MAKALAH PENGOLAHAN TEKNOLOGI MINERAL BESI DAN BAJA
Disusun Oleh : Aldi Dian P H
(121130161)
Nanda Dicky W
(121140058)
Shelly Puspita Dewi
(121140082)
Anida Sarastika
(121140112)
Tantriyani
(121140170)
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN” YOGYAKARTA 2017
BAB I PENDAHULUAN
I.1.
Latar Belakang
Besi (Fe) merupakan salah satu logam yang mempunyai peranan yang sangat besar dalam kehidupan manusia, 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 adalah logam paduan, logam besi sebagai unsur dasar dengan beberapa elemen lainnya ( O, N, Si, P, Ni, Cr) dan termasuk karbon sebagai paduan utama. Baja tahan terhadap pengaruh lingkungan mudah dibentuk dan ditempa, memiliki kekerasan yang baik, mengandung 0.02%-1.5% karbon.
I.2
Macam-Macam Besi dan Baja
I.2.1. Macam Besi 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 tersebut, 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.
I.2,2
Macam-macam Baja Baja adalah besi yang mengandunbg 0.02%-1.5% karbon. Sifat baja tergantung
pada jumlah karbon yang dikandungya. Berdasarkan kandungan karbon, jenis baja dibagi menjadi : 1. Baja lunak, yaitu baja yang mengandung kurang dari 0.2 % karbon. Disebut baja lunak karena mudah dibentuk dan diregangkan. Baja ini bisa digunakan untuk membuat kabel dan rantai. Baja ini tidak dapat dikeraskan karena kandungan karbonnyatidak
cukup untuk membentuk struktur martensit. 2. Baja medium, yaitu baja yang mengandung 0.2%-0.6% karbon. Baja ini digunakan untuk
membuat
rel,
balok
dan
rangka.
Dengan
kandungan
karbonnya
memungkinkan baja untuk dikeraskan melalui proses perlakuan panas yang sesuai. Baja ini lebih keras serta lebih kuat dibandingkan dengan baja karbon rendah. 3. Baja karbon tinggi, yaitu baja yang mengandung 0.6%-1.5% karbon. Sifatnya keras, kaku, biasa digunakan untuk alat-alat logam, per, alat pemotong dan alat rumah
tangga. memiliki kekerasan yang lebih tinggi, namun keuletannya lebih rendah.
Berkebalikan dengan baja karbon rendah, pengerasan dengan perlakuan panas pada baja karbon tinggi tidak memberikan hasil yang optimal karena terlalu banyaknya martensit, sehingga membuat baja menjadi getas
Sedangkan untuk baja paduan terdiri dari: 1. Baja Paduan Rendah (Low Alloy Steel) Baja paduan rendah merupakan baja paduan yang elemen paduannya kurang dari 2,5% wt, misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P dan lain-lain. 2. Baja Paduan Menengah (Medium Alloy Steel) Baja paduan menengah merupakan baja paduan yang elemen paduannya 2,5% - 10% wt, misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P dan lain-lain. 3. Baja Paduan Tinggi (High Alloy Steel) Baja paduan tinggi merupakan baja paduan yang elemen paduannya lebih dari 10% wt, misalnnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P dan lain-lain
I.3
Sifat Fisika dan Kimia Besi dan Baja
I.3.1
Sifat Fisika dan Kimia Besi Lambang : Fe No. Atom : 26 Golongan, periode : 8,4 Penampilan : Metalik Mengkilap keabu-abuan Massa Atom : 55,854 (2) g/mol Konfigurasi Elektron : [ Ar ] 3d64s2 Fase : Padat Massa Jenis (Suhu Kamar) : 7,86 g/cm3 Titik Lebur : 1811 ºK (1538 ºC, 2800 ºF) Titik Didih : 3134 ºK (2861 ºC, 5182 ºF) Kapasitas Kalor : (25 ºC) 25,10 J/ (mol.K)
I.3.2
Sifat Fisika dan Kimia Baja
Titik didih : 1550 OC
Titik lebur : 2900 OC
Konduktivitas listrik,
Menghantarkan panas,
Reaktif
Jumlah elektron bebas yang tinggi di segala bentuk logam padat menyebabkan logam tidak pernah terlihat transparan.
Logam biasanya cenderung untuk membentuk kation dengan menghilangkan elektronnya, kemudian bereaksi dengan oksigen di udara untuk membentuk oksida basa.
I.4.
