TANUR TINGGI

OLEH:

RAHMAWAN MAULANA WAJID 125061100111012

RAHMAWATI FITRI 125061100111016

JOE AZATIL ISHMAH A. 125061100111036

UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

2012

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr. Wb.

Segala puji bagi Allah SWT karena atas rahmat dan ijinnya kami dapat

menyelesaikan makalah ini dengan segala kelebihan dan kekurangannya.Terimakasih

atas segala pihak yang telah membatu kami dalam proses pengerjaan makalah ini.

Makalah ini disusun dari beberapa literatur yang kami dapatkan dari buku dan

internet. Konsep yang kami gunakan adalah termodinamika yang memiliki hubungan

dengan neraca energi.

Tujuan dari makalah ini adalah untuk memenuhi tugas kami kepada bapak

Achmad Hidayat selaku dosen fisika kami pada program studi Teknik Kimia.

Semoga isi dari makalah ini berguna untuk para pembaca yang dapat membantu

sistem pembelajaran. Terimakasih.

Wassalamualaikum wr.wb.

BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Besi merupakan logam yang paling banyak terdapat dialam. Besi juga diketahui

sebagai unsur yang paling banyak membentuk bumi, yaitu kira-kira 4,7 - 5 % pada kerak

bumi. Besi adalah logam yang dihasilkan dari bijih besi dan jarang dijumpai dalam

keadaan bebas, kebanyakan besi terdapat dalam batuan dan tanah sebagai oksida besi,

seperti oksida besi magnetit ( Fe3O4) mengandung besi 65 %, hematite ( Fe2O3 )

mengandung 60 – 75 % besi, limonet ( Fe2O3 . H2O ) mengandung besi 20 % dan siderit

(Fe2CO3). Dalam kehidupan, besi merupakan logam paling biasa digunakan dari pada

logam-logam yang lain. Hal ini disebabkan karena harga yang murah dan kekuatannya

yang baik serta penggunaannya yang luas.

Bijih besi yang dapat diolah harus mengandung senyawa besi yang besar. Bijih

besi adalah suatu zat mineral yang mengandung cukup kadar besi untuk dileburkan kira-

kira 20 %. Komposisi dan bentuk bijih besi berbeda-beda, jika besi dipanaskan bersama-

sama karbon pada suhu 1420oK – 1470oK maka akan terbentuk suatu alloy.

Seiring dengan perkembangan zaman banyak teknologi baru yang bermunculan

untuk menghasilkan besi. Teknologi tersebut tentunya sangat terkait dengan hukum

fisika dan kimia.

Dalam teknik kimia, ilmu yang dipelajari salah satunya adalah fisika yang berkaitan

dalam proses kimia. Semua prinsip-prinsip fisika sangat berperan penting dalam industri

proses kimia. Teknik kimia tidak hanya mempelajari disiplin kimia tetapi juga

mempelajari ilmu fisika. Sebenarnya bisa dikatakan bahwa fisikalah ilmu yang banyak

dipelajari dalam ilmu teknik kimia. Misalnya tentang besaran dan satuan. Besar-besaran

yang ada dalam fisika juga dipakai dalam disiplin ilmu teknik kimia. Elektrolisa yang

behubungan dengan arus listrik juga berkaitan dengan teknik kimia. Sehingga hubungan

fisika dengan teknik kimia sangat erat sekali dalam penggunaan dan penganalisaan

prinsip-prinsip ilmu pengetahuan tentang phenomena alam Hubungan fisika dengan

teknik kimia dapat ditelusuri dari definisi dari masing-masing anggota yang

berhubungan.

