Pengurangan Langsung dalam Produksi Baja: Proses, Peralatan & Signifikansi

Definisi dan Konsep Dasar

Reduksi langsung, juga dikenal sebagai produksi besi yang direduksi langsung (DRI), adalah proses pembuatan baja utama yang mengubah bijih besi menjadi besi logam dengan menghilangkan oksigen melalui reaksi reduksi, tanpa melelehkan bijih. Ini berfungsi sebagai alternatif untuk peleburan tungku tiup, menawarkan jalur yang lebih efisien energi dan ramah lingkungan untuk memproduksi bahan baku besi untuk pembuatan baja.

Dalam rantai manufaktur baja, reduksi langsung ditempatkan di hulu proses tungku busur listrik (EAF) atau tungku oksigen dasar (BOF). Ini menyediakan besi berkualitas tinggi, seperti spons yang dapat langsung dimasukkan ke dalam EAF atau diproses lebih lanjut menjadi besi briket panas (HBI). Proses ini sangat penting di daerah yang tidak memiliki akses ke infrastruktur tungku tiup atau yang bertujuan untuk mengurangi emisi karbon.

Tujuan dasar dari reduksi langsung adalah untuk memproduksi produk besi berpori dengan kemurnian tinggi yang mempertahankan sebagian besar kandungan logam dari bijih aslinya sambil meminimalkan kotoran. Ini memungkinkan produksi baja yang fleksibel, modular, dan efisien energi, sering kali dengan emisi gas rumah kaca yang lebih rendah dibandingkan dengan metode tungku tiup tradisional.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik reduksi langsung melibatkan pengurangan secara kimiawi oksida besi (Fe₂O₃, Fe₃O₄) yang terdapat dalam bijih besi menjadi besi logam (Fe) menggunakan agen reduksi, biasanya gas alam (metana) atau gas berbasis batu bara. Proses ini terjadi pada suhu di bawah titik lebur besi (~1.200°C), menjaga material dalam keadaan padat.

Komponen teknologi kunci termasuk reaktor reduksi—seperti tungku poros, kiln putar, atau reaktor bed cair—yang memfasilitasi kontak terkontrol antara bijih dan gas reduksi. Reaktor ini dilengkapi dengan zona pemanasan awal, zona reduksi, dan bagian pendingin, dirancang untuk mengoptimalkan aliran gas, distribusi suhu, dan waktu tinggal.

Mekanisme operasi utama melibatkan aliran gas reduksi melalui bed bijih yang dipadatkan atau dicairkan, mempromosikan reaksi kimia yang menghilangkan oksigen dari bijih. Material mengalir dari input bijih mentah, melalui zona reduksi, hingga pengeluaran besi spons, yang dapat diproses lebih lanjut atau disimpan.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, komposisi gas, tekanan, dan waktu tinggal. Suhu operasi yang khas berkisar antara 800°C hingga 1.050°C, tergantung pada teknologi dan bahan baku. Komposisi gas biasanya terdiri dari metana (CH₄), karbon dioksida (CO₂), nitrogen (N₂), dan uap air, dengan metana sebagai agen reduksi utama.

Tingkat reduksi, atau sejauh mana oksigen dihilangkan, secara langsung mempengaruhi tingkat metalisasi produk akhir, yang biasanya ditargetkan pada 90-95%. Laju aliran gas dan tekanan mempengaruhi kinetika reaksi dan konsumsi energi, dengan laju aliran yang lebih tinggi meningkatkan kecepatan reduksi tetapi juga penggunaan energi.

Sistem kontrol menggunakan sensor canggih dan otomatisasi untuk memantau suhu, komposisi gas, dan tekanan secara real-time. Umpan balik mengatur laju aliran gas, titik set suhu, dan laju umpan untuk mempertahankan kondisi reduksi yang optimal, memastikan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Pabrik reduksi langsung yang khas terdiri dari reaktor reduksi (tungku poros, kiln putar, atau bed cair), unit pembangkit gas (seperti reformer atau generator yang memproduksi gas reduksi), sistem pemulihan panas, dan fasilitas penanganan produk.

