Batu pasir besi

Batu pasir besi (bahasa Inggris: Direct reduced iron, disingkat sebagai DRI), juga disebut tempaan atau besi spons atau besi busa, adalah jenis batu besi yang dihasilkan langsung dari reduksi bijih besi (dalam bentuk batu benjolan, pelet) menjadi besi dengan mengurangi unsur karbon gas yang dihasilkan dari pembakaran gas alam atau batu bara. Banyak bijih cocok untuk reduksi langsung. Besi spons harus dipadatkan untuk dilebur, karena mengandung kotoran yang tidak diinginkan (terutama terak).^{[1][2][3][4][5][6]}

Tungku tempa merupakan perlatan tradisional dan paling primitif yang bisa meleburkan bijih besi. Sebuah tungku tempa adalah jenis tungku yang dulunya pernah digunakan secara luas untuk proses peleburan besi dari unsur oksida. Sebuah tungku tempa akan memproduksi sebuah gumpalan besi berpori dan terak yang disebut tempaan. Campuran terak dan besi di tempaan disebut besi spons, yang biasanya dikumpulkan dan selanjutnya ditempa menjadi besi tempa. Tungku tempa selanjutnya telah digantikan oleh tungku sembur, menghasilkan pig iron.

Reduksi langsung mengacu pada proses keadaan padat yang mereduksi oksida besi menjadi besi metalik pada suhu di bawah titik leleh besi. Besi tereduksi mendapatkan namanya dari proses ini, salah satu contohnya adalah memanaskan bijih besi dalam tungku pada suhu tinggi 800 hingga 1.200 °C (1.470 hingga 2.190 °F) diikuti dengan adanya gas syngas pereduksi, campuran hidrogen dan karbon monoksida.

Proses reduksi langsung dapat dibagi secara kasar menjadi dua kategori: berbasis gas, dan berbasis batubara. Dalam kedua kasus, tujuan dari proses ini adalah untuk menghilangkan oksigen yang terkandung dalam bijih besi dalam berbagai bentuk (bijih berukuran, konsentrat, pelet, skala pabrik, debu tungku, dll), untuk mengubah bijih menjadi besi logam, tanpa melelehkannya (di bawah 1.200 °C (2.190 °F)).

Proses reduksi langsung relatif hemat energi. Baja yang dibuat menggunakan DRI membutuhkan bahan bakar yang jauh lebih sedikit, sehingga tanur sembur tradisional tidak diperlukan. DRI paling sering dibuat menjadi baja menggunakan tungku busur listrik untuk memanfaatkan panas yang dihasilkan oleh produk DRI.

Proses reduksi langsung dikembangkan untuk mengatasi kesulitan tanur sembur konvensional. Pabrik DRI tidak perlu menjadi bagian dari pabrik baja terintegrasi, seperti karakteristik tanur sembur. Investasi modal awal dan biaya operasi pabrik reduksi langsung lebih rendah daripada pabrik baja terintegrasi dan lebih cocok untuk negara berkembang di mana pasokan batubara kokas bermutu tinggi terbatas, tetapi di mana skrap baja umumnya tersedia untuk didaur ulang. India adalah produsen besi reduksi langsung terbesar di dunia. Banyak negara lain menggunakan varian proses.

Faktor-faktor yang membantu membuat DRI ekonomis:

