Pendahuluan
Besi
merupakan salah satu logam yang mempunyai peranan yang sangat besar dalam
kehidupan manusia, terlebih-lebih di zaman modern seperti sekarang. Besi kelimpahannya
sangat besar, yaitu 50.000 ppm (5%) dan merupakan jenis logam terbanyak kedua
di kulit bumi. Karena kelimpahannya yang sangat besar itulah maka besi banyak
digunakan dalam kehidupan sehari-hari dan industri konstruksi. Di alam besi
berada dalam bentuk senyawanya, terutama sebagai bijih besi, yang mengandung Fe2O3
(hematite), Fe2O3.H2O (limonit), Fe3O4
(magnetic), FeCO3(siderite), dan FeS2 (pirit).
Di
udara besi mudah mengalami korosi, yaitu proses perusakan (keropos) pada
permukaan besi yang disebabkan reaksi dengan
oksigen membentuk oksida besi, yang
dalam kehidupan sehari-hari dikenal sebagai karat besi. Korosi besi berlangsung
sangat cepat pada kondisi lembab dan adanya garam.
Dalam
industri, besi diisolasi melalui proses reduksi dari oksidanya, Fe2O3,
atau oksida-oksida besi lainnya yang terkandung dalam bijih besi. Zat pereduksi
yang digunakan adalah gas karbon monoksida
(CO) pada suhu tinggi. Agar besi tahan karat maka besi dicampurkan logam-logam
lain yang memenuhi syarat, yaitu sifat fisika dan sifat kimianya yang mirip
besi.
Baja merupakan produk utama
industri besi-baja. Baja tahan terhadap pengaruh lingkungan mudah
dibentuk dan ditempa, memiliki kekerasan yang baik, mengandung
0.02%-1.5% karbon.
Macam-macam besi baja
Berdasarkan kadar karbon dan unsur-unsur
lain yang terdapat didalamnya, besi dapat dibedakan menjadi:
1. Besi
Tuang, yaitu besi yang dihasilkan dari tanur tinggi. Sifat besi tuang antara
lain:
1.
Mengandung 3%-6% karbon serta sejumlah
kecil silicon, mangan , fosfor, dan belerang.
2.
Sangat keras tetapi rapuh.
3.
Tidak dapat ditempa
4.
Titik leleh rendah.
Berdasarkan
sifat ini, besi tuang mudah digunakan
pada alat-alat yang dibuat dengan cetakan, seperti kaki mesin jahit, setrika,
lumpang besi , dan sebagainya. Karena titik lelehnya rendah maka mudah
dicairkan dan dituangkan ke dalam cetakan.
2. Besi
Baja
Sifat besi baja antara lain:
a. mengandung
0.02%-1.5% karbon.
b. keras
tetapi dapat ditempa
c. tahan
korosi
3. Besi
tempa
Sifat besi tempa, antara lain:
a. mengandung
kurang dari 0.5% karbon.
b. kurang
keras dan mudah ditempa.
Jenis
besi ini banyak digunakan sebagai bahan baku untuk produk paku, kawat, besi
beton, dan sebagainya.
Pengolahan besi dari bijinya
Prinsip
pengolahannya:
Besi dihasilkan dari oksida besi
(Fe2O3), melalui reaksi reduksi dengan karbon monoksida pada suhu relatif
tinggi (>15000C). Reduksi berlangsung beberapa tahap, dan reaksi
yang terlibat bersifat reversible, di mana kesetimbangan bergantung pada
tekanan relatif dari CO dan CO2 dalam tanur tinggi.
Bahan baku yang digunakan dalam
proses pengolahan besi pada tanur tinggi adalah:
a. Biji
besi
1. Biji
besi yang digunakan terutama dalam bentuk hematite, geotit, dan magnetic.
2. Kokas
sebagai zat pereduksi.
Kokas sebagai sumber karbon
berkadar tinggi, dibuat dari pemanasan batu bara didalam oven kedap udara.
Hasil sampingan pembuatan kokas ini adalah gas bakar yang dapat digunakan kembali sebagai bahan bakar untuk pemanasan
oven dan pemanasan awal tanur tinggi. Hasil samping lainnya adalah benzen, tar,
toluen, naftalen, dan ammonium sulfat.
3. Batu
kapur.
Batu kapur (CaCO3 ),
digunakan sebagai bahan untuk mengikat silika pada reaksi dalam tanur tinggi.
