2. BESI DAN BAJA SEBAGAI BAHAN KONSKTRUKSI

2.1. DEFINISI BESI DAN BAJABesi, merupakan elemen kimia dengan rumus Fe, yang secara teknik merupakan material dengan kandungan Fe 99,8% sampai 99,9% (electrolitic iron)

Bahan baku pembuatan besi:

Sumber Fe: dalam bentuk pelet, sinter, lump ore dan scrap

Reduktor: kokas, batubara, dan gas alam

Batu kapur dan dolomit, untuk membentuk slag sebagai pengikat kotoran dan senyawa oksida

Udara dan oksigen untuk membakar kokas

Prinsip pembuatan besi: Mengambil unsur oksigen dari bijih besi Fe2O3, Fe3O4, dll dengan penambahan reduktor sehingga dihasilkan logam Fe (proses reduksi). Bahan reduktor bisa dari gas alam maupun batu bara.

Baja adalah bahan dasar vital untuk industri. Semua segmen kehidupan, mulai dari peralatan dapur, transportasi, generator pembangkit listrik, sampai kerangka gedung dan jembatan menggunakan baja. besi yang mengandung karbon di bawah 2%. Sedangkan besi dengan kadar karbon diatas 2% disebut besi kasar (wrought iron), termasuk di dalamnya besi cor dan pig iron. Eksploitasi besi baja menduduki peringkat pertama di antara barang tambang logam dan produknya melingkupi hampir 95 persen dari produk barang berbahan logam.

Belakangan dunia perindustrian digemparkan oleh kabar peningkatan performan (kekuatan dan umur) baja menjadi dua kali lipat. Untuk mendapatkan baja dengan kekuatan sama dengan yang konvensional, hanya perlu setengah dari bahan sebelumnya dengan ketebalan dan berat juga setengahnya.

Baja super ini diperoleh dengan menghaluskan struktur mikronya menjadi seperlima dari baja sebelumnya atau bahkan lebih kecil lagi (di bawah 1 mikrometer). Nakayama Steel, sebuah perusahaan di Jepang, telah berhasil memproduksi lembaran baja super dengan kekuatan tarik 600 MPa atau sekitar 1,5 kali kekuatan tarik baja biasa. Kenaikan performan baja diharapkan dapat mengurangi berat bahan sehingga meningkatkan efisiensi dan menghemat sumber daya alam

Baja adalah paduan logam yang tersusun dari besi sebagai unsur utama dan karbon sebagai unsur penguat. Unsur karbon inilah yang banyak berperan dalam peningkatan performan. Perlakuan panas dapat mengubah sifat baja dari lunak seperti kawat menjadi keras seperti pisau. Penyebabnya adalah perlakuan panas mengubah struktur mikro besi yang berubah-ubah dari susunan kristal berbentuk kubik berpusat ruang menjadi kubik berpusat sisi atau heksagonal.Dengan perubahan struktur kristal, besi adakalanya memiliki sifat magnetik dan adakalanya tidak. Besi memang bahan bersifat unik.

Bijih besi bertebaran hampir di seluruh permukaan Bumi dalam bentuk oksida besi. Meskipun inti Bumi tersusun dari logam besi dan nikel, oksida besi yang ada di permukaan Bumi tidak berasal darinya, melainkan dari meteor yang jatuh ke Bumi.

Di Australia, Brasil, dan Kanada, ditemukan bongkahan bijih besi berketebalan beberapa puluh meter dan mengandung 65 persen besi. Besi adalah unsur yang sangat stabil dan merupakan unsur terbanyak ke delapan di Jagat Raya setelah silikon. Pada lapisan kulit Bumi, besi merupakan unsur logam terbanyak ketiga setelah silikon dan aluminium. Hampir lebih dari 70 abad lalu-5.000 tahun sebelum Masehi-dari peninggalan di Mesopotania, Iran, dan Mesir diketahui bahwa manusia telah menguasai teknologi pembuatan peralatan dari besi baja untuk berburu. Suku Hatti dan Hittite- 2.500-1.500 tahun sebelum Masehi-di daerah Anatria dan Armenia telah berhasil membuat pedang besi berukuran besar dan baju besi dengan proses semi-lebur.

