Besi yang Direduksi Langsung (DRI): Bahan Kunci dalam Proses Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Direct Reduced Iron (DRI), juga dikenal sebagai besi spons, adalah produk logam berpori yang diperoleh dengan mereduksi bijih besi (terutama oksida besi) secara langsung dalam bentuk padat, tanpa meleleh. Ini berfungsi sebagai bahan baku utama dalam pembuatan baja, terutama dalam operasi tungku busur listrik (EAF), menyediakan sumber besi berkualitas tinggi dengan rendahnya kotoran.

Tujuan dasar dari DRI adalah untuk memproduksi bahan baku besi logam dengan kandungan karbon dan kotoran yang minimal, memfasilitasi produksi baja yang efisien. Ini bertindak sebagai produk antara yang menghubungkan bijih mentah dan baja cair, memungkinkan manufaktur yang fleksibel, efisien energi, dan sadar lingkungan.

Dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, produksi DRI ditempatkan setelah penambangan dan pengolahan bijih besi dan sebelum peleburan dalam tungku busur listrik atau proses pembuatan baja sekunder lainnya. Ini sering menggantikan atau melengkapi logam bekas, terutama di daerah di mana ketersediaan logam bekas terbatas atau kualitasnya tidak konsisten.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Teknologi inti di balik produksi DRI melibatkan reduksi oksida besi dalam keadaan padat menggunakan gas reduksi, yang biasanya terdiri dari hidrogen, karbon monoksida, atau campuran keduanya. Proses ini terjadi dalam tungku poros atau kiln putar, di mana bijih terpapar pada atmosfer reduksi yang terkontrol pada suhu tinggi.

Komponen teknologi kunci termasuk reaktor reduksi (tungku poros atau kiln putar), zona pemanasan awal, dan sistem sirkulasi gas. Tungku reduksi dirancang untuk memfasilitasi aliran panas dan gas yang merata, memastikan reduksi oksida besi menjadi besi logam yang lengkap dan efisien.

Mekanisme operasi utama melibatkan aliran gas reduksi melalui lapisan bijih yang dipadatkan atau bijih yang bergerak di dalam kiln, memfasilitasi reaksi kimia yang mengubah Fe₂O₃ dan Fe₃O₄ menjadi besi logam (Fe). Alur proses melibatkan pemberian pelet bijih besi atau bijih bongkah, pemanasan awal, reduksi, pendinginan, dan penanganan produk.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, komposisi gas reduksi, tekanan, dan waktu tinggal. Suhu reduksi yang khas berkisar antara 800°C hingga 1050°C, tergantung pada teknologi dan bahan baku.

Komposisi gas reduksi biasanya mengandung 30-60% hidrogen dan karbon monoksida, dengan laju aliran disesuaikan untuk mengoptimalkan efisiensi reduksi. Laju aliran gas sering berada dalam kisaran 0,5-1,5 Nm³ per kg bijih, dengan laju aliran yang lebih tinggi mendorong reduksi yang lebih cepat tetapi meningkatkan konsumsi energi.

Waktu tinggal bervariasi dari 20 hingga 60 menit, mempengaruhi derajat reduksi dan kualitas produk. Mempertahankan suhu dan komposisi gas yang optimal memastikan tingkat metalisasi yang tinggi (>90%) dan karbon residu yang rendah.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata untuk suhu, komposisi gas, dan tekanan, yang terintegrasi ke dalam loop kontrol otomatis. Pemantauan terus-menerus memungkinkan penyesuaian aliran gas, suhu, dan laju pemberian, memastikan stabilitas proses dan konsistensi produk.

Konfigurasi Peralatan

Pabrik DRI yang khas memiliki tungku poros vertikal atau kiln putar, dengan dimensi berkisar antara 3 hingga 10 meter dalam diameter dan 20 hingga 100 meter dalam panjang. Tungku poros lebih umum untuk kapasitas yang lebih kecil, sementara kiln putar lebih disukai untuk throughput yang lebih besar.