Ilmu fisika merupakan ilmu pengetahuan yang, mempelajari bagian-bagian dari alam

dan aksi didalamnya. Dalam ilmu teknik kimia, perpindahan panas merupakan salah satu

dasar ilmu teknik kimia. Ilmu teknik kimia yang berhubungan dengan proses-proses

kimia dalam suatu industri perlu mempelajari perhitungan dari proses tersebut yang

dasar teorinya adalah dari fisika (termodinamiaka). Perhitungan ini berguna untuk

pengawasan dari proses kimia yang berlangasung dan untuk mengetahui berapa banyak

bahan atau keadaan suatu reaksi (besarnya tekanan, suhu, panas, dan lainlain). lni

sangat diperlukan agar proses tersebut dapat dijalankan. Seorang satjana Teknik Kimia

harus menguasai dan mendalami dasar-dasar fisika yang sangat penting untuk

mempelajari mata kuliah bidang teknik kimia khususnya dalam teori tentang

termodinamika.

Tanur tinggi adalah tungku besar yang bentuknya seperti terowongan. Bahan yang

harus dipanaskan dimasukan pada bagian atas tungku. Dibagian bawah tungku ditiup

udara yang sebelumnya telah dipanaskan terlebih dahulu. Suhunya naik sampai 20000C.

Pada suhu yang setinggi itu bijih-bijih meleleh dan menetes pada dasar tungku. Berbagai

batuan lain yang terikut didalam bijih-bijih tadi ikut meleleh juga. Bijih beserta bebatuan

yang meleleh tadi membentuk terak tanur tinggi.

B. TUJUAN

Tujuan dari pembahasan makalah ini adalah untuk lebih menejlaskan tentang

kegunaan dari tanur tinggi dan menjelaskan hubungan-hubungan yang ada antara fisika

dan kimia yang ada pada tanur tinggi.

BAB II

TEORI

A. TEORI I

Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal

dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk

perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini

berbunyi:

“ Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan

jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja

yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Hukum ini di terapkan pada gas. Khususnya adalah gas ideal. Secara matematis, hukum

termodinamika I pada sistem tertutup, dinyatakan sebagai:

dU = dq + dw

DU = q + w

Dengan kata lain, perubahan energy dalam sistem (U) setara dengan panas yang

diberikan pada sistem (q) dan kerja yang dilakukan terhadap sistem (w)

Jika hanya diberikan panas, berlaku:

DU = q

Jika hanya dilakukan kerja berlaku:

DU = w

DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT DIJABARKAN:

Pada proses isobarik (tekanantetap) P = 0; sehingga,

DW = P .DV = P (V2 - V1) P. DV = n .R .T

DQ = n .Cp .DTmakaCp = 5/2 R (kalor jenis pada tekanan tetap)

DU-= 3/2 n .R .DT

Pada proses isokhorik (Volume tetap) DV =O; sehingga,

DW = 0 DQ = DU

DQ = n .Cv .DTmakaCv = 3/2 R (kalor jenis pada volume tetap)

U = 3/2 n .R .DT

Pada proses isotermik (temperature tetap):DT = 0 ;sehingga,

DU = 0 DQ = DW = nRTln (V2/V1)

Pada proses adiabatik (tidak ada pertukaran kalor antara system dengan sekelilingnya)

DQ = 0 Berlaku hubungan: PV=konstan = Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace

Jika system menerima panas maka system akan melakukan kerja dan energy akan naik

sehingga

DQ, DW (+)

Jika system menerima kerja maka system akan mengeluarkan panas dan energy akan

turun.

DQ, DW (-)

Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energy dalam (U) gas adalah

U = Ek= 3/2 nRT

Untuk gas diatomic (H2, N2, dll), energy dalam (U) gas adalah

Suhu rendah ( T 100ºK) U = Ek = 3/2 nRT

Suhu sedang U = Ek = 5/2 nRT

Suhu Tinggi ( T 5000ºK) U = Ek = 7/2nRT

Dari hukum pertama termodinamika tersebut , terdapat cabang keilmuan yang

disebut Neraca Energi. Neraca energimerupakan cabang keilmuan yang mempelajari

kesetimbangan energi dalam sebuah sistem. Hukum pertama termodinamika

menyatakan kekekalan energi, yaitu energi tidak dapat dimusnahkan atau dibuat, hanya

dapat diubah bentuknya.

Salah satu penerapan neraca energi adalah pada tanur tinggi.

