33
MAKALAH BAHAN KONSTRUKSI KIMIA
(Logam Besi)
DISUSUN OLEH
Kelompok : 1
Hafifa Marza 0613 3040 0317
Lian Elvani 0613 3040 0320
Miranda Aristy 0613 3040 0323
Kelas : 4 KB
Instruktur
Dr. Ir. Rusdianasari, M.Si.
JURUSAN TEKNIK KIMIA
POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA
2015
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat dan rahmat-Nyalah makalah ini dapat terselesaikan dengan baik.
Dalam penyusunan makalah ini kami telah berusaha dengan semaksimal mungkin sesuai dengan kemampuan kami. Namun sebagai manusia biasa, kami tidak luput dari kesalahan, baik dari segi penyampaian materi ini maupun tata bahasa. Tetapi walaupun demikian kami berusaha sebisa mungkin menyelesaikan makalah Bahan Konstruksi Kimia ini, meskipun tersusun sangat sederhana.
Kami menyadari adanya kerja sama antara dosen pembimbing dan teman kelompok yang memberi masukan yang bermanfaat bagi kami dalam tersusunnya makalah ini. Untuk itu kami mengucapkan terima kasih kepada siapa saja yang telah berperan dalam penyusunan makalah ini.
Semoga makalah Bahan Konstruksi Kimia ini dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya. Kami mengharapkan saran dan kritik dari berbagai pihak yang bersifat membangun. Kami berharap makalah ini dapat membantu siapa saja untuk lebih mengetahui lagi lebih dalam materi dan bagian-bagian apa saja yang terdapat didalamnya.
Palembang, 8 Maret 2014
Penulis,
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ii
DAFTAR ISI iii
BAB I PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Rumusan Masalah 2
Tujuan 2
BAB II DASAR TEORI 3
Pengertian Logam (ferro) 3
Sifat-Sifat Logam Besi 4
Klasifikasi Logam Besi 5
Jenis-Jenis Logam Ferro 5
BAB III PEMBAHASAN 12
Proses Pengolahan Besi 12
Tempat Pengolahan Besi (Tanur Sembur) 14
Pengolahan Bijih Besi dengan Blasr Furnace, Tanur Tiup 14
Operasi dan Proses Blast Furnace 15
Reaksi-Reaksi Kimia yang Terjadi 16
Proses Pembuatan Besi dan Baja 19
Process Indirect Reduction 19
Process Direct Reduction 21
Flowsheet 23
BAB IV APLIKASI BESI 25
Unsur Logam 25
Aplikasi Logam 25
BAB V PENUTUP 29
Kesimpulan 29
DAFTAR PUSTAKA 30
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat-sifat kuat, liat, keras, penghantar listrik dan panas, serta mempunyai titik cair tinggi. Bijih logam ditemukan dengan cara penambangan yang terdapat dalam keadaan murni atau bercampur dengan unsur-unsur seperti karbon, sulfur, fosfor, silikon, serta kotoran seperti tanah liat, pasir, dan tanah.
Bijih logam yang ditemukan dengan cara penambangan terlebih dahulu dilakukan proses pendahuluan sebelum diolah dalam dapur pengolahan logam dengan cara dipecah sebesar kepalan tangan, dipilih yang mengandung unsur logam, dicuci dengan air unruk mengeluarkan kotoran dan terakhir dikeringkan dengan cara dipanggang untuk mengeluarkan uap yang mengandung air.
Selain logam ada yang disebut dengan istilah bukan logam (nonmetal) dan unsur metaloid (yang menyerupai logam).
Logam dapat dibagi dalam beberapa golongan, yaitu :
Logam berat : besi, nikel, krom, tembaga, timah putih, timah hitam, dan
seng.
Logam ringan : alumunium, magnesium, titanium, kalsium, kalium,
natrium, dan barium.
Logam mulia : emas, perak, dan platina.
Logam tahan api : wolfram, molibden, titanium, dan zirkonium.
Dalam penggunaan serta pemakaiannya, logam pada umumnya tidak merupakan senyawa logam, tetapi merupakan paduan. Logam dan paduannya merupakan bahan teknik yang penting, dipakai untuk konstruksi mesin, kendaraan, jembatan, bangunan, dan pesawat terbang.
Sehubungan dengan pemakaiannya pada teknik mesin, sifat logam yang penting adalah mekanis, fisik, dan kimia yang sangat menentukan kualitasnya.
Rumusan Masalah
Mendefinisikan pengertian logam besi
Menjelaskan sifat fisik dan sifat kimia dari logam besi
Mengklasifikasikan logam besi
Membuat logam besi dengan beberapa proses
Menjelaskan aplikasi dari logam besi
Tujuan
Mengetahui pengertian logam besi
Mengetahui sifat fisik dan sifat kimia logam besi
Mengklasifikasi logam besi
Mengetahui proses pembuatan logam besi
Mengetahui aplikasi dari logam besi
BAB II
DASAR TEORI
Pengertian Logam (Ferro)
Logam ferro adalah suatu logam paduan yang terdiri dari campuran unsur karbon dengan besi. Untuk menghasilkan suatu logam paduan yang mempunyai sifat yang berbeda dengan besi dan karbon maka dicampur dengan bermacam logam lainnya.
Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat-sifat, seperti dapat ditempa dan diubah bentuk, penghantar panas dan listrik,keras (tahan terhadap goresan, potongan atau keausan), kenyal (tahan patah bila dibentang), kuat (tahan terhadap benturan, pukulan martil), dan liat (dapat ditarik).
Besi dalam bidang keteknisan adalah besi teknis, bukan besi murni, karena besi murni (Fe) tidak memenuhi pernyataan teknik, persyaratan teknik adalah kekuatan bahan, keuletan, dan ketertahanan terhadap pengaruh luar (korosi, aus, bahan kimia, suhu tinggi dan sebagainya).
Besi teknis selalu tercampur dengan unsure-unsur lain misalnya karbon (C), silicon (Si), mangan (Mn), Fosfor (P), dan belerang (S). Unsur-unsur tersebut harus dalam kadar tertentu, sesuai dengan sifat-sifat yang dikehendaki, secara garis besar besi teknik terbagi menjadi :
Besi kasar : kadar karbon lebih besar dari 3,5%, tidak dapat ditempa.
Besi : kadar karbon lebih besar dari 2,5%, tidak dapat ditempa.
Baja : kadar karbon kurang dari 1,7%, dapat ditempa.
Sifat-Sifat Logam Besi
Sifat Fisika
Fase
Padat
Massa jenis (suhu kamar)
7,68 g/cm3
Titik lebur
1811 0K
(1538 0C , 2800 0F)
Titik didih
3134 0K
(2861 0C , 5182 0F)
Kalor peleburan
13,81 kJ/mol
Kalor penguapan
340 kJ/mol
Sifat Kimia
Tidak termakan oleh udara kering yang tidak mengandung CO2.
Jika terkena udara basah akan terbentuk karat (Fe2O3. nH2O).
Reaksi pembentukan karat, yaitu
Bereaksi dengan uap air panas.
Fe + uap air panas (stoom) akan menghasilkan H2 (pembuatan H2 secara teknik).
Reaksi :
Bereaksi dengan semua asam.
Reaksi :
Jika timbul H2 maka selalu terbentuk senyawaan fero.
Reaksi :
Tidak termakan oleh basa.
Bereaksi dengan halida.
Reaksi :
Bereaksi dengan Sulfur terbentuk FeS.
Klasifikasi Logam Besi
Logam-logam besi merupakan logam dan paduan yang mengandung besi (Fe) sebagai unsur utamanya dan carbon, sedangkan logam bukan besi merupakan logam yang tidak mengandung unsur besi.
Logam besi dapat digolongkan dalam beberapa kelompok berdasarkan komposisi kimia, khususnya kadar karbon, sifat-sifat mekanis atau fisis dan tujuanpenggunaannya.Proses pembuatan baja dapat dilakukan berdasarkan proses asam dan basa yang berhubungan dengan sifat kimia yang meghasilkan terak dari lapisan dapur.
Proses asam digunakan untuk memurnikan besi kasar yang persetasenya rendah dalam fosfor dan sulfur. Besi kadar ini dihasilkan dari bijih besi yang kaya silikon yang menghasilkan terak asam. Lapisan dapur dibangun dari batu silika (SiO2) dan mempunyai sifat yang sama dengan terak sehingga mencegah reaksi antara unsur fosfor dengan lapisan dapur.
Proses basa digunakan Untuk memurnikan besi kasar yang kaya fosfor. Unsur itu hanya dapat dikeluarkan apabila digunakan sejumlah besar dari batu kapur selama berlangsung proses pemurnian, sehingga akan menghasilkan terak. Lapisan dapur harus terbuat dari batu kapur untuk mencegah reaksi antara lapisan dapur dengan unsur silikon.
2.4 Jenis-Jenis Logam Ferro
Besi Tuang
Komposisinya yaitu campuran besi dan karbon. Kadar karbon sekitar 40%, sifatnya rapuh tidak dapat ditempa, baik untuk dituang, liat dalam pemadatan, lemah dalam tegangan. Digunakan untuk membuat alas mesin, meja perata, badan ragum, bagian-bagian mesin robot, blok slinder, dan cincin torak.
Besi Tempa
Komposisi besi terdiri dari 99% besi murni, sifat dapat ditempa, liat, dan tidak dapat dituang. Besi tempa antara lain dapat digunakan untuk membuat rantai jangkar, kait keran, dan landasan kerja plat.
Baja Lunak
Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,1% - 0,3%, membuat sifat dapat ditempa dengan tanah liat. Digunakan untuk membuat mur, sekrup, pipa, dan keperluan umum dalam pembangunan.
Baja Karbon Sedang
Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,4% - 0,6%. Sifat lebih kenyal dan keras. Digunakan untuk membuat benda kerja tempa berat, poros, dan rel baja.
