Dalam kehidupan manusia di milenium ini, hampir semuanya mengenal logam Besi, baik dalam kehidupan sehari hari maupun di saat saat tertentu. Semua kegiatan manusia bisa dipastikan selalu berhubungan dengan logam besi, mulai dari peralatan dapur ke benda benda teknik. Untuk keperluan sehari hari seperti Kompor, Wajan, Sendok, Pisau, Pembuatan rumah untuk tulangan cor coran semen sampai gelagar atap rumah pun ada yang menggunakan logam Besi dalam bentuk Baja ringan, dan tentu benda benda teknik untuk komponen permesinan hamper pasti menggunakan logam Besi.
Begitu luasnya penggunaan logam Besi, tentu sedikit banyak kita perlu mengenal tentang Logam yang satu ini. Pada umumnya bahan logam dikategorikan menjadi besi dan non-besi (Ferrous and Non-Ferrous Metals).
Yang dimaksud dengan logam besi adalah logam dengan komposisi utamanya terdiri dari besi. Sedangkan logam non-besi biasanya digunakan sebagai bahan paduan besi tersebut. Beberapa macam logam non-besi yang sudah banyak digunakan secara umum, antara lain adalah :
- Logam Berat
Unsur utamanya adalah : Tembaga (Cu), Nikel (Ni) , Seng (Zn), Timah hitam (Pb), dan Timah putih (Sn).
- Logam Ringan
Unsur utamanya adalah : Alumunium (Al), Magnesium (Mg), Berilium (Be), Titanium (Ti), Tungsten (Tu).
- Logam Mulia
Unsur utamanya : Emas (Au), Perak (Ag)
- Logam Refraktori (tahan panas)
Unsur utamanya adalah : Wolfram (W), Molibdenum (Mo).
- Logam radioaktif
Unsur utamanya adalah : Uranium (U), Radium (Ra), Plutonium (Pu)
- Logam Kerak Bumi
Unsur utamanya adalah : Lanthanum (La), Scandium (Sc).
[iklan]
Bijih Besi
Besi murni diperoleh dalam keadaan padat, berwarna putih keperakan, ulet, dan bersifat mampu tempa yang baik. Logam ini mempunyai massa jenis 8318,75 kg/m3, mencair pada temperatur 1539 oC dan volumenya bertambah 4,4%, Panas laten pencairan mencapai 65 Cal / gr. Logam besi mampu menahan panas atau bersifat thermal conductivity antara 1/6 – 1/7 dari kemampuan perak, atau separuh lebih besar dari pada alumunium, serta berkemampuan listrik ( electritrical conductivity ) 1/5 – 1/6 dari Perak atau 1/3 dari Alumunium. Bijih besi di alam dapat diklasifikasi menjadi empat kelas, berdasarkan kandungan unsur besinya, yaitu :
- Magnetis ( Black Ores ) Fe3O4
Terdiri dari : 40-70 % Besi, sangat keras, mengandung Si : 35 -37 % dan bisa mencapai 60 % Si, serta berdaya magnet kuat.
- Lemonit ( Brown ores ) Fe2O3H2O
Mineral ini mengandung 57,14 % Besi, 25,3 % air dan bersifat sangat keropos.
- Hematis ( Red Ores) Fe2O5
Kandungan besinya sebesar 45-65 %. Mineral ini bersifat mudah mencair, berwarna merah, mengandung sedikit pospor dan belerang .
- Manganes Ores
Mineral ini mengandung 20-25 % Mn dan merupakan sumber utama besi Mangan.
Pembuatan Besi Mentah ( Pig Iron )
Besi mentah dapat diperoleh melalui proses pelelehan bijih besi di dalam dapur tinggi seperti pada gambar 1. Bijih besi dimasukkan secara berlapis-lapis dengan bahan bakar dan bahan tambahan. Bahan bakar yang digunakan adalah kokas ( Cokes ) yang bernilai kalori 6500 – 7000 kcal / kg, sedangkan bahan tambahannya adalah batu kapur ( CaCO3 ). Udara penghembus bahan bakar bertemperatur 600 – 850 oC yang dihembuskan melalui lubang Tuyere. Lubang ini terpasang di sekeliling ruang pembakaran yang berdiamater sebesar 8 – 9 m. Dalam ruang bakar, selama proses pembakaran mencapai temperatur 1800 – 2000 oC. Sedangkan temperatur gas pada puncak dapur tinggi berkisar antara 250 – 275 oC.