Baja adalah logam paduan dengan besi (Fe) sebagai unsur dasar dan karbon (C) sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan karbon dalam baja berkisar antara 0,2 % hingga 2,1 % berat sesuai grade-nya. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengerasan pada kisi kristal atom besi.Baja karbon adalah baja yang mengandung karbon lebih kecil 1,7 %, sedangkan besi mempunyai kadar karbon lebih besar dari 1.7 %. Baja mempunyai unsur-unsur lain sebagai pemadu yang dapat mempengaruhi

sifat dari baja. Penambahan unsur-unsur dalam baja karbon dengan satu unsur atau lebih, tergantung dari pada karakteristik baja karbon yang akan dibuat.

2.2. KELEBIHAN DAN KEKURANGAN BAJAKelebihan :-Kuat tarik tinggi.-Tidak dimakan rayap-Hampir tidak memiliki perbedaan nilai muai dan susut-Bisa di daur ulang-Dibanding Stainless Steel lebih murah-Dibanding beton lebih lentur dan lebih ringan-Dibanding alumunium lebih kuatKekurangan :-Bisa berkarat.-Lemah terhadap gaya tekan.-Tidak fleksibel seperti kayu yang dapat dipotong dan dibentuk berbagai profile2.3. SEJARAH PENEMUAN BAJATeknik peleburan logam telah ada sejak zaman Mesir kuno pada tahun 3000 SM. Bahkan pembuatan perhiasan dari besi telah ada pada zaman sebelumnya. Proses pengerasan pada besi dengan heat treatment mulai diperkenalkan untuk pembuatan senjata pada zaman Yunani 1000 SM.

Proses pemaduan yang dibuat mulai ada sejak abad 14 yang diklasifikasikan sebagai besi tempa. Proses ini dilakkan dengan pemanasan sejumlah besar bijih besi dan charchoal dalam tungku atau furnance. Dengan proses ini bijih besi mengalami reduksi menjadi besi sponge metalik yang terisi oleh slag yang merupakan campuran dari pengotor metalik dan abu charcoal. Spone iron ini dipindahkan dari furnance pada saat masih bercahaya dan diselimuti oleh slag yang tebal lalu slagnya dihilangkan untuk memperkuat besi. Pembuatan besi meggunakan metode ini menghasilkan kandingan slag sekiar 3 persen dan 0,1 persen pengotor lain. Kadang kala hasil produksi dengan metode ini menghasilkan baja bukannya besi tempa. Parapembuat besi belajar untuk membuat baja dengan memanaskan besi tempa dan charcoal pada boks yang terbuat dar tanah liat selama beberapa hari. Dengan proses ini besi akan menyerap cukup karbon untuk menjadi baja sebenarnya.

Setelah abad ke 14 tungku atau furnance yang digunakan mulai mengalami peningkatan ukuran dan draft yang digunakan untuk pembakaran gas melewati charge, pada pencampuran material mentah. Pada tungku yang lebih besar ini, bijih besi pada bagian bagian atas furnance akan direduksi pertama kali direduksi menjadi besi metalik dan menghasilkan banyak karbon sebagai hasil dari serangan gas yang dilewatinya. Hasil dari furnance ini adalah pig iron, yaitu paduan yang meleleh pada temperatur rendah. Pig iron akan dproses lebih lanjut untuk membuat baja.

Pembuatan baja modern menggunakan blast furnance yang juga digunakan untuk memurniakan besi oleh pembuat besi yang lamapu. Proses pemurnian besi cair dengan peledakan udara diakui oleh penemu Inggris Sir Henry Bessemer yang mengembangkan Bessemer furnance, atau pengkonversi, pada tahun 1855. Sejak tahun 1960 telah diproduksi baja dari besi bekas secara kecil-kecilan pada furnance elektrik, sehingga dinamakan mini mills. Mini mills adalah komponen yang sangat sangat penting bagi produksi baja Amerika. Mills yang lebih besar digunakan pada produksi baja dari bijih besi.

2.4. PROSES PEMBUATAN BAJAMengatur kandungan unsur terlarut dalam besi cair serta penambahan unsur paduan dan meningkatkan kebersihannya sampai menghasilkan baja dengan kualitas yang diinginkan. Baja diproduksi didalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas ( Skrap ) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembuatan baja antara lain :PROSES KONVERTORterdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap kesamping.

Sistem kerja Dipanaskan dengan kokas sampai 15000C,

Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja. ( 1/8 dari volume konvertor)

Kembali ditegakkan.

Udara dengan tekanan 1,5 2 atm dihembuskan dari kompresor.

Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk mengelaurkan hasilnya.

proses Bassemer (asam)lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO2), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO2,SiO2+ CaO CaSiO3 proses Thomas (basa)Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [ kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)], besi yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 2 %, Mn 1 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O5), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO),

3 CaO + P2O5Ca3(PO4)2(terak cair)

PROSES SIEMENS MARTINmenggunakan sistem regenerator ( 30000C.) fungsi dari regenerator adalah:

1. memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur

2. sebagai Fundamen/ landasan dapur

3. menghemat pemakaian tempat

Bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih,

Besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO2),

besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO3+ 60 % CaCO3)

PROSES BASIC OXYGEN FURNACE logam cair dimasukkan ke ruang baker (dimiringkan lalu ditegakkan)

Oksigen ( 1000) ditiupkan lewatOxygen Lanceke ruang bakar dengan kecepatan tinggi. (55 m3(99,5 %O2) tiap satu ton muatan) dengan tekanan 1400 kN/m2.

ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk menurunkan kadar P dan S.

Keuntungan dari BOF adalah:

BOF menggunakan O2murni tanpa Nitrogen

Proses hanya lebih-kurang 50 menit.

Tidak perlu tuyer di bagian bawah

Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon

Biaya operasi murah

PROSES DAPUR LISTRIKtemperatur tinggi dengan menggunkan busur cahaya electrode dan induksi listrik.

Keuntungan :

Mudah mencapai temperatur tinggi dalam waktu singkat

Temperatur dapat diatur

Efisiensi termis dapur tinggi

Cairan besi terlindungi dari kotoran dan pengaruh lingkungan sehingga kualitasnya baik

Kerugian akibat penguapan sangat kecilPROSES DAPUR KOPELmengolah besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang.

Proses pemanasan pendahuluan agar bebas dari uap cair.

Bahan bakar(arang kayu dan kokas) dinyalakan selama 15 jam.

kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah hingga kokas mencapai 700 800 mm dari dasar tungku.

besi kasar dan baja bekas kira-kira 10 15 % ton/jam dimasukkan.

15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.

Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar P dan S ditambahkan batu kapur (CaCO3) dan akan terurai menjadi:

akan bereaksi dengan karbon:

Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.

PROSES DAPUR CAWAN Proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan,

kemudian dapur ditutup rapat.

Kemudian dimasukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling cawan dan muatan dalam cawan akan mencair.

Baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan.2.5. PENGERTIAN BLAST FURNACE (BF)

Blast furnace (dapur tinggi) adalah tanur metalurgi digunakan untuk peleburan untuk memproduksi industri logam, umumnya ferro. Dalam dapur tinggi, bahan bakar, bijih, dan kapur terus dipasok melalui bagian atas tanur, sementara udara (kadang-kadang dengan pengayaan oksigen) yang ditiupkan ke bagian bawah tanur, sehingga reaksi kimia berlangsung sepanjang tanur sebagian bahan bergerak ke bawah pada bagian tanur. Produk dari dapur tinggi biasanya berupa logam cair dan terak fase disadap dari bawah, dan gas buang yang keluar dari bagian atas tanur. Aliran ke bawah dari bijih besi dan fluks dalam kontak dengan upflow panas, karbon monoksida yang kaya gas pembakaran merupakan proses pertukaran perlawanan. Blast furnace atau dapur tinggi harus dikontraskan dengan tanur udara (seperti tanur reverberatory) oleh konveksi dari gas panas di buang cerobong asap. Menurut pengertian dalam arti luas, bloomeries untuk ferro, rumah meniup untuk timah, dan pabrik smelt untuk memimpin akan diklasifikasikan sebagai dapur tinggi atau blast furnace. Namun, sebutan ini biasanya terbatas dengan digunakannya untuk peleburan iron ores untuk memproduksi pig iron, bahan antara yang digunakan dalam produksi besi dan baja komersia.Dapur tinggi digunakan untuk mengolah iron ores menjadi besi kasar. Besi kasar yang dihasilkan oleh dapur tinggi tersebut dimasukkan kedalam dapur/ konveerter, untuk dijadikan baja, baja tuang, atau besi tuang. Bahan - bahan yang diperlukan dalam proses dapur tinggi untuk mengubah biji besi menjadi besi kasar, antara lain : Batu kapur (fluks), Bijih besi, bahan bakar (kokas) dan udara panas.Iron ores diperoleh dari proses penambangan dan proses pemisahan (extraction), iron ores merupakan bahan utama yang akan diubah menjadi besi kasar.1. Batu kapur : batu kapur bertindak sebagai pengikat kotoran (fluks), jadi pengotor pengotor yang ikut tercampur pada cairan besi yang akan mengurangi kualitas besi kasar akan diikat oleh batu kapur dan dibuang menjadi terak.

