## PENINGKATAN REDUKSI CAMPURAN PASIR BESI-GRAFIT DENGAN MECHANICAL ALLOYING
Alfian Noviyanto 1 ,Agus Sukarto Wismogroho 1 , WisnuAri Adi 2 , Iwan Setiawan 3 , dan Nurul Taufiqu Rochman 1
1 Pusat Penelitian Fisika (P2F) - LIPI Kawasan Puspiptek Serpong15314, Tangerang
2 Pusat Teknologi Bahan Indsutri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek Serpong 15314, Tangerang
3 Pusat Penelitian Metalurgi (P2M) - LIPI Kawasan Puspiptek Serpong15314, Tangerang

## ABSTRAK
PENINGKATAN REDUKSI CAMPURAN PASIR BESI-GRAFIT DENGAN MECHANICAL ALLOYING . Untuk meningkatkan reduksi pasir besi, telah dilakukan mechanical alloying pada campuran pasir besi-grafit dengan komposisi 10 at% dan 15 at%. Sampel di- milling menggunakan high energy ball mill PBM4A selama 100 jam dalam suasana argon, kemudian dibakar pada suhu 1400 o C dengan interval waktu tertentu untuk melihat terjadinya metalisasi. Analisis karakterisasi dilakukan dengan menggunakan X-Ray Diffraction ( XRD ), Scanning Electron Microscope ( SEM ) dan Energy Disperse Spectroscopy ( EDS ). Setelah di milling terlihat ukuran partikel pasir besi semakin kecil dan masuknya partikel grafit ke dalam pasir besi, sehingga reduksi langsung mungkin terjadi karena area kontak yang besar antara pasir besi-grafit. Hasil metalisasi dibandingkan dengan sampel pasir besi yang dibuat dengan pencampuran biasa. Hasil menunjukkan metalisasi hanya terjadi pada pasir besi dengan ball mill , sedangkan pasir besi yang dicampur biasa tidak terjadi metalisasi sama sekali.
Kata kunci : Ball milling , pasir besi, reduksi langsung, ukuran partikel

## ABSTRACT

## IMPROVEMENT REDUCTION IRON SAND-GRAPHITE MIXTURE BY MECHANICAL
ALLOYING . To improve reduction of iron sand, mechanical alloying was subjected to iron sand-graphite mixture with composition of 10 at% and 15 at% graphite. Sample was milled using high energy ball mill (PBM4A) for 100 hours in argon atmosphere, followed by heating at 1400 ºC for certain period of time to observe metallization occurrence. Characterization using X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), and Energy Dispersie Spectroscopy (EDS). The results show that particle size of iron sand-graphite mixture became smaller with increasing milling time. During milling graphite particles diffuse into iron sand, so direct reduction occurs as consequence of wide contact area between iron sand and graphite. Metallization only occurs in iron sand-graphite mixture milled by ball mill, while almost no metallization occurs for iron sand-graphite mixed conventionally.
Key words : Ball milling , iron sand, direct reduction, particle size

## PENDAHULUAN
Teknologi untuk memperoleh besi/baja dari bijih besi dengan bahan baku pasir besi dan laterit masih belum banyak dilaporkan. Pada penelitian sebelumnya telah membuat ingot yang terbuat dari bahan baku skrap dan pasir besi dengan komposisi 80% dan 20% [1]. Namun, komposisi pasir besi masih sangat rendah dan masih terdapat slag yang mengganggu proses pengecoran. Hal ini disebabkan karena pemisahan pengotor dari pasir besi pada saat penyiapan bahan baku dan proses metalisasi pasir besi (reduksi) belum optimal.
