PROSES DAPUR TINGGI Dapur tinggi terbuat dari susunan batu tahan api yang yang diperkuat dengan tiang-tiang baja. Dalam dapur tinggi akan terjadi proses reduksi bijih bijih besi menjadi besi kasar (besi mentah). Selain itu, juga terjadi reaksi-reaksi kimia yang menyertai proses reduksi tersebut. Berikut adalah gambar dapur tinggi beserta bagian-bagiannya.
Gambar 1. Dapur ti nggi
Dapur tinggi tersebut dapat berukuran : 30 m Garis tengah maksimum
:7m
Garis tengah puncak
: 4,5 m
Garis tengah bawah
:4m
Dapur tinggi didirikan diatas fondasi yang diperkuat diperkuat oleh tiang-tiang baja. Bagian dalam dapur tinggi dilapisi batu tahan api yang mempunyai sifat tahan terhadap suhu tinggi dan dan merupakan penyekat panas. Pada bagian atas dapur terdapat corot pengisi yang bekerja secara
bergantiansehingga kehilangan gas dapur tinggi dapat dicegah sekecil mungkin. Dapur tinggi ini dilengkapi dengan alat pemanas udara (pesawat Cowper), alat pemisah debu dan sebagainya.
Gambar Gambar 2. Skema Skema Dapur Dapur Ti nggi
B. Pengisian Bahan Bahan-bahan yang akan diisikan ke dalam dapur tinggi ialah : bij ih bes . besi, k okas, okas, dan batu kapur a. Bijih Besi. Bijih besi didapat dari tambang setelah melalui proses pendahuluan. Bijih besi merupakan bahan pokok dari dapur tinggi. b. Batu Kapur. Batu kapur digunakan untluk mengikat bahan-bahan yang ikut campur dalam cairan besi untuk menjadikan terak. c. Bahan Bakar. Dahan bakar yang diqunakan dalam proses dapur tinggi ialah kokas, arang kayu, juga antrasit,
d. Udara panas. Udara panas digunakan untuk mengadakan pembakaran dengan bahan bakar menjadi CO2 dan gas CO guna menimbulkan panas,juga untuk mereduksi bijih-bijih besi. Udara panas dihembuskan dengan maksud agar pembakaran sempurna, hingga kebutuhan kokas berkurang. Pemanasan udara dilakukan pada dapur pemanas cowper. e. Udara panas Udara panas digunakan untuk mengadakan pembakaran dengan bahan bakar menjadi CO2 dan gas CO guna menimbulkan panas,juga untuk mereduksi bijih-bijih besi. Udara panas dihembuskan dengan maksud agar pembakaran sempurna, hingga kebutuhan kokas berkurang. Pemanasan udara dilakukan pada dapur pemanas cowper. Bahan ini disimpan di dekat dapur tinggi supaya pengisiannya mudah. Bahan-bahan diangkut ke puncak dapur tinggi dengan alat pengangkut selapis demi selapis. Mula-mula 3
diisikan bijih bijih besi besi 3 m , dan seterusnya secara bergantian sehingga pengisian bahan akan berlangsung secara terus menerus.
C. Proses Dapur Tinggi Bahan-bahan pengisi dapur tinggi ialah bijih besi, kokas dan batu kapur yang akan mengalami proses fisika ataupun kimia. Mula-mula bahan tersebut akan mengalami pemanasan pendahuluan, kemudian disusul oleh reaksi reduksi dan terjadi peleburan besi.
1.
Pemanasan Pemanasan pendah pendahul ul uan
Di dalam dapur tinggi gas-gas hasil pembakaran yang suhunya masih panas akan naik ke atas sambil memanaskan bahan-bahan yang diisikan. Akibatnya air dan zat-zat yang mudah menguap yang terdapat dalam bahan-bahan pengisi akan menguap sehingga akhirnya bahan-bahan akan menjadi cukup kering. 2.
Pr oses oses r eduksi o
o
Dalam daerah reduksi yaitu daerah dapur tinggi dan suhu berkisar 800 C – 1400 1400 C, akan terjadi serangkaian reaksi-reaksi kimia antara lain reaksi reduksi bijih besi, reaksi pembakaran kokas, dan peruraian batu kapur. Karena pengaruh udara maka kokas akan terbakar menurut reaksi sebagai berikut: C + O2 ----------------------------- CO2
Dalam pembakaran ini akan dihasilkan panas sehingga mampu untuk meleburkan bijih besi dan juga dapat mempercepat reaksi-reaksi yang lain. Selanjutnya gas CO2 yang terjadi akan naik ke atas bersinggungan dengan lapisan kokas diatasnya dan bereaksi menurut reaksi sebagai berikut : CO2 + C ------- 2CO Gas CO yang terjadi akan mereduksi bijih besi menurut reaksi berikut :
Fe3O4 + CO ----------- 3FeO + CO 2 Fe2O3 + CO ---------- 2FeO + CO2
Kedua reaksi di atas disebut reaksi reduksi tidak langsung. Pada daerah reduksi juga terjadi peruraian batu kapur dan mungkin juga peruraian MgCO3 ataupun FeCO3 yang mungkin terdapat dalam batu kapur tersenut menurut reaksi berikut : CaCO3 ------------------- CaO + CO 2 MgCO3 ---------- MgO + CO2 FeCO3
----------------
FeO + CO2
Gas CO2 hasil dari peruraian ini akan bersinggungan dan bereaksi dengan lapisan kokas menurut reaksi berikut : CO2 + C --------- 2CO
3.
