Pengolahan Besi dan Baja

Besi (Fe) merupakan salah satu logam yang mempunyai peranan yang sangat besar dalam kehidupan manusia, terlebih-lebih di zaman modern seperti sekarang. Kelimpahannya juga sangat besar, 50.000 ppm atau 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. 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 disebkan 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:

a. Mengandung 3%-6% karbon serta sejumlah kecil silicon, mangan , fosfor, dan belerang.

b. Sangat keras tetapi rapuh.

c. Tidak dapat ditempa

d. 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^oC, ditiupkan kedalam layer, gas tersebut akan bereaksi dengan karbon membentuk gas karbondioksida.