Besi yang sering kita jumpai banyak sekali macamnya. Ada yang berbentuk as, pipa, plat, dsb. Nah sebenarnya, besi-besi tersebut berasal dari proses pengecoran atau penuangan besi cair, yang sebelumnya didapat dari pengolahan Biji Besi.
Berikut adalah Prinsip pengolahannya:
Besi dihasilkan dari oksida besi (Fe2O3), melalui reaksi reduksi dengan karbon monoksida pada suhu relatif tinggi (>15000C) dalam tanur tinggi.
Besi dihasilkan dari oksida besi (Fe2O3), melalui reaksi reduksi dengan karbon monoksida pada suhu relatif tinggi (>15000C) 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 C, ditiupkan kedalam layer, gas tersebut akan bereaksi dengan karbon membentuk gas karbondioksida.
C + O2 CO2 ΔH = -96.96 kkal Reaksi berlangsung eksoterm, panas yang dibebaskan menyebabkan temperatur yang sangat tinggi (>15000C), dibagian bawah tanur. Gas ini terdiri dari gas CO2 yang akan bereaksi dengan karbon dan direduksi menjadi gas karbon monoksida (CO). CO2 + C 2CO ΔH = -38.96 kkal Ketika reaksi berlangsung endoterm atau menyerap panas, temperature gas menurun sehingga pada bagian ini temperatur mencapai 12000-13000C. Bagian tanur ini disebut penyerap panas karena pada saat gas naik, reaksi gas CO2 dengan karbon pada setiap tahap selalu menyerap panas, maka temperatur bagian dalam tanur makin ke atas makin berkurang, sehingga saat mendekati saluran pembuangan temperature mencapai 3000C. Jika ada uap air dalam udara yang ditiupkan, temperatur menjadi sangat rendah. Dengan persamaan reaksi :
H2O + C CO + H2 ΔH = + x kkal
Reaksi ini berlangsung endoterm sehingga menyebabkan pemborosan bahan bakar. Untuk menghindari hal ini udara yang dipanaskan dilewatkan pada silika gel.
Reaksi ini berlangsung endoterm sehingga menyebabkan pemborosan bahan bakar. Untuk menghindari hal ini udara yang dipanaskan dilewatkan pada silika gel.
b. Reaksi dengan gas pada suhu rendah
Ketika campuran yang terdiri dari hematite, batu kapur, dan karbon dijatuhkan kedalam tanur tinggi, reaksi pertama yang terjadi adalah ferro oksida direduksi menjadi oksida magnetic (feroso feri oksida) oleh karbon monoksida pada temperatur 3000-5000 C.
3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 (300-5000C) ; ΔH = 8.80 kkal
Pada daerah feroso ferioksida direduksi menjadi ferioksida dan kemudian menjadi besi.
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 (5000-7000C) ; ΔH = 8.80 kkal
FeO + CO Fe + CO2 (7000-9000C) ; ΔH = -3.84 kkal
Sehingga reaksi ferioksida menjadi besi oleh karbon monoksida berlangsung sempurna sebelum pada daerah penyerapan panas. Jika titik leleh besi lebih besar dari 10000C reaksi besi diperoleh dibagian spon. Hanya pada bagian atas penyerapan panas, pada temperature 10000- 12000C batu kapur terurai menjadi kapur (CaO) dan CO2.
CaCO3 CaO + CO2
Kapur CaO bereaksi dengan silika membentuk cairan kalsium silikat yang disebut kerak.
