kimia Mengenal Fabrikasi Besi Kasar

Mengenal Fabrikasi Besi Kasar

MENGENAL FABRIKASI BESI KASAR
(Oleh Okasatria Novyanto)

Cobalah amati barang-barang yang berada disekitar kita dan silahkan hitung berapa banyak barang-barang yang terbuat dari besi, kuningan, kayu, dll. Pernahkah kita mencoba untuk mengetahui seperti apakah proses pembuatannya? Bagaimanakah Baja dibuat? Dan masih banyak lagi pertanyaan-pertanyaan yang seharusnya kita tanyakan untuk menambah wawasan kita.
Baja merupakah suatu istilah yang tidak asing lagi kita khususnya bagi kalangan dunia Industri yang bergerak dalam bidang Pengecoran Logam. Bahan baku utama baja berupa bijih besi yang diolah dalam dapur tinggi, namun perlu diketahui bahwa baja yang akan diproses itu tidak 100% murni bijih besi semuanya. Biasanya bijih besi tersebut masih tercampur dengan kotoran, gas, pasir, tanah liat, dll. Untuk mendapatkan kualitas bijih besi yang bagus, bahan-bahan seperti kotoran, gas, tanah liat. Pasir, dll. harus dibuang ataupun dicuci terlebih dahulu. Bijih besi yang sudah “bersih” selanjutnya diolah bersama-sama dengan bahan-bahan tambahan seperti kokas, batu kapur, dll. didalam suatu Dapur Tinggi sehingga akan dihasilkan besi cair yang masih bercampur dengan terak. Besi cair tersebut akan dipisahkan dengan terak dan barulah dituangkan kedalam sebuah cetakan sebagai besi kasar. Besi kasar ini umumnya disebut dengan Ingot.
Bijih Besi
Untuk menghasilkan besi kasar, jenis bijih besi yang umum dipakai antara lain :
- Batu besi coklat (2Fe2O3.3H2O) dengan kandungan hingga 40% Fe
- Batu besi merah (Fe2O3) dengan kandungan hingga 50% Fe
- Batu besi magnit (Fe3O4) dengan kandungan hingga 60% Fe
- Batu besi kalsit (FeCO3) dengan kandungan hingga 40% Fe
Selanjutnya bahan-bahan seperti kotoran, pasir, tanah liat, dll. dibersihkan (dibuang). Proses pembuangan bahan-bahan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. Pencucian : Bijih besi diangkut dengan menggunakan konveyor (sabuk berjalan) yang dirancang sedemikian rupa sehingga dapat bergoyang dan berjalan melawan arus air dari sebuah Nozzel pada ujung konveyor tadi.
2. Pemecahan : Bijih besi dipecah dengan menggunakan sebuah mesin khusus sehingga akan dihasilkan kepingan-kepingan bijih besi dengan ukurang yang relatip sama (seragam).
3. Sortir : Pada tahapan proses ini, kepingan-kepingan bijih besi akan dilewatkan pada roda magnit yang mempunyai sifat kemagnetan kuat sehingga dalam hal ini akan terpisahkan antara bijih besi dengan kandungan Fe rendah dan bijih besi dengan kandungan Fe tinggi.
4. Heating (Pemanasan) : Tujuan dari proses ini adalah untuk menghilangkan kandungan air dan udara (gas) yang masih menempel di bijih besi. Hal ini perlu dilakukan untuk menghindari sifat rapuh (kerapuhan) pada hasil akhirnya (besi).
Dapur Tinggi
Umumnya dapur tinggi dibangun dalam 2 lapisan, yaitu lapisan luar (plat baja) dan lapisan dalam (batu bata tahan api). Didalam dapur ini, bijih besi akan ditambahkan batu kapur yang berfungsi sebagai pengikat kotoran (terak) dan juga kokas yang berfungsi sebagai bahan bakar. Kesemua bahan-bahan tersebut dipanaskan hingga mencair.