Baja Karbon Tinggi
Komposisi campuran besi dan karbon. Kadar karbon 0,7% - 1,5%. Sifat dapat ditempa, dapat disepuh keras, dan dimudakan. Digunakan untuk membuat kikir, pahat, gergaji, tap, stempel, dan alat bubut lainnya.
Baja Karbon Tinggi Dengan Campuran
Komposisi baja karbon tinggi ditambah nikel atau kobalt, krom atau tungsten, sifat rapuh, tahan suhu tinggi tanpa kehilangan kekerasan, dapat disepuh keras, dan dimudakan. Digunakan untuk membuat mesin bubut dan alat-alat mesin.
Tabel pembagian besi dan baja menurut komposisinya.
No
Paduan Besi dan Baja
Komposisi kimia (%)
1
Besi Tuang
Besi tuang kelabu
Besi tuang potih
Besi tuang noduler
Besi tuang paduan
2-4% C, 1-3% Si, 0,8 % Mn (maks), 0,10 % P (maks), 0,05% S (maks)
Disamping terdapat perbedaan yang kecil dari segi komposisi, perbedaan sifat-sifat besi tunag ditentukan oleh strukutur mikro karena proses pembutan atau karena proses perlakuan panas.
Elemen-elemen pemadu: Cr, Ni
2
Baja Karbon
Baja karbon rendah
Baja karbon medium
Baja karbon tinggi
0,08-0,35% C 0,25-1,50% Mn
0,35-0,50% C 0,25-0,80% Si
0,55-1,70% C 0,04% P 0,05% S
3
Baja Paduan
Baja paduan rendah
Baja paduan medium
Seperti pada baja karbon rendah + elemen-elemen pemadu kurang dari 4% SEPERTI Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Ti, V, Nb, B, W, dll
Seperti pada baja paduan rendah tetapi jumlah elemen-elemen pemadu di atas 4%
4
Baja Spesial
Baja Stainless
Baja Perkakas
Feritik (12-30% Cr dan kadar C rendah)
Martensitik (12-17% Cr dan 0,1-1,0%C)
Austenitic (17-25 % Cr dan 8-20% Ni)
Duplek (23-30%Cr, 2,5-7% Ni, plus Ti dan Mo)
Presipitasi (seperti pada sustenitik, plus elemen pemadu: Cu, Ti, Al, Mo, Nb, atau Ni.
High speed steels (0.85-1,25%C, 1,5-20% W, 4-9,5%Mo, 3-4,5% Cr, 1-4 %V, 5-12%Co)
Logam Besi dan Baja
Besi karbon rendah
Besi karbon rendah ( wrought iron) mengandung < 0,1 %C degan 1-3 % terak halus yang tersebar secara merata di dalamnya. Besi ini merupakan hasil proses pudding atau proses aston.
Pada proses pudding, besi kasar dicampur dengan besi bekas lalu dilebur dalam dapur pudding manual yang kecil (kapasitas 230 kg) dipanaskan dengan kokas, minyak atau gas. Kapasitas dapur kini jauh lebih besar dan proses pengadukan dilakukan secara mekanik. Setelah bebas dari kotoran-kotoran produk yang berbentuk campuran dari besi dan terak d ituang dari dalam dapur kemudian digiling untuk memisahkan terak.
Pada proses aston, besi kasar dilebur dalam kupola dan dimurnikan dalam bejana bassemer. Logam murni kemudian dituang d ladel yang mengandung sejumlah terak. Karena suhu terak lebih rendah, logam cair cepat membeku, gas-gas yang larut bebas dari letupan-letupan sehingga logam pecah menjadi bagian-bagian yang kecil. Kepingan ini mengendap dan menjadi satu membentuk beji spons. Besi karbon rendah yang dihasilkan mempunyai komposisi sebagai berikut : C < 0,03 % ; Si ~ 0,13 ; S < 0,02 % ; F ~ 0,28 % dan Mn < 0,1 %
Baja
Baja merupakan paduan yang terdiri dari biji besi, karbon dan unsur lainnya. Baja dapat dibentuk melalui pengecoran, pencanaian dan penempaan. Karbon merupakan salah satu unsur terpenting karena dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. Baja merupakan logam yang paling banyak digunakan dalam teknik, dalam bentuk pelat, lembaran , pipa, batang profil dan sebagainya.
Secara garis besar baja dapat dikelompokkan sebagai berikut:
Baja karbon
Baja karbon rendah ( <0,30 %C)
Baja karbon ( 0,30 % < C < 0,70)
Baja karbon ( 0,7 < C < 1,4% )
Baja panduan
Baja panduan rendah (jumlah unsur panduan khusus <8%)
Baja panduan tinggi (jumlah unsur panduan khusus >8%)
Baja karbon rendah digunakan untuk kawat, baja profil, sekrup, ulir dan baut. Baja karbon sedang digunakan untuk rel kereta api, as, roda gigi, dan suku cadang berkekuatan tinggi, atau dengan kekerasan sampai tinggi. Baja karbon tinggi digunakan untuk perkakas potong seperti pisau, gurd, dan bagian-bagian harus tahan gesek.