CaO + SiO2 CaSiO3
Pada saat CaSiO3 memasuki dasar tanur, cairan tersebut menutupi cairan besi dan senyawa silika menjadi kerak. Cairan logam berkumpul di bagian atas tanur dengan kerak di bagian atasnya. Ketika cairan terdapat di dalam tanur pada temperatur 1300-15000 C, bijih besi yang kotor (mengandung pengotor seperti fosfat, silikat, sulfid dan sebaginya), juga direduksi menjadi cairan besi yang biasanya mengandung sedikit sulfur, silikcon, fosfor, mangan dan ± 3- 4% karbon dalam bentuk karbida seperti simentatit (Fe3C), sehingga besi yang diperoleh dapat mencapai tingkat kemurnian 92-94 % , dan biasanya disebut “cas iron” atau besi tuang atau kadang-kadang juga disebut “pig iron”. Besi cair yang dihasilkan tersebut dikeluarkan melalui bagin bawah tanur tinggi. Kerak yang kemudian dapat dipergunakan sebagai bahan campuran seman, pembuatan batu bata, dan sebagai bahan kontruksi jalan. Reduksi didalam tanur tinggi bersifat reversible gas yang terdapat dalam tanur terdiri dari sejumlah besar karbon monoksida yang tidak terbakar dan sejumlah kecil hydrogen, metana dan sebagainya. Dengan komposisi rata-rata 60% N2, 24% CO, 12%CO2 . Gas panas
keluar melalui bagian atas tanur . gas buangan ini bersama debu dialirkan ke penangkap debu, sehingga debu akan mengendap sedangkan gas buangan yang panas akan mengalir ke pendingin yang berfungsi menurunkan suhu sehingga gas dapat dilepaskan ke udara melalui cerobong asap.
Pada daerah feroso ferioksida direduksi menjadi ferioksida dan kemudian menjadi besi.
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 (5000-7000C) ; ΔH = 8.80 kkal
FeO + CO Fe + CO2 (7000-9000C) ; ΔH = -3.84 kkal
Sehingga reaksi ferioksida menjadi besi oleh karbon monoksida berlangsung sempurna sebelum pada daerah penyerapan panas. Jika titik leleh besi lebih besar dari 10000C reaksi besi diperoleh dibagian spon. Hanya pada bagian atas penyerapan panas, pada temperature 10000- 12000C batu kapur terurai menjadi kapur (CaO) dan CO2.
CaCO3 CaO + CO2
Kapur CaO bereaksi dengan silika membentuk cairan kalsium silikat yang disebut kerak.
CaO + SiO2 CaSiO3
Pada saat CaSiO3 memasuki dasar tanur, cairan tersebut menutupi cairan besi dan senyawa silika menjadi kerak. Cairan logam berkumpul di bagian atas tanur dengan kerak di bagian atasnya. Ketika cairan terdapat di dalam tanur pada temperatur 1300-15000 C, bijih besi yang kotor (mengandung pengotor seperti fosfat, silikat, sulfid dan sebaginya), juga direduksi menjadi cairan besi yang biasanya mengandung sedikit sulfur, silikcon, fosfor, mangan dan ± 3- 4% karbon dalam bentuk karbida seperti simentatit (Fe3C), sehingga besi yang diperoleh dapat mencapai tingkat kemurnian 92-94 % , dan biasanya disebut “cas iron” atau besi tuang atau kadang-kadang juga disebut “pig iron”. Besi cair yang dihasilkan tersebut dikeluarkan melalui bagin bawah tanur tinggi. Kerak yang kemudian dapat dipergunakan sebagai bahan campuran seman, pembuatan batu bata, dan sebagai bahan kontruksi jalan. Reduksi didalam tanur tinggi bersifat reversible gas yang terdapat dalam tanur terdiri dari sejumlah besar karbon monoksida yang tidak terbakar dan sejumlah kecil hydrogen, metana dan sebagainya. Dengan komposisi rata-rata 60% N2, 24% CO, 12%CO2 . Gas panas
keluar melalui bagian atas tanur . gas buangan ini bersama debu dialirkan ke penangkap debu, sehingga debu akan mengendap sedangkan gas buangan yang panas akan mengalir ke pendingin yang berfungsi menurunkan suhu sehingga gas dapat dilepaskan ke udara melalui cerobong asap.
Begitulah proses pengolahan biji besi menjadi besi, yang sempat saya baca dari arsip file pdf Ibu Soja Siti Fatimah dari UPI. Untuk yang mau belajar lebih banyak tentang pengolahan besi, bisa download saja.
MANTAP!
BalasHapus