam : 110 mm Diameter luar : 121 mm Tinggi bagian luar : 141 mm
Tinggi bagian dalam : 126 mm Tebal dinding sagger : 11 mm
Gambar 3.7 Crucible 3.3.2. Alat kompaksi
Alat kompaksi berfungsi untuk membentuk pasir besi menjadi briket berbentuk pillow. Briket yang dihasilkan dengan bahan baku pasir besi: kanji: air, 10: 1: 1 (gram)
37 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N 3.3.3. Muffle Furnace
Proses reduksi dilakukan dengan menggunakan muffle
furnace. Dimensi muffle furnace yang digunakan adalah sebagai
berikut:
Diameter dalam : 28 cm Diameter luar : 32 cm Tinggi bagian luar : 40 cm Tinggi bagian dalam : 36 cm Tebal batu tahan api : 5 cm
Gambar 3.9 Muffle Furnace
Gambar 3.9 Muffle Furnace 3.3.4. Timbangan digital
Timbangan digunakan untuk menimbang pasir besi, kanji, air, batubara, dan batu kapur sebagai bahan penelitian. Timbangan yang digunakan bermerk Excelent Scale JCS-B LED dan mempunyai kapasitas 30 kg.
Gambar 3.10 Timbangan digital 3.3.5. Ayakan
Ayakan digunakan untuk mendapatkan ukuran butir partikel pasirbesi, batubara, dan batukapur yang diinginkan. Ayakan yang digunakan untuk pasir besi berukuran 50 mesh dan ayakan yang digunakan untuk batubara dan batu kapur berukuran 50 mesh.
39 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N 3.3.6. Thermocouple dan Thermometer Infrared
Thermocouple dan termometer infrared digunakan untuk
mengetahui temperature pada saat proses reduksi. Thermometer yang digunakan bermerk Sanfix.
Gambar 3.12 (a) Thermocouple (b) Thermometer infrared 3.3.7. Blower
Blower digunakan untuk meniupkan udara luar ke dalam muffle furnace. Gambar 3.13 Blower a b [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [
3.3.8. Oven
Oven digunakan untuk mengeringkan briket hasil kompaksi
untuk menghilangkan moisture content. Oven yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.14.
Gambar 3.14 Oven 3.3.9 Alat Tumbuk
Alat tumbuk pada Gambar 3.15 digunakan untuk menghancurkan bahan baku yang digunakan agar mendapatkan ukuran butir bahan baku yang sesuai, yaitu 50 mesh.
41 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N 3.4. Pelaksanaan Penelitian
3.4.1. Persiapan Material
Langkah-langkah yang dilakukan pada proses preparasi material yaitu:
a) Pasir besi diayak dengan ukuran ayakan 50 mesh. b) Batubara dan batu kapur digerus dan dilakukan
pengayakan dengan ayakan 50 mesh.
c) Pasir besi dan batu kapur diuji XRF dan XRD. d) Batubara diuji proximate analysis.
e) Pembuatan briket pasir besi
Pasir besi hasil ayakan ditimbang dengan berat 50 gram. Pasir besi dicampur dengan kanji sebanyak 5 gram. Campuran pasir besi dan kanji ditambahkan dengan air mendidih sebanyak 5 gram dan diaduk. Perbandingan pasir besi: kanji: air, 10: 1: 1. Campuran pasir besi, kanji, dan air dibentuk menjadi briket silinder dengan dikompaksi seperti Gambar 3.16. Dalam satu kali proses reduksi dibutuhkan 400 gram pasir besi sehingga terdapat 4 buah briket pasir besi yang harus dibuat.
f) Pembuatan Campuran batubara-batu kapur
Batubara hasil ayakan ditimbang sesuai dengan variabel yaitu 90 gram. Batu kapur hasil ayakan ditimbang sesuai dengan variabel yaitu 140, 100, dan 60 gram. Batubara dan batu kapur dicampur sesuai dengan variabel.
g) Briket pasir besi dan campuran batubara - batu kapur dicampur dengan berat campuran sesuai dengan variabel dan dimasukkan dalam crucible.