Baja panduan yang meliputi ±15 % dari seluruh produksi baja, mempunyai kegunaan khusus karena sifatnya yang unggul dibandingkan baja karbon.
Pada umumnya baja panduan memiliki:
Keuletan yang tinggi tanpa pengurangan kekuatan tarik
Kemampuan kerasan sewaktu dicelup dalam minyak atau udara , dan dengan demikian kemungkinan retak atau distorsinya kurang.
Tahan terhadap korosi dan keausan
Tahan terhadap perubahan suhu
Memiliki sifat-sifat metalurgi,seperti butir halus.
Besi cor
Besi cor adalah paduan besi-karbon-silika dengan unsur tambahan lain. Kadar karbon tinggi sehingga besi cor bersifat rapuh dan tidak dapt di tempa. Besi cor memiliki sifat fisis atau mekanik yang berbeda-beda, hal ini dipengaruhi oleh unsur paduan yang terdapat didalamnya seperti karbon, silikon, mangan, fosfor dan belerang. Kekuatan, kekerasan, kemampuan mesin, ketahanan aus, dan lain sebagainya dilebur kembali dalam dapur kupola. Besi kasar yang dihasilkan oleh tanur tinggi tidak cocok untuk benda coran dan dilebur kembali dalam dapur kupola.
Besi cor kelabu disebut begitu oleh karena petahannya bewarna Keabu - abuan. Karbon yang terdapat berbentuk serpihan grafit, kekuatan tarik besi cor kelabu berkisar antara 140 sampai 415 Mpa akan tetapi keuletannya sangat rendah. Komposisinya adalah sebagai berikut :
Unsur
Kadar (% berat)
Karbon (C)
3,00 – 3,50
Silikon (Si)
1,00 – 2,75
Mangan (Mn)
0,40 – 1,00
Fosfor (P)
0,15 – 1,00
Belerang (S)
0,02 – 0,15
Besi (Fe)
Sisanya
Besi cor putih mempunyai bidang perpatahan yang putih warnanya, karbon disini terikat sebagai karbida, Fe3C, Fe3C atau karbida bersifat keras, sehingga besi cor putih yang banyak mengandung karbida sulit di mesin. Besi cor putih dibuat dengan cara menuangkan besi cair ke dalam cetakan logam dan dengan mengatur komposisi kimianya. Pendingin cepat atau chill diterapkan bila dikehendaki suatu permukaan yang tahan aus seperti roda kereta api, rol untuk menggerus dan pelat penghancur batu.
Besi cor mampu tempa mempunyai kekuatan tarik sekitar 380 Mpa dengan perpanjangan 18 %. Benda cor mampu tempa mempunyai daya tahan terhadap kejutan dan mudah dimesin; banyak digunakan dalam industry perkeretaapian, industry kendaraan bermotor, sambungan pipa dan industry pertanian.
Besi cor nodular adalah jenis besi cor mampu tempa yang kuat dan ulet. Karbon yang terdapat berbentuk nodul grafit yang diperoleh dengan menambahkan bahan yang mengandung magnesium seperti nikel – magnesium atau magnesium yang mengandung tembaga – ferro silicon dalam besi cor kelabu cair. Jumlah magnesium yang diperlukan tergantung pada kadar belerang yang ada. Mula-mula kadar belerang diturunkan dengan cara mengubahnya menjadi sulfide magnesium. Sisa magnesium yang ada dapat mengubah bentuk grafit menjadi bentuk hhhnodular. Besi cor nodular umumnya digunakan dalam kondisi tuang (as - cast); meskipun demikian untuk meningkatkan sifat-sifat tertentu dari benda cor, benda cor dapat dianil sebentar. Waktu anil yang diperlukan jauh lebih singkat dibandingkan dengan waktu anil besi cor mampu tempa. Karena mutu besi cor nodular jauh lebih baik, bahan ini dapat digunakan untuk membuat proses engkol dan berbagai suku cadang mesin lainnya.
Pengaruh Unsur Kimia dalam Besi Cor
Silikon
Silicon sampai kadar 3,25% bersifat menurunkan kekuatan besi. Kadar silicon menentukan berapa bagian dari karbon terikat dengan besi dan beberapa bagian berbentuk granit (atau karbon bebas) setelah tercapai keadaan seimbang. Kelebihan silicon membentuk ikatan yang keras dengan besi, sehingga dapat dikatakan bahwa silicon di atas 3,25% akan meningkatkan kekerasan.
Mangan
Dalam jumlah rendah, tidak seberapa pengaruhnya, dalam jumlah di atas 0,5%, mangan bereaksi dengan belerang membentuk sulfide mangan. Ikatan ini rendah bobot jenisnya dan dapat larut dalam terak. Mangan merupakan unsure deoksidasi, pemurnian sekaligus meningkatkan fluiditas, kekuatan dan kekerasan besi. Bila kadar ditingkatkan, kemungkinan terbentuknya ikatan kompleks dengan karbon meningkat dan kekerasa besi cor akan naik. Mangan yang hilang selama proses peleburan berkisar antara 10 – 20 %.