2. Bahan Bakar : Bahan bakar yang umum diqunakan dalam proses dapur tinggi biasanya adalah kokas. Tapi bahan bakar lain seperti arang kayu juga antrasit juga bisa digunakan.

3. Udara panas : Digunakan untuk melangsungkan pembakaran dengan bahan bakar menjadi CO2 dan gas CO untuk menghasilkan panas, Udara panas dihembuskan dengan maksud agar pembakaran sempurna, lebih cepat, sehingga kebutuhan kokas berkurang. Udara panas dihasilkan oleh dapur cowper.

Dapur tinggi pada umumnya diletakkan tidak jauh dari daerah penyimpanan atau pengadaan bahan yang akan diolah, seperti iron ores atau bijih besi, bahan bakar, dan batu kapur. Tujuannya untuk mempermudah dan mempercepat proses pengisian bahan mentah ke dalam dapur tinggi sehingga dapat memperlancar produksi besi kasar.

Blast firnace atau dapur tinggi terdiri dari kerangka baja yang terdiri tegak lurus hampir membentuk seperti sebuah silinder. Tanur ini mempunyai tinggi sekitar 30 meter dan diameter sekitar 6 meter. Pada bagian dalam tanur telah disediakan batu tahan api dan dilengkapi dengan alat yang digunakan untuk memasukan bahan bahan di bagian atas, sedangkan di bagian bawah terdapat tempat pengumpulan besi dan terak cair.

2.6. KONSTRUKSI DAPUR TINGGI ATAU BLAST FURNACE DAN CARA KERJANYADapur tinggi atau blast furnace mempunyai bentuk dua buah kerucut yang berdiri menjadi satu di atas yang lain pada alasnya. Di bagian atas adalah tanurnya yang melebar ke bawah, sehingga muatannya dengan mudah meluncur ke bawah dan tidak terjadi hambatan. Bagian bawah melebar ke atas dengan tujuan agar muatannya tetap berada di bagian ini. Dapur tinggi atau blast furnace terbuat dari susunan batu tahan api yang diberi selubung baja pelat untuk memperkokoh konstruksinya. Tanur ini diisi dari atas dengan alat pengisi. Berturut-turut dimasukkan kokas, bahan tambahan (batu kapur) dan iron ores. 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 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 yang terurai akan mengikat batu-batu yang terangkut dan unsur-unsur lainnya.

Prinsip Kerja Blast Furnace/ Dapur Tinggi

Gambar: Proses yang terjadi dalam Blast Furnace

Proses produksi didalam dapur tinggi ada 4 tahap :

1. Proses pemasukan muatan

2. Proses reduksi

3. Proses pencairan

4. Hasil produksi dapur tinggi 1) Proses Pemasukan Muatan : Yang dimaksud dengan muatan dapur tinggi adalah isi dari dapur tinggi yang terdiri atas bahan bakar kokas, biji besi dan bahan tambah yang berupa batu kapur.

2) Proses Reduksi : Reduksi yaitu Oksid arang C(O) dan kokas serta zat arang C. Proses ini terjadi sangat cepat. Pada proses reduksi terbagi menjadi 3 daerah, yaitu:

a. Daerah pengeringan

Daerah paling atas, terdapat gas CO2b. Daerah reduksi

Muatan akan mulai melebur dan bergerak kebawah mendekati daerah pencairan

c. Daerah pencairan

3) Proses Pencairan : Muatan dapur tinggi yang berisi kokas, biji besi dan batu kapur setelah mengalami pemanasan akan bergerak kebawah. Dalam perjalanan dari atas ke bawah mengalami proses reduksi.

4) Hasil produksi dapur tinggi : Besi kasar sebagai bahan dasar pembuatan bajada gas dapur tinggi.