Prinsip pokok dari kerja dapur tinggi adalah dengan mereduksi oksigen dari bijih besi yang terjadi dalam 3 tahap, yaitu :
a. Reduksi tidak langsung dengan CO pada suhu 300 derajat Celcius hingga 800 derajat Celcius.
Fe2O3 + CO --> 2FeO + CO2
b. Reduksi tidak langsung pada daerah temperature 800 derajat Celcius hingga 1100 derajat Celcius.
FeO + CO --> Fe + CO2
c. Reduksi langsung pada daerah temperature 1100 derajat Celcius hingga 1800 derajat Celcius.
FeO + C --> Fe + CO
Bahan-bahan ikatan akan diikat oleh batu kapur pada titik cair yang tinggi dalam bentuk terak. Bahan terak ini tidak akan dipakai pada fabrikasi besi kasar. Meskipun demikian terak ini masih bernilai ekonomis, misalnya sebagai bahan ASPAL (untuk jalan raya-red).
Selain terak, produk sampingan dari dapur tinggi ini yakni : Gas. Hal ini dikatakan demikian karena Gas ketika keluar dari dapur tinggi masih mempunyai panas yang tinggi sehingga dapat dimanfaatkan ulang untuk memanaskan dapur atau tungku yang lainnya.
Secara sederhana, skema fabrikasi besi kasar sebagai berikut :
Bijih besi --> Dicuci --> Dipecahkan dan disaring --> Pemisahan dengan roda magnit --> dipanaskan --> masuk ke Dapur Tinggi (dengan ditambah Kokas, batu kapur dan udara tiup) --> akan dihasilkan besi kasar, terak dan gas dapur tinggi.
Hasil (Produk) Dapur Tinggi
Beberapa macam produk yang dihasilkan dari dapur tinggi, antara lain :
1. Besi kasar (Pig Iron)
Merupakan hasil pokok dari dapur tinggi yang berasal dari reaksi reduksi atas bijih besi dengan komposisi sebagai berikut :
- Karbon (C) = 3,85% (rata-rata)
- Mangan (Mn) = 0,9% (rata-rata)
- Phospor (P) = 0,9% (rata-rata)
- Belerang (S) = 0,025% (rata-rata)
- Silikon (Si) = 0,12% (rata-rata)
Sifat utama dari besi kasar adalah rapuh (getas). Sehingga hal ini perlu dilakukan pengolahan lebih lanjut dengan menggunakan dapur-dapur baja dan kupola.
Pig iron dapat dibedakan dalam dua macam, yakni :
a. Besi kasar putih : Berwarna putih (mengandung 2,3 ~ 3,5% C), bersifat getas dan keras, kandungan Mangan (Mn) masih cukup tinggi serta sulit ditempa.
b. Besi kasar kelabu : Berwarna kelabu (mengandung lebih dari 3,5% C), kandungan Si masih cukup tinggi, kekuatan tarik lebih rendah dari besi kasar putih, mudah dituang meskipun masih cukup getas. Besi kasar kelabu digolongkan menjadi : besi kasar kelabu muda yang mengandung 0,5 ~ 1% Si dengan butir-butir halus serta banyak dipakai sebagai bahan pembuat silinder mesin dan jenis yang kedua yakni besi kasar kelabu tua yang mengandung hingga 3% Si dengan butir-butir kasar serta tahan getaran.
2. Terak
Terak merupakan produk sampingan dari besi kasar, umumnya terak mengandung komposisi sebagai berikut :
- Silika = 33% ~ 42%
- Alumina = 10% ~ 16%
- Kapur = 36% ~ 45%
- Magnesia = 3%~ 12%
- Belerang = 1% ~ 3%
- Ferro Oksida = 0,3% ~ 2%
- Mangan Oksida = 0,2% ~ 1,5%
Terak dapat dikategorikan menjadi terak yang bersifat Asam dan terak yang bersifat Basa. Hal ini sangat tergantung pada komposisi Kapur (CaO) dan Magnesia (MgO) terhadap Silika dan Alumina. Terak juga dapat digunakan sebagai bahan pengganti kerikil (pada pengecoran Beton), pembuatan aspal dan pupuk Phospat (jika kandungan Phospat cukup tinggi-red).