Konstruksi dapur tinggi seperti gambar mempunyai berat 7000 ton, volume 1280 m3, bagian bawah dilapisi batu tahan api setebal 4-5 m, tingginya mencapai 65 m dan dapat menampung 10.000 ton bahan bakar. Dalam operasionalnya dapur ini memerlukan 100 ton bijih besi/jam, 0,6 – 0,9 ton kokas/ton bijih besi dan ± 30 ton udara panas/ton bijih besi. Secara terinci isi dapur tinggi adalah sebagai berikut :
- Bijih Besi
- Berbentuk batu : bijih besi Hematis ( Red Ores ) Fe2O5 , Magnetis ( Black Ores ) Fe3O4, dan Lemonit ( Brown ores ) Fe2O3H2
- Berbentuk pasir : Pasir besi Titanium TiO2, dengan komposisi : ±70 % Magnetis Fe3O4 , 4 – 11 % TiO2.
- Berbutir halus : Pasir besi Spot Fe2CO3 atau Sperosiderit, berkomposisi : ±40 % Fe, dan 10 – 25 % C.
- Bahan Tambahan ( Fluxe ) : CaCO3
Bahan tambahan ini terdiri dari batu kapur CaCO3 yang mengandung SiO2 dan Al2O3 sekitar 5 %. Kokas berguna untuk bereaksi dengan benda-benda ikutan selama proses peleburan bijih besi, agar terbentuk terak. Karena CaCO3 ini berfungsi untuk : mengikat bahan-bahan ikutan, melindungi besi dari reaksi oksidasi dan mengikat phospor serta belerang dari bijih besi atau cairan besi.
Bahan Bakar
- Arang kayu : Tidak mengandung bahan Pospor dan Sulfur (Belerang), harga kalor mencapai 400 cal/kg, tidak keras, mudah pecah, tidak berpori, persediaan terbatas dan cocok untuk dapur tinggi, setinggi 17 – 20 m.
- Kokas : Didapat dari proses pembakaran tidak sempurna batu bara, Nilai kalor kokas yang berukuran diameter 25 mm adalah 6500 – 700 k cal / kg, keras, besar-besar dan berpori, kadar C tinggi, dan mengandung S yang berpengaruh jelek terhadap pembuatan besi maupun baja. Kokas berwarna silver grey (perak abu-abu), merupakan bahan bakar ideal, karena mengandung 80 – 86 % C, 2 – 6 % air, 0,4 – 0,7 % S atau mencapai 2 % S untuk sulporous coke, dan 15 % abu. Di samping itu, juga mengandung bahan yang tidak terbakar hanya 0,7 – 2,5 % .
- Anthrasit : Tidak mengandung gas, harga kalor mencapai ±8000 k cal/kg, keras, besar-besar, tidak berpori dan persediaan
- Udara Panas
Sebagai pemasok udara panas adalah dapur pemanas ( cowper ) yang menghasilkan udara bertemperatur 600 – 850 oC.
Setelah dapur tinggi tersebut bekerja selama 6 – 7 jam, maka bahan-bahan isian di atas akan berubah menjadi : besi kasar ( pig iron ), terak, gas buang dan debu dapur tinggi. Sehingga hasil utamanya adalah Grey pig iron atau white pig iron, yang mengandung : 3,4 % C, 1 – 3 % Si, 0,3-1,5 % P, 0,1-1 % Mn dan kurang dari 1% S. Sedangkan komposisi gas dapur tinggi adalah : 8 – 12 % CO2 , 0,2 – 0,4 % CH4 , 39 – 40 % CO+CO2 , 57 – 58 % N dan 2,5 – % H2. Selanjutnya dapur tinggi tersebut perlu direparasi besar ( over haul ) setiap 4-5 tahun sekali atau 10-11 tahun, tergantung kualitas dapur refraktori dan kemampuan operatornya.
Konstruksi Utama Dapur Tinggi
Seperti yang terlihat pada gambar 1 Konstruksi Dapur Tinggi, bagian-bagian utamanya dapat dibagi menjadi empat bagian, yaitu :
I. Bagian Puncak
Terdiri dari pintu masuk lubang pengisian bahan-bahan proses pelelehan bijih besi, antara lain : bijih besi, bahan bakar kokas dan bahan tambahan (flux); peralatan bantu pengisian dapur tinggi tanpa lapisan batu tahan api serta bel pengamanan dan cerobong gas buang.
II. Bagian Tengah
Bagian ini berbentuk kerucut terbalik dan berguna untuk :
- Memudahkan bahan-bahan yang masuk ke dapur tinggi agar bergeser ke bawah.