Cara Kerja Dapur Tinggi :

1. Bahan bakar, bijih besi dan bahan tambahan dimasukkan secara teratur berlapis-lapis.

2. Udara panas dimasukkan dari daputr cowper dengan kecepatan 100m/dt, maka udara panas mengadakan pembakaran (CO2 dan pembentukan CO) sebagai gas untuk mereduksi bijih-bijih besi dengan temperature 9000oC.

3. Muatan yang turun ertama kali melepas air, kemudian hidrat arang dan terjadi pengikatan kimiawi pada waktu reduksi pertama oleh CO pada suhu 400oC.

4. Bijih besi turun terus supaya arang/kokas yang pijar berwarna putih menerima zat arang dan membentuk karbonat-karbonat seperti batu kapur dan dolomite, baru kehilangan CO2 pada suhu 700oC.-800oC., maka teraknya terbentuk bersama-sama dengan reduksi sempurna dari besi.

Batu tambang/batu kapur CaCO/CaCO3 dinamakan dolomit, untuk : Mengikat kotoran Melindungi besi/cairan besi dan oksidasiHasil olahan blast furnace/ dapur tinggi adalah :

1. Besi kasar / pig iron

2. terak

3. Gas dan debu

Gambar Proses Blast furnace/ Dapur TinggiProses Dalam Blast Furnace/ Dapur Tinggi

Prinsip kerja dari dapur tinggi adalah prinsip reduksi. Pada proses ini unsur karbon monoksida dapat menyerap unsur asam dari ikatan-ikatan besi unsur asam pada suhu tinggi. Pada pembakaran suhu tinggi + 1800oC 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, 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 + CO2Pada 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 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.2.7. BAHAN BAKU DAN TAMBAHAN DALAM BLAST FURNACE

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%. Iron ores atau bijih besi dari tambang biasanya masih tercampur dengan pasir, tanah liat, dan batu-batuan dalam bongkah-bongkahan yang tidak sama besar. Untuk kelancaran proses pengolahan bijih besi, bongkah-bongkah tersebut 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.Bahan yang digunakan dalam proses dapur tinggi untuk menghasilkan besi kasar dari dapur tinggi diperlukan bahan-bahan antara lain : Bijih besi, batu kapur, bahan bakar dan udara panas.1. Iron ore didapat dari tambang setelah melalui proses pendahuluan. Iron ore merupakan bahan pokok dari dapur tinggi.

2. Batu Kapur digunakan untluk mengikat bahan-bahan yang ikut campur dalam cairan besi untuk menjadikan terak. Dengan adanya terak yang terletak di permukaan cairan-besi ini, terjadinya oksidasi oleh udara dapat dihindari. Sebagai bahan tambahan biasanya digunakan batu kapur (CaCO3) murni, kadang Pula dolomit yang merupakan campuran dari CaCO3 dan MgCO3.

3. Bahan Bakar yang diqunakan dalam proses dapur tinggi ialah kokas, arang kayu, juga antrasit.

4. 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 Tambahan Dalam Dapur Tinggi Blast Furnace Batu Kapur : kapur digunakan untluk mengikat bahan-bahan yang ikut campur dalam cairan besi untuk menjadikan terak. Dengan adanya terak yang terletak di permukaan cairan-besi ini, terjadinya oksidasi oleh udara dapat dihindari. Sebagai bahan tambahan biasanya digunakan batu kapur (CaCO3) murni, kadang Pula dolomit yang merupakan campuran dari CaCO3 dan MgCO3.2.8. REAKSI KIMIA DALAM BLAST FURNACE DAN EFISIENSI GAS BLAST FURNACE

Metode dapur tinggi/ blast furnace modern secara ringkas adalah sebagai berikut: Pada waktu iron ores/ bijih-bijih besi, bahan bakar dan tambah dimasukkan kedalam dapur,partama-tama dihilangkan kelembaban dan kadar air pada daerah suhu 200-30oC. Dengan meningkatnya suhu, terjadinya reaksi tak langsung terhadap bijih-bijih besi dengan reaksi sbb:

1 3 Fe2O3 + CO -> 2 Fe3O4 + CO22 2 Fe2O3 + 6CO -> 4 Fe + 6 CO2Pada suhu -> 535OC, carbon monoksida mulai terurai menjadi karbon bebas dan karbon dioksida, dengan reaksi sbb :

