Pengolahan besi dan baja

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Besi adalah unsur yang paling berlimpah keempat setelah oksigen, silikon, dan aluminium. Selain itu besi merupakanlogam yang paling luas dan paling banyak penggunaanya. Hal tersebut disebabkan tiga alasan, yaitu bijih besi relatif melimpah di berbagai penjuru dunia, pengolahan besi relatif murah dan mudah, sifat-sifat besi yang mudah di modifikasi.

Secara umum pasir besi terdiri dari mineral opak yang bercampur dengan butiran-butiran dari mineral non logam seperti, kuarsa, kalsit, feldspar, ampibol, piroksen, biotit, dan tourmalin. mineral tersebut terdiri dari magnetit, titaniferous magnetit, ilmenit, limonit, dan hematit, Titaniferous magnetit adalah bagian yang cukup penting merupakan ubahan dari magnetit dan ilmenit. Mineral bijih pasir besi terutama berasal dari batuan basaltik dan andesitik volkanik. Untuk mengolah bijih besi untuk menghasilkan logam besi dilakukan dalam tanur sembur (blast furnace).

Karakter dari endapan besi dapat berupa endapan logam yang berdiri sendiri namun seringkali ditemukan berasosiasi dengan mineral logam lainnya. Besi biasanya ditemukan dalam bentuk magnetit (Fe3O4) dengan kandungan Fe 72,4%, hematit (Fe2O3) dengan kandungan Fe 70,0% , limonit (Fe2O3.nH2O) dengan kandungan Fe 59-63% atau siderit (FeCO3) dengan kandungan Fe 48,2%.

2.1 Sejarah Pembuatan Besi dan Baja

            Besi dan baja merupakan logam yang banyak digunakan dalam teknik; dan meliputi 95% dari seluruh produksi logam dunia. untuk penggunaan tertentu, besi dan baja merupakan satu-satunya logam yang memenuhi persyaratan teknis maupun ekonomis, namun di beberapa bidang lainnya logam ini mulai mendapat persaingan dari logam bukan besi dan bahan bukan logam. diperkirakan bahwa besi telah dikenal manusia disekitar tahun 1200 SM.

            Proses pembuatan baja diperkenalkan oleh Sir Henry Bessemer dari Inggris sekitar tahun 1800, sedang William Kelly dari Amerika pada waktu yang hampir bersamaan berhasil membuat besi malleable. hal ini menyebabkan timbulnay persengketaan mengenai masalah paten. Dalam sidang-sidang pengasilan terbukti bahwa WIlliam Key lebih dahulu mendapatkan hak paten.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Pengolahan Besi dengan Metode Tanur Sembur (blast furnace)

            Proses pengolahan bijih besi untuk menghasilkan logam besi dilakukan dalam tanur sembur (blast furnace). Tanur sembur berbentuk menara silinder dari besi atau baja dengan tinggi sekitar 30 meter dan diameter bagian perut sekitar 8 meter. Bagian puncak yang disebut dengan Hopper, dirancang sedemikian rupa sehingga bahan – bahan yang akan diolah dapat dimasukkan dan ditambahkan setiap saat. Bagian bawah puncak, mempunyai lubang untuk mengeluarkan hasil – hasil yang berupa gas. Bagian atas dari dasar (kurang lebih 3 meter dari dasar), terdapat pipa – pipa yang dihubungkan dengan empat buah tungku dimana udara dipanaskan (sampai suhunya kurang lebih 1.100o C). udara panas ini disemburkan ke dalam tanur melalui pipa – pipa tersebut. Bagian dasar tanur, mempunyai dua lubang yang masing – masing digunakan untuk mengeluarkan besi cair sebagai hasil utama dan terak (slag) sebagai hasil samping.

Gambar 2.1 alat tanur sembur (blast furnace)

Secara umum proses pengolahan besi dari bijihnya dapat berlangsung dengan memasukkan bahan-bahan ke dalam tanur berupa bijih besi yang berupa hematit (Fe2O3) yang bercampur dengan pasir (SiO2) dan oksida – oksida asam yang lain (P2O5 dan Al2O3), bahan – bahan pereduksi yang berupa kokas (karbon), bahan tambahan yang berupa batu kapur (CaCO3) yang berfungsi untuk mengikat zat – zat pengotor.