3. Gas Dapur Tinggi
Sebagaimana telah dijabarkan pada pembahasan dipermulaan bahwa hasil pembakan kokas berupa gas Karbon Monoksida dan Karbon Dioksida yang menyebabkan terjadinya proses reduksi pada bijih besi, misalnya :
Fe2O3 + 3C --> 2Fe + 3CO
Fe2O3 + CO --> 2FeO + CO2
Secara umum, komposisi dapur tinggi terdiri dari 27,6% CO; 58% Nitrogen; 13,6% Karbon Dioksida; dan 0,4% Hidrogen. Sekedar informasi saja bahwa umumnya Gas yang masih panas yang keluar dari dapur tinggi masih dapat digunakan kembali untuk memanaskan dapur-dapur lainnya sehingga biaya produksi untuk memanaskan dapur dihemat (cost reduction).
Klasifikasi Sederhana pada Baja Berdasarkan Kandungan Karbon
Menurut Budinski (1989) dijelaskan bahwa yang dimaksud dengan baja karbon adalah suatu jenis baja yang ditentukan sifat-sifatnya oleh unsur karbon. Unsur-unsur yang lainnya dapat diabaikan dengan kandungan yang dibatasi, misalnya : 1,65% Mn; 0,6% Si; 0,6% Cu dan 0,05% Phospor.
Pada kandungan baja karbon akan dijumpai penyebutan : %C, maksudnya adalah bahwa %C merupakan prosentasi kandungan C (Karbon) dari Fe3C (Sementid).
1. Baja Lunak (0,05%C ~ 0,2%C) = Masih tergolong baja karbon rendah yang mempunyai sifat lunak, ulet, kekuatan tarik rendah dan mempunyai sifat mampu las yang baik, contohnya : kawat, dinding ketel uap, dll.
2. Baja ringan atau baja umum atau mild steel (0,2%C ~ 0,5%C) = Tergolong baja karbon sedang yang mempunyai sifat mampu mesin dan mampu las yang baik serta cocok untuk pengolahan panas, contohnya : Poros motor (Shaft), Crak Shaft, dll.
3. Baja Karbon tinggi (0,5%C ~ 0,7%C) = Baja jenis ini dapat dikeraskan dengan proses pengolahan panas (Heat Threatment), Contohnya : Pegas, Dies, Baut, dll.
4. Baja Karbon sangat tinggi (0,7%C ~ 1,5%C) = Cocok untuk pengolahan panas tetapi mempunyai sifat mampu las yang buruk serta getas, Contohnya : Mata bor, pahat pisau, dll.
(Sumber : Anngarwal, O.P, Engineering Chemistry, 1993).
Contoh Baja Paduan
Perlu ditekankan bahwa baja paduan bukan merupakan baja karbon. Hal ini ditinjau dari unsur-unsur yang dominan sudah bukan unsur C (Karbon) lagi. Dan sebagai informasi tambahan bahwa pada baja karbon, kita dapat menggunakan diagram fasa besi Karbon dalam menganalisa fasa-fasanya. Sedang pada baja paduan, diagram fasa baja Karbon sudah tidak berlaku lagi melainkan menggunakan diagram fasa yang berhubungan dengan unsur paduannya saja, misalnya : Untuk Stainless Steel menggunakan diagram Trinari Fe-Cr-Ni.
1. Baja Nikel (3,5%Ni) = Mempunyai sifat yang keras namun elastis dan tahan korosi, Contohnya : kabel, komponen pesawat dan komponen mobil, dll.