Kegunaan Besi dan Baja
I.4.1
Kegunaan Besi
Bahan baku pembuatan besi baja dan kabel / kawat baja Bijih besi murni yang dileburkan dan langsung dicetak tanpa campuran berbagai macam unsur lainnya akan membentuk besi baja. Besi baja dinilai memiliki kekuatan yang dangat baik dan sering digunakan sebagai penopang konstruksi – konstruksi dari proyek – proyek bangunan. Berikut ini adalah beberapa manfaat dari besi baja : 1. Sebagai penopang konstruksi bawah tanah 2. Sebagai rangka dari pembuatan gedung bertingkat 3. Sebagai struktur konstruksi jembatan 4. Kawat dan tali baja dapat digunakan sebagai alat pengangkut pada crane, dan alat Derek
Bahan dasar pembuatan tiang – tiang rambu lalu lintas dan lampu penerangan jalan Bjih besi yang dilebur dapat dicampur dengan unsur lain, seperti jenis alumunium untuk membuat tiang – tiang lampu jalanan dan rambu lalu yang kuat, namun ringan. Selain itu campuran ini juga dinilai ekonomis dan mudah dalam perawatan, serta memiliki ketahan terhadap korosi atau karat yang cukup bagus.
Bahan pembuatan besi tuang Biasanya jenis besi tuang ini diaplikaskan dan dimanfaatkan untuk : 1. Alas mesin
2. Meja perata 3. Blok silinder pada mesin kendaraan dan mesin konstruksi 4. Cincin torak
Besi tempa Beberapa bijih besi akan dicetak dengan ukuran – ukran tertentu dan dibuat menjadi lembaran lembaran. Besi tempa merupakan jenis besi yang mengandung 99% bijih besi, yang akan dibuat menjadi suatu barang. Berikut ini adalah beberapa aplikasi dari besi tempa : 1. Sebagai bahan senjata, seperti keris dan pedang 2. Sebagai plat penambal lubang atau kebocoran pada konstruksi besi 3. Sebagai peyambung konstruksi besi (dengan cara di las) 4. Untuk pembuatan bracket – bracket atau dudukan
Pembuatan baja lunak Berbeda dengan besi baja murni yang sangat kuat, terutama untuk pembuatan proyek konstruksi, baja lunak merupakan campuran antara bijih besi dengan karbon, dengan kandungan campuran karbon sebanyak 0.1 – 0.3%. Berikut ini beberapa pemanfaatan dari baja lunak : 1. Pembuatan mur, sekrup, dan baut 2. Pembuatan perkakas, seperti obeng dan semacamnya 3. Pembuatan pipa – pia non pralon
Baja sedang Merupakan jenis baja yang lebih keras dan kuat dibandingkan baja lunak. Baja sedang memiliki kandungan campuran besi dan karbon, dengan kadar karbon sebanyak 0.4 – 0.6%. Baja sedang ini sering dimanfaatkan sebagai alas dan poros dari peralatn berat.
I.4.2
Kegunaan Baja 1. Pembangunan gedung Salah satu kegunaan yang dimiliki oleh besi baja merupakan pembangunan gedung. Banyak dimanfaatkan untuk pembangunan atap dari sebuah bangunan.
2. Pembangunan sarana transportasi Salah satu kegunaan besi baja yang bisa ditemukan di rel kereta api. Seperti yang kita tahu rel kereta api adalah rel yang akan terpapar panas dan juga hujan. Oleh karena itu pembangunannya membutuhkan bahanbahan yang anti panas dan juga anti karat seperti besi baja. 3. Besi Baja untuk Konstruksi Prima Besi menyediakan macam-macam profil baja untuk konstruksi, contohnya besi WF, H-Beam, UNP, dll. Hubungi kami untuk penawaran harga dan kualitas terbaik.
BAB II PENAMBANGAN DAN PENGOLAHAN BESI DAN BAJA
II.1.
Prinsip pengolahan Besi 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.
II.2.
Pengolahan besi dari bijih 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.
b. Reaksi dengan gas pada suhu rendah Ketika campuran yang terdiri dari hematite, batu kapur, dan karbon dijatuhkan ke dalam 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.