• Besi pereduksi langsung memiliki kandungan besi yang hampir sama dengan besi kasar, biasanya besi total 90-94% (tergantung pada kualitas bijih mentah) sehingga merupakan bahan baku yang sangat baik untuk tungku listrik yang digunakan oleh pabrik mini, memungkinkan mereka untuk menggunakan mutu skrap yang lebih rendah untuk sisa muatan atau untuk menghasilkan mutu baja yang lebih tinggi.
• Hot-briquetted iron (HBI) adalah bentuk DRI yang dipadatkan yang dirancang untuk kemudahan pengiriman, penanganan, dan penyimpanan.
• Besi reduksi langsung panas (HDRI) adalah DRI yang diangkut panas, langsung dari tungku reduksi, ke tungku busur listrik, sehingga menghemat energi.
• Proses reduksi langsung menggunakan bijih besi pelet atau bijih “benjolan” alami. Satu pengecualian adalah proses unggun terfluidisasi yang membutuhkan partikel bijih besi berukuran.
• Proses reduksi langsung dapat menggunakan gas alam yang terkontaminasi dengan gas inert, menghindari kebutuhan untuk menghilangkan gas ini untuk penggunaan lain. Namun, setiap kontaminasi gas inert dari gas pereduksi menurunkan efek (kualitas) aliran gas tersebut dan efisiensi termal dari proses tersebut.
• Pasokan bijih bubuk dan gas alam mentah keduanya tersedia di daerah seperti Australia Utara , menghindari biaya transportasi untuk gas. Dalam kebanyakan kasus, pabrik DRI terletak di dekat sumber gas alam karena lebih hemat biaya untuk mengirimkan bijih daripada gas.
• Metode DRI menghasilkan 97% besi murni.
• Untuk menghilangkan penggunaan bahan bakar fosil dalam pembuatan besi dan baja, gas hidrogen terbarukan dapat digunakan sebagai pengganti syngas untuk menghasilkan DRI.

Besi reduksi langsung sangat rentan terhadap oksidasi dan karat jika dibiarkan tidak terlindungi, dan biasanya cepat diproses lebih lanjut menjadi baja. Besi curah juga bisa terbakar karena piroforik. Tidak seperti besi kasar tanur sembur, yang hampir merupakan logam murni, DRI mengandung beberapa gangue silika (jika dibuat dari skrap, bukan dari besi baru dari besi reduksi langsung dengan gas alam), yang perlu dihilangkan dalam proses pembuatan baja.

Besi spons tidak berguna dengan sendirinya, tetapi dapat diproses untuk membuat besi tempa atau baja. Spons dikeluarkan dari tungku, yang disebut bloomery, dan berulang kali dipukuli dengan palu berat dan dilipat untuk menghilangkan kotoran terak, mengoksidasi karbon atau karbida, dan mengelas besi bersama-sama. Perlakuan ini biasanya menciptakan besi tempa dengan sekitar tiga persen terak dan sebagian kecil dari persen pengotor lainnya. Perlakuan lebih lanjut dapat menambahkan jumlah karbon yang terkontrol, memungkinkan berbagai jenis perlakuan panas (misalnya "stelling").

Saat ini, besi spons dibuat dengan mereduksi bijih besi tanpa melelehkannya. Hal ini membuat bahan baku hemat energi untuk produsen baja khusus yang dulu mengandalkan besi tua.

Reaksi berikut berturut-turut mengubah hematit (dari bijih besi) menjadi magnetit, magnetit menjadi oksida besi, dan oksida besi menjadi besi oleh reduksi dengan karbon monoksida atau hidrogen.^[6]

${\displaystyle {\ce {3 Fe2O3 + CO/H2 -> 2 Fe3O4 + CO2/H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + CO/H2 -> 3 FeO + CO2/H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {FeO + CO/H2 -> Fe + CO2/H2O}}}$

Karburasi menghasilkan sementit (Fe₃C):

${\displaystyle {\ce {3 Fe + CH4 -> Fe3C + 2H2}}}$

${\displaystyle {\ce {3 Fe + 2CO -> Fe3C + CO2}}}$

${\displaystyle {\ce {3 Fe + CO +H2 -> Fe3C + H2O}}}$

Reduksi besi secara langsung adalah penghilangan oksigen dari bijih besi atau bahan bantalan besi lainnya dalam keadaan padat, yaitu tanpa peleburan, seperti dalam tanur tinggi. Agen pereduksi adalah karbon monoksida dan hidrogen, yang berasal dari gas alam yang direformasi, syngas atau batubara. Bijih besi sebagian besar digunakan dalam bentuk pelet dan/atau kental.

Ada beberapa proses untuk reduksi langsung bijih besi:

• Gas-based shaft furnace processes (Midrex® dan Energiron) - menyumbang 75,8% dari produksi DRI 2019 (total 108,1 juta ton);
• Gas-based fluidized bed processes (proses Finmet / Finored menjadi satu-satunya proses skala komersial yang beroperasi)- menyumbang 0,2% dari produksi DRI 2019
• Coal based rotary kiln furnaces (terutama di India) - menyumbang 24% dari produksi 2019.

