DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI ....................................................................................................... 1 BAB I – PENDAHULUAN .................................................................................... 2 1.1 Latar Belakang ..................................................................................... 2 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................... 3 1.3 Tujuan .................................................................................................. 3 BAB II – PEMBAHASAN .................................................................................... 4 2.1 Pengertian Logam Besi (ferro) ............................................................. 4 2.2 Sifat-Sifat Logam Besi .......................................................................... 5 2.3 Klasifikasi Logam Besi .......................................................................... 6 2.4 Jenis Baja Paduan ................................................................................ 14 2.5 Proses Pembuatan Logam Besi ........................................................... 18 1. Pembuatan Besi Kasar (ingot) ...................................................... 19 2. Proses dalam Dapur Tinggi ........................................................... 21 Proses Pembuatan Besi dan Baja ........................................................ 23 Process Indirect Reduction ........................................................... 23 Process Direct Reduction ............................................................. 25 a) HYL process ........................................................................... 26 b) MIDREX process .................................................................... 26 2.6 Manfaat Logam Besi ............................................................................ 28 BAB III – PENUTUP ........................................................................................... 29 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 30
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1 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.
2
Sehubungan dengan pemakaiannya pada teknik mesin, sifat logam yang penting adalah mekanis, fisik, dan kimia yang sangat menentukan kualitasnya.
1.2 Rumusan Masalah 1. Mendefinisikan pengertian logam besi 2. Menjelaskan sifat fisik dan sifat kimia dari logam besi 3. Mengklasifikasikan logam besi 4. Membuat logam besi dengan beberapa proses 5. Menjelaskan manfaat dari logam besi
1.3 Tujuan 1. Mengetahui pengertian logam besi 2. Mengetahui sifat fisik dan sifat kimia logam besi 3. Mengklasifikasi logam besi 4. Mengetahui proses pembuatan logam besi 5. Mengetahui manfaat dari logam besi
3
BAB II PEMBAHASAN Logam dapat dibagi dalam dua golongan yaitu logam ferro atau logam besi dan logam non ferro yaitu logam bukan besi. 2.1 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 : a. Besi kasar : kadar karbon lebih besar dari 3,5%, tidak dapat ditempa. b. Besi : kadar karbon lebih besar dari 2,5%, tidak dapat ditempa. c. Baja : kadar karbon kurang dari 1,7%, dapat ditempa.
4
2.2 Sifat-Sifat Logam Besi Sifat Fisika Fase
Padat
Massa jenis (suhu kamar)
7,68 g/cm
Titik lebur
1811 K
3 0 0
0
(1538 C , 2800 F) Titik didih
0
3134 K 0
0
(2861 C , 5182 F) 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
4Fe 3O 2 2Fe 2O3
Bereaksi dengan uap air panas. Fe + uap air panas (stoom) akan menghasilkan H2 (pembuatan H2 secara teknik). Reaksi : 3 Fe 4 H 2 O Fe 3O 4 4 H 2
Bereaksi dengan semua asam. Reaksi : Fe 2 HCl FeCl 2 H 2 Jika timbul H2 maka selalu terbentuk senyawaan fero. Reaksi : Fe 2H Fe 2 H 2
Tidak termakan oleh basa.
Bereaksi dengan halida. Reaksi : 2Fe 3Cl 2 2FeCl 3
Bereaksi dengan Sulfur terbentuk FeS.
5
2.3 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. Jenis logam ferro adalah sebagai berikut : 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.
