Bijih: Bahan Baku Penting dalam Produksi & Pengolahan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Bijih adalah bahan padat yang terjadi secara alami dari mana logam, mineral, atau bahan geologi lainnya yang berharga dapat diekstraksi secara menguntungkan melalui pengolahan. Dalam konteks produksi baja, bijih terutama merujuk pada endapan mineral yang mengandung oksida besi, seperti hematit (Fe₂O₃), magnetit (Fe₃O₄), atau limonit, yang berfungsi sebagai bahan baku utama untuk pembuatan besi.

Tujuan dasar bijih dalam pembuatan baja adalah untuk menyediakan unsur logam esensial—terutama besi—yang diperlukan untuk memproduksi baja. Ini bertindak sebagai input awal dalam rantai pengolahan utama, di mana ia mengalami benefisiasi, reduksi, dan pemurnian untuk menghasilkan besi kasar atau besi yang direduksi langsung (DRI), yang kemudian diproses lebih lanjut menjadi baja.

Dalam alur proses pembuatan baja secara keseluruhan, bijih biasanya ditambang dari bumi, diproses untuk memusatkan kandungan besi, dan kemudian diangkut ke tanur tiup atau pabrik reduksi langsung. Fasilitas ini mengubah bijih menjadi besi logam, yang kemudian dimurnikan menjadi berbagai jenis baja. Oleh karena itu, bijih membentuk bahan baku dasar dalam tahap metalurgi primer produksi baja.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa di balik pengolahan bijih fokus pada memaksimalkan ekstraksi besi sambil meminimalkan kotoran dan limbah. Teknologi inti mencakup benefisiasi mineral, penghancuran, penggilingan, pemisahan magnetik, flotasi, dan peletisasi.

Benefisiasi melibatkan teknik pemisahan fisik yang memanfaatkan perbedaan dalam sifat mineral, seperti densitas, kerentanan magnetik, atau kimia permukaan. Misalnya, pemisahan magnetik menggunakan medan magnet untuk memisahkan magnetit dari mineral pengganggu, sementara flotasi menggunakan reagen untuk secara selektif menempel pada partikel mineral tertentu.

Komponen teknologi utama mencakup penghancur dan pabrik untuk pengurangan ukuran, pemisah magnetik untuk pemulihan mineral magnetik, sel flotasi untuk konsentrasi mineral, dan peralatan peletisasi untuk aglomerasi. Komponen ini bekerja sama untuk menghasilkan produk bijih terkonsentrasi dengan kandungan besi tinggi yang cocok untuk peleburan.

Aliran material dimulai dengan bijih yang ditambang diangkut ke unit penghancuran dan penggilingan, di mana ukuran partikel dikurangi untuk memfasilitasi pemisahan. Bijih terkonsentrasi kemudian melanjutkan ke peletisasi atau sintering, membentuk bahan baku yang sesuai untuk tanur tiup atau proses reduksi langsung.

Parameter Proses

Variabel proses kritis mencakup ukuran partikel, kekuatan medan magnet, dosis reagen, densitas pulp, dan suhu. Ukuran partikel yang khas setelah penggilingan berkisar antara 45 hingga 150 mikrometer, dioptimalkan untuk efisiensi pemisahan.

Pemisahan magnetik beroperasi secara efektif pada kekuatan medan magnet 0,1 hingga 0,5 Tesla, tergantung pada mineralogi bijih. Konsentrasi reagen flotasi dikontrol dengan hati-hati dalam rentang tertentu untuk memaksimalkan pemulihan mineral sambil meminimalkan konsumsi reagen.

Parameter proses secara langsung mempengaruhi kualitas konsentrat, tingkat pemulihan, dan konsumsi energi. Misalnya, penggilingan yang lebih halus meningkatkan pembebasan tetapi meningkatkan penggunaan energi, sementara dosis reagen yang tidak tepat dapat menyebabkan efisiensi pemisahan yang buruk.

Sistem kontrol menggunakan sensor dan otomatisasi untuk memantau parameter seperti distribusi ukuran partikel, fluks magnetik, tingkat reagen, dan viskositas pulp. Algoritma kontrol canggih mengoptimalkan operasi secara real-time, memastikan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Pabrik pengolahan bijih yang khas memiliki serangkaian unit yang saling terhubung yang diatur dalam urutan aliran. Penghancur primer mengurangi batu besar menjadi ukuran yang dapat dikelola, diikuti oleh penghancur sekunder dan pabrik penggilingan (pabrik bola, pabrik SAG) untuk persiapan partikel yang lebih halus.