Reaktor reduksi dilengkapi dengan zona pemanasan awal, pemisah siklon untuk pemulihan gas panas, dan bagian pendinginan untuk mencegah oksidasi produk. Sistem tambahan termasuk unit pembangkit gas (misalnya, reformer atau gasifier), pengumpulan debu, dan peralatan penanganan material.

Evolusi desain telah berfokus pada peningkatan efisiensi energi, pengurangan emisi, dan peningkatan throughput. Pabrik modern menggabungkan sistem pemulihan panas limbah, isolasi canggih, dan otomatisasi untuk kontrol proses.

Sistem tambahan seperti unit pembersihan gas, penekanan debu, dan penyaringan produk sangat penting untuk stabilitas operasional dan kualitas produk.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan reduksi oksida besi oleh karbon monoksida dan hidrogen:

• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
• Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
• Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O

Reaksi ini secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi, dengan keseimbangan bergeser menuju besi logam seiring meningkatnya suhu. Proses reduksi dikendalikan secara kinetik oleh difusi gas, suhu, dan ukuran partikel.

Produk reaksi termasuk besi logam, karbon dioksida (CO₂), uap air (H₂O), dan gas residu. Produk sampingan seperti CO₂ dan H₂O dihilangkan melalui sistem gas buang, yang sering dimanfaatkan untuk pemulihan energi.

Transformasi Metalurgi

Selama reduksi, oksida besi mengalami transformasi fase dari hematit (Fe₂O₃) atau magnetit (Fe₃O₄) menjadi besi logam (α-Fe). Secara mikrostruktur, proses ini melibatkan pembentukan besi spons berpori dengan luas permukaan tinggi, memfasilitasi reduksi lebih lanjut.

Seiring dengan kemajuan reduksi, mikrostruktur berkembang dari butiran oksida menjadi besi logam dengan pori yang saling terhubung. Derajat metalisasi, yang menunjukkan persentase besi dalam bentuk logam, biasanya melebihi 90%, mempengaruhi sifat mekanik dan perilaku pemrosesan selanjutnya.

Transformasi ini mempengaruhi sifat-sifat seperti kekerasan, ketangguhan, dan karakteristik magnetik. Kontrol yang tepat memastikan kotoran residu minimal, mengurangi kotoran dan meningkatkan kualitas baja.

Interaksi Material

Interaksi antara besi logam, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Suhu tinggi dan gas reaktif di zona reduksi dapat menyebabkan keausan refraktori, memerlukan material yang tahan lama seperti magnesia atau bata berbasis alumina.

Pembentukan terak terjadi dari kotoran dalam bijih dan gangue residu, yang dapat mempengaruhi kinetika reduksi dan kemurnian produk. Mengontrol komposisi dan viskositas terak sangat penting untuk mencegah kontaminasi dan memfasilitasi penghilangan.

Interaksi atmosfer, seperti oksidasi besi spons selama pendinginan, diminimalkan melalui atmosfer inert atau reduksi. Penyegelan yang tepat dan pengurasan gas inert mencegah oksidasi yang tidak diinginkan, menjaga kualitas produk.

Metode seperti pelapisan pelapisan refraktori dan mengoptimalkan aliran gas membantu mengontrol interaksi yang tidak diinginkan, memperpanjang umur peralatan dan memastikan kualitas produk yang konsisten.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah bijih besi, biasanya dalam bentuk pelet atau bongkah, dengan kandungan Fe tinggi (>60%) dan kotoran rendah. Bijih harus dipersiapkan dengan baik, termasuk penghancuran, penggilingan, dan peletisasi, untuk mencapai ukuran dan porositas yang seragam.

Bahan tambahan termasuk gas reduksi (hidrogen, karbon monoksida), yang dihasilkan di lokasi melalui reformer atau disuplai dari luar. Reagen seperti gas alam atau gas dari tungku kokas adalah sumber umum.

Air dan gas tambahan digunakan untuk pendinginan dan kontrol proses. Kualitas bahan masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi reduksi, derajat metalisasi, dan kemurnian produk.

Bijih berkualitas tinggi dengan mineralogi yang konsisten memastikan perilaku reduksi yang dapat diprediksi dan meminimalkan