6
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
2-4% C, 1-3% Si, 0,8 % Mn (maks), 0,10
Besi Tuang
% P (maks), 0,05% S (maks) -
Besi tuang kelabu
Disamping terdapat perbedaan yang kecil dari segi komposisi, perbedaan
7
-
Besi tuang potih
-
Besi tuang noduler
-
Besi tuang paduan
sifat-sifat besi tunag ditentukan oleh strukutur
mikro
karena
proses
pembutan
atau
karena
proses
perlakuan panas. Elemen-elemen pemadu: Cr, Ni
2
3
Baja Karbon -
Baja karbon rendah
0,08-0,35% C
0,25-1,50% Mn
-
Baja karbon medium
0,35-0,50% C 0,25-0,80% Si
-
Baja karbon tinggi
0,55-1,70% C 0,04% P 0,05% S
Baja Paduan -
Baja paduan rendah
Seperti pada baja karbon rendah + elemen-elemen pemadu kurang dari 4% SEPERTI Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Ti, V, Nb, B, W, dll
-
Baja paduan medium
Seperti pada baja paduan rendah tetapi jumlah elemen-elemen pemadu di atas 4%
4
Baja Spesial -
Baja Stainless
a. Feritik (12-30% Cr dan kadar C rendah) b. Martensitik (12-17% Cr dan 0,11,0%C) c. Austenitic (17-25 % Cr dan 8-20% Ni) d. Duplek (23-30%Cr, 2,5-7% Ni, plus Ti dan Mo)
8
e. Presipitasi (seperti pada sustenitik, plus elemen pemadu: Cu, Ti, Al, Mo, Nb, atau Ni. High speed steels (0.85-1,25%C, 1,5-
Baja Perkakas
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 %
9
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: A. Baja karbon Baja karbon rendah ( <0,30 %C) Baja karbon ( 0,30 % < C < 0,70) Baja karbon ( 0,7 < C < 1,4% ) B. 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: 1. Keuletan yang tinggi tanpa pengurangan kekuatan tarik 2. Kemampuan kerasan sewaktu dicelup dalam minyak atau udara , dan dengan demikian kemungkinan retak atau distorsinya kurang. 3. Tahan terhadap korosi dan keausan
10
4. Tahan terhadap perubahan suhu 5. 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
11
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 a. 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.
12
b. 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 %. c. 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. d. 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
13
titik cair yang lebih rendah. Steadit mengandung fosfor sebanyak 10%. Dengan demikian besi dengan 0,50% fosfor akan mengandung sekitar 5% (volume) steadit. 2.4 Jenis Baja Paduan Berdasarkan unsur – unsur campuran dan sifat dari baja maka baja paduan dapat digolongkan menjadi baja dengan kekuatan tarik yang tinggi, tahan pakai, tahan karat, dan baja tahan panas. 1. Baja dengan kekuatan tarik yang tinggi Baja ini mengandung mangan, nikel, kromium dan sering juga mengandung vanadium dan dapat digolongkan seperti berikut ini. a. Baja mangan Baja ini mengandung 0,35% dan 1,5% Mn dan termasuk baja murah tetapi kekuatannya baik, dapat didinginkan dengan minyak karena mengandung unsur mangan sehingga temperatur pengerasannya rendah dan menambah kekuatan struktur feritnya. b. Baja nikel Baja ini mengandung 0,3% C, 3% Ni, dan 0,6% Mn serta mempunyai kekuatan dan kekerasan yang baik, dapat didinginkan dengan minyak karena mengandung unsur nikel yang membuat temperature pengerasannya rendah. Baja ini digunakan untuk proses engkol, batang penggerak, dan pengguna lainnya yang hampir sama. c. Baja nikel kromium Baja ini mempunyai sifat yang keras berhubungan dengan campuran unsur kromium dan sifat yang liat berhubungan dengan campuran unsur nikel. Baja yang mengandung 0,3% C, 4,35% Ni, 1,25% Cr, dan 0,5% Mn (mengandung nikel dan kromium yang tinggi), mempunyai kecepatan pendinginan yang rendah sehingga pendinginan dapat dilakukan dalam hembusan udara dan distorsi diperkecil. Bila unsur krom dicampur sendiri kedalam baja akan menyebabkan kecepatan 14