3 Fe3O4 + CO -> 3 FeO + CO2 Pada suhu 400 C reduksi langsung terdapat iron ores sebagai berikut :

4 Fe2O3 + C -> 2 FeO + CO5 Fe3O4 + C -> 3 FeO + COSaat daerah suhu 700 800 0C reduksi langsung ferro oksida mulai dengan membentuk besi spong yang mengandung karbon.Reaksi ini terjadi antara pertengahan (setengah jalan antara puncak dan dasar dapur tinggi).Batu kapur terurai pada suhu 800C. dan dolomit pada suhu 1075OC dengan reaksi :

6 CaCO3 -> CaO + CO2 MgCO3 -> MgO + CO2Sementara besi spong memperoleh kandungan karbon yang menurunkan titik lebur dan dalam peleburan menyerap karbon dari kokas semakin lama scmakin banyak.Batu kapur mengikat kotoran-kotoran bijih besi dan abu kokas.Semakin ke bawah suhu semakin meningkat dan terjadi reduksi langsung paduan dan metalloid dean reaksi sbb

7 a. SiO2 + 2C -> Si + 2COb. MnO + C -> Mn + COc. P205 + 5C -> 2P + 5COd. FeS + CaO + C -> CaS + Fe + CO

8 Ca3PO4 + 3SiO2 + 5CO -> 3CaSiO3 + 5CO + 3Fe3PDidekat tuyer (Lubang tiup) ada hembusan udara panas yang mongenai kokas terjadi reaksi sbb:

9 2C + O2 -> 2COSehingga selalu ada gas CO yang dipakai untuk roduksi. Jadi kokas didalam dapur tinggi berfungsi selain sebagai sumber kalor adalah berfungsi untuk mereduksi oksigen dalam bijih-bijih besi.

Besi kasar : Ada dua macam besi kasar yang dihasilkan oleh dapur tinggi yaitu besi kasar putih dan besi kasar kelabu. Besi kasar kelabu (Kishy pig iron) Nama besi kasar ini didapat berdasarkan warna bidang patahnya,yang berwarna kelabu muda sampai tua hampir hitam. Besi kasar kelabu lebih halus lebih liat dibandingkan dengan besi kasar putih,Titik Cairnya -> 1300OC dan berat jenisnya 7 Sampai 7,2, kg/dm3. Besi kasar kelabu ada 2 macam yaitu

Besi kasar kelabu muda : Besi kasar ini mengandung silisium % 1 % dan butirbutirnya halus baik untuk silinder mesin.

-Besi kasar kelabu tua : Sifat-sifatnya mudah dituang butir-butirnya kasar juga tahan terhadap tekanan tinggi

10 Besi kasar putih (Forge pig iron).Nama besi kasar ini juga didapat dari warna bidang patahnya.Pada besi kasar ini zat arangnya sebagian besar berbentuk karbid besi (Fe3C), sehingga sifatnya keras dan getas. Titik cairnya + 1100 C. Kadar karbonnya 2,3 % 3,5 %, dan kadar mangannya agak besar. Besi kasar ini paling baik untuk digunakan untuk baja berat jenisnya 7,58 7,73. kg/dm3.