Udara panas dimasukkan di bagian bawah tanur sehingga menyebabkan kokas terbakar. Reaksi ini sangat eksoterm (menghasilkan panas), akibatnya panas yang dibebaskan akan menaikkan suhu bagian bawah tanur sampai mencapai 1.900o C

C(s) + O2(g) -> CO2(g) (1)

gas CO2 yang terbentuk kemudian naik melalui lapisan kokas yang panas dan bereaksi dengannya lagi membentuk gas CO. Reaksi kali ini berjalan endoterm (memerlukan panas) sehingga suhu tanur pada bagian itu menjadi sekitar 1.300o C

CO2(g) + C(s) -> CO(g) (2)

gas CO yang terbentuk dan kokas pada temperatur 5000 C mereduksi bijih besi (Fe2O3) menjadi Fe3O4

3Fe2O3(s) + CO(g) -> 2Fe3O4(s) + CO2(g) (3)

selain itu pada bagian yang lebih rendah dengan temperatur 850o C, Fe3O4 yang terbentuk akan direduksi menjadi FeO

Fe3O4(s) + CO(g) -> 3FeO(s) + CO2(g) (4)

selanjutnya pada bagian yang lebih bawah lagi dengan temperatur 1.000o C, FeO yang terbentuk akan direduksi menjadi logam besi.

FeO(s) + CO(g) -> Fe(l) + CO2(g) (5)

Besi cair yang terbentuk akan mengalir ke bawah dan mengalir di dasar tanur. Sementara itu, di bagian tengah tanur yang bersuhu tinggi menyebabkan batu kapur terurai.

CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g) (6)

kemudian di dasar tanur CaO akan bereaksi dengan pengotor dan membentuk terak (slag) yang berupa cairan kental.

CaO(s) + SiO2(s) -> CaSiO3(l) (7)
3CaO(s) + P2O5(g) -> Ca3(PO4)2(l) (8)
CaO(s) + Al2O3(g) -> Ca(AlO2)2(l) (9)

akhirnya besi cair turun ke dasar tanur sedangkan terak (slag) yang memiliki massa jenis lebih rendah daripada besi cair akan mengapung di permukaan dan keluar pada saluran tersendiri.

Cairan besi yang diperoleh dari tanur ini disebut besi gubal dan mengandung 95% besi, 4% karbon, sisanya silikon dan fosfor. Besi gubal didinginkan dan digunakan sebagai besi tuang, sedangkan hasil samping berupa bara digunakan untuk proses pembuatan semen.
            2.1.1. Proses Reduksi Tidak Langsung (Indirect Reduction)
         Pada proses ini menggunakan tungku tanur tinggi (blast furnace) dengan porsi 80% diproduksi dunia. Besi kasar dihasilkan dalam tanur tinggi. Diameter tanur tinggi sekitar 8m dan tingginya mencapai 60 m. Bahan baku yang terdiri dari campuran bijih, kokas, dan batu kapur, dinaikkan ke puncak tanur dengan pemuat otomatis, kemudian dimasukkan ke dalam hopper. Hematit akan dimasukkan ke dalam blast furnace, disertai denganbeberapa bahan lainnya seperti kokas (coke), batu kapur(limestone), dan udara panas. Bahan baku yang terdiri dari campuran biji besi, kokas, dan batu kapur, dinaikkan ke puncakblast furnace. Bahan baku tersebut disusun secara berlapis-lapis.

          Setelah bahan-bahan dimasukkan ke dalam blast furnace, lalu udara panas dialirkan dari dasar tungku dan menyebabkan kokas terbakar sehingga nantinya akan membentuk karbon monoksida (CO). Reaksi reduksi pun terjadi, yaitu sebagai berikut :

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

            Dengan digunakannya udara panas, dapat dihemat penggunaan kokas sebesar 30% lebih. Udara dipanaskan dalam pemanas mula yang berbentuk menara silindris, sampai sekitar 500ºC. Kalor yang diperlukan berasal dari reaksi pembakaran gas karbon monoksida yang keluar dari tanur. Udara panas tersebut memasuki tanur melalui tuyer yang terletak tepat di atas pusat pengumpulan besi cair.Maka didapatlah besi (Fe) yang kita inginkan. Namun besi tersebut masih mengandung karbon yang cukup banyak yaitu 3% – 4,5%, padahal besi yang paling banyak digunakan saat ini adalah yang berkadar karbon kurang dari 1% saja. Besi yang mengandung karbon dengan kadar >4% biasa disebut pig iron.

Batu kapur digunakan sebagai fluks yang mengikat kotoran-kotoran yang terdapat dalam bijih-bijih besi dan membentuk terak cair. Terak cair ini lebih ringan dari besi cair dan terapung diatasnya dan secara berkala akan disadap. Besi cair yang telah bebas dari kotoran-kotoran dialirkan kedalam cetakan setiap 5 – 6 jam.

