Proses Pengolahan Bijih Nikel [PDF]

Citation preview

AndikYudiarto, ST Metallurgist



Proses Pengolahan Nikel Menjadi FeNi Dari Bijih Laterite Secara umum, mineral bijih di alam ini dibagi dalam 2 (dua) jenis yaitu mineral sulfida dan mineral oksida. Begitu pula dengan bijih nikel, ada sulfida dan ada oksida. Masing-masing mempunyai karakteristik sendiri dan cara pengolahannya pun juga tidak sama. Dalam bahasan kali ini akan dibatasi pengolahan bijih nikel dari mineral oksida (Laterit). Bijih nikel dari mineral oksida (Laterite) ada dua jenis yang umumnya ditemui yaitu Saprolit dan Limonit dengan berbagai variasi kadar. Perbedaan menonjol dari 2 jenis bijih ini adalah kandungan Fe (Besi) dan Mg (Magnesium), bijih saprolit mempunyai kandungan Fe rendah dan Mg tinggi sedangkan limonit sebaliknya. Bijih Saprolit dua dibagi dalam 2 jenis berdasarkan kadarnya yaitu HGSO (High Grade Saprolit Ore) dan LGSO (Low Grade Saprolit Ore), biasanya HGSO mempunyai kadar Ni ≥ 2% sedangkan LGSO mempunyai kadar Ni < 2%. Di dunia ini ada 3 macam teknologi yang digunakan untuk mengolah bijih Nikel yaitu: 1. Electric Furnace yang menghasilkan Crude FeNi 2. Krupp Rent yang menghasilkan Luppen (FeNi) 3. HPAL yang menghasilkan Ni, Co. Pemilihan teknologi didasarkan pada jenis bijih dan kebutuhan produk akhir yang diinginkan serta tidak terlepas pula factor ekonomisnya. Dalam bahasan kali ini, akan diuraikan proses pengolahan bijih nikel dengan menggunakan teknologi Electric Furnace. Pengolahan bijih nikel menjadi FeNi menggunakan bijih Saprolit dilakukan melalui jalur Pyrometallurgy, sedangkan pengolahan bijih Limonit biasanya dilakukan melalui jalur Hydrometallurgy dengan produk yang dihasikan Ni,Co. Proses pengolahan dalam skala industri yang paling penting adalah kontinuitas umpan baik jumlah maupun kadarnya,



diusahakan 2 hal tersebut tidak begitu fluktuatif sehingga variabel operasi dan material dari desain bisa ditetapkan dengan baik. Berikut contoh komposisi untuk umpan industri yang sudah merupakan hasil blending antara HGSO dan LGSO: Tabel 1. Contoh Komposisi Saprolit Ore Assays (%) Index Ni Co Fe SiO 2 CaO MgO Al 2O3 P 2O5 Cr2O3 LOI SiO 2/MgO MgO/SiO 2 Fe/Ni 1.84 0.04 11.04 40.62 0.21 27.8 1.34 0.26 1.15 10



1.46



0.68



6.02



Berdasarkan table 1, faktor yang paling penting diperhatikan adalah basisitas (tingkat kebasaan) MgO/SiO2 atau ada juga yang mengukur berdasarkan SiO2 /MgO. Tingkat kebasaan ini menentukan brick/ refractory/bata tahan api yang harus digunakan di dalam tungku (furnace), jika basisitas tinggi maka refractory yang digunakan juga sebaiknya mempunyai sifat basa agar slag (terak) tidak bereaksi dengan refractory yang akan menghabiskan lapisan refractory tersebut. Basisitas juga menentukan viscositas slag, semakin tinggi basisitas maka slag semakin encer dan mudah untuk dikeluarkan dari furnace. Namun basisitas yang terlalu tinggi juga tidak terlalu bagus karena difusi Oksigen akan semakin besar sehingga kehilangan Logam karena oksidasi terhadap logam juga semakin besar.



Slag (Terak) O2



SiO2, CaO, MgO, Al2 O3 , P2 O5 Cr2O 3 Interface



2 Fe + O2 = 2 FeO 4FeO + O2 = 2 Fe 2O 3 2Ni + O2 = 2 NiO Metal (Logam)



Fe, Ni



Gambar 1. Kesetimbangan Metal-Slag (Ket: Slag selalu berada di atas metal karena densitynya lebih rendah)



Secara umum proses pengolahan bijih nikel jalur pyrometallurgy dibagi dalam beberapa tahap seperti dalam diagram berikut: Ore