B. TEORI II

Proses Reduksi

Tujuan proses reduksi adalah untuk menghilangkan ikatan oksigen dari biji besi.

Proses reduksi ini memerlukan gas reduktor seperti hidrogen atau gas karbon

monoksida (CO).

Proses reduksi ini ada 2 macam yaitu proses reduksi langsung dan proses reduksi tidak

langsung.

Proses Reduksi Langsung

Proses ini biasanya digunakan untuk merubah pellet menjadi besi spons (sponge

iron) atau sering disebut: besi hasil reduksi langsung (direct reduced iron). Gas reduktor

yang dipakai biasanya berupa gas hidrogen atau gas CO yang dapat dihasilkan melalui

pemanasan gas alam cair (LNG) dengan uap air didalam suatu reaktor

yaitu melalui reaksi kimia berikut :

CH4 + H2O à CO + 3H2

(gas hidrokarbon) (uap air panas) (gas reduktor)

Dengan menggunakan gas CO atau hidrogen dari persamaan diatas maka proses reduksi

terhadap pellet biji besi dapat dicapai melalui reaksi kimia berikut ini :

Fe2O3 + 3H2 à 2Fe + 3H2O

(pellet) (gas hidrogen) (Besi- spons) (uap air)

Proses Reduksi Tidak Langsung

Proses ini dilakukan dengan menggunakan tungku pelebur yang disebut juga tanur

tinggi (blast furnace). Biji besi hasil penambangan dimasukkan ke dalam tanur tinggi

tersebut dan didalam tanur tinggi dilakukan proses reduksi tidak langsung yang cara

kerjanya sebagai berikut :

Bahan bakar yang digunakan untuk tanur tinggi ini adalah batu bara yang telah

dikeringkan (kokas). Kokas dengan kandungan karbon (C) diatas 80%, tidak hanya

berfungsi sebagai bahan bakar, tetapi juga berfungis sebagai pembentuk gas CO

yang berfungsi sebagai reduktor. Untuk menimbulkan proses pembakaran maka ke

dalam tanur tersebut ditiupkan udara dengan menggunakan blower sehingga terjadi

proses oksidasi sebagai berikut :

Gas CO yang terjadi dapat menimbulkan reaksi reduksi terhadap biji yang

dimasukkan ke dalam tanur tersebut. Sedangkan panas yang ditimbulkan berguna

untuk mencairkan besi yang telah tereduksi tersebut.

Untuk mengurangi kotoran-kotoran (impuritas) dari logam cair, ke dalam tanur

biasanya ditambahkan sejumlah batu kapur (limestone). Batu kapur tersebut akan

membentuk terak (slag) dan dapat mengikat kotoran-kotoran yang ada didalam logam

cair. Karena berat jenis terak lebih rendah dari berat jenis cairan besi maka terak

tersebut berada dipermukaan logam cair sehingga dapat dikeluarkan melalui lubang

terak. Besi hasil proses tanur tinggi ini disebut juga besi kasar (pig iron). Besi kasar ini

merupakan bahan dasar untuk membuat besi tuang (cast iron) dan baja (steel).

Komposisi kimia unsur-unsur pemadu dalam besi kasar ini terdiri dari 3-4 %C; 0,06-0,10

%S; 0,100,50%P; 1-3 %Si dan sejumlah unsur-unsur lainnya, sebagai bahan impuritas.

Karena kadar karbonnya tinggi, maka besi kasar mempunyai sifat yang sangat rapuh

dengan kekuatan rendah serta menampakkan wujud seperti grafit.

Untuk pembuatan besi tuang, besi kasar tersebut biasanya dicetak dalam bentuk

lempengan-lempengan (ingot) yang kemudian di lebur kembali oleh pabrik pengecoran

(foundry). Sedangkan untuk pembuatan baja, besi kasar dalam keadaan cair langsung

dipindahkan dari tanur tinggi ke dalam tungku pelebur lainnya yang sering disebut :

tungku oksigen basa (basic oxygen furnace, atau disingkat BOF).