Penelitian proses reduksi dari oksida besi telah banyak dilakukan [2-4]. Reduksi oksida besi dapat dibagi menjadi dua [2]:
1. Proses reduksi langsung, dimana terjadi interaksi langsung antara Fe dan C
Fe n O m + m C  n Fe + m CO .............................. (1)
2. Reduksi tidak langsung, dimana karbon monoksida (CO) sebagai reduktan digunakan dan dihasilkan oleh padatan.
Proses reduksi langsung akan berjalan jika terjadi kontak antara oksida besi dan karbon. Keadaan oksida besi dan karbon telah didefinisikan dalam tiga keadaan [3]. Keadaan pertama adalah oksida besi dan karbon terpisah. Pada keadaan ini reduksi langsung tidak akan terjadi dan reduksi tidak langsung akan dominan pada proses tersebut. Keadaan kedua adalah telah terjadi kontak antara oksida besi dan karbon tetapi kontaknya lemah. Hal ini dikarenakan kontaknya hanya terjadi pada tingkat makro dan tanpa tekanan sehingga keadaan pertama akan berulang dimana reduksi tidak langsung akan mendominan.
Keadaan ketiga adalah kontak yang kuat terjadi antara oksida besi dan karbon. Hal ini didapat dengan menggunakan Mechanical Alloying . Pada saat penghancuran dengan ball milling dimana ukuran kristal mengecil seiring dengan lama waktu milling sehingga terjadi kontak antara oksida besi dan karbon dalam level atom [3]. Oleh karena itu jika pasir besi dicampur dengan karbon dan di milling dengan ball mill selama beberapa waktu diyakini akan terjadi kontak yang kuat antara pasir besi dengan karbon sehingga pada saat metalisasi terjadi reduksi langsung pada pasir besi.
Optimalisasi proses pembuatan Direct Reduction Iron ( DRI ) telah dikembangkan dan dinamakan SMIMET [5] yang pada dasarnya adalah peningkatan reduksi langsung yang tergantung dari ukuran partikel [2, 3, 5] bijih besi dan batu bara. Teknologi lainnya yang telah dikembangkan adalah ITmk3 [6]. Teknologi ini unik karena pelet direduksi dan dipanaskan pada suhu yang relatif rendah yaitu 1350 o C. Beberapa keuntungan ITmk3 yang lain adalah proses reduksi dan pemisahan slag berlangsung dalam satu tahap [6, 7], pemanasan dengan suhu tinggi tidak diperlukan [6], bijih besi dengan kandungan Fe rendah atau tinggi bisa digunakan pada teknologi ini [6].
Pengaruh penggunaan ball mill untuk pengecilan ukuran dan dikombinasikan dengan teknologi ITmk3 untuk peningkatan reduksi pasir besi belum banyak dilaporkan. Untuk itu pada studi kali ini akan dipelajari pengaruh penggunaan ball mill dan lama pemanasan terhadap terjadinya reduksi langsung dan dibandingkan dengan sampel yang di milling dengan mengunakan disk mill.