pendinginan kritis yang amat rendah, tetapi bila dicampur dengan bersama nikel akan diperoleh baja yang bersifat liat. Jenis baja tersebut digunakan untuk poros engkol dan batang penggerak. Baja nikel kromium menjadi rapuh temperature 250 – 400
apabila distemper atau disepuh pada 0
C, juga kerapuhannya tergantung pada
komposisinya, proses ini dikenal dengan nama “menemper kerapuhan” dan baja ini dapat diperiksa dengan penyelidikan pukul tarik. Penambahan sekitar 0,3% molibden akan mencegah kerapuhan karena distemper, juga akan mengurangi pengaruh yang menyeluruh terhadap baja karena molibden adalah unsur berbentuk karbid. d. Baja kromium vanadium Jika baja ini ditambahkan sekitar 0,5% vanadium sehingga dapat memperbaiki ketahanan baja kromium terhadap guncangan atau getaran dan membuatnya dapat ditempa dan ditumbuk dengan mudah, apabila vanadium menggantikan nikel maka baja lebih cenderung mempengaruhi sifat – sifatnya secara menyeluruh. 2. Baja tahan pakai Berdasarkan unsur – unsur campuran yang larut di dalamnya, baja terdiri dari dua macam, yaitu baja mangan berlapis austenite dan baja kromium. a. Baja mangan yang berlapis austenite Baja ini pada dasarnya mengandung 1,2% C, 12,5% Mn, dan 0,75% Si. Selain itu juga mengandung unsur – unsur berbentuk karbit seperti kromium atau vanadium yang kekuatannya lebih baik. b. Baja kromium Jenis ini mengandung 1% C, 1,4% Cr, dan 0,45% Mn. Apabila baja ini mengandung unsur karbon tinggi yang bercampur bersama – sama dengan kromium akan menghasilkan kekerasan yang tinggi sebagai hasil
15
dari pendinginan dengan minyak. Baja ini digunakan untuk peluru – peluru bulat dan perlatan penggilingan padi. 3. Baja tahan karat Baja tahan karat (stainless steel) mempunyai seratus lebih jenis yang berbeda – beda. Akan tetapi, seluruh baja ini mempunyai satu sifat karena mengandung kromium yang dapat membuatnya tahan terhadap karat. Baja tahan karat ini dapat dibagi ke dalam tiga kelompok dasar, yakni baja tahan karat berlapis ferit, berlapis austenite, dan berlapis mertensite. a. Baja tahan karat ferit Baja ini mengandung unsur karbon yang rendah (sekitar 0,04% C) dan sebagian besar dilarutkan di dalam besi. Sementara itu, unsur lainnya yaitu kromium sekitar13% - 20% dan tambahan kromium tergantung pada tingkat ketahanan karat yang diperlukan. Baja ini tidak dapat dikeraskan dengan cara disepuh. Baja ini seringkali disebut besi tahan karat dan cocok untuk dipres, ditarik, dan dipuntir. Baja ini mengandung 13% kromium digunakan untuk garpu dan sendok, sedangkan yang mengandung 20% kromium untuk tabung sinar katoda. b. Baja tahan karat austenite Baja tahan karat austenite mengandung nikel dan kromium yang amat tinggi, nikel akan membuat temperature transformasinya rendah, sedangkan kromium akan membuat kecepatan pendinginan kritisnya rendah. Campuran kedua unsur itu menghasilkan struktur lapisan austenite pada temperature kamar. Baja ini tidak dapat dikeraskan melalui perlakuan panas, tetap dapat disepuh keras. Pengerjaan dan penyepuhan tersebut membuat baja sukar dikerjakan dengan mesin perkakas. Seperti baja austenite yang lain, baja tahan karat austenite tidak magnetis. Baja tahan karat yang mengandung 0,15% C, 8,5% Ni, dan 0,8% Mn sesuai untuk digunakan sebagai alat – alat rumah tangga dan dekoratif.
