ILMU BAHAN-PROSES PEMURNIAN LOGAM BESI

PROSES PEMURNIAN LOGAM BESI

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan dapat;

-        Menjelaskan peranan logam besi dalam perkembangan teknologi pemesinan.

-        Menyebutkan jenis bijih-bijih besi.

-        Menjelaskan proses pemurnian bijih-bijih besi menjadi besi di dalam tanur tinggi.

-        Membedakan jenis-jenis besi mentah yang dihasilkan dari tanur tinggi.

-        Menjelaskan perbedaan proses pembuatan baja dengan beberapa jenis konverter dan tanur listrik.

3.1. Pendahuluan

Besi adalah logam yang berasal dari bijih besi (tambang) yang banyak digunakan untuk kehidupan manusia sehari-hari. Logam ini yang paling banyak dan paling beragam penggunaannya. Hal itu karena beberapa hal, diantaranya: a). Kelimpahan besi di kulit bumi cukup besar, b) Pengolahannya relatif mudah dan murah, dan c) Besi mempunyai sifat-sifat yang menguntungkan dan mudah dimodifikasi.

Besi yang kimiawi murni (Ferro, Fe), tidak cocok sebagai bahan teknik, karena ia terlalu lunak. Besi yang dapat diperoleh secara teknis selalu merupakan suatu paduan antara besi (Fe) dengan zat arang (C) dan unsur ­unsur lainnya. Ukuran yang menentukan untuk kekerasan, kekuatan, dan keuletan ialah tinggi kadar karbon yang selalu ada di dalam besi. Selaras dengan itu maka besi dibedakan; Besi yang dapat ditempa, ialah besi dengan kandungan karbon 0,05—0,06% .  Besi yang tidak dapat ditempa (besi tuang), dengan kandungan C 2,5—4,0% .

3.2. Bijih-bijih Besi

Besi mentah diperoleh dari bijih besi melalui pengolahan lebur di dalam tanur tinggi. Bijih besi pada pokoknya merupakan ikatan kimiawi antara besi (Fe) dengan zat asam (O), sebagian juga dengan zat air (H) atau dengan zat arang (C). Selain itu bijih besi masih mengandung imbuhan­ imbuhan kecil seperti mangan (Mn), silisium (Si) belerang (S), posfor (P), dan lain-lain.

Bijih-bijih besi digolongkan kedalam tiga kelompok utama yaitu;

1.    Oksid, batu besi magnet, magnetit (Fe₂04), kandungan Fe 60—70% (Rusia, Swedia, Amerika). Batu besi merah, hematite (Fe₂0₃), kandungan Fe 46—60% (Kanada, Spanyol, Inggris, Rusia).

2.    Hidrokslda, batu besi coklat, limonit (2Fe₂0₃ + 3H₂0), kandungan Fe 20—50 % (Polandia, Amerika, Jerman, Perancis).

3.    Karbonat, Batu besi spatik, siderit (Fe₂C0₃), kandungan Fe 30—40 % (Jerman, Austria).

3.3. Tanur Tinggi

Perubahan wujud dari bijih menjadi besi berlangsung di dalam tanur tinggi. Tanur tinggi ialah sebuah tungku rongga setinggi 20—30 m dengan garis tengah terbesar 8 m dan memiliki dinding tahan api yang memungkinkan pengoperasian terus menerus selama bertahun-tahun. Tungku ini disodori lapisan-lapisan bijih den kokas secara bergantian dari atas. Bijih dicampur dengan imbuhan-imbuhan yang terdiri atas kapur dan lempung (pengadonan) hingga terjadi terak yang mudah melebur.

Di dalam bagian bawah tanur tinggi dihembuskan angin panas dari beberapa moncong pancar. Pemanasan udara pembakaran ini berlangsung di dalam pemanas-pemanas angin yang diberi pemanasan awal dengan gas buangan (gas tungku). Pengimbuhan zat asam terhadap udara hembus dapat meningkatkan daya lebur.

Bahan yang digunakan dalam proses tanur tinggi untuk menghasilkan besi kasar dari tanur tinggi diperlukan bahan-bahan antara lain :

a.       Bijih Besi → bahan pokok.

b.      Batu Kapur → mengikat bahan-bahan ikutan menjadi terak.

c.      Bahan bakar → digunakan bahan bakar kokas, arang kayu dll.

d.     Udara panas → membantu pembakaran dan mereduksi biji besi.