Hasilnya adalah kalsium silikat (CaSiO3 ), yang menjadi ampas
buangan kerak tanur tinggi.
4. Udara
Udara dipanaskan, ditiupkan dari bagian
bawah tanur tinggi untuk membakar karbon menjadi gas CO2 yang selanjutnya bereaksi lagi dengan karbon
membentuk gas CO, yang nantinya akan mereduksi oksida besi. Rata-rata untuk
menghasilkan 1 ton besi, diperlukan bahan baku 2 ton biji besi, 1 ton kokas,
0.3 ton kapur, dan 4 ton udara.
Pengolahan besi dari bijinya.
1.
Pemanggangan
Biji hematite
(Fe2O3), mula-mula dicuci dengan air sampai bersih dari
tanah yang melekat. Setelah kering hematite tersebut lalu dipanggang. Sejumlah
karbonat atau sulfida ditambahkan yang hasil penguraiannya dapat bersenyawa
dengan silika sebagai pengotor membentuk kerak.
2.
Pencairan
Biji
besi hasil pemanggangan dicampurkan dengan batu kapur dan kokas dengan
perbandingan 5:2:1, dan dimasukan ke dalam tanur tinggi. Tanur tinggi adalah
menara berbentuk selinder yang pada bagian menaranya dilengkapi dengan reaktor
untuk menghasilkan temperatur tinggi dalam tanur. Tanur tinggi juga dilengkapi
dengan “cup and cone” untuk memasukan
bahan baku melalui bagian atas tanur tinggi. ”cup” merupakan wadah berbentuk piala , dihubungkan dengan “cone” yang berbentuk kerucut. Berfungsi
sebagai katup yang dapat terbuka dan tertutup. Selain itu, terdapat saluran
untuk melepaskan gas-gas buangan. Ketika mendekati dasar terdapat dua saluran
untuk memisahkan kerak dan cairan besi. Bagian lain tanur, yaitu bagian tuyer, yang merupakan saluran kecil di mana suhu udaranya berkisar 5000-7000C,
tekanan udaranya dibuat rendah.
Reaksi-reaksi yang terjadi
a. Reaksi
dengan gas pada suhu tinggi
Ketika udara panas yang telah
bebas dari uap air dan sebelumnya dipanaskan pada suhu 5000-7000 C, ditiupkan
kedalam layer, gas tersebut akan bereaksi dengan karbon membentuk gas
karbondioksida.
C + O2
CO2 ΔH
= -96.96 kkal
Reaksi berlangsung eksoterm, panas
yang dibebaskan menyebabkan temperatur yang sangat tinggi (>15000C),
dibagian bawah tanur. Gas ini terdiri dari gas CO2 yang akan
bereaksi dengan karbon dan direduksi menjadi gas karbon monoksida (CO).
CO2 + C 2CO ΔH = -38.96
kkal
Ketika reaksi berlangsung
endoterm atau menyerap panas, temperature gas menurun sehingga pada bagian ini
temperatur mencapai 12000-13000C. Bagian tanur ini
disebut penyerap panas karena pada saat gas naik, reaksi gas CO2
dengan karbon pada setiap tahap selalu menyerap panas, maka temperatur bagian
dalam tanur makin ke atas makin berkurang, sehingga saat mendekati saluran
pembuangan temperature mencapai 3000C. Jika ada uap air dalam udara
yang ditiupkan, temperatur menjadi sangat rendah. Dengan persamaan reaksi :
H2O + C CO + H2 ΔH
= + x kkal
Reaksi ini berlangsung endoterm
sehingga menyebabkan pemborosan bahan bakar. Untuk menghindari hal ini udara
yang dipanaskan dilewatkan pada silika gel.
b. Reaksi
dengan gas pada suhu rendah
Ketika campuran yang terdiri dari
hematite, batu kapur, dan karbon dijatuhkan ke dalam tanur tinggi, reaksi pertama
yang terjadi adalah ferro oksida direduksi menjadi oksida magnetic (feroso feri
oksida) oleh karbon monoksida pada temperatur 3000-5000
C.
3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 (300-5000C) ; ΔH = 8.80 kkal
Pada daerah feroso ferioksida
direduksi menjadi ferioksida dan kemudian menjadi besi.