16
Baja tahan karat yang mengandung 0,05% C, 18,55% Cr, 10% Ni, dan 0,8% Mn, baik untuk dikerjakan dengan cara penarikan dalam karena kandungan karbonnya rendah. Baja tahan karat yang mengandung 0,3% C, 21% Cr, 9% Ni, dan 0,7% Mn sesuai untuk dituang. Kebanyakan baja tahan karat austensite mengandung sekitar 18% kromium dan 8% nikel. proporsi unsur kromium dan nikel sedikit berbeda dengan penambahan dalam proporsi yang kecil dari unsure molybdenum, titanium, dan tembaga untuk menghasilkan sifat – sifat yang special. Baja dalam kelompok ini digunakan apabila diperlukannya ketahanan terhadap panas. c. Baja tahan karat mertensite Baja tahan karat mertensit mengandung sejumlah besar unsur karbon dan dapat dikeraskan mempengaruhi
sifat
–
melalui perlakuan panas, juga
sifatnya
melalui
pengerasan
dan
penyepuhan.Baja yang mengandung 0,1% C, 13% Cr, dan 0,5% Mn ini dapat didinginkan untuk memperbaiki kekuatannya, tetapi tidak menambah kekerasan. Baja ini seringkali disebut besi tahan karat dan digunakan khususnya untuk peralatan gas turbin dan pekerjaan dekoratif. 4. Baja tahan panas Masalah utama yang berhubungan dengan penggunaan temperature tinggi adalah kehilangan kekuatan, beban rangkak, serangan oksidasi, dan unsur kimia. Kekuatannya pada temperature tinggi dapat diperbaiki dengan menaikkan temperature transformasinya dan penambahan unsur kromium atau dengan merendahkan temperature transformasinya dan penambahan unsur nikel. Kedua pengerjaan itu akan menghasilkan struktur austensite. Sejumlah kecil tambahan unsur titanium, aluminium, molybdenum dengan karbon akan menaikkan kekuatan dan memperbaiki ketahanannya terhadap beban
17
rangkak. Unsur nikel akan membantu penahanan kekuatan pada temperature tinggi dengan memperlambat atau menahan pertumbuhan butiran – butiran yang baru. Ketahanannya terhadap oksidasi dan serangan kimia dapat diperbaiki dengan menambahkan silicon atau kromium. 5. Baja paduan yang digunakan pada temperature rendah a. Baja pegas Pegas kendaraan dibuat dari baja yang mengandung sekitar 0,8% C sesuai dengan sifat – sifatnya yang dibutuhkan dan ditambahkan dengan lebih dari 0,4% Si dan 0,8 % Mn. Baja pegas dikeraskan dengan pendinginan air atau minyak sesuai dengan komposisinya. Pegas katup dibuat dari baja yang sama dengan pegas kendaraan juga ditambahkan 1,5% Cr dan 0,17% V ke dalam karbon dan nikel. b. Baja katup mesin (motor) Katup yang menerima beban rendah digunakan baja yang mengandung 0,3% C, 3,5% Ni, 0,35% Cr, dan 0,35% Si. Kandungan unsur silicon dan kromium menaikkan beban yang dapat diterima katup sehingga dapat menerima beban yang berat. Katup untuk motor pesawat terbang dibuat dari baja austensite dengan kandungan sekitar 10 % Ni dan 12 -16% Cr. Katup pompa seringkali dibuat berlubang dan mengandung natrium untuk pendinginan.