## METODE PERCOBAAN
Pasir besi yang digunakan adalah pasir besi dari Garut. Pasir besi dipisahkan dari pengotornya dengan menggunakan magnetic separator untuk mendapatkan kadar Fe yang lebih tinggi. Prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 1. Pasir besi yang di milling dengan ball mill dicampur grafit dengan komposisi 90:10 dan
85:15( % atom). Campuran pasir besi dan grafit di milling dalam suasana argon. Perbandingan bola dan bubuk adalah 8 : 1, dengan perbandingan bola besar dan kecil adalah 1 : 3. Jar dan bola terbuat dari baja dengan ukuran bola besar adalah 20 mm dan bola kecil adalah 10 mm. Tungku yang digunakan adalah Nabeltherm buatan Jerman. Crucible tempat penyimpanan sampel untuk proses pembakaran terbuat dari alumina (Al 2 O 3 ), seperti terlihat pada Gambar 2.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pembersihan Pasir Besi dengan
Magnetic Separator
Hasil pemisahan dengan magnetic separator dapat dilihat pada Tabel 1. Pada Tabel 1 terlihat semua senyawa menurun seiring dengan pengulangan pemisahan kecuali oksida besi dan TiO 2 . Peningkatan kandungan Fe dikarenakan oksida besi tersebut adalah magnetite (Fe 3 O 4 ) yang bersifat magnetik sehingga dapat dengan mudah ditarik oleh magnet dan dipisahkan. TiO 2 kandungannya juga meningkat setelah pemisahan dikarenakan pasir besi di Indonesia mengandung
Gambar 1 . Prosedur kerja penelitian
Pembersihan pasir besi dengan magnetic separator Milling dengan ball mill
PBM4A selama 100 jam Mixing dengan disk mill saubcher selama 5 menit
Kompaksi
Pelletizing
Metalisasi dengan suhu
1400 o C selama 3 dan 6
menit
Metalisasi dengan suhu
1400 o C selama 3, 5, 6 dan 9 menit Analisis Mulai Selesai Pasir Besi + Grafit m CO + Fe n O m  n Fe + m CO 2 m CO 2 + m C  2 m CO ........ (2)
Gambar 2 . Crucible yang digunakan untuk proses metalisasi
titanomagnetic (Fe 2,5 Ti 0,5 O 4 ) [8] sehingga pada saat pemisahan dengan magnetic separator ikut tertarik bersama oksida besi. Senyawa Cr 2 O 3 dan BaO juga meningkat kandungannya setelah pemisahan, dimungkinkan karena ikut menempel dengan senyawa yang magnetik atau memang bersifat magnetik. Senyawa lainnya seperti ZnO, CuO, NiO, MgO, CaO, MnO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 dan P 2 O 3 secara umum menurun karena tidak bersifat magnet dan dapat terpisah dengan mudah oleh magnetic separator .
Milling Campuran Pasir Besi-Grafit dengan Menggunakan Ball Mill
Pada Gambar 3 merupakan hasil XRD dari campuran pasir besi-grafit yang di milling dengan ball mill selama interval waktu tertentu. Terlihat sejak awal peak grafit tidak dapat dideteksi sama sekali, hal ini menunjukkan bahwa bubuk grafit awal telah berfasa amorf. Sementara itu, intensitas peak oksida besi Fe 3 O 4 menurun dan melebar ( broadening )
secara drastis seiring dengan penambahan waktu milling .
Khususnya ketika milling di atas 60 jam, beberapa peak Fe 3 O 4 sudah tidak dapat terlihat. Sementara itu, hasil XRD dari campuran pasir besi 15 at% grafit penghancuran berjalan lebih cepat dibanding komposisi sebelumnya, dimana pada 60 jam milling , intensitas peak oksida Fe 3 O 4 melebar sangat drastis dan lebih rendah dibanding peak dari pasir besi 10 at% grafit 100 jam. Ini menunjukkan proses penghancuran berjalan lebih cepat dibandingkan komposisi sebelumnya yang mungkin disebabkan karena jumlah konsentrasi grafit lebih banyak sehingga mengakibatkan campuran pasir besi-grafit menjadi lebih rapuh dan mudah hancur. Namun demikian, setelah 100 jam, peak oksida Fe 3 O 4 terlihat kembali naik sedikit intensitasnya. Hal ini mungkin disebabkan kerena waktu milling yang terlalu lama sehingga kristal oksida yang tidak diinginkan mulai terbentuk lagi.
Adanya intensitas peak yang menurun dan melebar pada hasil XRD menunjukkan selama terjadinya milling telah terjadi deformasi secara mekanis yang hebat oleh energi tumbukan bola-bola penghancur dan dinding ball mill yang terus menerus, yang mengakibatkan penghalusan ukuran partikel. Penghalusan ukuran partikel ini diakibatkan oleh gerakan pematahan ( fracture ) dan pemecahan berkeping-keping ( fragmentation ) yang terus menerus selama milling .
