PROSES PENGOLAHAN BIJIH BESI MENJADI BESI Proses awal pembentukan logam dilakukan melalui proses penuangan (pengecoran) bijih logam, sehingga logam-logam itu berbentuk benda tuangan yang disebut ingot, dimana ingotingot ini akan diolah menjadi besi kasar (pig iron) dan akan dibentuk sedemikian rupa kedalam bentuk lain yang kita kehendaki baik melalui proses pengecoran (penuangan) maupun proses lainnya seperti pengerjaan panas (hot working processes) dan pengerjaan dingin (cold working processes). Proses pengolahan logam menjadi bahan baku ini dilakukan dengan mempertimbangkan berbagai aspek kebutuhan kualitas produk akhir yang dikehendaki dimana setiap proses yang dilakukan akan berpengaruh besar terhadap sifat dan karakteristik logam tersebut. Untuk membahas lebih jauh tentang pengolahan logam ini akan kita lihat terlebih dahulu, bagaimana proses terbentuknya bijih logam tersebut sebagaimana terlihat pada gambar 6 berikut.
Pemisahan logam dari bijih Pada dasarnya semua jenis logam merupakan materi alam berupa unsur mineral organic, karena proses evolusi secara alamiah telah membentuk sedimentasi didalam perut bumi. sedimentasi (endapan) ini merupakan gabungan partikel-partikel ion-ion logam yang berinteraksi secara elektrostatik dari gas electron yang bermuatan positif dan atom-atom logam yang bermuatan negative bercampur dengan berbagai unsur batuan inilah yang disebut sebagai “bijih” atau ores, dan melalui proses ini pula akan diperoleh berbagai material yang sangat berguna disamping unsur besi seperti gas. Perbedaan tekanan panas bumi terhadap kandungan bijih logam akan berbeda komposisinya untuk satu daerah dengan daerah lainnya sesuai dengan ketebalan kulit bumi. Bijih besi dapat diperoleh melalui proses eksplorasi bahkan pada kondisi tertentu bijih besi dapat muncul kepermukaan secara vulkanis dan proses hydrothermal akan mengakibatkan terjadinya proses pemisahan unsur-unsur yang terkandung pada bijih tersebut. unsur-unsur tersebut antara lain pegmatite, magnetik, haematite, limotite. siderite, metamorphosis serta unsur-unsur lainnya seperti gas berupa phosphor, belerang dan karbon. Oleh karena itu secara umum bijih besi dikelompokkan dalam 3 type bijih besi yaitu : 1. Oxide : a) Magnetic Ores, komposisinya terdiri atas mineral Magnetic (Fe3O4) dimana Magnetic berwarna coklat dengan kadar bijih besi yang tinggi yakni diatas 56% b) Haematite Ores, komposisinya terdiri atas mineral Haematite (Fe2O3) dimana Magnetic berwarna kuning kemerahan dengan kadar bijih besi 40 hingga 65 % 2. Hydrate Ores berisi limotite (2Fe2O3.3H2O) dan Geothite(Fe2O3.3H2O) dengan kadar besi 20 hinga 55 % 3. Karbonates, berisi mineral Siderite (FeCO3 dengan kadar besi 30 %.
Bijih besi diproses didalam dapur tinggi (blast furnace) menjadi besi kasar (pig iron) yang keluar berbentuk besi tuang untuk diperhalus menjadi besi kasar (wrought iron) selanjutnya menjadi baja yang kemudian menjadi besi tuang (cast irons) dengan karakteristik yang lebih spesifik. Unsur-unsur yang diperoleh dari hasil eksplorasi masih membentuk bijih, oleh karena itu untuk memperoleh suatu jenis bahan dengan kualitas tertentu diperlukan proses pemurnian yang kemudian dilakukan proses deformulasi unsur secara terukur atau pencampuran dan persenyawaan dari berbagai unsur dengan komposisi dan kadar tertentu. Proses persenyawaan ini akan menghasilkan suatu bahan teknik dengan sifat dan karakteristik yang berbeda dari sifat dasarnya baik sifat kimia, sifat phisik maupun sifat mekaniknya. Keragaman sifat-sifat logam ini menjadikan logam sebagai salah satu bahan teknik yang paling dominan karena sifatnya yang mudah dibentuk, tegangan yang dapat diperbaiki serta ketersediaan yang relatif cukup. Pada gambar berikut diperlihatkan berbagai unsur mineral yang terkandung di dalam perut bumi, unsur alumunium merupakan unsur logam yang paling besar yakni 8,13 % dan besi (Iron) berada pada urutan kedua yakni sebesar 5 %.