2.5 Proses Pembuatan Logam Besi Bijih ialah mineral atau batu-batuan yang mengandung satu macam atau beberapa macam logam dalam prosentase yang cukup banyak untuk dijadikan bahan tambang. Banyaknya logam yang terkandung dalam bijih itu berbeda-beda. Logam dalam keadaan murni jarang sekali terdapat di dalam bumi, kebanyakan merupakan senyawa-senyawa oksida, sulfida, karbonat, dan sulfat yang merupakan bijih logam yang perlu diproses menjadi bahan
18
logam yang bermanfaat bagi manusia.Jenis bijih besi yang lazim digunakan adalah hematite, magnetite, siderite, dan himosit. Hematite (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling banyak dimanfaatkan karena kadar besinya tinggi, sedangkan kadar kotorannya relative rendah. Meskipun pirirt (FeS2) banyak ditemukan, jenis bijih ini tidak digunakan dikarenakan kadar sulfur tinggi sehingga diperlukan pemurniaan tambahan. Bijih besi diolah dalam tanur atau dapur tinggi untuk menghasilkan besi kasar. Besi kasar adalah bahan baku untuk pembuatan besi cor (cast iron), besi tempa (wrought iron), dan baja (steel). Ketiga macam bahan itu banyak dipakai dalam bidang teknik. Baja adalah logam paduan antara besi dan karbon dengan kadar karbonnya secara teoritis maksimum 1,7%. Besi cor adalah logam paduan antara beara besi dan karbon yang kadarnya 1,7%-3,5%. Besi tempa adalah baja yang mempunyai kadar karbon rendah.
2.5.1 Pembuatan Besi Kasar (INGOT) Bahan utama untuk membuat besi kasar adalah bijih besi. Berbagai macam bijih besi yang terdapat di dalam kulit bumi berupa oksid besi dan karbonat besi, diantaranya yang terpenting adalah sebagai berikut : 1. Batu besi coklat (2Fe2O3 + 3H2O) dengan kandungan besi berkisar 40%. 2. Batu besi merah yang juga disebut hematit (Fe2O3) dengan kandungan besi berkisar 50%. 3. Batu besi magnet (Fe2O4) berwarna hijau tua kehitaman, bersifat magnetis dengan mengandung besi berkisar 60%. 4. Batu besi kalsit atau spat (FeCO3) yang juga disebut sferosiderit dengan mengandung besi berkisar 40%. Bijih besi dari tambang biasanya masih bercampur dengan pasir, tanah liat, dan batu-batuan dalam bongkah-bongkahan yang tidak sama besar. Untuk kelancaran proses pengolahan bijih besi, bongkah-bongkah tersebut 19
dipecahkan dengan mesin pemecah, kemudian disortir antara bijih besih dan batu-batuan ikutan dengan tromol magnet. Pekerjaan selanjutnya adalah mencuci bijih besi tersebut dan mengelompokkan menurut besarnya, bijihbesi halus dan butir-butir yang kecil diaglomir di dalam dapur sinter atau rol hingga berupa bola-bola yang dapat dipakai kembali sebagai isi dapur. Setelah bijih besi itu dipanggang di dalam dapur panggang agar kering dan unsur-unsur yang mudah menjadi gas keluar dari bijih kemudian dibawa ke dapur tinggi diolah menjadi besi kasar. Dapur tinggi mempunyai bentuk dua buah kerucut yang berdiri satu di atas yang lain pada alasnya. Pada bagian atas adalah tungkunya yang melebar ke bawah, sehingga muatannya dengan mudah meluncur kebawah dan tidak terjadi