Proses berbasis gas Midrex® dan Energiron sebagian besar menggunakan pelet bijih besi sebagai bahan baku, tetapi terkadang dengan memasukkan bijih bongkahan dalam muatan tungku. Proses berbasis gas Finmet / Finored menggunakan butiran bijih besi sebagai bahan baku. Proses rotary kiln berbasis batubara SLRN menggunakan bijih lump dan, semakin banyak, pelet sebagai bahan baku. Ada varian dari proses ini yang dijelaskan di situs web berbagai penyedia teknologi.

Dalam proses reduksi langsung, pelet oksida besi lump dan/atau bijih besi lump, direduksi (dihilangkan oksigen) oleh gas pereduksi, menghasilkan besi tereduksi langsung (DRI). Jika tahap pendinginan dihilangkan, DRI dapat segera dibriket menjadi besi briket panas (HBI). Gas pereduksi dapat dihasilkan secara eksternal ke tungku reduksi, atau dapat dihasilkan dari hidrokarbon yang dimasukkan ke dalam zona reduksi tungku. Dalam kasus sebelumnya, gas pereduksi dihasilkan dari campuran gas alam (biasanya metana) dan gas daur ulang dari tungku pereduksi. Campuran dilewatkan melalui tabung katalis dimana secara kimiawi diubah menjadi gas yang kaya akan hidrogen dan karbon monoksida. Contoh proses yang menggunakan variasi prosedur umum ini termasuk Midrex dan HYL. Ketika gas pereduksi dihasilkan dari hidrokarbon di zona reduksi tungku, biasanya tungku tanur putar yang menggunakan bahan bakar hidrokarbon (terutama batu bara, tetapi terkadang minyak dan gas alam) tanpa gasifikasi sebelumnya di ruang reduksi. Contohnya termasuk proses ACCAR dan SL/RN.

DRI – juga dikenal sebagai besi tereduksi langsung, adalah sumber bahan besi yang komposisinya relatif seragam, dan hampir bebas dari elemen tramp. GRI ini semakin banyak digunakan dalam pembuatan baja tungku listrik untuk mengencerkan kontaminan yang ada dalam skrap yang digunakan dalam proses. Ini memiliki nilai energi terkait dalam bentuk karbon gabungan, yang memiliki kecenderungan untuk meningkatkan efisiensi tungku. Untuk fasilitas produksi DRI captive, ada keuntungan tambahan bahwa pengiriman DRI panas ke tungku dapat mengurangi konsumsi energi 16 hingga 20%.

Midrex – Muatan diumpankan terus menerus dari atas tungku, melewati secara seragam melalui zona pemanasan awal, reduksi, dan pendinginan tungku. Gas pereduksi terdiri dari sekitar 95% gabungan hidrogen ditambah karbon monoksida. Ini dipanaskan sampai kisaran suhu 1400 ° hingga 1700 °F dan dimasukkan dari bagian bawah tungku, di bawah bagian pereduksi. Gas mengalir berlawanan arah dengan padatan yang turun. Di bagian atas tungku, gas pereduksi yang dihabiskan sebagian (sekitar 70% hidrogen ditambah karbon monoksida) ada dan dikompres ulang, diperkaya dengan gas alam, dipanaskan hingga 750 °F, dan diangkut ke reformer gas. Reformer mereformasi campuran kembali menjadi 95% hidrogen ditambah karbon monoksida, yang kemudian siap untuk digunakan kembali oleh tungku reduksi langsung. Di zona pendinginan, aliran gas pendingin berlawanan dengan DRI. Di bagian atas zona pendinginan, gas pendingin keluar, dikirim untuk didaur ulang, lalu kembali ke bagian bawah zona pendinginan. Besi tereduksi langsung yang didinginkan (DRI) dibuang melalui bagian bawah tungku, setelah itu disaring untuk menghilangkan butiran halus, dan diperlakukan untuk meminimalkan bahaya penyalaan spontan selama penyimpanan yang diperpanjang. Denda yang dikurangi dibriket untuk menghasilkan produk DRI yang dapat digunakan.

