PENGOLAHAN BIJIH BESI

Besi diperoleh dengan mengolah biji besi menjadi besi kasar. Biji besi diperoleh dari alam dalam bentuk oksida besi. Pengolahan biji besi dilakukan untuk mengurangi oksigen, sehingga disebut proses reduksi. Biji besi yang ditemukan di alam mempunyai berbagai bentuk.

1.1   Bentuk Biji Besi

1. Berbentuk batu :

1. Batu besi merah ( Fe₂O₃) disebut hematit, mengandung kadar besi 45% - 65%, sedikit phosphor dan berwarna merah.
2. Batu besi magnit (Fe₃O₄), mengandung kadar besi 40% - 70%. Kandungan Phosphor hampir tidak ada, warna hijau tua kehitaman dan bersifat magnet, mengandung pasir besi titan (TiO₂) 95 - 11%.
3. Batu besi sawo matang (Fe₂O₃.3H₂O) mengandung kadar besi 25% - 50%, mengandung phosphor dan air.

2. Berbentuk pasir           :

Pasir besi titan (TiO₂) yang mengandung oksida besi Fe₃3O4 kira-kira 70% dan bercampur dengan oksida titan (Ti₂O₂) 9% - 10%.

3. Berbentuk butiran halus campur tanah liat :

Pasir besi spat (Fe.CO₃) atau disebut (sperosiderit) dengan kandungan besi 40% bercampur dengan tanah liat. Pasir besi spat ini mengandung karbon 10% - 25%.

1.2   Pengolahan Biji Besi

Biji besi umumnya disertai batu pengering yang terdiri dari silikat atau aluminat. Batu pengiring (kotoran) perlu dipisahkan dengan dicuci pada saluran goyang kemudian dihaluskan dengan proses pemecah secara bertingkat. Pemecahan diawali dengan proses ”breaking” menggunakan hammer mill yang mampu mereduksi dimensi bijih besi dari 300 – 1500mm menjadi 100 – 200mm, dilanjutkan dengan proses ”crushing” menggunakan gyratori mill yang mampu mereduksi dimensi bijih besi hingga 10mm dan terakhir proses ”grinding” menggunakan ball mill yang menghasilkan butiran bijih besi berukuran 0,005 – 0,15mm. Butiran halus bijih besi kemudian dilewatkan pada roda magnetik untuk memisahkan bijih besi yang mengandung kadar Fe tinggi dengan yang berkadar Fe rendah. Bijih besi yang mengandung kadar Fe tinggi kemudian disinter untuk mengurangi kadar air, karbon dan zat asam lainnya. Serbuk dicampur dengan serbuk arang kayu atau serbuk kokas, dibakar dalam dapur berputar. Disini terjadi reduksi tidak sempurna, biji besi setengah meleleh. Akibat dapur berputar akan terbentuk gumpalan berukuran kira-kira 30 – 60mm yang disebut sinter.

1.3   Bahan-Bahan Yang Diperlukan Pada Proses Pengolahan Biji Besi

1. Biji besi yang telah diselesaikan (dipecah, dibuat sinter, briket).

2. Bahan bakar

1. Arang kayu

Keuntungan       :   tidak mengandung P dan S

Kerugian              :   panas pembakarannya rendah 300 k.cal/Kg, tidak keras, tidak berpori-pori, maka hanya untuk dapur tinggi 17 M.

2. Kokas

Kokas diperoleh dengan membakar tidak sempurna dari batu bara. Kokas yang baik harus dipilih yang keras, besar dan berpori-pori.

Keuntungan       :   jumlahnya banyak, mudah panas pembakaran tinggi 8000 kcal/kg.

3. Batu tambahan

      Gunanya untuk mengambil P dan S dari besi dan menghindarkan oksidasi. Umumnya digunakan CaO atau CaCO₃. Dalam dapur tinggi batu akan mencair dan menjadi terak. Berat jenis terak < berat jenis besi cair, sehingga butiran-butiran besi terbungkus oleh terak dan terapung di atas cairan besi. Dengan demikian cairan besi dapat dihindarkan dari oksidasi. Lain daripada itu, semua kotoran dapat diserap oleh terak, sehingga besi cair bersih.

4. Udara

      Untuk mengadakan pembakaran dan pembentukan CO sebagai bahan reduksi biji besi diperlukan udara yang banyak sekali. Oksigen yang murah terdapat dalam udara. Untuk kapasitas 300 ton besi kasar diperlukan kira-kira 300 ton kokas, 800 ton biji besi, 10⁶ M³ udara. Agar bahan bakarnya dapat lebih hemat, udara tersebut dipanaskan sampai 900^oC dalam pemanas Cowper. Dengan cara ini dapat dihemat bahan bakar 20%.