Pemisah magnetik ditempatkan setelah penggilingan untuk memulihkan mineral magnetik, sementara sel flotasi digunakan untuk memisahkan pengganggu non-magnetik. Mesin peletisasi atau drum sintering terletak di hilir untuk menghasilkan bahan baku yang sesuai untuk tanur tiup.

Dimensi peralatan bervariasi berdasarkan kapasitas pabrik, berkisar dari unit modular kecil yang memproses beberapa ratus ton per hari hingga fasilitas berskala besar yang menangani beberapa juta ton per tahun. Pabrik modern menggabungkan otomatisasi, pengumpulan debu, dan sistem kontrol lingkungan.

Sistem tambahan mencakup konveyor, pompa slurry, sistem dosis reagen, dan unit pengolahan air. Ini mendukung operasi berkelanjutan, penanganan material, dan kepatuhan lingkungan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama selama pengolahan bijih melibatkan reduksi oksida besi menjadi besi logam. Dalam benefisiasi, pemisahan fisik tidak melibatkan reaksi kimia tetapi bergantung pada sifat mineral.

Dalam peleburan, reaksi kunci adalah reduksi hematit atau magnetit dalam tanur tiup:

$$\mathrm{Fe_2O_3} + 3 \mathrm{CO} \rightarrow 2 \mathrm{Fe} + 3 \mathrm{CO_2} $$

Reaksi endotermik ini secara termodinamika diuntungkan pada suhu tinggi (~1500°C). Karbon monoksida (CO), yang dihasilkan dari pembakaran kokas, bertindak sebagai agen pereduksi.

Produk sampingan termasuk karbon dioksida (CO₂) dan, dalam beberapa kasus, emisi karbon monoksida (CO). Kotoran seperti silika, alumina, dan sulfur membentuk terak atau tertahan dalam logam tergantung pada afinitas dan kondisi proses.

Transformasi Metalurgi

Selama benefisiasi, mikrostruktur mineral diubah melalui pemisahan fisik, tanpa transformasi metalurgi yang signifikan. Namun, dalam peleburan, reaksi reduksi menyebabkan transformasi fase dari mineral oksida menjadi besi logam.

Secara mikrostruktur, besi kasar yang dihasilkan mengandung campuran ferit, semenit, dan inklusi terak residu. Mikrostruktur mempengaruhi sifat mekanik seperti kekerasan, keuletan, dan ketangguhan.

Dalam peletisasi atau sintering, perlakuan termal menyebabkan perubahan fase dan perkembangan mikrostruktur yang meningkatkan sifat metalurgi dari bahan baku, meningkatkan kemampuan reduksi dan perilaku peleburan.

Interaksi Material

Interaksi antara bijih, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Selama peleburan, bijih besi bereaksi dengan gas reduksi dan fluks, membentuk logam cair dan terak.

Terak bertindak sebagai lapisan pelindung, mengontrol transfer panas dan menangkap kotoran. Pelapisan refraktori dalam tanur tahan terhadap suhu tinggi dan serangan kimia tetapi rentan terhadap keausan akibat korosi terak dan siklus termal.

Gas atmosfer, terutama CO dan CO₂, mempengaruhi kinetika reduksi dan kimia terak. Mengontrol potensi oksigen dan laju aliran gas meminimalkan reaksi yang tidak diinginkan dan kontaminasi.

Metode seperti menambahkan fluks (batu kapur, dolomit) membantu mengontrol kimia terak, mencegah kerusakan refraktori, dan memfasilitasi penghilangan kotoran.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Input

Input utama adalah bijih besi, dengan spesifikasi termasuk kandungan besi tinggi (biasanya >60%), kotoran rendah (silika, alumina, sulfur), dan ukuran partikel yang sesuai. Input tambahan termasuk fluks (batu kapur, dolomit), reduktan (kokas, batubara), dan air.

Bijih harus diproses untuk memenuhi ukuran dan persyaratan pembebasan mineral sebelum benefisiasi. Penanganan melibatkan penghancuran, penyaringan, dan penyimpanan, memastikan kualitas bahan baku yang konsisten.

Kualitas input secara langsung mempengaruhi efisiensi pemisahan, tingkat pemulihan, dan kinerja metal