kemacetan. Bagian bawah melebar ke atas dengan maksud agar muatannya tetap berada di bagian ini. Dapur tinggi dibuat dari susunan batu tahan api yang diberi selubung baja pelat untuk memperkokoh konstruksinya. Dapur diisi dari atas dengan alat pengisi. Berturut-turut dimasukkan kokas, bahan tambahan (batu kapur) dan bijih besi. Kokas adalah arang batu bara yaitu batu bara yang sudah didestilasikan secara kering dan mengandung belerang yang sangat rendah sekali. Kokas berfungsi sebagai bahan bakarnya dan membutuhkan zat asam yang banyak sebagai pengembus. Agar proses dapat berjalan dengan cepat udara pengembus itu perlu dipanaskan terlebih dahulu di dalam dapur pemanas udara. Besi cair di dalam dapur tinggi, kemudian dicerat dan dituang menjadi besi kasar, dalam bentuk balok-balok besi kasar yang digunakan sebagai bahan ancuran untuk pembuatan besi tuang (di dalam dapur kubah), atau dalam keadaan cair dipindahkan pada bagian pembuatan baja di dalam konvertor atau dapur baja yang lain, misalnya dapur Siemen Martin. Batu kapur sebagai bahan tambahan gunanya untuk mengikat abu kokas dan batu-batu ikutan hingga menjadi terak yang dengan mudah dapat dipisahkan
20
dari besi kasar. Terak itu sendiri di dalam proses berfungsi sebagai pelindung cairan besi kasar dari oksida yang mungkin mengurangi hasil yang diperoleh karena terbakarnya besi kasar cair itu. Batu kapur (CaCO3) terurai mengikat batu-batu ikutan dan unsur-unsur lain. Komposisi besi kasar dapat dikendalikan melalui pengaturan kondisi operasi dan pemilihan susunan campuran bahan baku. Tabel Klasifikasi Besi Kasar Mutu besi
Silikon
Belerang
Fosfor
Mangan
Pengecoran No.1
2,5-3,0
< 0,035
0,05-1,0
< 1,0
Pengecoran No.2
2,0-2,5
< 0,045
0,05-1,0
< 1,0
Pengencoran No.3
1,5-2,0
< 0,055
0,05-1,0
< 1,0
Mampu-tempa
0,75-1,5
< 0,050
< 0,2
< 1,0
Bessemer
1,0-2,0
< 0,050
< 0,1
< 1,0
Basa
< 1,0
< 0,050
< 0,1
< 1,0
(malleable)
2.5.2 Proses dalam Dapur Tinggi Prinsip dari proses dapur tinggi adalah prinsip reduksi. Pada proses ini zat karbon monoksida dapat menyerap zat asam dari ikatan-ikatan besi zat asam pada suhu tinggi. Pada pembakaran suhu tinggi + 1800 oC dengan udara panas, maka dihasilkan suhu yang dapat menyelenggarakan reduksi tersebut. Agar tidak terjadi pembuntuan karena proses berlangsung maka diberi batu kapur sebagai bahan tambahan. Bahan tambahan bersifat asam apabila bijih besinya mempunyai sifat basa dan sebaliknya bahan tambahan diberikan yang bersifat basa apabila bijih besi bersifat asam. Gas yang terbentuk dalam dapur tinggi selanjutnya dialirkan keluar melalui bagian atas dan ke dalam pemanas udara. Terak yang menetes ke bawah melindungi besi kasar dari oksida oleh udara panas yang dimasukkan,
21
terak ini kemudian dipisahkan. Proses reduksi di dalam dapur tinggi tersebut berlangsung sebagai berikut: Zat arang dari kokas terbakar menurut reaksi : C + O2 CO2 sebagian dari CO2 bersama dengan zat arang membentuk zat yang berada ditempat yang lebih atas yaitu gas CO.