Fe3O4
+ CO 3FeO
+ CO2 (5000-7000C)
; ΔH = 8.80 kkal
FeO
+ CO Fe + CO2 (7000-9000C)
; ΔH = -3.84 kkal
Sehingga reaksi ferioksida menjadi
besi oleh karbon monoksida berlangsung sempurna sebelum pada daerah penyerapan
panas. Jika titik leleh besi lebih besar dari 10000C reaksi besi
diperoleh dibagian spon. Hanya pada bagian atas penyerapan panas, pada
temperature 10000-12000C batu kapur terurai menjadi kapur
(CaO) dan CO2.
CaCO3 CaO + CO2
Kapur CaO bereaksi dengan silika
membentuk cairan kalsium silikat yang disebut kerak.
CaO +
SiO2 CaSiO3
Pada saat CaSiO3
memasuki dasar tanur, cairan tersebut menutupi cairan besi dan senyawa silika
menjadi kerak.
Cairan logam berkumpul di bagian
atas tanur dengan kerak di bagian atasnya.
Ketika cairan terdapat di dalam
tanur pada temperatur 1300-15000 C, bijih besi yang kotor
(mengandung pengotor seperti fosfat, silikat, sulfid dan sebaginya), juga
direduksi menjadi cairan besi yang biasanya mengandung sedikit sulfur, silikcon,
fosfor, mangan dan ± 3-4% karbon dalam bentuk karbida seperti simentatit (Fe3C),
sehingga besi yang diperoleh dapat
mencapai tingkat kemurnian 92-94 % , dan biasanya disebut “cas iron” atau besi tuang atau kadang-kadang juga disebut “pig iron”. Besi cair yang dihasilkan
tersebut dikeluarkan melalui bagin bawah tanur tinggi. Kerak yang kemudian
dapat dipergunakan sebagai bahan campuran seman, pembuatan batu bata, dan
sebagai bahan kontruksi jalan.
Reduksi didalam tanur tinggi bersifat
reversible gas yang terdapat dalam tanur terdiri dari sejumlah besar karbon
monoksida yang tidak terbakar dan sejumlah kecil hydrogen, metana dan sebagainya.
Dengan komposisi rata-rata 60% N2, 24% CO, 12%CO2 . Gas
panas keluar melalui bagian atas tanur . gas buangan ini bersama debu dialirkan
ke penangkap debu, sehingga debu akan mengendap sedangkan gas buangan yang
panas akan mengalir ke pendingin yang berfungsi menurunkan suhu sehingga gas
dapat dilepaskan ke udara melalui cerobong asap.
Baja dan Proses Pengolahannya
A Macam-macam baja
Baja adalah besi yang mengandunbg
0.02%-1.5% karbon. Sifat baja tergantung pada jumlah karbon yang dikandungya.
Berdasarkan kandungan karbon, jenis
baja dibagi menjadi :
1. Baja
lunak, yaitu baja yang mengandung kurang dari 0.2 % karbon. Disebut baja lunak
karena mudah dibentuk dan diregangkan. Baja ini bisa digunakan untuk membuat
kabel dan rantai.
2. Baja
medium, yaitu baja yang mengandung 0.2%-0.6% karbon. Baja ini digunakan untuk
membuat rel, balok dan rangka.
3. Baja
karbon tinggi, yaitu baja yang mengandung 0.6%-1.5% karbon. Sifatnya keras,
kaku, biasa digunakan untuk alat-alat logam, per, alat pemotong dan alat rumah
tangga.
Gambar
1. Tanur Tinggi Pengolahan Besi
Disamping itu, untuk memperoleh
efek khusus pada baja, maka baja dicampur dengan logam-logam transisi yang
sesuai dengan sifat, kualitas dan kegunaan tertentu. Pencampuran dilakukan
dengan hati-hati dan teliti untuk mendapatkan komposisi campuran yang memenuhi
sifat yang diinginkan. Jenis baja ini disebut baja alloy atau campuran.
Efek khusus logam transisi yang
dicampurkan pada baja , antara lain:
a. Kobalt : membuat baja tetap kuat pada suhu tinggi.
b. Krom : membuat baja menjadi lebih keras, tahan gesekan,
tahan korosi, dan
tahan temperature tinggi.
c. Mangan : membuat baja
menjadi keras, tahan aus dan tahan gesekan.
d. Molibden: memperbaiki
kekerasan baja, tahan goncangan dan tahan temperature
tinggi.
e. Nikel : membuat baja
tahan korosi
f. Silikon : pada konsentrasi tinggi membuat
baja tahan kondisi asam, pada
konsentrasi rendah
memperbaiki sifat megnetik dan sifat listrik baja.
g. Vanadium : memperkuat baja dan meningkatkan ketahanan
baja terhadap panas.