Gambar 3.16 Briket pasir besi 3.4.2. Proses Reduksi
Langkah-langkah yang dilakukan dalam proses reduksi adalah:
a) Crucible yang berisi bahan baku dimasukkan dalam
muffle furnace
b) Pemanasan crucible dilakukan hingga temperatur 950°C selama 2 jam dan dilakukan holding pada temperatur 1350 °C selama 10 jam.
c) Sampel didinginkan didalam muffle furnace selama 12 jam.
d) Setelah proses ekstraksi selesai, setiap sampel dikeluarkan dari muffle furnace. Hasil ekstraksi dikeluarkan dari sagger yang selanjutnya akan dilakukan proses pengujian XRD, XRF, dan derajat metalisasi
3.4.3. X-Ray Fluorescence (XRF)
Untuk mengetahui komposisi dan kandungan dari hasil reduksi maka dilakukan pengujian pada sampel hasil reduksi menggunakan Olympus Delta Premium Handed XRF Analyzers milik PT. Asia Resource Sejahtera. Pengujian XRF dapat mengidentifikasi kandungan unsur dari pasir besi. XRF adalah alat yang digunakan untuk menganalisa kandungan unsure dalam
43 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N bahan yang menggunakan metode spektrometri. Alat ini mempunyai keunggulan analisa yaitu lebih sederhana dan lebih cepat dibanding analisa dengan alat lain. Alat XRF merupakan alat uji tak merusak yang mampu menentukan kandungan unsure dalam suatu bahan padat maupun serbuk secara kualitatif dan kuantitatif dalam waktu yang relatif singkat.
Gambar 3.17 Olympus Delta Premium Handheld XRF Analyzers 3.4.4. X-Ray Diffraction (XRD)
Untuk mengetahui struktur kristal dan senyawa secara kualitatif dilakukan pengujian XRD dari sampel hasil reduksi dengan menggunakan alat XRD PAN Analytical. Sinar X merupakan radiasi elektromagnetik yang memiliki energii tinggi sekitar 200 eV sampai 1 MeV. Sinar X dihasilkan oleh interaksi antara berkas elektron eksternal dengan elektron pada kulit atom. Spektrum sinar X memiliki panjang gelombang 10-5~10 nm,
berfrekuensi 1017~1020 Hz dan memiliki energi 103~106 eV.
Panjang gelombang sinar X memiliki orde yang sama dengan jarak antar atom sehingga dapat digunakan sebagai sumber difraksi kristal. XRD digunakan untuk menentukan ukuran kristal, regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang memiliki orde yang sama.
Gambar 3.18 XRD PAN Analytical 3.4.5 Energy Disperssive X-Ray Spectroscopy (EDX)
Energy Disperssive X-Ray Spectroscopy atau EDX adalah
suatu teknik yang digunakan untuk menganalisa elemen atau karakterisasi kimia dari suatu sampel. Prinsip kerja dari alat ini adalah metode spektroskopi, dimana elektron ditembakkan pada permukaan sampel, yang kemudian akan memancarkan X-Ray. Energi tiap – tiap photon X-Ray menunjukkan karakteristik masing – masing unsur yang akan ditangkap oleh detektor EDX, kemudian secara otomatis akan menunjukkan puncak–puncak dalam distribusi energi sesuai dengan unsur yang terdeteksi. Hasil yang didapatkan dari pengujian EDX adalah berupa grafik energy
(KeV) dengan counts. Dari data grafik tersebut kita bisa melihat
unsur – unsur apa saja yang terkandung di dalam suatu sampel. Serta dengan pengujian EDX, didapatkan pula persentase dari suatu unsur yang terkadung di dalam suatu sampel.
45 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N Gambar 3.19 SEM - EDX
3.4.6 Proximate Analysis
Untuk mengetahui kandungan batubara seperti kadar
moisture, volatile matter, ash, dan fixed carbon dilakukan
pengujian proximate analysis. Standar pengujian dilakukan dengan ASTM D 3172-02 (Fixed carbon), ASTM D 3173-02 (Moisture), ASTM D3174-02 (Ash), dan ASTM D3175-02 (Volatile matter).
3.4.6.1. Moisture
Analisa kadar moisture dalam batubara dilakukan dengan standar ASTM D 3173-02. Sampel yang digunakan dihaluska hingga 250 μm.