HYL – Proses HYL menggunakan gas alam yang direformasi untuk mengurangi bijih lump dan pelet tetap dalam retort bus tetap. Sebelum reformer gas, gas alam dicampur dengan uap berlebih (di atas dan di atas persyaratan stoikiometrik) dan kemudian dilewatkan melalui katalis berbasis nikel. Server uap berlebih untuk mencegah pembentukan karbon dan meningkatkan umur katalis. Setelah reformer, uap air dalam gas yang direformasi dihilangkan dengan pendinginan, untuk mencapai gas pereduksi yang kaya hidrogen. Proses HYL menggunakan empat reaktor di bagian pereduksi. Pengurangan muatan terjadi pada tahap reduksi awal dan utama, sedangkan tahap ketiga digunakan untuk pendinginan, karburisasi, dan penyesuaian akhir metalisasi. Pengurangan muatan terjadi pada suhu di atas 1800 °F, keuntungannya adalah bahwa efisiensi pengurangan dinaikkan, dan hasilnya adalah produk yang lebih stabil dengan kecenderungan piroforik yang berkurang. Proses HYL menggunakan gas alam pereduksi dingin untuk pendinginan produk serta karburisasi. Pendinginan produk terjadi pada suhu sekitar 1020 °F, selama waktu tersebut karbon diendapkan untuk membentuk cangkang sementit (Fe2C) yang menghambat reoksidasi.

ACCAR – Allis-Chalmers Controlled Atmosphere Reactor (ACCAR) dirancang untuk menghasilkan DRI yang sangat metalisasi dalam rotary kiln dengan porta yang rumit. Bahan bakar cair dan/atau gas disuntikkan di bawah unggun, dan udara di atasnya. Muatan (misalnya batu bara, bijih lump, dan/atau pelet oksida besi) dipanaskan sampai suhu reduksi dengan aliran balik gas panas. Gas pereduksi karbon dan karbon monoksida terbentuk dari hidrokarbon yang ada di zona reduksi, dan memulai reduksi. Bahan bakar cair dan/atau gas tambahan yang dimasukkan melalui port shell kiln di dekat ujung produk kiln menghasilkan tingkat reduksi akhir. Produk kemudian dibuang ke pendingin putar yang didinginkan dengan semprotan eksternal. Pemisahan magnetik digunakan untuk memisahkan DRI dan abu batubara, dilanjutkan dengan penyaringan untuk memisahkan produk kasar dan halus.

SL/RN – Muatan, dipanaskan hingga 1800 °F dengan aliran balik gas freeboard, biasanya terdiri dari bijih lump (atau pelet), batu bara, arang daur ulang, dan fluks jika belerang perlu dihilangkan dari batu bara. Reduksi dilakukan dengan mereduksi gas yang dihasilkan dari hidrokarbon yang ada di bagian reduksi. Untuk meningkatkan efisiensi kiln, zona pemanasan awal biasanya dibatasi hingga 40 hingga 50% dari total panjang kiln. Untuk memastikan suhu yang seragam di seluruh zona reduksi, dan untuk mencegah pembentukan akreditasi karena panas berlebih di zona panas, semua batubara dimasukkan ke ujung umpan kiln. Saat muatan bergerak ke zona reduksi, reduksi dimulai ketika telah mencapai kira-kira 1650 °F. Setelah reduksi, padatan dibuang ke pendingin putar tertutup, di mana air disemprotkan pada cangkang yang lebih dingin untuk mengurangi suhu padatan hingga sekitar 200 °F dalam atmosfer non-pengoksidasi. Bahan yang didinginkan kemudian dipisahkan menjadi DRI, DRI halus, dan non-magnetik oleh serangkaian layar dan pemisah magnetik. Denda dibriket untuk digunakan nanti dengan DRI.

• Bijih besi
• Tanur tiup
• Besi kasar
• Besi
• Baja
• Peleburan (metalurgi)
• Pembuatan baja
• Logam paduan
• Ingot

• Valipour MS, and Saboohi, Y, "Numerical investigation of nonisothermal reduction of hematite using Syngas: the shaft scale study", Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 15(5), p. 487, 2007.
• Grobler, F. and Minnitt, R.C.A "The increasing role of direct reduced iron in global steelmaking", The Australasian Institute of Mining and Metallurgy.