Gambar 3.1. Instalasi tanur tinggi.

A. Proses di dalam tanur tinggi.

Udara panas yang masuk melalui moncong pancar angin terbakar menjadi karbon monoksida (CO). la menyerap banyak zat asam dari bijih dan terbakar menjadi karbon dioksida (C0₂). Akibatnya bijih (oksid besi) direduksi menjadi besi murni (Fe).

Besi ini menampung zat arang dari kokas pada penurunan selanjutnya, meleleh dan mengumpul di dalam bagian bawah tungku (waduk). Dari sini ia dikeluarkan 4 jam sekali sebagai besi mentah (penyadapan besi). Melalui proses ini terbentuk berbagai macam wilayah di dalam rongga tungku dari atas ke bawah:

Wilayah pemanasan awal → wilayah reduksi →

wilayah karbonisasi →wilayah pelelehan.

Besi mentah yang setiap 4 jam mengalir keluar, mengering di dalam parit pasir menjadi gelondongan besi mentah (bahan mentah untuk besi tuang) atau dituangkan kedalam ciduk yang dapat dijalankan dan digiring menuju pabrik baja.

Terak yang mengapung di atas besi cair terus mengalir melalui lubang-lubang saluran tersendiri. Terak ini terbentuk dari imbuhan-­imbuhan berkapur yang dicampurkan pada pengadukan dan bagian­-bagian lain dari besi. la melindungi besi terhadap oksidasi oleh angin hembusan dan mengikat belerang yang bersifat merusak.

B. Proses kimia di dalam tanur tinggi.

Operasi tanur tinggi modern secara ringkas sbb;

·         Kelembaban dan kadar air pada bijih-­bijih besi dihilangkan pada daerah suhu 200—300 ^OC.

·         Dengan meningkatnya suhu, terjadi reduksi tak langsung terhadap bijih-bijih besi dengan reaksi sebagai berikut :

1 a). 3 Fe₂O₃ + CO        →             2 Fe₃O4 + CO₂

1 b). 2 Fe₃O₄ + 6CO      →          4 Fe + 6CO₂

·         Pada suhu ± 535 ^OC, karban monoksida mulai terurai menjadi karbon bebas dan karbon dioksid.

2). 2CO → C + CO₂

·         Pada daerah 400 - 600 ^OC, terjadi reaksi sebagai berikut.

3). Fe₃O₄ + CO  →   3 FeO + CO₂

·         Pada suhu ± 400 ^OC, reduksi tidak langsung terhadap bijih-bijih besi sebagai berikut :

4). Fe₂O₃ + C  →    2 FeO + CO

       5). Fe₃O₄ + C   →   3 FeO + CO

·         Pada daerah suhu 700 - 800 ^OC, reduksi langsung ferro oksida dimulai dengan membentuk besi spong yang mengandung karbon. Reaksi ini terjadi antara pertengahan (setengah jalan antara puncak dan dasar tanur tinggi).

·         Batu kapur terurai pada suhu 800 ^OC dan dolomit pada suhu 1075 ^OC dengan reaksi.

6). - CaCO₃        →     CaO + CO₂

                - MgCO₃    →        MgO + CO₂

·         Sementara besi spong memperoleh kandungan karbon yang menurunkan titik lebur dan dalam peleburan menyerap karbon dari kokas semakin lama semakin banyak.

·         Batu kapur mengikat kotoran-kotoran bijih besi dan abu kokas. Semakin ke bawah, suhu semakin meningkat dan terjadi reduksi langsung pada paduan dan metalloid dengan reaksi sebagai berikut :

7). a. SiO₂ + 2C   →   Si + 2CO

b. MnO + C     →   Mn + CO

c. P₂O₅ + 5C   →   2P + 5CO

d. FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO

8). Ca₃PO₄ + 3 SiO₂ + 5 CO    →     3 Ca Si O₃ + 5CO + P₂O₅

·         Di dekat tuyer (lubang tiup) ada hembusan udara panas mengenai kokas dan terjadi reaksi sbb :

9). 2C + 0₂ -> 2C0

·         Sehingga selalu ada gas CO yang dipakai untuk reduksi. Jadi kokas di dalam tanur tinggi selain berfungsi sebagai sumber kalor juga untuk mereduksi oksigen di dalam bijih-bijih besi.