Belerang
Belerang sangat merugikan, oleh karena itu selama proses peleburan selalu diusahakan untuk mengikat belerang tersebut, antara lain dengan menambahkan ferro – mangan. Belerang yang menyebabkan terjadinya lubang-lubang (blowholes) membentuk ikatan dengan karbon dan menurunkan fluiditas sehingga mengurangi kemampuan ikatan dengan karbon dan menurunkan fluiditas sehingga mengurangi kemampuan tuang besi cor. Setiap kali kita melebur besi cor, kadar belerang meningkat sebesat 0,03%, belerang ini berasal dari bahan bakar.
Fosfor
Fosfor dapat meningkatkan fluiditas logam cair dan menurunkan titik cair. Oleh karena itu biasa digunakan faktor sampai 1% dalam benda cor kecil dan benda cor yang mempunyai bagian – bagian yang tipis. Benda cor besar tidak memerlukan kadar fosfor yang tinggi karena tidak diperlukan fluiditas tambahan. Sewaktu peleburan umumnya terjadi peningkatan kadar fosfor sampai 0,02%. Unsur fosfor sulit beroksidasi kecuali bila dipenuhi beberapa persyaratan tertentu. Untuk mengendalikan kadar fosfor, perlu dipilih grade besi bekas yang tepat.
Fosfor juga membentuk ikatan yang dikenal dengan nama steadit, yaitu campuran antara besi dan fosfida, ikatan ini keras, rapuh dan mempunyai titik cair yang lebih rendah. Steadit mengandung fosfor sebanyak 10%. Dengan demikian besi dengan 0,50% fosfor akan mengandung sekitar 5% (volume) steadit.
BAB III
PEMBAHASAN
3.1 Proses Pengolahan Besi
Secara umum proses pengolahan besi dari bijihnya dapat berlangsung dengan urutan sebagai berikut:
Bahan – bahan dimasukkan ke dalam tanur melalui bagian puncak tanur.
Bahan – bahan ini berupa:
1.) Bahan utama yaitu bijih besi yang berupa hematit (Fe2O3 ) yang bercampur dengan pasir (SiO2) dan oksida – oksida asam yang lain (P2O5 dan Al2O3). Batuan – batuan ini yang akan direduksi.
2.) Bahan – bahan pereduksi yang berupa kokas (karbon).
3.) Bahan tambahan yang berupa batu kapur (CaCO3) yang berfungsi untuk mengikat zat – zat pengotor.
b. Udara panas dimasukkan di bagian bawah tanur sehingga menyebabkan kokas terbakar
C(s) + O2(g) CO2(g) H = - 394 kJ
Reaksi ini sangat eksoterm (menghasilkan panas), akibatnya panas yang dibebaskan akan menaikkan suhu bagian bawah tanur sampai mencapai 1.900o C.
c. Gas CO2 yang terbentu kekmudian naik melalui lapisan kokas yang panas dan bereaksi dengannya lagi membentuk gas CO.
CO2(g) + C(s) 2 CO(g) H = +173 kJ
Reaksi kali ini berjalan endoterm (memerlukan panas) sehingga suhu tanur pada bagian itu menjadi sekitar 1.300o C.
d. Gas CO yang terbentuk dan kokas yang ada siap mereduksi bijih besi (Fe2O3). Reuksi ini dapat berlangsung dalam beberapa tahap, yaitu:
1.) Pada bagian atas tanur, Fe2O3 direduksi menjadi Fe3O4 pada suhu 500C.
3 Fe2O3(s) + CO(g) 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
2.)Pada bagian yang lebih rendah, Fe3O4 yang terbentuk akan direduksi menjadi FeO pada suhu 850o C.
Fe3O4(s) + CO(g) 3 FeO(s) + CO2(g)
3.)Pada bagian yang lebih bawah lagi, FeO yang terbentuk akan direduksi menjadi logam besi pada suhu 1.000o C.
FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g)
e. Besi cair yang terbentuk akan mengalir ke bawah dan mengalir di dasar tanur.
f. Sementara itu, di bagian tengah tanur yang bersuhu tinggi menyebabkan batu kapur terurai menurut reaksi:
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
g. Kemudian di dasar tanur CaO akan bereaksi dengan pengotor dan membentuk terak (slag) yang berupa cairan kental. Reaksinya sebagai berikut:
CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l)
3 CaO(s) + P2O5(g) Ca3(PO4)2(l)
CaO(s) + Al2O3(g) Ca(AlO2)2(l)
h. Selanjutnya, besi cair turun ke dasar tanur sedangkan terak (slag) yang memiliki massa jenis lebih rendah daripaba besi cair akan mengapung di permukaan dan keluar pada saluran tersendiri.
Tempat Pengolahan Besi ( Tanur Sembur )
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 delapan meter.Karena tingginya alat tersebut, alat ini sering juga disebut sebagai tanur tinggi. Bagian – bagian dari tanur tinggi adalah sebagai berikut:
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.