Gambar 2.2  blast furnace

Terak dapat dimanfaatkan sebagai bahan bangunan (campuran beton) atau sebagai bahan isolasi panas. Gas panas dibersihkan dan digunakan untuk pemanas mula udara, untuk membangkitkan energi atau sebagai media pembakar dapur-dapur lainnya.

         Perlu diperhatikan bahwa bijih besi yang akan dimasukkan ke dalam blast furnaceharuslah digumpalkan terlebih dahulu. Hal tersebut berguna agar aliran udara panas bisa dengan mudah bergerak melewati celan-celah biji besi dan tentunya akan mempercepat proses reduksi. Komposisi besi kasar dapat dikendalikan melalui pengaturan kondisi operasi dan pemilihan susunan campuran bahan baku.

Gambar 2.3  Tanur Tinggi

            2.1.2 Proses Reduksi Langsung (Direct Reduction)
            Proses ini biasanya digunakan untuk merubah pellet menjadi besi spons (sponge iron). Juga disebut besi spons dihasilkan dari reduksi langsung dari bijih besi (dalam bentuk gumpalan, pelet atau denda) dengan mengurangi gas yang dihasilkan dari gas alam atau batubara. Gas pereduksi adalah mayoritas campuran hidrogen (H2) dan karbon monoksida (CO) yang bertindak sebagai pereduksi. Proses langsung mengurangi bijih besi dalam bentuk padat dengan mengurangi gas disebut reduksi langsung.

            Proses reduksi langsung dianggap lebih efisien daripada tanur tiup . Karena beroperasi pada suhu yang lebih rendah, dan ada beberapa faktor lain yang membuatnya ekonomis.Berikut adalah contoh proses reduksi langsung antara lain :

            HYL Direct Reduction Proses (reduksi langsung) adalah hasil usaha riset yang dimulai oleh Hojalata y L.Mina, S.A., pada permulaan tahun 1950-an. Usaha ini muncul dari tekanan kebutuhan yang semakin meningkat dan harus memperoleh bahan baku yang cukup mutu dan pada harga yang stabil untuk produksi lembaran baja(sheet steel).

Dalam proses ini digunakan gas reduktor dari LNG (Liquid Natural Gas), gas alam cair ini direaksikan dengan uap air panas (H2O). Gas reduktor tersebut digunakan untuk mereduksi pellet :Midrex Proces

Proses ini didasarkan pada tekanan rendah, udara bergerak berlawanan arus ke bijih oksida besi pelet padat. Di dalam proses reduksi langsung ini, bijih besi direaksikan dengan gas alam sehingga terbentuklah butiran besi yang dinamakan besi spons. Besi spons kemudian diolah lebih lanjut di dalam sebuah tungku yang bernama dapur listrik (Electric Arc Furnace). Di sini besi spons akan dicampur dengan besi tua (scrap), dan paduan fero untuk diubah menjadi batangan baja, biasa disebut billet. Proses ini sangat efektif untuk mereduksi oksida-oksida dan belerang sehingga dapat dimanfaatkan bijih besi berkadar rendah.

Keuntungan dari proses reduksi langsung ketimbang blast furnace adalah :
a. Besi spons memiliki kandungan besi lebih tinggi ketimbang pig iron, hasil blast furnace.
b. Zat reduktor menggunakan gas (CO atau H2) yang terkandung dalam gas alam, sehingga tidak diperlukan kokas yang harganya cukup mahal.
Perbedaan proses reduksi langsung dan reduksi tidak langsung

1. Reaksinya berbeda,pada reduksi tidak langsung Fe diperoleh dari beberapa tahap reaksi, pada reduksi langsung dengan1 tahap reaksi sudah dapat diperoleh Fe murni.
2. Hasil akhirnya berbeda, Output dari reduksi tidak langsung adalah berupa Fe dalam keadaan cair (pig iron) , sedangkan output dari reduksi langsung adalah Fe dalam keadaan padat (sponge iron)
3. Sumber gas reduktornya berbeda, indirect reduction menggunakan kokas untuk menghasilkan gas reduktor CO, sedangkan direct reduction menggunakan CH4
4. Kualitasnya berbeda, reduksi langsung menghasilkan besi dengan kualitas yang lebih baik daripada reduksi tidak langsung. Karena reduksi tidak langsung menggunakan kokas untuk menghasilkan gas reduktor. Kokas berasal dari batubara yang mengadung sulfur, dimana S tersebut dapat ikut masuk kedalam besi hasil reduksi, yang mengakibatkan besi mengalami retak panas (hot shortness).