2.         Dapur Tinggi

2.1     Kontruksi Dapur Tinggi

Dapur tinggi biasanya hanya untuk mengolah biji besi menjadi besi kasar (cast iron). Besi kasar ini merupakan bahan baku membuat besi cor atau baja.

Konstruksi dapur tinggi dibagi menjadi tiga bagian sebagai berikut :

Gambar 2.1. Konstruksi Dapur Tinggi

1. Tungku

        Berbentuk tabung, perbandingan diameter dan tingginya 4 : 7, pada dasar terdapat lubang besi kasar, di tengah-tengah tinggi tungku terdapat lubang terak dan di atasnya terdapat lubang udara yang arahnya dibuat tangensial agar timbul pusaran udara, sehingga cairan terak terkumpul dan terpisah dari cairan besi. Tungku dilapis batu tahan api setebal 1–1,5m dan harus berkaulitas baik, karena menderita pengaruh kimia dan suhu yang tinggi.

2. Hentian

        Konstruksinya dibuat terlepas dari bagian atas agar pada waktu mengganti batu tahan api tidak mengganggu bagian atasnya. Dilapis batu tahan api yang berkualitas baik.

3. Corong

        Corong adalah bagian dapur paling atas yang berfungsi sebagai tempat untuk memasukkan bahan-bahan yang akan diolah. Bagian ini tidak menderita panas tinggi, maka cukup dilapis batu tahan api yang berkualitas sedang.

Catatan :

Batu tahan api dibuat dari campuran silikat (SiO₂) dan aluminat (A1₂O₃). Silikat mempunyai titik leleh yang tinggi, maka batu api lebih asam, mengembangnya berkurang. Susunannya A1₂Si₂O₂.2H₂O. Bahan batu tahan api tidak boleh diberi Fe₂O₃ atau CaCO₃ karena kedua bahan tersebut merendahkan suhu leleh. Batu api yang kualitasnya kurang baik/sedang, dibuat dari campuran kaolin baru ditambah tepung batu tahan api yang telah terpakai. Silikat dan aluminat dicampur dalam keadaan kering, kemudian dicampur basah dengan mesin. Sesudah itu dicetak pada tekanan tinggi menjadi batu, dikeringkan dan dibakar. Batu tahan api kualitas sedang dinamai batu chamotte.

2.2     Proses Dapur Tinggi

            Kedalam tanur tinggi secara bergantian dimasukkan kokas, bijih besi, dan batu kapur dengan perbandingan 4 : 2 : 1. Kokas berfungsi sebagai bahan bakar sedangkan batu kapur berfungsi sebagai pengikat kotoran hasil peleburan. Setelah terisi kira-kira ¾ tinggi dapur kemudian dihembuskan udara panas bertemperatur 1650⁰C dengan blower. Didalam dapur udara akan membakar kokas dan meleburkan bijih besi.

Bijih besi pada umumnya adalah suatu persenyawaan besi-zat asam. Jika tidak demikian, misalnya batu-besi-kalsit, maka bijih-besi didalam oven-panggang dapat diubah menjadi oksid-besi. Pada prinsipnya dalam dapur tinggi terjadi pemisahan zat asam dari bijih besi, sehingga diperoleh besi sebagai sisa. Proses ini disebut proses reduksi (pengurangan).

Bijih masih terdapat batu-batu galian. Batu-batuan ini mempunyai titik lebur tinggi. Untuk menurunkan titik lebur ini ditambahkan bahan tambah dalam bentuk kapur (CaO). Bahan tambah ini melebur bersama dengan batu-batuan dan abunya menjadi terak yang menyelubungi tetesan besi yang terbentuk dan terak melindunginya melawan oksidasi dan mengapung di dalam tungku di atas besi kasar.

Gambar 2.2. Sistematis Proses Dapur Tinggi

Proses kimia pada suhu tinggi berlangsung lebih cepat. Oleh karena itu udara yang dibutuhkan untuk pembakaran kokas, dipanaskan sebelumnya dalam pemanas udara. Pemanas udara diopak dengan gas yang menghilang dikala proses dapur tinggi.

Zat arang dari kokas membakar menurut:

                               

Sebagian dari CO₂ membentuk barsama zat arang yang berada di tempat lebih atas menjadi gas CO.

                               

Di bagian atas dapur tinggi, pada temperatur 300⁰ – 800⁰C, oksida-besi yang lebih tinggi diubah menjadi oksida lebih rendah oleh reduksi tidak langsung dengan CO tersebut:

                               

                               

                               

Pada waktu proses berlangsung muatan turun beraturan. Dalam bagian dudukan terjadi reduksi tidak langsung menurut:

                               

Reduksi ini disebut reduksi tak langsung karena yang digunakan bukan zat arang tetapi persenyawaan zat arang. Reduksi langsung terjadi dalam bagian yang terpanas dari dapur, yaitu langsung di atas pipa tiup. Reduksi langsung terjadi sebagai berikut:

                                 

Gas CO yang terbentuk naik ke atas dan di dalam cemuk mengambil bagian dalam reduksi tidak langsung dan pembakaran kokas. Pada reduksi tidak langsung dan reduksi langsung, besi yang diperoleh dari sentuhan kokas akan mengambil zat arang.

