MATERIAL TEKNIK

DAPUR TINGGI

Latar Belakangdidalam perut bumi tempat kita tinggal ternyata banyak sekali mengandung zat-zat yang berguna untuk keperluan hidup kita sehari-hari, misalnya minyak tanah, bensin, solar dan lain-lainnya yang disebut minyak bumi. Disamping itu juga terdapat unsur-unsur kimia yang berguna bagi manusia seperti bijih besi, nikel, tembaga, uranium, titanium, timah dan masih banyak lagi, beserta mineral dan batu-batuan. Salah satu zat yang terdapat di dalam bumi yang sangat berguna bagi manusia ialah air dengan rumus kimianya H2O, sebab tanpa air manusia sukar sekali mempertahankan kehidupannya. Mineral adalah suatu bahan yang banyak terdapat di dalam bumi, yang mempunyai bentuk dan ciri-ciri khusus serta mempunyai susunan kimia yang tetap. Sedangkan batu-batuan merupakan gabungan antara dua macam atau lebih mineral-mineral dan tidak mempunyai susunan kimia yang tetap. Bijih ialah mineral atau batu-batuan yang mengandung satu macam atau beberapa macam logam dalam prosentase yang cukup banyak untuk dijadikan bahan tambang. Banyaknya logam yang terkandung dalam bijih itu berbeda-beda. Logam dalam keadaan murni jarang sekali terdapat di dalam bumi, kebanyakan merupakan senyawa-senyawa oksida, sulfida, karbonat, dan sulfat yang merupakan bijih logam yang perlu diproses menjadi bahan logam yang bermanfaat bagi manusia

Pengertian Dapur Tinggi  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 bahanbergerak ke bawah pada bagian tanur. Produk dari dapur tinggi biasanya berupa logam cair dan terakfase 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,.

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

Bahan utama dalam proses Dapur tinggi

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%.

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. 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 lebih cepat, sehingga kebutuhan kokas berkurang.

Struktur Alat Dapur Tinggi

Dapur tinggi terbuat dari susunan batu tahan api yang diperkuat dengan tiang-tiang baja. Dalam dapur tinggi akan terjadi proses reduksi 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 DAPUR TINGGI Dapur tinggi tersebut dapat berukuran : 30 m

Garis tengah maksimum                        : 7 m

Garis tengah puncak                             : 4,5 m

Garis tengah bawah                              : 4 m 

Dapur tinggi didirikan  diatas fondasi yang 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.

Pengisian Bahan

  Bahan-bahan yang akan diisikan ke dalam dapur tinggi ialah : bijih besi, kokas, dan batu kapur. 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 diisikan bijih besi  3 m3 , dan seterusnya secara bergantian sehingga pengisian bahan akan berlangsung secara terus menerus.  

cara kerjanya Dapur Tinggi 1. Pemanasan pendahuluan

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. Proses reduksi

Dalam daerah reduksi yaitu daerah dapur tinggi dan suhu berkisar 800oC – 1400oC, 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 + CO2

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 + CO2

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. Proses Peleburan

Pada daerah hentian suhu mencapai 1400oC – 1600oC. Disini akan terjadi peleburan hasil reduksi tak langsung dan juga terjadi pembentukan 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 ---- Fe + CO

Pembentukan terak CaO + SiO2 ---- 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 dari kokas, silisium (Si), mangan (Mn) dan Phospor (P) yang berasal dari bijih besi.

Proses Kimia dalam Dapur Tinggi Operasi dapur tinggi modern secara ringkas sbb: Pada waktu bijih-bijih besi, bahan bakar dan tambah dimasukkan kedalam dapur,partama-tama dihilangkan kelembaban dan kadar air pada daerah suhu 200-30o°C.

Dengan meningkatnya suhu, terjadinya reaksi tak langsung terhadap bijih-bijih besi dengan reaksi sbb:

1 3 Fe2O3 + CO -> 2 Fe3O4 + CO2

2 2 Fe2O3 + 6CO -> 4 Fe + 6 CO2

Pada 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 bijih-bijih besi sbb :

4 Fe2O3 + C -> 2 FeO + CO

5 Fe3O4 + C -> 3 FeO + CO

Pada 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 800°C. dan dolomit pada suhu 1075OC dengan reaksi :

 

6 CaCO3 -> CaO + CO2 MgCO3 -> MgO + CO2

Sementara 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 + 2CO

b. MnO + C -> Mn + CO

c. P205 + 5C -> 2P + 5CO

d. FeS + CaO + C -> CaS + Fe + CO

8 Ca3PO4 + 3SiO2 + 5CO -> 3CaSiO3 + 5CO + 3Fe3P

Didekat tuyer (Lubang tiup) ada hembusan udara panas yang mongenai kokas terjadi reaksi sbb:

9 2C + O2 -> 2CO

Sehingga 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.

Hasil Produk Dari Pengolahan Dapur Tinggi

Produk 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 putih

Berwarna 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).

Kesimpulanbijih besi adalah bahan baku pembuatan besi yang dapat berupa

senyawa oksida, karbonat, dan sulfida serta tercampur sengan unsur lain misalnya silikon. Bijih besi diolah dalam tanur atau dapur tinggi untuk menghasilkan besi kasar. Besi kasar adalah bahan baku untuk pembuatan besi cor (cast iron), besi tempa (wrought iron), dan (baja (steel). Ketigaa macam bahan itu banyak dipakai dalam bidang teknik.

Dapur tinggi pada diletakkan di dekat daerah penyimpanan atau pengadaan bahan yang akan diolah, seperti 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. Dapur tinggi terdiri dari kerangka baja yang terdiri tegal lurus dan mendekati bentuk silinder. Dapur itu mempunyai tinggi sekitar 30 meter dan diameter sekitar 6 meter. Pada bagian dalam dapur disediakan batu tahan api dan dilengkapi dengan alat pemasukan bahan – bahan pada bagian atas, sedangkan pada bagian bawah terdapat tempat pengumpulan besi dan terak cair. Pemanfaatan hasil produk dalam dunia teknik antara lain :plat baja, ,mur baut, poros engkol, batang torak, roda gigi, palu/martil, alat-alat penjepit/klem, untuk membuat pegas, pahat potong, pegas, gergaji, martl, bantalan, peluru

SEKIAN DAN TERIMA KASIH