Pr oses oses Pelebur an o
o
Pada daerah hentian suhu mencapai 1400 C – 1600 1600 C. Disini akan terjadi peleburan hasil reduksi tak langsung dan juga terjadi pembentukan p embentukan terak . Disamping itu juga akan terjadi reduksi langsung FeO oleh kokas. Reaksi-reaksi kimia yang terjadi pada daerah ini adalah sebagai berikut : Reduksi langsung
FeO + C ----
Pembentukan terak
CaO + SiO2 ----
Fe + CO CaSiO3
Kalau bijih besi mengandung Mangan MnO + SiO2 ---- MnSiO3
Karena berat jenis terak lebih ringan daripada berat jenis besi, maka terak akan mengapung pada bagian atas. Besi mentah yang dihasilkan bukan merupakan besi murni tetapi masih mengandung unsure yang lain seperti karbon (C) yang berasal b erasal dari kokas, silisium (Si), mangan (Mn) dan Phospor (P) yang berasal dari bijih besi.
Input dapur tinggi : 1 biji besi. 2 kokas. 3 batu kapur.
Out put dapur tinggi : 1 Gas Buang (CO2 dan Gas Lainnya). 2 besi kasar. 3 kerak.
Diagram Fe-Fe3C Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon, suatu jenis logam paduan besi (Fe) dan karbon (C). Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solidsolution) hingga 0,05% berat pada temperatur ruang. Baja dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki alpha ferrite pada temperatur ruang.Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang dikenal sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat alpha-ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase penting lainnya, yaitu delta-ferrite dan gammaaustenite. Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. berbeda . Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910 oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400oC gamma-austenite akan kembali berubah menjadi delta-ferrite . (Alpha dan Delta) Ferrite dalam hal ini memiliki struktur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite memiliki struktur kristal FCC. FCC.
Gambar 1 Diagram Kesetimbangan Kesetimbangan Fe3C
1.1 Ferrite Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered cubic) . Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperatur ruang, yaitu alpha-ferrite atau pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite . Secara umum fase ini bersifat lunak (soft) , ulet (ductile) , dan magnetik (magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu T curie. Kelarutan karbon di dalam fase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase Austenite. Pada temperatur ruang,kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite hanyalah sekitar 0,05%. Berbagai jenis baja dan besi tuang dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite . Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferrite misalnya, banyak diproduksi untuk proses pembentukan logam lembaran. Dewasa ini bahkan telah dikembangkan baja berkadar karbon ultra rendah untuk karakteristik mampu bentuk yang lebih baik. Kenaikan kadar karbon secara umum akan meningkatkan sifat-sifat mekanik ferrite sebagaimana telah dibahas sebelumnya. Untuk paduan baja dengan fase tunggal tunggal ferrite , faktor lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran butir. 1.2 Austenite 1.2 Austenite Fase Austenite memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic) . Dalam keadaan setimbang fase Austenite fase Austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini bersifat non magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan atom karbon di
dalam larutan padat Austenite lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada fase Ferrite . Secara geometri, dapat dihitung perbandingan besarnya ruang intertisi di dalam fase Austenite (atau kristal FCC) dan fase Ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan ini dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena transformasi fase pada saat pendinginan Austenite yang berlangsung secara cepat. cepat . Selain pada temperatur tinggi, Austenite pada sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur ruang. Elemen-elemen seperti angan dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari gamma-ustenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu elemen-elemen tersebut akan menyebabkan Austenite stabil pada temperatur ruang. Contoh baja paduan dengan fase Austenite pada temperatur ruang misalnya adalah Baja Hadfield (12%Mangan) dan Baja Stainless 18-8 (8%Ni). 1.3 Cementite Cementite atau carbide dalam sistem paduan berbasis besi adalah stoichiometric inter-metallic compund Fe3C yang keras (hard) dan getas (brittle) . Nama cementite berasal dari kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan batu. Cementite sebenarnya dapat terurai menjadi bentuk yang lebih stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut sebagai fase metastabil. metasta bil. Namun, untuk keperluan praktis, fase ini dapat dianggap sebagai fase stabil. Cementite sangat penting perannya di dalam membentuk sifat-sifat mekanik akhir baja. Cementite dapat dapat berada di dalam sistem besi baja dalam berbagai bentuk seperti: bentuk bola (sphere) , bentuk lembaran (berselang seling dengan alpha-ferrite ), ), atau partikel-partikel carbide kecil. Bentuk, ukuran, dan distribusi karbon dapat direkayasa melalui siklus pemanasan dan pendinginan pendin ginan.. Jarak rata-rata antar karbida, dikenal sebagai lintasan Ferrite rata-rata (Ferrite Mean Path) , adalah parameter penting yang dapat menjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui berbanding lurus dengan logaritmik lintasan ferrite rata-rata.
1.4 Reaksi-reaksi Invarian dan Konstituen Mikro Penting Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram Kesetimbangan Fase Fe-Fe 3C, yaitu: Reaksi Peritectic , Reaksi Eutectic , dan Reaksi Eutectoid sebagaimana terlihat di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi Baja, reaksi Eutectoid adalah reaksi yang sangat penting karena dengan mengontrol Reaksi Eutectoid kita dapat memperoleh berbagai konstituen mikro atau micro