2. Baja Invar (3,6%Ni) = Mempunyai koefisien ekspansi sangat rendah, Contohnya : Instrumentasi.
3. Baja Khrom (1,5%Cr ~ 2%Cr) = Sangat keras, Contohnya : Peralatan tambang, Plat lapis baja, dll.
4. Baja Tungsten (14%W ~ 20%W dan 3%Cr ~ 8%Cr) = Cukup keras pada suhu tinggi, Contohnya : Pahat kecepatan tinggi (HSS)
5. Baja Tahan karat (12%Cr ~ 28%Cr dan 3%Ni ~ 8%Ni) = Tahan karat, Contohnya : Instrument kedokteran, industri makanan, mobil, industri kimia, dll.
6. Baja Molibdenum (0,3%Mo ~ 3%Mo) = Tahan korosi, cukup keras pada suhu tinggi, Contohnys : Pahat kecepatan tinggi dan industri mobil.
7. Baja Mangan (12%Mn ~ 15%Mn) = Sangat keras dan tahan aus, Contohnya : Peralatan tambang, roda gigi, rel kereta api, dll.
8. Baja Vanadium (0,15%V ~ 1%V) = Kekuatan tarik cukup tinggi dan tahan impact, Contohnya : Pegas, Poros, hammer, dll.
9. Baja Silikon (15%Si) = Sangat keras dan tahan terhadap reaksi asam, Contohnya : Industri kimia, inti (plat) Transformator, dll.
(Sumber : Anngarwal, O.P, Engineering Chemistry, 1993).
Pengaruh Unsur-Unsur paduan (Pada Baja Paduan)
Menurut JIS dan WES (Japan International Standard; Standard of Japan Welding Engineering society) dinyatakan bahwa untuk menyederhanakan dengan memakai analogi baja karbon dengan kadar karbon = %Ceq dalam rangka mencari kekerasan yang diinginkan dirumuskan :
%Ceq = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14
Sedang menurut IIW dan Llyod (IIW = International Institude of Welding) dirumuskan :
%Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
Dan hubungannya dengan Nilai kekerasan Hvmaks dirumuskan :
Hvmax= (666 x Ceq) + 40
Dapur-Dapur Baja
Sebenarnya Dapur-dapur baja yang akan kita bahas selanjutnya masih ada korelasinya dengan Dapur Tinggi yang sudah dibahas dimuka. Pada penjelasan diatas disebutkan bahwa kadar karbon yang dihasilkan dari Dapur Tinggi masing tinggi prosentasenya. Hal ini berarti bahwa besi kasar (pig iron) mempunyai sifat mudah rapuh sehingga memerlukan pengolahan lebih lanjut.
Dapur baja berfungsi untuk mengurangi kadar karbon yang masih cukup tinggi pada besi kasar sehingga diharapkan akan dihasilkan %C sebesar 1,5%C atau lebih rendah. Baja mempunyai kekuatan tarik yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan besi kasar, lebih ulet, dapat ditempa, mudah dilas,dll.
Jenis-jenis baja sangat variatif dan banyak sekali aplikasinya, khususnya dalam bidang kontruksi Teknik Sipil maupun Teknik Mesin tergantung dari proses pembuatan, pengolahan panas (Heat threatment), pengerjaan mekanis, dll.
Setelah besi kasar dihasilkan dari Dapur Tinggi, selanjutnya dapat diteruskan dengan proses-proses berikut :
1. Konverter Bessemer
Konverter Bessemer merupakan suatu bejana dari plat baja yang dilapisi batu tahan api yang berfungsi untuk menahan panas dan agar dinding tidak mudah aus. Konventer Bessemer ini dapat diputar pada porosnya.