Pada saat yang bersamaan, sebagian bahan ikutan seperti  dan  akan bereaksi dengan C dan tereduksi menjadi Mn dan Si, reaksinya:

                               

                               

Sementara itu batu kapur pada saat pembakaran berlangsung akan tereduksi menjadi CaO, reaksinya:

                               

Selanjutnya CaO akan mengikat zat pengotor dalam besi membentuk terak, reaksinya:

                               

                               

                               

                               

Akibat ketidak sempurnaan pembakaran, sebagian karbon yang tidak terbakar akan ikut turun kebagian dasar tungku bersama besi cair dan terak cair. Lapisan bawah adalah besi cair bercampur karbon, sedangkan bagian atasnya terak cair. Dapur tinggi dicerat tiap 4 sampai 6 jam, pertama terak cair dikeluarkan melalui cerat atas dan selanjutnya besi cair melalui cerat bawah. Besi yang mengalir ke luar ditampung dalam pencampur besi kasar. Isi pencampur besi kasar dapat digunakan untuk pembuatan baja atau dituang menjadi balok tuangan.

3.    Hasil Dapur Tinggi

Hasil pengolahan dalam dapur tinggi antara lain:

1.       Besi Kasar

Besi hasil dapur tinggi disebut besi kasar atau ”pig iron” dengan mengandung 3,5 – 4%C, 0,1 – 1,0%P dan 0,02 – 0,08%S.

a.       Besi Kasar Putih

Mengandung banyak Mn, sedikit Si dihasilkan pada suhu dapur yang sedang, karena Mn pada suhu tinggi mengoksid kembali, baik sebagai bahan pembuatan baja. Tidak baik sebagai bahan tuangan karena mempunyai sifat keras, getas, lekas membeku, maka biasanya lanagsung dikerjakan pada converter Thomas, Bessemer atau dapur Siemens Martin. Bila % Mn tinggi 5 - 25 % disebut besi kaca. Bila % Mn lebih 60% disebut ferro-mangan (memberikan ketahanan arus)

b.      Besi Kasar Kelabu

Besi kasar kelabu lebih lunak dan lebih liat dibandingkan besi kasar putih.

1)      Besi kasar kelabu muda

Berbutir halus dengan Si 0,5 - 1 %

Baik sebagai bahan besi tuang, untuk membuat silinder mesin.

2)      Besi kasar kelabu hitam

Berbutir kasar. Baik sebagai besi tuang, besi tuang ini diperoleh dengan jalan menuangkan besi kasar dicetakan pasir sehingga SiO₂ mudah masuk ke dalam besi. Bila Si 5 - 20 % disebut ferro-silisium (bahan pembuat baja yang keras).

2.       Gas Dapur Tinggi

Gas yang keluar dari dapur tinggi selama proses pencairan besi kasar kira-kira 5000 m³ tiap ton besi kasar yang dihasilkan, mempunyai nilai pembakaran 900k.cal/m³ dan mengandung: 35 % gas CO, 12 % gas CO₂, 64 % gas N₂, + 2 % gas H₂

Karena masih mempunyai panas pembakaran tinggi banyak dipergunakan pada : pemanas Cowper, pembangkit tenaga listrik, pemanas dapur Thomas dan Bessemer. Sebelum digunakan gasa dapur tringgi perlu dibersihkan secara basah atau kering. Debu yang terbawa berjumlah 7 ton setiap hasil besi kasar 100 ton dan mengandung besi, debu ini dikumpulkan dan dibuat sinter atau briket untuk selanjutnya dicairkan dalam dapur tinggi.

3.       Terak

Terak dapur tinggi 0,6 - 1,5 ton setiap ton besi kasar yang dihasilkan, sebagian besar terdiri dari silikat calsium, aluminat. Terak dapat dipakai :

a.    sebagai pengganti batu alam, untuk mengeraskan jalan

b.   sebagai isolator panas, dengan jalan dibuat wol terak terlebih dahulu.

c.       bila banyak mengandung P (Ca₃(PO4) ₂) setelah digiling dapat dipakai sebagai pupuk.

d.      dapat digiling halus sebagai pengganti pasir pada bangunan beton

e.      dapat dibuat pasir terak dengan menyembur air pada waktu keluar dari dapur tinggi, agar pecah berbutir-butir, dicampur aspal, untuk melapis jalan dengan muatan ringan.

f.        untuk mengisi lubang-lubang / tanggul-tanggul.