II.3
Pengolahan Baja Untuk membuat baja , maka “pig iron” atau besi tuang yang dihasilkan
dari tanur tinggi, harus dimurnikan terlebih dahulu untuk menurunkan kadar karbonnya (dari 5% diturunkan sampai di bawah 1.5 %), dan untuk menghilangkan bahan/unsur lain yang mengotori besi (belerang, fosfor, silikon dan sebagainya) dilakukan pemurnian melalui berbagai metode, yaitu
1. Proses Bassemer Proses Bassemer dikembangkan di Inggris tahun 1856. Sejumlah leburan besi tuang dari tanur tinggi dimasukan ke dalam Converter Bassemer (yaitu tanur untuk Proses Bassemer). Dalam metode ini, ke dalam Conventer Bassemer ditambahkan senyawa lain seperti dolomite ( MgCO3 dan CaCO3), untuk mengikat zat pengotor di dalam besi. Sambil diputar terus dibawah tanur, melalui lubang-lubang dibawah tanur dimasukan gas oksigen agar bereaksi dengan karbon, silikon, fosfor dan belerang menjadi oksida-oksidanya. Oksida-oksida ini akan diikat oleh oksidaoksida magnesium dan kalsium (MgO dan CaO) sebagai hasil penguraian MgCO3 dan CaCO3 yang sebelumnya dimasukan, menjadi kerak yang mengapung diatas cairan besi. Selanjutnya besi cair yang sudah mendekati murni dikeluarkan melalui lubang pada converter. Dan kerak yang tertinggal dalam converter dapat dibuang. Jenis baja yang dihasilkan Converter Bassemer ditentukan dengan mengontrol karbon yang dikandungnya, serta jenis logam lain yang dicampurkan untuk membuat logam aliasi.
2. Proses Open Hearth Furnace ( Proses terbuka) Tanur berupa piringan datar yang besar. Pada dasar kolom telah ditempatkan oksida basa seperti CaO atau MgO yang nantinya akan berguna sebagai zat pengikat. Ke dalam tanur tinggi dimasukan besi tuang, besi bekas dan batu kapur. Campuran gas pembakar dan udara panas dilewatkan di atas piringan yang berisi besi cair ini. Sementara diaduk maka akan berlangsung reaksi antara oksida-oksida pengotor dengan CaO dan MgO menjadi kerak. Kelebihan proses ini adalah kualitas baja yang dihasilkan mudah dikontrol kualitasnya secara terus menerus selama proses ini berlangsung lama (8-10 jam ) sedangkan Proses Bassemer berlangsung cepat (15 menit).
3. Proses BOP (Basic Oxigen process) Pada proses ini, besi tuang dicampur dengan besi rongsokan. Besi tuang meleleh di dalam besi tuang. Kedalam tanur dimasukan oksigen murni melalui pipa. Oksigen murni ini akan membakar zat pengotor didalam cairan besi tuang. Batu kapur yang sebelumnya dimasukan kedalam tanur akan mengikat zat pengotor ini menjadi kerak. Hingga saat ini metode BOP banyak digunakan karena baja yang dihasilkan mutunya tinggi, prosesnya cepat (20-30 menit), pengontrolan kualitas mudah dilakukan, serta mudah mencampurkan logam-logam lain untuk membuat baja aliasi. Terakhir ini dikembangkan proses busur listrik untuk menghasilkan kualitas baja yang lebih baik lagi.
BAB III PENUTUP
III.1
Kesimpulan 1. Besi berada dalam bentuk senyawanya, terutama sebagai bijih besi, yang mengandung Fe2O3 (hematite), Fe2O3.H2O (limonit), Fe3O4 (magnetic), FeCO3 (siderite), dan FeS2 (pirit). 2. Baja adalah logam paduan, logam besi sebagai unsur dasar dengan beberapa elemen lainnya ( O, N, Si, P, Ni, Cr) dan termasuk karbon sebagai paduan utama. 3. Proses pengolahan besi terdiri atas pemanggangan dan pencairan 4. Proses pengolahan baja terdiri atas proses Bessemer, Open Hearth Furnace ( Proses terbuka), dan Proses BOP (Basic Oxigen process)
DAFTAR PUSTAKA
Aqli,
Kharinatul.
2015.
Logam
Baja
serta
Sifat
Fisika
dan
Kimia.
http://www.academia.edu/9170319/Logam_baja_serta_sifat_fisika_dan_kimia_ba ja. Diakses pada tanggal 25 Oktober 2017.
Primabesi.
2017.
Kegunaan
Besi
Baja
https://www.primabesi.com/kegunaan-besi-baja/.
dalam
Dunia
Diakses
pada
Konstruksi. tanggal
25
Oktober 2017.
Yana, Yuli. 2015. 9 Manfaat Bijih Besi Dalam Kehidupan Sehari Hari-Hari Manusia. https://manfaat.co.id/manfaat-bijih-besi. Diakses pada tanggal 25 Oktober 2017.