Efisiensi Gas Blast FurnaceBlast Furnace/ Dapur tinggi dibangun dalam 2 lapisan, yaitu lapisan luar (plat baja) dan lapisan dalam (batu bata tahan api). Didalam dapur ini, bijih besi akan ditambahkan batu kapur yang berfungsi sebagai pengikat kotoran (terak) dan juga kokas yang berfungsi sebagai bahan bakar. Kesemua bahan-bahan tersebut dipanaskan hingga mencair. Prinsip pokok dari kerja dapur tinggi adalah dengan mereduksi oksigen dari bijih besi yang terjadi dalam 3 tahap, yaitu :a. Reduksi tidak langsung dengan CO pada suhu 300 derajat Celcius hingga 800 derajat Celcius.Fe2O3 + CO > 2FeO + CO2b. Reduksi tidak langsung pada daerah temperature 800 derajat Celcius hingga 1100 derajat Celcius.FeO + CO > Fe + CO2c. Reduksi langsung pada daerah temperature 1100 derajat Celcius hingga 1800 derajat Celcius.FeO + C > Fe + COBahan-bahan ikatan akan diikat oleh batu kapur pada titik cair yang tinggi dalam bentuk terak. Bahan terak ini tidak akan dipakai pada fabrikasi besi kasar. Meskipun demikian terak ini masih bernilai ekonomis, misalnya sebagai bahan ASPAL (untuk jalan raya-red). Selain terak, produk sampingan dari dapur tinggi ini yakni : Gas. Hal ini dikatakan demikian karena Gas ketika keluar dari dapur tinggi masih mempunyai panas yang tinggi sehingga dapat dimanfaatkan ulang untuk memanaskan dapur atau tanur.2.9 HASIL PRODUK DAN PENGGUNAANYA DALAM DUNIA TEKNIKProduk Utama- Besi kasar (Pig Iron) Merupakan hasil pokok dari dapur tinggi yang berasal dari reaksi reduksi atas bijih besi dengan komposisi sebagai berikut :- Karbon (C) = 3,85% (rata-rata)- Mangan (Mn) = 0,9% (rata-rata)- Phospor (P) = 0,9% (rata-rata)- Belerang (S) = 0,025% (rata-rata)- Silikon (Si) = 0,12% (rata-rata)Sifat utama dari besi kasar adalah rapuh (getas). Sehingga hal ini perlu dilakukan pengolahan lebih lanjut dengan menggunakan dapur-dapur baja dan kupola.Pig iron dapat dibedakan dalam dua macam, yakni :a. Besi kasar putihBerwarna putih (mengandung 2,3 ~ 3,5% C), bersifat getas dan keras, kandungan Mangan (Mn) masih cukup tinggi serta sulit ditempa.b. Besi kasar kelabuBerwarna kelabu (mengandung lebih dari 3,5% C), kandungan Si masih cukup tinggi, kekuatan tarik lebih rendah dari besi kasar putih, mudah dituang meskipun masih cukup getas. Besi kasar kelabu digolongkan menjadi : besi kasar kelabu muda yang mengandung 0,5 ~ 1% Si dengan butir-butir halus serta banyak dipakai sebagai bahan pembuat silinder mesin dan jenis yang kedua yakni besi kasar kelabu tua yang mengandung hingga 3% Si dengan butir-butir kasar serta tahan getaran.

Produk Sampingan- Terak merupakan produk sampingan dari besi kasar, umumnya terak mengandung komposisi sebagai berikut :- Silika = 33% ~ 42%- Alumina = 10% ~ 16%- Kapur = 36% ~ 45%- Magnesia = 3%~ 12%- Belerang = 1% ~ 3%- Ferro Oksida = 0,3% ~ 2%- Mangan Oksida = 0,2% ~ 1,5%Terak dapat dikategorikan menjadi terak yang bersifat Asam dan terak yang bersifat Basa. Hal ini sangat tergantung pada komposisi Kapur (CaO) dan Magnesia (MgO) terhadap Silika dan Alumina. Terak juga dapat digunakan sebagai bahan pengganti kerikil (pada pengecoran Beton), pembuatan aspal dan pupuk Phospat (jika kandungan Phospat cukup tinggi-red).

Penggunaan Prokduk Dalam Dunia TeknikProses Pengolahan Baja : pembuatan besi kasar menjadi baja diperlukan proses lebih lanjut, proses ini disesuaikan menurut sifat-sifat dan campuran-campuran yang terkandung didalam besi kasar tersebut. Pengolahan besi kasar menjadi baja dapat dilakukan pada:

1. Konverter Bessemer

2. Konverter Thomas

3. Dapur Siemen Martin

4. Dapur Aduk

5. Dapur Listrik

Macam-macam Baja dan Kegunaan Ditinjau dari jumlah kandungan karbon, baja terdiri atas:

1. Baja karbon rendah (Mild Steel) Dengan kandungan karbon antara 0,04% s/d 0,30%,

artinya : setiap 100 Kg baja mengandung unsur karbon antara 0,04 Kg s/d 0,30 Kg.

Banyak dijumpai dalam bentuk pelat baja

2. Baja karbon sedang artinya dengan kandungan karbon 0,30% s/d 0,6% karbon.

Kegunaan :

- mur baut, poros engkol, batang torak (baja karbon dengan 0,4% C)

- roda gigi, palu/martil, alat-alat penjepit/klem ( baja karbon dengan 0,5%C)

- untuk membuat pegas (baja karbon dengan 0,6% C)

3. Baja karbon tinggi (Hoght Carbon Steel) HCS artinya dengan kandungan karbon 0,7% s/d 1,3% C. Banyak digunakan untuk alat-alat yang mengalami temperatur tinggi, misalnya karena gesekan

Contoh : pahat potong, pegas, gergaji, martl, bantalan, peluru.

11