Dalam tungku BOF ini kadar karbon besi kasar akan diturunkan sehingga mencapai

tingkat kadar karbon baja.

BAB III

PEMBAHASAN

Tanur tinggi adalah salah satu jenis tungku metalurgi di gunakan untuk produksi

industri logam umumnya besi. Bahan bakar, biji dan kapur di pasok melalui bagian atas

tungku pada tanur tinggi, sementara udara yang di tiupkan pada bagian bawah tungku

sehingga reaksi kimia berlangsung pada sepanjang tungku selagi bahan begerak ke

bawah. Produk akhir dari tanur tinggi ini biasanya logam cair, lelehan logam dan gas

buang yang keluar dari atas tungku. Bagian bagian dari tanur tinggi :

a. Bagian puncak yang di sebut dengan hopper, dirancang sedemikian rupa sehingga

bahan-bahan yang akan diolah dapat dimasukkan dan ditambahkan setiap saat.

b. Bagian bawah puncak mempunyai lubang untuk mengeluarkan hasil-hasil yang

berupa gas

c. Bagian atas dari dasar (kurang lebih 3 meter dari dasar), terdapat pipa-pipa yang

dihubungkan dengan 4 buah tungku dimana udara dipanaskan (sampai suhunya

kurang lebih 1100 ºC). Udara panas ini disemburkan kedalam tanur melalui pipa-pipa

tersebut

d. Bagian dasar tanur, mempunyai dua lubang yang masing-masing digunakan untuk

mengeluarkan besi cairsebagai hasil utama dan ampas biji sebagai hasil sampingan.

Proses Pengolahan Besi

Secara umum proses pengolahan besi dari bijihnya dapat berlangsung dengan

urutan sebagai berikut:

a) Bahan – bahan dimasukkan ke dalam tanur melalui bagian puncak tanur.

Bahan – bahan ini berupa:

1) Bahan utama yaitu bijih besi yang berupa hematit (Fe2O3 ) yang

bercampur dengan pasir (SiO2) dan oksida – oksida asam yang lain

(P2O5 dan Al2O3). Batuan – batuan ini yang akan direduksi.

2) Bahan – bahan pereduksi yang berupa kokas (karbon).

3) Bahan tambahan yang berupa batu kapur (CaCO3) yang berfungsi

untuk mengikat zat – zat pengotor.

b) Udara panas dimasukkan di bagian bawah tanur sehingga menyebabkan

kokas terbakar.

C(s) + O2(g) CO2(g) DH = - 394 kJ

Reaksi ini sangat eksoterm (menghasilkan panas), akibatnya panas yang

dibebaskan akan menaikkan suhu bagian bawah tanur sampai mencapai

1.900o C.

c) Gas CO2 yang terbentu kekmudian naik melalui lapisan kokas yang panas

dan bereaksi dengannya lagi membentuk gas CO.

CO2(g) + C(s) 2CO(g) DH = +173 kJ

Reaksi kali ini berjalan endoterm (memerlukan panas) sehingga suhu tanur

pada bagian itu menjadi sekitar 1.300o C.

d) Gas CO yang terbentuk dan kokas yang ada siap mereduksi bijih besi

(Fe2O3). Reuksi ini dapat berlangsung dalam beberapa tahap, yaitu:

1) Pada bagian atas tanur, Fe2O3 direduksi menjadi Fe3O4 pada suhu

500o C.

3 Fe2O3(s) + CO(g) 2 Fe3O4(s) + CO2(g)

2) Pada bagian yang lebih rendah, Fe3O4 yang terbentuk akan direduksi

menjadi FeO pada suhu 850o C.

Fe3O4(s) + CO(g) 3 FeO(s) + CO2(g)

3) Pada bagian yang lebih bawah lagi, FeO yang terbentuk akan direduksi

menjadi logam besi pada suhu 1.000 oC.

FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g)

e) Besi cair yang terbentuk akan mengalir ke bawah dan mengalir di dasar

tanur.

f) Sementara itu, di bagian tengah tanur yang bersuhu tinggi menyebabkan

batu kapur terurai menurut reaksi:

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

g) Kemudian di dasar tanur CaO akan bereaksi dengan pengotor dan

membentuk terak (slag) yang berupa cairan kental. Reaksinya sebagai

berikut:

CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l)

3 CaO(s) + P2O5(g) Ca3(PO4)2(l)

CaO(s) + Al2O3(g) Ca(AlO2)2(l)

h) Selanjutnya, besi cair turun ke dasar tanur sedangkan terak (slag) yang

memiliki massa jenis lebih rendah daripaba besi cair akan mengapung di

permukaan dan keluar pada saluran tersendiri.

Hasil Pengolahan Besi

a. Besi Kasar (pig iron) atau Besi Gubal

Besi cair yang keluar dari dasar tanur disebut dengan besi kasar (pig iron). Besi

kasar mengandung 95% besi, 34% karbon, sisanya berupa fosfor, silikon dan

mangan.

b. Besi Tuang (cast iron) atau Besi Cor

Jika pig iron dibuat menjadi bentuk cetakan maka disebut besi tuang atau besi

cor.

c. Besi Tempa (wrought iron)

Besi tempam mengandung kadar karbon yang cukup rendah (0,05 – 0,2%).

Besi tempa ini cukup lunak untuk dijadikan berbagai perlatan seperti sepatu

kuda, roda besi, baut, mur, golok, cangkul dan lain sebagainya.

Dalam proses yang terjadi di dalam tanur tinggi erat sekali hubungannya

dengan hukum termodinamika yang pertama. Dimana dari bagian bawah tungku ditiupkan

gas yang sudah dipanaskan dengan suhu sampai 20000C sehingga bijih besi tereduksi

kemudian meleleh dan menetes kebawah dan dialirkan menjadi besi cair. Secara berkala

harus selau mengecek bagaimana suhu, tekanan dan uap yang dialirkan.

Manfaat, Kelebihan dan Kekurangan metode tanur tinggi dalam pengolahan bijih logam :

1. Manfaat

- Untuk menghasilkan logam cair yang akan di gunakan untuk membuat

produk selanjutnya.

2. Kelebihan

- Proses yang sederhana

3. Kekurangan

- Secara berkala harus selau mengecek bagaimana suhu, tekanan dan

uap yang dialirkan.

BAB IV

PENUTUP

Dari penjabaran materi-materi di atas dapat disimpulkan bahwa pabrik yang

membutuhkan besi akan menggunakan tanur tinggi ini sebagai alat yang efektif dalam

menghasilkan logam cair. Tanur tinggi ini tidak menerapkan konsep kimia saja tetapi juga

membutuhkan konsep fisika. Dapat di ambil kesimpulan juga bahwa dalam suatu alat,

hubungan antara fisika dan teknik kimia tidak bisa dilepaskan.

DAFTAR PUSTAKA

Setyowati Rahayu, Suparni (2006). Blast Furnace. From

http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-industri/bahan-baku-dan-produk-

industri/dapur-tinggi-blast-furnace/, 14 Oktober 2012

Umbara, Edi Gigis (2010). Tanur Tinggi. From http://buges-tanurtinggi.blogspot.com/, 14

Oktober 2012

Sariyustiari (2011). Pembuatan Besi From http://sariyusriati.wordpress.com/2008/10/27/

pembuatan-besi/, 14 Oktober 2012

Abisatya, Gembong (2011). Pengolahan Besi dengan Tanur Tinggi From

http://mediunae.blogspot.com/2011/12/pengolahan-besi-dengan-tanur-tinggi.html, 14

Oktober 2012

From http://id.wikipedia.org/wiki/Hukum_pertama_termodinamika, 14 Oktober 2012

From http://en.wikipedia.org/wiki/Blast_furnace, 14 Oktober 2012

From http://tasikita.blogspot.com/p/blog-page.html, 14 Oktober 2012