Tungku poros adalah wadah vertikal, silindris dengan tinggi sekitar 10-20 meter dan diameter 3-6 meter, dengan pelapisan refraktori internal untuk menahan suhu tinggi dan gas korosif. Kiln putar adalah silinder miring yang berputar sekitar 30-50 meter panjangnya, dengan pelapisan refraktori internal dan sistem penggerak eksternal.

Reaktor bed cair lebih kecil, dengan bed partikel bijih halus yang digantung oleh gas yang mengalir ke atas, memberikan transfer panas dan massa yang sangat baik. Sistem tambahan termasuk unit pembersihan gas, pengumpul debu, dan sistem pendingin untuk mengelola gas buang dan pemulihan panas.

Evolusi desain telah fokus pada peningkatan throughput, efisiensi energi, dan kinerja lingkungan. Desain pabrik modular dan mobile sedang muncul untuk memfasilitasi penerapan di daerah terpencil atau yang terbatas sumber daya.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan reduksi oksida besi oleh gas yang berasal dari metana:

• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
• Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O
• Fe₂O₃ + CH₄ → 2Fe + CO₂ + 2H₂O + hidrokarbon lainnya

Secara termodinamika, reaksi ini lebih disukai pada suhu tinggi, dengan keseimbangan bergeser menuju besi logam seiring meningkatnya suhu. Kinetika dipengaruhi oleh laju difusi gas, suhu, dan mineralogi bijih.

Produk reaksi termasuk besi logam (besi spons), uap air (H₂O), karbon dioksida (CO₂), dan hidrokarbon residu. Gas buang sering kali kaya akan CO, CO₂, dan metana yang tidak bereaksi, yang dapat dimanfaatkan untuk pemulihan energi atau pemrosesan lebih lanjut.

Transformasi Metalurgi

Selama reduksi, oksida besi mengalami transformasi fase dari hematit (Fe₂O₃) atau magnetit (Fe₃O₄) menjadi wüstite (FeO), dan akhirnya menjadi besi logam. Secara mikrostruktural, besi spons mengembangkan struktur berpori yang saling terhubung dengan luas permukaan tinggi, memfasilitasi pemrosesan metalurgi selanjutnya.

Proses reduksi menyebabkan perubahan mikrostruktural, termasuk pertumbuhan butir dan pembentukan pori, yang mempengaruhi sifat mekanik dan reaktivitas. Pengendalian suhu dan waktu reduksi yang tepat memastikan metalisasi yang optimal dan meminimalkan kotoran.

Interaksi Material

Interaksi antara besi logam, slag residu, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting. Bijih besi dan gas reduksi dapat menyebabkan keausan refraktori, terutama jika gas korosif atau kotoran hadir.

Pembentukan slag terjadi dari mineral gangue dan kotoran residu, yang dapat mempengaruhi transfer panas dan kemurnian produk. Mengontrol komposisi material input dan mempertahankan kondisi proses yang tepat meminimalkan reaksi yang tidak diinginkan dan kontaminasi.

Mekanisme seperti infiltrasi gas, difusi, dan serangan kimia mengatur transfer material dan degradasi. Pelapisan refraktori pelindung dan kontrol proses membantu mengurangi interaksi ini, memperpanjang umur peralatan.

Alur Proses dan Integrasi

Material Input

Input utama adalah bijih besi, biasanya dalam bentuk pelet atau bongkah, dengan kandungan besi tinggi (≥ 60%) dan kotoran rendah. Bijih harus diproses sebelumnya—dihancurkan, disaring, dan kadang-kadang dipelletisasi—untuk memastikan ukuran dan reaktivitas yang seragam.

Gas reduksi dihasilkan di lokasi melalui reformer atau disuplai secara eksternal, dengan komposisi yang disesuaikan untuk mengoptimalkan efisiensi reduksi. Input tambahan termasuk bahan bakar tambahan, oksigen, dan air proses.

Kualitas input secara langsung mempengaruhi kinetika reduksi, tingkat metalisasi, dan kemurnian produk. Bijih berkualitas tinggi dengan tingkat gangue dan kotoran yang rendah menghasilkan operasi yang lebih efisien dan karakteristik produk yang lebih baik.

Urutan Proses

Proses dimulai dengan persiapan bijih mentah, diikuti dengan pemberian ke dalam reaktor reduksi. Gas reduksi diperkenalkan dari bawah atau melalui nosel yang didistribusikan, meng