2DASAR - DASAR PENGoLAHAN LoGAM
2.2 Preparasi Logam
2.2.4 Besi dan Baja
Sumber dan penggunaan besi
Seperti halnya tembaga dan zink, besi terdapat di alam sebagai sulfidanya, FeS,.atau Fe2S3. Tetapi, mineral ini tidak dimanfaatkan sebagai bijih karena sisa-sisa kelumit belerang sulit dihilangkan. Hematit, Fe2O3, adalah yang paling tinggi kelimpahannya setelah magnetit, Fe3O4 atau FeO.Fe2O3, dan sangat berharga sebagai bijih karena kandungan besinya yang sangat besar. Seperti dinyatakan oleh namanya, magnetit bersifat tertarik oleh magnet.
Siderit, FeCO3, terdapat dalam berbagai macam tanah, dan mengakibatkan air tanah bersifat sadah karena garam ini dapat terlarut sebagai hidrogen karbonat; tetapi dalam udara terbuka, larutan besi(II) hidrokarbonat teroksidasi menjadi besi(III) oksida yang tak-larut dalam air. Persamaan reaksinya adalah:
FeCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l)l)) Fe2+ (aq) + HCO32- (aq)
Dasar-dasar Pengolahan Logam 5 Hal seperti ini dapat ditemui pada terbentuknya noda coklat dari tetesan air keran yang disebabkan oleh kontak air sadah dengan udara. Bijih takonit, terutama merupakan oksida-oksida besi yang meng- andung silika, dewasa ini penggunaannya sebagai sumber besi di Ameri- ka mengalami kenaikan. Bijih ini benar-benar sangat keras dan sulit dita- ngani, namun penelitian metalurgi telah berhasil mengatasi sebagian be-sar problem yang dihadapi. Dalam penggunaannya sebagai bahan untuk berbagai keperluan, seperti mesin-mesin industri, otomotif, dan sebagainya, besi tidak cukup kuat sehingga perlu dicampur dengan materi lain dalam bentuk paduan. Salah satu paduan yang dikenal dengan nama baja (steel) merupakan paduan antara besi dan karbon atau sedikit logam lain. Sifat baja ini bergantung pada cara peleburannya dan persentase kandungan karbon dan logam lainnya dalam paduan tersebut. Kandungan karbon rendah ~ 0,2 % (baja lembek) memberikan sifat dapat ditempa, dan digunakan pada pembuatan kawat, pipa dan lembaran baja. Baja medium (kandungan karbon 0,2 - 0,6 %) digunakan sebagai rel kereta api, piring didih, dan batangan-batangan kerangka bangunan. Baja karbon tinggi (kandungan karbon 0,6-1,5 %) bersifat keras tetapi kurang ulet dan kurang luwes, banyak digunakan sebagai peralatan-peralatan dapur. Baja Baja stainless merupakan baja medium yang mengandung lebih dari 4 % kromium.
Preparasi besi - Tanur tinggi
Bahan mentah untuk preparasi besi adalah (1) bijih besi yang telah dipekatkan, (2) kokas, dan (3) batu kapur, CaCO3 yang berperan sebagai fluks. Besi kasar (besi gubal - pig iron) diproduksi di dalam tanur tinggi, suatu tanur dengan ketinggian ~ 100 kaki dan diameter 25 kaki yang dilapisi dengan batu bata yang tahan panas.
Campuran bijih besi, kokas, dan batu kapur dimasukkan dari bagian atas tanur (Gambar 2.5). Hembusan kuat (kecepatan ~ 350 mph) udara panas atau oksigen ditiupkan melalui bagian bawah tanur tempat kokas diubah menjadi gas CO yang kemudian berperan sebagai agen pereduksi.