Kominusi Drying



Calcining



2. Drying Drying atau pengeringan dibutuhkan untuk mengurangi kadar moisture dalam bijih. Biasanya kadar moisture dalam bijih sekitar 30-35 % dan diturunkan dalam proses ini dengan rotary dryer menjadi sekitar 23% (tergantung desain yang dibuat). Dalam rotary dryer ini, pengeringan dilakukan dengan cara mengalirkan gas panas yang dihasilkan dari pembakaran pulverized coal dan marine fuel dalam Hot Air Generator (HAG) secara Co-Current (searah) pada temperature sampai 200 oC. 3. Calcining Tujuan utama proses ini adalah menghilangkan air kristal yang ada dalam bijih,air kristal yang biasa dijumpai adalah serpentine (3MgO.2SiO2 .2H2O) dan goethite (Fe2 O3 .H2 O). Proses dekomposisi ini dilakukan dalam Rotary Kiln dengan tempetatur sampai 850 oC menggunakan pulverized coal secara Counter Current. Reaksi dekomposisi air kristal yang terjadi adalah sebagai berikut: a. Serpentine Reaksi dekomposisi dari serpentine adalah sebagai berikut: 3MgO.2SiO2 .2H2O = 3 MgO + 2 SiO2 + 2 H2 O



Smelting



Refining



Crude FeNi



Reaksi ini terjadi pada temperatur 460-650 o C dan tergolong reaksi endotermik. Pemanasan lebih lanjut MgO dan SiO2 akan membentuk forsterite dan enstatite yang merupakan reaksi eksotermik. 2 MgO + SiO 2 = 2MgO.SiO2 MgO + SiO 2 = MgO.SiO2 b. Goethite



Gambar 2. Diagram alir proses



1. Kominusi Kominusi adalah proses reduksi ukuran dari ore agar mineral berharga bisa terlepas dari bijihnya. Berbeda dengan pengolahan emas, dalam tahap kominusi untuk nikel ore ini hanya dibutuhkan ukuran maksimal 30 mm sehingga hanya dibutuhkan crusher saja dan tidak dibutuhkan grinder.



Reaksi dekomposisi dari goethite adalah sebagai berikut: Fe2 O3 .H 2O



= Fe 2O 3 + H2 O



Reaksi ini terjadi pada 260 0C – 3300 C dan merupakan reaksi endotermik.



100% y =1, 008x0 ,024 R²=0,917



99%



theoretical



98%



actual Ni yi eld( %)



Di samping menghilangkan air kristal, pada proses ini juga biasanya didesain sudah terjadi reaksi reduksi dari NiO dan Fe2 O 3. Dalam teknologi Krupp rent, semua reduksi dilakukan dalam rotary kiln dan dihasilkan luppen. Sedangkan dalam technology Electric Furnace, hanya sekitar 20% NiO tereduksi secara tidak langsung dalam rotary kiln menjadi Ni dan 80% Fe2O 3 menjadi FeO sedangkan sisanya dilakukan dalam electric furnace.



97% y =0, 966x0,034 R²=0,957 96%



95%



94%



93%



Produk dari rotary kiln ini disebut dengan calcined ore dengan kandungan moisture sekitar 2% dan siap dilebur dalam electric furnace. 4. Smelting Proses peleburan dalam electric furnace adalah proses utama dalam rangkaian proses ini. Reaksi reduksi 80% terjadi secara langsung dan 20% secara tidak langsung pada temperature sampai 1650 o C. Reaksi reduksi langsung yang terjadi adalah sebagai berikut: NiO(l) + C(s) = Ni(l) + CO(g) FeO (l) + C(s) = Fe(l) + CO(g) Beberapa material yang mempunyai afinitas yang tinggi terhadap oksigen juga tereduksi dan menjadi pengotor dalam logam. SiO2(l) + 2C(s) = Si(l) + 2CO (g) Cr2 O3(l) + 3C(s) = 2Cr(l) + 3CO (g) P2 O5(l) + 5C(s) = 2P(l) + 5CO (g) 3Fe(l) + C(s) = Fe3 C(l) Karbon disupplay dari Antracite (tergantung desain), dan reaksi terjadi pada zona leleh elektroda. CO (g) yang dihasilkan dari reaksi ini ditambah dengan CO (g) dari reaksi boudoard mereduksi NiO dan FeO serta Fe2 O3 melalui mekanisme solid-gas reaction (reaksi tidak langsung): NiO(s) + CO(g) = Ni(s) + CO2(g) CoO(s) + CO(g) = Co(s) + CO 2(g) FeO (s) + CO(g) = Fe(s) + CO2(g) Fe2 O3(s) + CO (g) = 2FeO(s) + CO 2(g) Oksida stabil seperti SiO2, Cr2O 3 dan P2O 5 tidak tereduksi melalui reaksi tidak langsung. Sampai di sini Crude Fe-Ni sudah terbentuk dan proses sudah bisa dikatakan selesai. Yield (recovery) dari nikel pada EAF dapat didekati seperti pada gambar berikut:



0%



10%



20%



30%



40%



50% 60% Fe yield(%)



70%



80%



90%



100 %



Gambar 3. Hubungan antara Fe yield dan Ni yield dalam EAF



Gambar 4. Hubungan antara Fe yield dan %Ni dalam Crude FeNi



Gambar 5. Diagram fasa biner Fe-Ni



Pada daerah interface (antar muka) Slag-Metal terjadi kesetimbangan sebagai berikut: Si (l) + 2FeO(l) = 2Fe(l) + SiO2(l) Si (l) + 2NiO(l) = 2Ni(l) + SiO2(l) NiO(slag) + Fe(metal) = Ni(metal) + FeO (slag)



Sekali lagi basisitas sangat penting dalam kondisi ini, sebagai contoh proses yang didesain dengan basisitas 0,68 maka: MgO 0 .68 SiO2



MgO = 0.68SiO2



diturunkan maka pada proses pembuatan baja membutuhkan kerja keras untuk menurunkan kandungan sulfur ini. Proses ini dilakukan pada ladle furnace dengan agent sebagai berikut: Tabel 2. Agent Untuk desulfurisasi



MgO + SiO2 = 100% 0.68SiO2 + SiO2 = 100% 1.68SiO2 = 100%  SiO2 = 59.5% dan MgO = 40.5% Korelasi antara slag melting point pada SiO2 59.5% dan MgO 40.5% diilustrasikan oleh diagram terner FeO-MgO-SiO2 dalam gambar 6 (diambil dari Slag Atlas, Verlagstahleisen, M.B.H., Duesseldorf, 1981 and I.J. Reinecke and H. Lagendikj, INFACON XI Conference Proceeding, 2007).



(%) CaC2



CaO



CaF2



SiO2



MgO



Al2 O3



Na2 CO3



Carbide



79.00



11.20



3.02



2.90



0.35



0.71



-



Soda Ash



-



-



-



-



-



-



99.00



Material



Sedangkan reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: CaC 2 (S) + S = CaS (S) + 2C (Sat) Na2 CO3 + S + Si = Na2 S + (SiO2 ) + CO Na2 Co3 + SiO2 = Na2 O . SiO2 + CO 2 Reaksi ini merupakan reaksi eksotermik sehingga tidak membutuhkan pemanasan lagi pasca smelting. Proses selanjutnya adalah converting, sebenarnya proses ini masih dalam bagian refining hanya untuk membedakan antara menurunkan sulfida dengan menurunkan pengotor lain seperti Si, P, Cr dan C sesuai dengan kebutuhan. Sedangkan prosesnya sama hanya saja reaksi lebih dominan oksidasi dari oksigen.



Gambar 6. Diagram terner FeO-MgO-SiO2 yang menunjuk kan hubungan antara slag melting point dan slag basicity of 0.68 & 0.5 untuk FeO 6% & 10%



5. Refining Pada proses ini yang paling utama adalah menghilangkan/memperkecil kandungan sulfur dalam crude Fe-Ni dan sering disebut Desulfurisasi. Dilakukannya proses ini berkaitan dengan kebutuhan proses lanjutan yaitu digunakannya Fe-Ni sebagai umpan untuk pembuatan Baja dimana baja yang bagus harus mengandung Sulfur maksimal 20 ppm sedangkan kandungan Sulfur pada Crude Fe-Ni masih sekitar 0,3% sehingga jika kandungan sulfur tidak



Si (l) + O2 (g) = SiO2 (l) ↔ SiO2 (l) + CaO (l) = CaO . SiO2 (l) Cr (l) + 5O2 (g)= 2Cr2O3 (l) 4P (l)+ 5O2 (g)= 2P 2O5 (l) ↔CaO (l)+P2O5 (l)= CaO. P 2O5 (l) C(l) + ½ O2 (g) = CO (g) C(l) + O 2 (g)= CO2 (g) Tabel 3. Contoh Komposisi Crude Fe-Ni yang dihasilkan Chemical Composition (%) Ni



Co



C



Si



P



S



Cr



Fe



De-S Fe-Ni



20.5 3



0.3 0



1.5 2



1. 7 8



0.0 25



0.01 5



0.6 9



balan ce



LC Fe-Ni



> 20



0.3 0



 0.0 2



 0. 3



 0.0 2



 0.03 0



 0.3



balan ce