Pengolahan Bijih Besi Dengan Blast Furnace, Tanur Tiup
Blast furnace atau biasa juga disebut dengan tanur tiup atau tanur tegak digunakan untuk mereduksi secara kimia dan mengkonversi secara fisik bijih besi yang padat menjadi logam besi yang panas.Logam besi panas disebut sebagai hot metal.
Bahan baku yang dimasukkan pada blast furnace adalah bijih besi, kokas dan batu kapur yang diumpan dari atas. Selama proses ditiupkan udara panas atau hot blast dari bagian bawah melalui tuyeres.
Dibutuhkan enam sampai delapan jam bahan baku bijih besi turun ke bagian bawah membentuk produk hot metal besi dan slag. Logam besi ini biasa disebut degan pig iron.
Blast furnace akan beroperasi secara kontinyu selama enam sampai sepuluh tahun dengan hanya berhenti untuk melakukan pemeliharaan yang telah direncanakan.
Besi oksida merupakan Bahan baku utama yang digunakan pada blast furnace yang dapat berupa bijih besi oksida seperti hematite atau magnetite, atau bijih oksida hasil olahan seperti sinter, atau pellet. Ukuran bahanbaku ini adalah sekitar 50 mm.
Bijih besi dengan kandungan Besi atau Fe yang tinggi dapat langsung dimasukkan pada blast furnace tanpa harus melalui proses pengolahan terlebih dahulu. Bijih besi yang dapat langsung digunakan adalah bijih besi yang mengadung Fe antara 50 – 70 %.
Bijih besi dengan kandungan yang rendah, terlebih dahulu harus diproses untuk meningkatkan kandungan Fe-nya atau melalui proses benefisiasi.
Pellet dibuat dari bijih besi kadar rendah. Bijih melalui serangkai proses seperti crushing, grinding, separation, balling, dan induration. Pellet berbentuk bola-bola kecil seperti kelereng berukuran antara 10 – 25 mm. Pellet mengadung Fe antara 64 – 67 %.
Sinter dibuat dari bijih besi ukuran halus, ditambah sedikit kokas, batu kapur dan sejumlah bahan limbah dari pabrik baja yang mengandung besi. Bahan halus ini dicampur secara proposional untuk mendapatkan komposisi tertentu.Bahan ini kemudian dimasukkan ke dalam sintering strand yang dipanaskan dalam furnace berbahan gas. Sebagian bahan meleleh dan menyatu membentuk sinter berukuran antara 10 – 50 mm.
Operasi Dan Proses Blast Furnace
Secara skemtika, prinsip blast furnace atau tanur tiup atau tungku tegak ditunjukkan pada gambar di bawah.Tanur terdiri dari shaft yang memiliki tinggi antara 20 sampai 30 meter. Shaft terbuat dari baja yang bagian dalamnya dilapisi dengan bata tahan api, atau refractory brick.
Bahan baku yang terdiri dari bijih, kokas dan bahan imbuh (flux) dimasukkan dari bagian atas tanur. Fungsi dari bahan imbuh yang ditambahkan adalah agar komposisi slag menjadi sesuai untuk proses blast furnace. Bahan imbuh yang digunakan umumnya adalah batu kapur (limestone), kapur bakar (lime) atau bahkan kadang ditambahkan dolomit.
Dari bagian bawah tanur, dihembuskan udara panas melalui tuyeres.Gas-gas yang terbentuk di dalam tanur keluar melalui bagian atas tanur, sedangkan lelehan logam pig iron (besi mentah) dan lelehan slag dikeluarkan dari hearth pada bagian bawah tanur. Bagian yang berbentuk kerucut terbalik (inverted cone) antara stack dan hearth disebut bagian zona bosh.
Reaksi-reaksi Kimia yang Terjadi
Reaksi-reaksi kimia yang terjadi selama proses dalam tanur dapat dilihat pada gambar. Pada bagian atas stack, bijih besi direduksi melalui tahapan berikut:
3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2
Reaksi-reaksi ini mulai terjadi ketika temperatur telah mencapai beberapa ratus derajat Celcius, namun demikian, reaksi-reaksi utama terjadi dalam rentang temperatur 700 sampai 1200 Celcius. Reaksi antara CO dengan bijih besi pada bagian atas daerah stack ini disebut sebagai reduksi tidak langsung. Di daerah ini, temperatur memang masih terlalu rendah untuk terjadinya reaksi dengan kokas.
Skematika Iron Blast Furnace, Tanur Tiup Besi Dan Reaksi Kimia
Pada aplikasi yang lebih modern, reduksi Fe2O3 dan Fe3O4 menjadi FeO selesai sebelum reduksi ke besi logam dimulai. Hal ini memberikan kondisi pemanfaatan paling efisien terhadap pemakaian CO yang terkandung dalam gas dan dicapai dengan penggunaan bijih yang reaktif dan berukuran kecil, seperti pellet. Untuk bijih yang lebih kasar dan kurang reaktif, reaksi-reaksi cenderung terjadi secara overlap dan tidak efisien.