Pada Gambar 4 menunjukkan foto SEM dari pasir besi 10 at% grafit yang telah di milling dengan planetary ball mill selama 0 jam, 30 jam, 60 jam dan 100 jam. Sebelum di milling , partikel pasir besi dan grafit berukuran beberapa mikrometer, di mana permukaannya terlihat sebagai serpihan yang memiliki ketajaman. Setelah 30 jam partikel tersebut menggumpal dan tampak mulai terbentuk paduan antara partikel terang dan partikel gelap. Hal ini menunjukkan pada setiap gumpalan terdapat partikel gelap yang menempel pada partikel terang. Kembali setelah penggumpalan, pada saat 60 jam, terjadi penghancuran dan penghalusan
20 40 60 80 100 2? (°) In te n si ty 0H 10H 30H 60H 100 H Fe 3 O 4 20 40 60 80 100 2? (°) In te ns ita s 0H 10H 30H 60H 100H Fe 3 O 4
Gambar 3 . Hasil XRD campuran pasir besi dan grafit yang di milling dengan ball mill (a) pasir besi 10 at%grafit (b) pasir besi 15 at%grafit.
2   
2   
Senyawa Pengotor Pasir Besi (wt.%) Pasir Besi (wt.%) Pemisahan I (wt.%) Pemisahan II (wt.%) Pemisahan III (wt.%) ZnO 0.0587 0.0209 0.0024 0.0014 0.0012 CuO 0.0030 0.0021 0.0013 0.0012 0.0009 NiO 0.1839 0.0649 0.0029 0.0014 0.0014 TiO 2 7.6992 10.0011 15.8071 16.4198 16.9911 MgO 8.3450 6.6539 3.0476 2.3703 1.7039 BaO 0.2385 0.3284 0.4807 0.4884 0.4351 Oksida Besi 33.2960 46.5740 70.5817 74.8246 75.3416 Fe Total 24.1063 33.7196 51.1012 54.1730 54.5473 CaO 8.7439 5.8778 0.5813 0.0041 0.0032 MnO 2 0.5174 0.4939 0.4320 0.3822 0.3961 Cr 2 O 3 3.5536 2.3304 0.5324 0.0041 0.5150 SiO 2 33.9783 24.7324 6.0989 3.0371 2.1943 Al 2 O 3 3.3778 2.9166 2.4294 2.4631 2.4146 P 2 O 5 0.0046 0.0037 0.0023 0.0021 0.0017 Tabel 1 . Hasil pemisahan pasir besi dari pengotor dengan menggunakan magnetic separator.
kembali campuran partikel-partikel itu sampai beberapa ratus nanometer. Namun, penghalusan campuran partikel-partikel itu terhenti pada saat 100 jam, sehingga ukuran campuran partikel-partikel antara 60 jam dan 100 jam itu tidak terlalu beda. Sementara itu, setelah 60 jam paduan yang terbentuk tampak semakin homogen, hal ini ditunjukan dengan semakin banyaknya partikel terang diantara partikel-partikel gelap yang tersebar merata.
Pada campuran pasir besi 15 at% grafit memiliki sifat lebih rapuh dan cepat hancur seperti terlihat pada Gambar 5. Setelah 30 jam partikel semakin hancur sampai bentuk bersudut dan tidak terjadi penggumpalan. Namun, setelah di atas 60 jam, ukuran partikel relatif tampak lebih halus dibandingkan dengan 30 jam yang mencapai beberapa ratus nanometer. Penghalusan ukuran partikel ini tidak tampak lagi setelah 100 jam, dengan ukuran partikel yang relatif
sama dengan setelah 60 jam. Proses pemaduan pada milling dengan komposisi ini relatif lebih cepat dibandingkan dengan pasir besi 10 at% grafit, dimana hal ini dapat diketahui dengan semakin tersebar meratanya partikel terang dan partikel gelap setelah 30 jam. Proses pemaduan pada komposisi ini terus berlangsung dan setelah 60 jam tampak paduan yang dihasilkan telah homogen.