- Gas CO hasil reaksi karbon dioksida dengan carbon, dapat leluasa dengan mudah mencapai setiap tempat di dekat dinding dapur tinggi.
Bagian tengah mempunyai tinggi 5/7 dari tinggi seluruh ketingian dapur tinggi. Mempunyai tiang-tiang penyangga sebanyak 6 – 8 tiang. Bagian dalamnya dilapisi dengan batu tahan api yang berkualitas rendah, karena panas yang dihasilkan tidak begitu tinggi.
III. Bagian Hentian
Bagian ini berbentuk kerucut tegak, makin ke bawah luasannya semakin kecil, sehingga berguna untuk :
- Mengarahkan cairan logam agar mudah terkumpul pada tungku.
- Isi dapur tinggi makin lama akan semakin mengecil.
Bagian dalamnya dilapisi dengan batu tahan api berkualitas tinggi, mampu menahan temperatur 1650 oC, yang dihasilkan oleh bagian tersebut. Di samping untuk mengurangi panas keluar, di sekitar lubang-lubang penghasil panas diberi pendingin air yang mengalir melalui pipa-pipa.
IV. Bagian Tungku
Bagian ini berbentuk silinder, tabung persegi dengan diameter 4 m. Bagian dalam dilapisi batu tahan api berkualitas baik, dengan tebal dinding 1 m berguna untuk :
- Ketahanan terhadap proses kimia.
- Ketahanan terhadap proses temperatur tinggi, cairan besi dan cairan terak.
Sedangkan perlengkapan utama dapur tinggi yang lain adalah :
- Tuyere
Terbuat dari bronz tuang berdiameter antara 175 – 200 mm.
- Hot Blast stove dan Blower
Dapur yang digunakan untuk memanaskan udara disebut Hot Blast stove atau cowper. Struktur cowper merupakan bejana bulat, berdiameter 6 s/d 10 m, tinggi 25 s/d 50 m, bagian luar berlapis besi tebal 10 mm dan dilengkapi saluran kecil berjumlah 600-900 buah untuk menghasilkan udara panas bertemperatur antara 700-1000 oC. Adapun untuk memenuhi pasokan debit udara panas sebesar 2,2-2,6 Nm3/menit/m3 volume dapur tinggi, diperlukan alat bantu berupa Blower. Pasokan udara panas yang diperlukan sekitar 4000-4300 m3 per-menit. Setiap 1 ton kokas memerlukan udara panas sebesar 2888 Nm3.
- Cleaning of Blast Furnace Gas
Setiap 1 ton besi tuang yang dihasilkan oleh dapur tinggi akan diikuti pula oleh 170 kg gas yang mengandung serbuk-serbuk halus yang dapat mencemari lingkungan. Oleh karena itu perlu dibuat mekanisme penyaringan serbuk tersebut sebelum dialirkan keluar cerobong ke udara bebas. Beberapa metode penyaringan yang sering digunakan adalah : mechanical method, seperti pada gambar 2.
Proses penyaringan serbuk gas buangnya, melalui mekanisme pengurangan kecepatan aliran, yaitu dengan cara membelokkan arah gas buang. Sehingga partikel-partikel yang berat akan terjatuh karena pengaruh gaya gravitasi dan inersia gerakan.
Cara yang kedua adalah dengan pemberian atomiser air yang disemprotkan pada serbuk gas, melalui set sprayer. Sehingga bagian-bagian yang terikat oleh air akan terjatuh, selanjutnya dapat dipisahkan dari udara bebas.
Macam-macam Besi Tuang Hasil dari Dapur Tinggi
Besi yang sudah meleleh di dalam dapur tinggi, selanjutnya dituang ke dalam cetakan menjadi besi tuang. Adapun proses penuangannya seperti pada gambar 3.
Gambar 3 : Proses Penuangan Besi Tuang Pada Cetakan
Sumber : Brosur PT. ASTRA
Besi tuang biasanya mengandung komposisi karbon 1,7-6 %, dan juga mengandung sedikit Si, Mn, P dan S. Kadar karbon diperoleh dalam bentuk : Karbon bebas atau grafit C, dan Karbon terikat atau Cementit Fe3C. Selanjutnya Besi tuang ini akan diolah lagi menjadi berbagai jenis Besi sesuai kebutuhan untuk berbagai keperluan.
—
*Tulisan ini sebagian besar materinya diambil dari buku Material Teknik sebagai bahan Disain Struktur, Atik Bintoro, 2009, Massma Sikumbang, Jakarta/AB.