Kesimpulan dari proses yang terjadi di dalam tanur adalah :

1.      Proses reduksi dari besi oksida.

2.      Proses oksidasi karbon oleh oksigen.

Gambar 3.2. Reaksi kimia yang terjadi di dalam tanur tinggi.

3.4. Besi Mentah

Sifat-sifat besi mentah (kasar) yang dihasilkan dari tanur tinggi adalah;

·         Titik lebur ±1300^° C.

·         Kandungan zat arang sekitar 3 - 4 %.

·         Tidak dapat ditempa (rapuh).

·         Mudah dituang.

Ada dua macam besi mentah yang dihasilkan oleh tanur tinggi yaitu;

·         Besi mentah putih

·         Besi mentah kelabu.

A.    Besi Mentah Putih

Ciri-ciri besi mentah putih adalah;

·         Memiliki bidang patahan yang berwarna putih.

·         Mempunyai butiran halus, dan sangat keras.

·         Akibat pengaruh mangan (Mn), zat arang terikat secara kimia dalam besi karbid (F3C) dan terbagi rata (tiada grafit).

·         Titik cairnya ± 1100^° C dengan kadar karbon 2,3 - 3,5%.

·         Massa jenisnya 7,58 - 7,73 kg/dm³.

·         Bahan baku pembuatan baja dan tuangan temper.

B.     Besi Mentah Kelabu

Ciri-ciri besi mentah putih adalah;

·         Memiliki bidang patahan yang berwama kelabu.

·         Mempunyai butiran kasar.

·         Mudah digarap dengan pengambilan serpih.

·         Akibat pengaruh silisium (Si), zat arang terurai sebagai grafit diantara kisi-kisi ferrit. dan sangat keras.

·         Silisium menunjang penguraian grafit, meningkatkan kesudian tuang, menurunkan titik lebur, derajat penyusutan, dan melonggarkan struktur.

·         Titik cairnya ± 1300^° C dengan massa jenisnya 7 - 7,2 kg/dm³.

3.5 Pembuatan Baja

Baja adalah logam paduan dengan besi sebagai unsur dasar dan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan karbon dalam baja berkisar antara 0.2% hingga 2.1%. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi bergeser pada kisi kristal (crystal lattice) atom besi. Unsur paduan lain yang biasa ditambahkan selain karbon adalah mangan (manganese), krom (chromium), vanadium, dan tungsten. Dengan memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya, berbagai jenis kualitas baja bisa didapatkan. Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle) serta menurunkan keuletannya (ductility).

Lingkup masalah pembuatan baja adalah menurunkan kadar kandungan zat arang  dari sekitar 4% si dalam besi mentah menjadi setinggi-tingginya 2% di dalam baja. Besi mentah yang dihasilkan oleh tanur tinggi langsung disalurkan ke conventor untuk membuat berbagai jenis baja.

A.  Proses Bessemer (Convertor Asam)

Convertor Bessemer pertama-tama ditemukan oleh Bessemer pada tahun 1855. Konstruksi convertor ini terdiri dari lapisan batu tahan api terbuat dari kuarsa (SiO₂), yaitu suatu oksida asam. Karena itu proses ini disebut proses asam

Gambar 3.3. Penghembusan angin (cara Bessemer dan Thomas) a. Pengisian besi mentah cair b. Penghembusan udara tekan c. Pengeluaran baja lunak.

Bahan baku:

·    Besi mentah kelabu yang mengandung silisium.

·    Atau besi kasar dengan kadar phosphor rendah (0,1%P)

Prinsip Kerja convertor Bessemer:

·    Besi mentah cair dimasukkan keconvertor.

·    Udara panas ditiupkan masuk.

·    Sekitar 20 menit kemudian zat arang dan paduan terbakar sempurna.

·    Oksida arang akan teroksidasi dengan suara gemuruh

·    Jika panas turun, maka ditambahkan ferro silicium.