Reaksi reduksi yang terakhir adalah reduksi dari wustite menjadi besi logam. Reduksi ini hanya terjadi setelah bijih mencapai bagian bawah dari zona stack. Pada bagian bawah stack ini temperatur telah mencapai di atas 1000 Celcius. Pada temperatur ini, reaksi permukaan kokas relatif cukup cepat sehingga dapat mereduksi wustite menjadi besi logam. Reduksi FeO dengan kokas mengikuti reaksi berikut:
FeO + C = Fe + CO
Reaksi ini biasa juga disebut dengan reduksi langsung, walaupun secara aktual terjadi melalui fasa gas. Gas CO2 yang terbentuk dari reduksi FeO pada daerah atas stack dapat bereaksi dengan karbon untuk menyelesaikan reaksi secara keseluruhan. Oksida besi mengalami reaksi pemurnian, yang diikuti dengan pelelehan kemudian mencair dan akhirnya merembes sebagai cairan besi melalui lapisan kokas ke bagian bawah tungku
Pada bagian paling bawah furnace dihasilkan lelehan utama yaitu hot metal yang menempati lapisan bawah dan di atasnya adalah lelehan slag. Beberapa reaksi juga terjadi dalam batas tertentu mengikuti reaksi berikut:
MnO + C = Mn (lelehan) + CO
SiO2 + 2 C = Si (lelehan) + 2 CO
Dalam jumlah yang sangat terbatas, Mangan oksida dan silika terreduksi menjadi Mn dan Si yang kemudian larut dalam hot metal.Mn dan Si merupakan bagian dari komposisi elemen yang terkandung pada hot metal.
Pada daerah bawah stack, reaksi Boudouard terjadi secara simultan mengikuti reaksi sebagai berikut:
CO2 + C = 2 CO
Reaksi antara kokas dengan CO2 sering disebut juga sebagai solution loss, yang berarti sebagian karbon bereaksi sebelum mencapai tuyeres.Kokas turun ke bagian bawah tungku sampai pada daerah udara dipanaskan atau tempat udara panas (hot blast) masuk blast furnace.Kokas dipanaskan oleh udara panas dan segera bereaksi untuk menghasilkan panas sebagai berikut:
C + O2 = CO2 + Panas
Reaksi berlangsung dalam kondisi karbon berlebih dan terjadi pada suhu tinggi.Reaksi ini menyebabkan karbon dioksida mengalami reduksi kembali oleh karbon menjadi karbon monoksida sebagai berikut:
CO2+ C = 2CO
Produk reaksi ini adalah karbon monoksida yang diperlukan untuk mereduksi bijih besi seperti yang terlihat dalam reaksi besi oksida sebelumnya.
Batu kapur turun dalam blast furnace dan tetap sebagai padatan. Batu kapur ini akan mengalami reaksi pertamanya sebagai berikut:
CaCO3 = CaO + CO2
Reaksi ini membutuhkan energi dan dimulai pada temperatur sekitar 1600 ° F. Senyawa CaO terbentuk dari reaksi ini digunakan untuk menghilangkan belerang yang terkandung dalam besi. Sulfur harus dikurangi sebelum hot metal dibuat menjadi baja. Reaksi pengurangan sulfur ini mengikuti reaksi sebagai berikut:
FeS + CaO + C = CaS + FeO + CO
Senyawa CAS merupakan bagian dari senyawa-senyawa pembentuk terak atau slag. Terak terbentuk dari senyawa Silika (SiO2), Alumina (Al2O3), Magnesia (MgO) atau Calcit (CaO) yang terkandung dalam bijih besi, pelet, sinter atau coke. Terak cari memiliki densitas lebih rendah daripada hot metal.Terak cair lalu merebes/menetes melewati lapisan kokas ke bagian bawah tungku dan mengapung di atas besi cair karena kurang padat.
Produk lain dari proses ironmaking, selain besi cair dan terak, adalah gas panas. Gas-gas keluar dari bagian atas tungku tiup dan diproses melalui peralatan pembersih gas. Peralatan ini akan mengeluarkan partikel yang terbawa oleh gas. Kemudian gas yang didinginkan. Gas ini masih memiliki nilai energi yang cukup tinggi. Gas ini digunakan dan dibakar sebagai bahan bakar dalam "hot blast stoves" yang digunakan untuk memanaskan udara yang masuk ke blast furnace untuk menjadi "hot blast". Gas yang tidak dibakar di hot blast stoves dikirim ke boiler house dan digunakan untuk menghasilkan uap yang memutar turbo blower untuk menghasilkan kompresi udara yang dikenal sebagai "cold blast" dan kemudian masuk ke dalam stoves.
Proses Pembuatan Besi-Baja:
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 1. 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. Tanur tinggi
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 process
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).
Midrex Process
Gambar 3. Midrex process
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.
Proses reduksi langsung ini salah satunya dipakai oleh P.T. Karakatau Steel. Fungsi dari gas alam itu sendiri sebenarnya adakalah sebagai gas reduktor, dimana gas alam mengandung CO dan H2, yang dapat bereaksi dengan bijih menghasilkan besi murni (Fe) berkualitas tinggi.