Konverter Bessemer mampu mengolah 25Ton besi kasar kelabu (mengandung Si) yang diisikan kedalamnya. Karena sebelumnya isi bejana telah dipanaskan melalui pembakaran kokas sehingga mencapai sihu 1500 derajat Celcius dan dialiri udara bertekanan 2 Atm dari arah bawah, maka besi kasar akan bereaksi dengan Oksigen. Unsur-unsur pengotor akan bereaksi menurut rekasi :
Si + O2 --> SiO2
2Mn + O2 --> 2MnO
MnO + SiO2 --> MnSiO3 (Slag atau ampas biji atau arang )
Sedang unsur phospor bereaksi dengan Oksigen menurut persamaan reaksi :
4P + 5O2 --> 2P2O5
S + O2 --> SO2
Mengingat silika bereaksi dengan asam, maka batu tahan api yang dipakai juga harus bereaksi dengan asam, hal ini perlu untuk mengindari reaksi :
Asam + Basa --> Garam + Air
Pada Konverter Bessemer terjadi pembakaran dimana unsur C (Karbon) diikat oleh O2 (Oksigen) sehingga akan mejadi CO2 (karbon Dioksida). Dan setelah itu akan diikuti pembakaran Fe (Nyala api Coklat) menurut reaksi :
Fe + (1/2)O2 --> FeO
Umumnya lapisan batu tahan api dapat bertahan hingga 200 Kali pemakaian.
2. Konverter Thomas
Seperti pada Konverter Bessemer, Konverter Thomas juga memakai batu tahan api. Hanya saja batu tahan api yang digunakannya bersifat basa. Hal ini dilakukan karena Konverter Thomas diperuntukan untuk mengolah besi kasar putih yang mengandung Phospor. Agar menjadi terak, P2O5 yang terbentuk perlu direaksikan dengan batu kapur menurut :
P2O5 + 3CaO --> Ca3 (PO4)3
Kedua dapur tersebut (Konverter Bessemer dan Konverter Thomas) tidak dipakai lagi mengingat produk baja yang dihasilkan kurang begitu bagus kualitasnya.
3. Dapur Siemens Martin
Dapur ini memiliki 4 buah ruangan regenerator yang terbuat dari susunan batu tahan api. Sebelum memulai proses peleburan, dapur dipanaskan terlebih dahulu dengan bahan bakar gas. Kemudian besi kasar cair (besi skrap) dimasukan ke dalam dapur. Reaksi kimiawi dan pengikatan kotoran oleh batu kapur sama seperti dengan yang terjadi pada Konverter Bessemer, Konverter Thomas dan Dapur Tinggi.
4. Dapur Listrik
Proses peleburan besi kasar (besi skrap) memerlukan energi panas. Energi panas tersebut dapat diperoleh dari energi Listrik yang diterapkan pada dapur listrik. Dibandingkan dengan dapur-dapur yang menggunakan bahan bakar fosil (Padat/Cair/Gas), dapur listrik mempunyai keunggulan-keunggulan :
- Kontrol atas suhu peleburan cukup mudah.
- Tidak terjadi pengotoran yang disebabkan oleh pembakaran bahan bakar maupun gas hasil pembakaran.
- Dapat mencapai suhu tinggi dalam waktu yang relatip singkat.
- Produk yang dihasilkan lebih berkualitas.
Dapur Busur Cahaya atau busur nyala api
Dapur busur cahaya memiliki batu tahan api pada bagian dalam dapur yang terbagi menjadi 2 proses, yaitu : Proses Asam dan Proses Basa. Proses Asam digunakan untuk peleburan baja skrap kualitas tinggi sedang proses Basa digunakan untuk peleburan baja kualitas sedang, contohnya : Dapur Heroult.
Pada Dapur Heroult, Energi panas yang dihasilkan oleh loncatan busur listrik antara elektroda karbon dan cairan baja. Setelah sekitar 15 menit hingga 1 jam, terbentuklah terak pada permukaan cairan yang melindungi dari udara maupun gas selama proses peleburan.
Pada peleburan dengan dapur listrik akan memberikan keuntungan tambahan berupa biaya peleburan yang cukup rendah. Namun untuk dapur jenis ini memerlukan biaya investasi yang cukup besar.