Analisis EDX pada partikel yang berwarna gelap dan terang dapat dilihat pada Gambar 6. Terlihat adanya unsur karbon pada partikel tersebut, dimana partikel yang gelap mengandung lebih banyak unsur karbon dibanding yang berwarna lebih terang. Hal ini menunjukan telah terjadi kontak yang kuat antara partikel pasir besi dan karbon, ditandai dengan masuknya karbon ke dalam pasir besi. Penggunaan ball mill mengakibatkan terjadi kontak yang kuat antara grafit dan pasir besi [3].

## Metalisasi
Hasil metalisasi dari campuran pasir besi-grafit-bentonit dapat dilihat pada Gambar 7. Pada Gambar 7 terlihat pelet tidak menjadi padatan dikarenakan panas yang dihasilkan tungku tidak sampai ke bagian dalam dari campuran tersebut. Hal ini dikarenakan singkatnya waktu pemanasan sehingga bagian dalam campuran tersebut masih berbentuk bubuk. Pada campuran ini hanya bagian luar saja yang sudah terbakar sempurna tetapi berongga dan tidak membentuk padatan. Hal ini dikarenakan partikel pasir besi-grafit-bentonit
0 H 60 H
100 H
30 H Gambar 4 . Foto SEM campuran pasir besi 10 at%grafit.
0H 60H 100H 30H Gambar 5 . Foto SEM campuran pasir besi 15 at%grafit
Gambar 6 . Hasil EDX pasir besi 15 at%grafit (a) partikel terang dan (b) partikel gelap.
(a) (b)
tidak menempel secara sempurna atau hanya menempel secara makro [3] sehingga diperlukan energi yang besar dan waktu yang lama agar proses metalisasi berhasil. Metalisasi pasir besi-grafit milling dengan ball mill dapat dilihat pada Gambar 8. Pada Gambar 8 terlihat proses pemanasan telah berhasil ditandai pasir besi-grafit telah menjadi padatan sempurna sehingga analisis selanjutnya dapat dilakukan.
Hasil dari foto SEM metalisasi dapat dilihat pada Gambar 9 yang menunjukan adanya beberapa fasa. Banyaknya fasa yang terbentuk pada masing-masing sampel pembakaran ternyata ada kesamaannya yaitu 3 fasa dan 4 fasa. Pasir besi 15 at% grafit 100 jam 3 menit, pasir besi 10 at%grafit 100 jam 3 menit dan pasir besi 10 at% grafit 100 jam 3 menit mempunyai 3 fasa dan pasir besi-15 at% grafit 100 jam 6 menit dan pasir besi 10 at% grafit 100 jam 6 menit mempunyai 4 fasa. Hal ini berarti banyaknya fasa yang terbentuk tidak dikarenakan adanya perbedaan komposisi sampel melainkan lama waktu pemanasan. Pada lama pemanasan 3 menit banyaknya fasa yang terbentuk adalah 3 dan pemanasan 6 menit banyaknya fasa adalah 4. Hal ini dikarenakan dengan waktu pemanasan yang semakin lama maka waktu yang dapat digunakan untuk berdifusi
Gambar 7 . Metalisasi pasir besi-grafit-bentonit dengan suhu 1400 o C (a) 3 menit, (b) 5 menit, (c) 6 menit dan
(d) 9 menit. a b c d (a) (b) (c) (d) Gambar 8 . Metalisasi pasir besi grafit dengan suhu 1400 o C.
semakin banyak, sehingga memungkinkan masing-masing partikel berpindah, berikatan dengan partikel-partikel dari unsur lain dan membuat fasa baru.