·    Jika mangan terlalu rendah, maka ditambahkan besi kaca cair atau mangan ferro cair

Si + FeO    →     2 Si O₂ + 2 Fe

FeO + Mn    →    Fe  + MnO

Kekurangan proses Bessemer;

·    Kadar phosphor tak dapat dihilangkan karena phosphor tidak dapat menjadi terak bila diikat dengan batu kapur (CaO).

·    Bila ditambahkan batu kapur, lapisan batu tahan api (SiO₂) akan bereaksi dengan batu kapur.

Produksi:

• Baja bukan paduan (baja konstruksi).

B. Proses Thomas (Convertor basa).

Perbedaan antara proses Bessemer dan proses Thomas terletak pada bahan lapisan batu tahan apinya. Lapisan convertor Thomas dari batu tahan api basa (dolomit). Dolomit adalah campuran kalsium karbonat (CaO₃) dan magnesium karbonat (MgCO₃).

Bahan baku:

·    Besi mentah putih yang mengandung phosfor.

·    Atau besi kasar dengan kadar silisium rendah.

Prinsip Kerja convertor Thomas:

·    Proses ini dapat mengikat phospor dengan mencampurkan CaO dengan reaksi:

3 CaO + PO₅    →    Ca₃ (PO₄) ₂ (terak cair).

Proses peleburan berlangsung selama 20 menit dengan kapasitas

Kekurangan proses Thomas;

·     Tidak dapat mengerjakan besi kasar yang kaya silisium, karenanya sebagai bahan dasar digunakan besi mentah putih.

Produksi:

• Baja bukan paduan (baja konstruksi).

C. Proses Siemen Martin (SM).

Proses ini ditemukan pertama kali oleh Pierre Martin pada tahun 1865.

Gambar 3.4. Konstruksi Depur Siemen Martin.

Bahan baku:

·    Besi mentah cair atau padat bersama-sama dengan rongsokan baja

·    Atau rongsokan baja saja.

·    Atau besi mentah bersama-sama bijih besi (C + O saling mengikat)

Prinsip Kerja convertor Siemen Martin:

·    Dapur ini dinyalakan dengan gas yang dibuat dari dapur-dapur regenerator.

·    Temperatur gas yang masuk ke dalam tanur mencapai ± 800^OC.

·     Zat asam murni ditiupkan ke dalam udara pembakaran atau langsung ke dalam tungku untuk mempertinggi suhu dan memperbaiki keekonomisan.

·    Dengan demikian dimungkinkan pemaduan dengan Iogam yang suhu leburnya tinggi serta juga pembuatan baja dengan kadar karbon yang sangat rendah.

·    Pembakaran bahan pengiring besi dilakukan dengan pertolongan zat asam udara pembakaran serta oksid-oksid imbuhan dan rongsokan.

·    Pada akhir proses peleburan dibutuhkan zat arang, mangan, dan senyawa silisium guna pengkarbonan kembali.

·    Dengan memadukan wolfram, vanadium, molybdenum, dan lain-lain dihasilkan baja-baja paduan.

·    Proses peleburan berlangsung 4—10 jam dengan kapasitas 10—500 ton besi/baja.

Produksi:

·    Baja dengan kualitas yang baik ( lebih kuat, ulet, lebih murni, dan lebih rapat) bila dibandingkan dengan baja yang dihasilkan oleh convertor Bessemer dan Thomas

·    Dapur ini dinyalakan dengan gas yang dibuat dari dapur-dapur regenerator.

D. Proses Linz Donawitz.

Proses Linz Donawitz (LD) adalah proses pembuatan baja dengan penghembusan zat asam dari atas.

Gambar 3.5. Konstruksi Dapur Linz Donawitz

Bahan baku:

·    Besi mentah cair.

·    Besi rongsokan dari berbagai jenis.

Prinsip Kerja convertor Linz Donawitz:

·    Oksigen yang mendekati murni ditiupkan masuk secara vertikal di dalam 1200 mm dari permukaan cairan.

·    Phosfor dihilangkan dan proses oksidasi karbon terjadi serentak.

·    Muatan ditambahkan selama peniupan.

Produksi:

·    Baja dengan kualitas yang baik dalam jumlah besar dengan kadar karbon 0,02—1%.