Keuntungan dari proses reduksi langsung ketimbang blast furnace adalah :
Besi spons memiliki kandungan besi lebih tinggi ketimbang pig iron, hasil blast furnace.
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 :
Reaksinya berbeda,pada reduksi tidak langsung Fe diperoleh dari beberapa tahap reaksi, pada reduksi langsung dengan1 tahap reaksi sudah dapat diperoleh Fe murni.
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)
Sumber gas reduktornya berbeda, indirect reduction menggunakan kokas untuk menghasilkan gas reduktor CO, sedangkan direct reduction menggunakan CH4
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).
Flowsheet
BAB IV
APLIKASI BESI
Unsur Logam
Logam adalah unsur yang memiliki sifat mengkilap dan umumnya merupakan penghantar listrik dan penghantar panas yang baik. Unsur-unsur logam umumnya berwujud padat pada suhu dan tekanan normal, kecuali raksa yang berwujud cair. Pada umumnya unsur logam dapat ditempa sehingga dapat dibentuk menjadi bendabenda lainnya.
Tabel Unsur-unsur logam
Nama Indonesia
Nama Latin
Lambang Unsur
Bentuk Fisik
Aluminium
Aluminium
Al
padat, putih keperakan
Barium
Barium
Ba
padat, putih keperakan
Besi
Ferrum
Fe
padat, putih keperakan
Emas
Aurum
Au
padat, berwarna kuning
Kalium
Kalium
K
padat, putih keperakan
Kalsium
Calsium
Ca
padat, putih keperakan
Kromium
Chromium
Cr
padat, putih keperakan
Magnesium
Magnesium
Mg
padat, putih keperakan
Mangan
Manganium
Mn
padat, putih abu-abu
Natrium
Natrium
Na
padat, putih keperakan
Nikel
Nickelium
Ni
padat, putih keperakan
4.2 Aplikasi Logam
Baja
Baja merupakan aloi besi dan karbon yang merupakan satu dari sedikit bahan terpenting dalam industri, seperti yang kita ketahui, bidang industri ini mempengaruhi dunia secara global. Baja memiliki sifat tahan karat, dan kegunaanya yang sangat penting adalah untuk bidang industri ruang angkasa.
Baja Lunak
Mur
Baja Karbon Sedang
Rel Baja
Baja Karbon Tinggi
Gergaji
Baja Karbon Tinggi Dengan Campuran
Alat-alat Mesin
Besi
Besi merupakan logam yang memiliki warna abu-abu keputih-putihan. Logam ini dihasilkan terutama dari peleburan biji hematit dalam tanur sembur. Kegunaanya adalah diapakai untuk bangunan dan bidang teknik, juga dapat dimanfaatkan untuk membuat aloi baja.
Besi Tuang
Alas mesin/Alas gas
Besi Tempa
Ramtai Jangkar
BAB V
PENUTUP
Kesimpulan
Logam terbagi menjadi 2 jenis, yaitu :
Logam Ferro, dan
Logam Non – Ferro.
Logam besi bila direaksikan dengan Oksigen maka akan terjadinya proses korosif, menjadi Fe2O3.
Besi maupun baja memiliki manfaat salah satunya sebagai pembuatan alat industri, alat rumah tangga, kawat maupun sebagai katalis dan koagulan.
Secara garis besar besi teknik terbagi menjadi 3, yaitu:
Besi kasar : kadar karbon lebih besar dari 3,5%, tidak dapat ditempa.
Besi : kadar karbon lebih besar dari 2,5%, tidak dapat ditempa.
Baja : kadar karbon kurang dari 1,7%, dapat ditempa.
Berdasarkan klasifikasinya, logam besi terbagi dalam 6 macam yaitu :
Besi Tuang
Besi Tempa
Besi Lunak
Baja Karbon Tinggi
Baja Karbon Sedang, dan
Baja Karbon Tinggi dengan Campuran.
DAFTAR PUSTAKA
https://www.scribd.com/doc/243169644/133212204-Makalah-BKK-Logam-Besi-1 (diunduh
pada 27 Februari pukul 12:34)
https://www.scribd.com/doc/51585635/makalah-BKK (diunduh pada 27 Februari pukul
12:48)
http://mesinusu12.blogspot.com/ (diunduh pada 27 Februari pukul 12:50)
http://catatanhariansonya.blogspot.com/2008/12/pengolahan-besi.html (diunduh pada 8 Maret
2015 pukul 20:19 WIB)
http://ardra.biz/sain-teknologi/metalurgi/pengolahan-bijih-besi-dengan-blast-furnacetanur- tiup/ (diunduh pada 8 Maret 2015 pukul 20:30)
https://www.youtube.com/watch?v=ftOGG0KVapE (diunduh pada 13 Maret 2015 pukul
17:53 WIB)
http://www.youtube.com/watch?v=EmJ1RwGPkM0 (diunduh pada 14 Maret 2015 pukul
17:53 WIB)