Peleburan Bijih besi Dalam proses peleburan bijih besi pada dasarnya pemanasan dilakukan untuk membuka ikatan struktur dari atom-atom logam itu sendiri sehingga proses pencairan logam itu sendiri dilakukan oleh reaksi persenyawaan unsur-unsur secara kimiawi, pada bijih besi dengan kadar besi yang cukup tinggi tentu saja akan memiliki tingkat kepadatan yang tinggi pula sehingga dengan demikian akan sulit untuk membuka struktur bahan hingga bagian intinya. Pada bijih besi yang demikian ini walaupun agak sulit diperlukan pemecahan hingga menjadi butiranbutiran kecil yang memadai dengan tidak lebih dari 2,5 % kadar phosphor serta 0,2 % Sulphur, dapur harus selalu digunakan secara kontinyu serta perawatan yang memadai. Bijih besi dicuci serta dinaikkan dengan menggunakan magnetic sparation dari bantalan mineral non besi, sulphur terlepas oleh cuaca dan kelembaban dan karbon dioxide oleh pemanasan. Bijih besi dipecah hingga membentuk gumpalan dengan ukuran rata-rata yang memadai, debu yang dihasilkan akan bercampur dengan debu batu bara (coal dust) membantu proses peleburan dan membentuk gumpalan tar.
Bahan utama besi dan paduannya adalah besi kasar, yang dihasilkan dalam tanur tinggi. Bijih besi yang dicampur dengan kokas dan batu gamping (batu kapur) dilebur dalam tanur ini.
Komposisi kimia besi yang dihasilkan bergantung pada jenis bijih yang digunakan. Jenis bijih besi yang lazim digunakan adalah hematit, magnetit, siderit dan himosit. Hematit (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling banyak dimanfaatkan karena kadar besinya tinggi, sedangkan kadar kotorannya relatif rendah. Meskipun pirit (FeS2) banyak ditemukan, jenis bijih ini tidak digunakan karena kadar sulfur yang tinggi sehingga diperlukan tahap pemurnian tambahan. Karena di alam ini besi berbentuk oksida dan karbonat, atau sulfida sehingga hampir semua proses produksinya diawali dengan reduksi dengan gas reduktor H2 atau CO.
1. 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. Kapasitas perhari dari tanur tinggi berkisar antara 700 – 1600 Megagram besi kasar. Bahan baku yang terdiri dari campuran bijih, kokas, dan batu kapur, dinaikkan ke puncak tanur dengan pemuat otomatis, kemudian dimasukkan ke dalam hopper. Untuk menghasilkan 100 Megagram besi kasar diperlukan sekitar 2000 Megagram bijih besi, 800 Megagram kokas, 500 Megagram batu kapur dan 4000 Megagram udara panas. Bahan baku tersebut disusun secara berlapis-lapis. Udara panas dihembuskan melalui tuyer sehingga memungkinkan kokas terbakar secara efektif dan untuk mendorong terbentuknya karbon monoksida (CO) yang bereaksi dengan bijih besi dan kemudian menghasilkan besi dan gas karbon dioksida (CO2). Dengan digunakannya udara panas, dapat dihemat penggunaan kokas sebesar 30% lebih. Udara dipanaskan dalam pemanas mula yang berbentuk menara silindris, sampai sekitar 500*C. Kalor yang diperlukan berasal dari reaksi pembakaran gas karbon monoksida yang keluar dari tanur. Udara panas tersebut memasuki tanur melalui tuyer yang terletak tepat di atas pusat pengumpulan besi cair. Batu kapur digunakan sebagai fluks yang mengikat kotoran-kotoran yang terdapat dalam bijihbijih, dan membentuk terak cair. Terak cair ini lebih ringan dari besi cair dna terapung diatasnya dan secara berkala disadap. Besi cair yang telah bebas dari kotoran-kotoran dialirkan kedalam cetakan setiap 5 – 6 jam. Disamping setiap Megagram besi dihasilkan pula 0,5 Megagram terak dan 6 Megagram gas panas. 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. Komposisi besi kasar dapat dikendalikan melalui pengaturan kondisi operasi dan pemilihan susunan campuran bahan baku.
2. Proses Reduksi Langsung (Direct Reduction) Pada proses reduksi langsung bijih besi bereaksi dengan gas atau bahan padat reduksi membentuk sponge iron.*Proses ini diterapkan di PT Krakatau Steel, CIlegon.* Disini bijih besi / pellet direaksikan dengan gas alam dalam dua unit pembuat sponge iron, yang masing-masing berkapasitas 1juta ton pertahun. *Sponge iron yang dihasilkan PT Krakatau Steel memiliki komposisi kimia : Fe : 88 – 91 %; C : 1,5 – 2,5%; SiO2 : 1,25 – 3,43%; Al2O3 : 0,61 – 1,63%; CaO : 0,2 – 2,1%; MgO : 0,31 – 1,62%; P : 0,014 – 0,027%; Cu : 0,001 – 0,004 %; Kotoran (oksida lainnya) : 0,1 – 0,5 % Tingkat metalisasi : 86 – 90 % Sponge Iron yang berbentuk butiran kemudian diolah lebih lanjut dalam dapur listrik. Disini sponge iron bersama-sama besi tua (scrap), dan paduan ferro dilebur dan diolah menjadi billet baja. Untuk menghasilkan 63 megagram sponge iron diperlukan sekitar 100 megagram besi pellet. Proses ini sangat efektif untuk mereduksi oksida-oksida dan belerang sehingga dapat dimanfaatkan bijih besi berkadar rendah.