·    Baja bukan paduan dan baja paduan dengan jumlah unsure paduan sebesar 6%.

·    Baja yang memiliki sifat liat, murni, dan miskin gas (tidak ada zat lemas yang bersifat merusak).

Kelebihan;

·    Proses LD secara ekonomis mengungguli proses SM berkat kecepatan proses.

·    Tidak dibutuhkan bahan untuk dibakar.

·    Biaya instalasi lebih kecil.

E. Proses OBM (Oxygen-Bogen-Maxhutte).

Proses OBM (Oxygen-Bogen-Maxhutte) adalah proses pembuatan baja dengan penghembusan zat asam dari bawah.

Gambar 3.6. Konstruksi Dapur OBM.

Bahan baku:

·    Besi mentah cair.

·    Besi rongsokan dari berbagai jenis.

Prinsip Kerja convertor OBM (Oxygen-Bogen-Maxhutte):

·    Di dalam lantai dasar sebuah konvertor yang dapat diganti-ganti, ditempatkan beberapa nossel yang menghembuskan zat asam.

·    Agar tidak cepat aus, nossel dilindungi dengan zat pelindung berupa zat air arang (mis. : propan, gas bumi, minyak ringan).

·    Untuk melangsungkan proses metalurghy dengan baik maka pada penyerapan diperlukan arang besi mentah kalsium yang dicampurkan kedalam pancaran zat asam dalam bentuk debu halus.

·    Kandungan karbon pada akhir proses penghembusan bernilai sekitar 0,03%.

Produksi:

·    Baja dengan kualitas yang baik dalam jumlah besar dengan kadar karbon sekitar 0,03%.

F. Proses Tanur Elektroda.

Untuk pembebanan sangat tinggi sebagai baja kontruksi dan baja perkakas, maka baja-baja bermutu yang dihasilkan melalui cara SM atau LID harus dilibatkan ke dalam sebuah proses pemuliaan khusus untuk menyaring sejauh mungkin kotoran-kotoran yang tersisa seperti belerang, fosfor dan gas-gas.

Untuk mencapai maksud ini digunakan tanur elektroda sebagai tempat peleburan untuk mengubah wujud, memadu dengan khrom, nikel vanadium, wolfram, molybdenum dan lain-lain. Semua baja yang dihasilkan dari proses tanur elekroda adalah baja elektroda murni yang disebut baja mulia. Pemuliaan dilangsungkan di dalam tanur elektroda.

Bahan baku:

·    Baja hasil olahan Simene martin dan Linz Donawitz.

Prinsip Kerja Tanur Busur Cahaya:

·    Panas yang diperlukan untuk peleburan, dibangkitkan oleh sebuah busur cahaya yang melintas dari elektroda arang yang tebal kekubangan lebur.

·    Untuk arus bolak balik tuga fase diperlukan 3 elektroda.

·    Zat asam yang diperlukan untuk imbuhan diberikan oleh udara tanur dan imbuhan yang dapat menghasilkan zat asam.

·    Arus bolak balik mempunyai tegangan 100 - 250 Volt dan kekuatan arus yang sangat tinggi.

·    Suhu yang dapat dicapai adalah 3000 ^°C sehingga dapat melebur logam-logam paduan yang suhunya lebih tinggi (wolfram, tantalum, molybdenum).

·    Proses berlangsung 4 - 8 jam.

               Gambar 3.7. Tanur busur cahaya              Gambar 3.8. Tanur imbas

a. Peleburan, b. pengeluaran terak c. penyadapan baja

Prinsip Kerja Tanur Imbas:

·    Pada tanur imbas, baja yang dimasukkan dalam keadaan cair dan telah sangat murni, berada di dalam sebuah bejana peleburan yang dililiti oleh sebuah kumparan tembaga yang diberi pendingin dengan air.

·    Di dalam kumparan mengalir arus bolak-balik yang mengimbaskan arus pusar di dalam baja.

·    Panas tahanan yang dihasilkan mengakibatkan garapan melebur dengan cepat. Akibat gaya elektromagnetis, maka berlangsung­lah pengadukan unsur-unsur paduan secara merata.

Produksi:

·    Baja-baja perkakas (alat-alat potong).