CO2 + C → 2CO Di bagian atas dapur tinggi pada
suhu 3000 sampai 8000 C oksid besi yang lebih tinggi diubah menjadi oksid yang lebih rendah oleh reduksi tidak langsung dengan CO tersebut menurut prinsip : Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2 Pada waktu proses berlangsung muatan turun ke bawah dan terjadi reduksi tidak langsung menurut prinsip : FeO+CO FeO+CO2 Reduksi ini disebut tidak langsung karena bukan zat arang murni yang mereduksi melainkan persenyawaan zat arang dengan oksigen. Sedangkan reduksi langsung terjadi pada bagian yang terpanas dari dapur, yaitu langsung di atas pipa pengembus. Reduksi ini berlangsung sebagai berikut. FeO + C → Fe + CO. CO yang terbentuk itulah yang naik ke atas untuk mengadakan reduksi tidak langsung tadi. Setiap 4 sampai 6 jam dapur tinggi dicerat, pertama dikeluarkan teraknya dan baru kemudian besi. Besi yang keluar dari dapur tinggi disebut besi kasar atau besi mentah yang digunakan untuk membuat baja pada dapur pengolahan baja atau dituang menjadi balok-balok tuangan yang dikirimkan pada pabrik-pabrik pembuatan baja sebagai bahan baku. Besi cair dicerat dan dituang menjadi besi kasar dalam bentuk balok-balok besi kasar yang digunakan sebagai bahan ancuran untuk pembuatan besi tuang (di dalam dapur kubah) atau masih dalam keadaan cair dipindahkan pada bagian pembuatan baja (dapur Siemen Martin). Terak yang keluar dari dapur tinggi dapat pula dimanfaatkan menjadi bahan pembuatan pasir terak atau wol terak sebagai bahan isolasi atau sebagai bahan campuran semen. Besi cair yang dihasilkan dari proses dapur tinggi sebelum dituang menjadi balok besin kasar sebagai bahan ancuran di
22
pabrik penuangan, perlu dicampur dahulu di dalam bak pencampur agar kualitas dan susunannya seragam. Dalam bak pencampur dikumpulkan besi kasar cair dari bermacam-macam dapur tinggi yang ada untuk mendapatkan besi kasar cair yang sama dan merata. Untuk menghasilkan besi kasar yang sedikit mengandung belerang di dalam bak pencampur tersebut dipanaskan lagi menggunakan gas dapur tinggi.
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
23
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.
24
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. 25
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 : a) HYL process HYL Direct Reduction Proses (reduksi langsung) adalah hasil usaha riset yang dimulai oleh Hojalata y L.Mina, S.A., pada permulaan tahun 1950an. 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). b) 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 26
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
27
dapat ikut masuk kedalam besi hasil reduksi, yang mengakibatkan besi mengalami retak panas (hot shortness). 2.6 Manfaat Logam Besi Beberapa manfaat dari logam besi, yaitu Bidang industri : •
Logam besi: digunakan untuk membuat konstruksi jembatan, badan kendaraan, rel kereta api, dan konstruksi bangunan lainnya.
•
Stainless steel : digunakan untuk membuat peralatan industri, peralatan rumah tangga , dan komponen kendaraan bermotor.
•
Baja nikel, baja mangan, baja kromium: untuk membuat senjata dan kawat.
•
Besi (III) klorida atau feri klorida digunakan dalam pengolahan limbah dan pengecatan.
•
Besi (II) sulfat : digunakan dalam perawatan tekstil dan pengerasaan alumunium, pembuatan tinta.
•
Besi (II) oksida (FeO) : sebagai pewarna tegel atau ubin.
•
Senyawa besi juga terdapat pada sayur-sayuran, dan dalam tubuh kita. Contohnya: Hemoglobin, terdapat dalam darah. Myoglobin, terdapat di dalam sel-sel otot, mengandung Fe bentuk Ferro.
•
Fe(OH)3 : digunakan untuk bahan cat
Bidang Laboratorium : •
Besi (III) klorida atau feri klorida digunakan sebagai katalis dan koagulan.
28
BAB III 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.
29
DAFTAR PUSTAKA http://egis18.wordpress.com/2010/08/08/logam-ferro-dan-non-ferro/ http://ibenkguevara.blogspot.com/2012/09/logam-ferro-dan-non-ferro.html http://www.slideshare.net/bellacross5/savedfiles?s_title=unsur-fe-besi15686519&user_login=NurLatifah1&from= http://zahidiadliwaad.blogspot.com/2012/11/peleburan-bijih-besi-dan-dapurdapur.html http://www.youtube.com/watch?v=EmJ1RwGPkM0 Zurohaina. 2013. Bahan Konstruksi Kimia. Palembang: Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya.
30