Bahan
1. Udara Kering
2. Pengering, seperti kalsium sulfat anhidrat (0.004 mg/L), silika gel, magnesium perklorat (0.0005 mg/L), dan asam sulfat (0.003 mg/L)
Alat
1. Oven pengering Prosedur
1. Sampel dikeringkan dengan pengering selama 15 hingga 30 menit dan timbang. Ambil sampel seberat 1 g. Dan letakkan dalam kapsul, tutup kapsul dan timbang.
2. Letakkan kapsul dalam oven yang telah dipanaskan (pada 104 hingga 110 °C). Tutup oven dan panaskan selama 1 jam. Buka oven, dan dinginkan dalam pengering. Timbang segera kapsul ketika mencapai temperature ruangan.
3. Hitung hasil analisa. Perhitungan
Moisture, % = [(A-B)/A] x100 dimana, (3.1)
A = berat sample yang digunakan, gram B = berat sampel setelah pemanasan, gram 3.4.6.2. Volatile matter
Analisa kadar volatile matter dalam batubara dilakukan dengan standar ASTM D 317502. Sampel yang digunakan dihaluskan hingga 250 μm.
Alat
1. Krusible platina dengan tutup, untuk batubara kerkapasitas 10-20 ml, diameter 25 -35ml dan tinggi 30-35 ml.
47 | B A B I I I M E T O D O L O G I P E R C O B A A N Prosedur
Timbang sampel seberat 1 g dalam krusibel platina, tutup kursibel dan masukkan dalam furnace, temperatur dijaga 950±20°C. Setelah volatile matter lepas, yang ditunjukkan dengan hilangnya api luminous, periksa tutup krusible masih tertutup. Setelah pemanasan tepat 7 menit, pindahkan krusibel keluar furnace dan dinginkan. Timbang ketika dingin. Presentase weigh loss dikurangi presentase moisture sama dengan volatile matter.
Perhitungan
Weight loss, % = [(A-B)/A] x100 (3.2) dimana,
A = berat sample yang digunakan, gram B = berat sampel setelah pemanasan, gram Kemudian persen volatile mattet dihitung,
Volatile matter, % = C-D (3.3) C = weight loss, %
D = misture, % 3.4.6.3. Ash
Analisa kadar ash dalam batubara dilakukan dengan standar ASTM D 3174-02. Sampel yang digunakan dihaluskan hingga 250 μm.
Alat
1. Electric muffle furnace
2. Kapsul porselen atau Krusibel platina 3. Tutup krusibel
Prosedur
1. Masukkan 1 g sampel dalam kapsul dan ditimbang dan tutup. Letakkan kapsul dalam furnace dingin. Panaskan dengan hingga 450-500°C selama 1 jam
2. Panaskan sampel hingga temperatur mencapai 700 -750°C selama 1 jam kemudian. Lanjutkan pemanasan hingga 2 jam kemudian. Pindah kapsul keluar dari furnace, dinginkan dan timbang.
Perhitungan
Ash, % = [(A-B)/C] x100 (3.4) dimana,
A = berat kapsul, tutup, dan ash, gram B = berat kapsul kosong dan tutup, gram C = berat sampel yang digunaka, gram 3.4.6.4. Fixed carbon
Analisa kadar fixed carbon dalam batubara dilakukan dengan standar ASTM D 3172-02 dengan perhitungan dari data kadar moisture, ash dan volatile matter.
Fixed carbon, % = 100% - (moisture, %+ ash, % + volatile matter, %) (3.5) 3.4.7. Derajat Metalisasi
Untuk mengetahui Fe metal yang terbentuk dilakukan pengujian dearjat metalisasi dengan metode besi klorida. Standar pengujian yang dilakukan adalah IS 15774: 2007. Metode ini melibatkan pelarutan sampel dalam larutan besi (iii) klorida dengan dilanjutkan filtrasi dan titrasi besi yang terlarut dalam filtrat. Reaksi antara besi (III) klorida dan besi metalik (3.6).
2FeCl
3 + Fe → 3FeCl2 (3.6)
Bahan
1. Besi (iii) klorida (10 persen)
2. Larutkan 100 gram besi (iii) klorida (FeCl3.6H2O) dalam
air dan larutkan hingga 1 liter 3. Asam Klorida (HCl) 32%