Berdasarkan komposisi dan jenis logam transisi yang dicampurkan, baja dibagi
menjadi:
a. Stainless steel :
baja tahan karat mengandung Cr 19%, Ni 9%, dan Fe 72%.
b. Baja krom : baja yang tahan karat tahan panas
mengandung 12%-18% Cr.
c. Baja nikel :
baja tahan karat dan keras, mengandung 25% Ni.
d. Baja mangan : baja sangat keras mengandung 11%-14% Mn.
e.
Dsb
Pembuatan
baja
Untuk membuat baja , maka “pig iron” atau besi tuang yang
dihasilkan dari tanur tinggi, harus dimurnikan terlebih dahulu untuk menurunkan
kadar karbonnya (dari 5% diturunkan sampai di bawah 1.5 %), dan untuk menghilangkan
bahan/unsur lain yang mengotori besi (belerang, fosfor, silikon dan sebagainya)
dilakukan pemurnian melalui berbagai metode, yaitu :
1.
Proses
Bassemer
Proses Bassemer dikembangkan di Inggris
tahun 1856. Sejumlah leburan besi tuang dari tanur tinggi dimasukan ke dalam Converter
Bassemer (yaitu tanur untuk Proses Bassemer).
Dalam metode ini, ke dalam Conventer Bassemer ditambahkan
senyawa lain seperti dolomite ( MgCO3 dan CaCO3), untuk mengikat
zat pengotor di dalam besi. Sambil diputar terus dibawah tanur, melalui lubang-lubang
dibawah tanur dimasukan gas oksigen agar bereaksi dengan karbon, silikon,
fosfor dan belerang menjadi oksida-oksidanya. Oksida-oksida ini akan diikat
oleh oksida-oksida magnesium dan kalsium (MgO dan CaO) sebagai hasil penguraian
MgCO3 dan CaCO3 yang sebelumnya dimasukan, menjadi kerak
yang mengapung diatas cairan besi. Selanjutnya besi cair yang sudah mendekati
murni dikeluarkan melalui lubang pada converter. Dan kerak yang tertinggal
dalam converter dapat dibuang.
Jenis baja yang dihasilkan Converter
Bassemer ditentukan dengan mengontrol karbon yang dikandungnya, serta jenis
logam lain yang dicampurkan untuk membuat logam aliasi.
Gambar 1. Konverter Bassemer
Gambar 2. Open Hearth Steel furnace
2.
Proses
Open Hearth Furnace ( Proses terbuka)
Tanur berupa piringan datar yang
besar. Pada dasar kolom telah ditempatkan oksida basa seperti CaO atau MgO yang
nantinya akan berguna sebagai zat pengikat. Ke dalam tanur tinggi dimasukan
besi tuang, besi bekas dan batu kapur. Campuran gas pembakar dan udara panas
dilewatkan di atas piringan yang berisi besi cair ini. Sementara diaduk maka akan
berlangsung reaksi antara oksida-oksida pengotor dengan CaO dan MgO menjadi
kerak. Kelebihan proses ini adalah kualitas baja yang dihasilkan mudah dikontrol
kualitasnya secara terus menerus selama proses ini berlangsung lama (8-10 jam )
sedangkan Proses Bassemer berlangsung cepat (15 menit).
3.
Proses
BOP (Basic Oxigen process)
Pada proses ini, besi tuang
dicampur dengan besi rongsokan. Besi tuang meleleh di dalam besi tuang. Kedalam
tanur dimasukan oksigen murni melalui pipa. Oksigen murni ini akan membakar zat
pengotor didalam cairan besi tuang. Batu kapur yang sebelumnya dimasukan
kedalam tanur akan mengikat zat pengotor ini menjadi kerak.
Hingga saat ini metode BOP banyak
digunakan karena baja yang dihasilkan mutunya tinggi, prosesnya cepat (20-30
menit), pengontrolan kualitas mudah dilakukan, serta mudah mencampurkan logam-logam
lain untuk membuat baja aliasi.
Terakhir ini dikembangkan proses
busur listrik untuk menghasilkan kualitas baja yang lebih baik lagi.
Gambar
3. Tanur Basic Oxygen Process
Lampiran
1.
Gambar.
1. Konverter Bassemer
Gambar.
2 Open hearth steel furnace
Gambar
3. basic oxygen Process
Tidak ada komentar:
Posting Komentar