Pada daerah yang bright telah terjadi reduksi langsung, hal ini terlihat dari hasil EDX pada daerah tersebut tidak ditemui adanya oksida besi. Sedangkan pada daerah dark, gray dan black masih ditemui adanya unsur oksigen dan unsur-unsur lainnya seperti Ti, Mg, Cr, Ca, Mn, Si dan Al yang terpisah sebagai slag [6]. Terpisahnya Fe dari slag dikarenakan pada suhu pemanasan 1400 o C ada perbedaan titik didih diantara masing-masing unsur tersebut. Perbedaan ini menyebabkan Fe dan unsur lainnya terpisah. Hasil dari perhitungan software HSC Chemistry menunjukan titik didih TiO 2 , MgO, CaO, Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , dan SiO 2 di atas 1700 o C, sedangkan Fe dan oksida besi mempuyai tiik didih 1280 o C hingga 1597 o C. Hal ini dasar dari teknologi pembuatan besi ITmk3 dimana Fe akan mudah terpisah dari slag dikarenakan perbedaan titik didih [7]. Metalisasi pasir besi milling dengan ball mill menghasilkan kandungan Fe total di atas 95 %berat.

## KESIMPULAN
Pasir besi-grafit yang di milling menggunakan ball mill dapat menyebabkan masuknya partikel grafit ke dalam partikel pasir besi. Hal ini dimungkinkan terjadi karena ukuran partikel yang kecil dan area kontak yang besar antara pasir besi dengan grafit sehingga terjadinya reduksi langsung. Pada saat proses metalisasi dengan suhu1400 o C, slag terpisah langsung dari pasir besi yang memungkinkan karena adanya perbedaan titik didih
black bright gray black bright dar k black dark k bright t gray black bright dark gray a b c d Gambar 9 . Foto SEM hasil metalisasi (a) pasir besi 15at%grafit 100 H, 3 menit (b) pasir besi 15at%grafit 100 H, 6 menit (c) pasir besi 10at%grafit 100 H, 3 menit (d) pasir besi 10at%grafit 100 H, 6 menit

## Peningkatan Reduksi Campuran Pasir Besi-Grafit dengan Mechanical Alloying (Alfian Noviyanto)
diantara partikel Fe/oksida besi dan partikel lainnya seperti MgO,Al 2 O 3 , MnO 2 , SiO 2 , TiO 2 , Cr 2 O 3 . Kandungan Fe yang diperoleh dari hasil metalisasi sebesar 95 % berat.

## DAFTARACUAN
[1] N. T. ROCHMAN. danA. S. WISMOGROHO, Daur Ulang Skrap Besi/ Baja untuk Pembuatan Bahan Baku Blok Mesin FC 30 , Laporan akhir Program Penelitian dan Pengembangan Iptek Riset Kompetitif LIPI- Serpong (2005)
[2] K. OTSUKA and D. KUNII, Jurnal of Chemichal Engineering of Japan (1967) 46-50
[3] Y. KASHIWAYA and K. ISHII, ISIJ International
44 (2004) 1981-1990
[4] J. V. KHAKI, Y. KASHIWAYA, K. ISHII and H. SUZUKI, ISIJ International 42 (2002)13-22.
[5] C. KAMIJO, M. HOSHI, T. KAWAGUCHI, H. YAMAOKA, Y. KAMEI, ISIJ International 41 (2001) S13-S16
[6] T. NEGAMI. “ITmk3 ® ”, Proceeding Direct From
MIDREX 1 st Quarter 2001 (2001)
[7] B. ANAMERIC and S. K. KAWATRA, ISIJ International 47 (2007) 53-61
[8] R. SUBAGJA, Pengalaman Pusat Penelitian Metalurgi LIPI dalam Penelitian Pemanfaatan Bijih Besi Laterit dan Pasir Besi Titan, Lokakarya Bahan Baku Lokal: Penyiapan Industrialisasi Bijih Besi Lokal untuk Menunjang Industri Baja
Nasional (2005) a b a c b d
Gambar 10 . Campuran pasir besi 10 at%grafit milling 100 jam 6 menit (a) fasa dark (b) fasa gray (c) fasa black (d) fasa bright. (d) (c) (a) (b)