Kimia Anorganik Logam Campuran menjadi lebih panas secara perlahan dengan semakin menurunnya ke posisi dasar tanur. Uap air pertama-tama akan terdesak ke luar, kemudian sebagian bijih mulai tereduksi oleh karbon monoksida. Pada bagian tanur yang lebih panas, proses reduksi bijih menjadi logam besi menjadi sempurna, batu kapur melepaskan CO2 dan bereaksi dengan pengotor-pengotor bijih terutama silikon dioksida tetapi juga oksida-oksida mangan dan fosfor dengan menghasilkan lelehan ampas. Lelehan besi dan ampas keduanya tidak bercampur melainkan membentuk dua lapisan pada dasar tanur. Gambar 2.5 Bagan tanur tinggi pengolahan besi Proses reduksi bersifat dapat balik / reversibel, dan reduksi sempur-na hanya terjadi jika karbon dioksida yang terbentuk dihilangkan. Hal ini dapat dilakukan dengan penambahan kokas berlebihan yang akan me-reduksi karbon dioksida menjadi karbon monoksida.
Dasar-dasar Pengolahan Logam
Preparasi Baja
Besi gubal hasil pengolahan tanur tinggi mengandung sedikit karbon, belerang, fosfor, silikon, mangan, dan pengotor lain. Pada tingkat ini besi bersifat sedemikian rapuh sehingga belum dapat dimanfaatkan. Preparasi besi (ironmaking) adalah proses reduksi, tetapi preparasi baja (steelmaking) adalah proses oksidasi, yaitu mengoksidasi pengotor-pengotor. Dua tujuan utama pada preparasi baja adalah membakar habis pengotor-pengotor yang tidak diinginkan dari besi gubal, dan menambah atau menanamkan sejumlah tertentu logam atau material lain untuk memperoleh sifat-sifat yang diinginkan.
Mangan, fosfor, dan silikon di dalam lelehan besi gubal diubah oleh udara atau oksigen menjadi oksidanya yang kemudian bereaksi dengan fluks yang sesuai menjadi ampas. Belerang masuk ke dalam ampas sebagai sulfidanya, dan karbon terbakar menjadi karbon monoksida atau karbon dioksida. Jika pengotor utama adalah mangan, fluks asam yang harus digunakan adalah oksida nonlogam, biasanya yaitu silikon dioksida, yang akan menghasilkan mangan silikat dengan persamaan reaksi sebagai berikut:
MnO (s) + SiO2 (s) MnSiO3 (l)l))
Jika pengotor utama adalah silikon atau fosfor (kasus yang lebih umum), maka fluks yang harus ditambahkan adalah basa seperti magnesium oksida atau kalsium oksida, sehingga terbentuk silikat ataupun pospat menurut persamaan reaksi:
MgO (s) + SiO2 (s) MgSiO3 (l)l)) P4O10 (s) + 6 CaO (s) 2 Ca3(PO4)2(l)l))
Tanur preparasi baja biasanya dilapisi dengan batu-bata yang terbuat dari material fluks, dan lapisan ini menyerap bagian oksida yang harus dipisahkan.
Perlakuan pemanasan baja
Pada temperatur tinggi, besi dan karbon bergabung membentuk besi karbida (Fe3C), yang disebut sementit. Reaksinya bersifat reversibel
8 Kimia Anorganik Logam dan endotermik, berbeda dengan sebagian besar reaksi penggabungan lainnya yang bersifat eksotermik:
3 Fe (s) + C (s) + panas Fe3C (s)
Dengan demikian, stabilitas sementit bertambah dengan naiknya temperatur, paling tidak pada rentang temperatur yang terlibat pada pemanasan baja. Apabila baja sementit didinginkan secara perlahan, keseimbangan reaksi bergeser ke arah pembentukan besi dan karbon, dan karbon ini terpisah sebagai lapisan tipis grafit yang memberikan warna abu-abu pada baja yang bersangkutan. Tetapi, jika baja didinginkan secara cepat, keseimbangan tidak tercapai dan karbon tetap tinggal dalam bentuk sementit yang berwarna terang. Pada temperatur kamar, sifat dekomposisi sementit sangat lambat dan tidak berpengaruh untuk tujuan-tujuan praktis. Baja yang mengandung sementit lebih keras dan lebih rapuh daripada baja yang mengandung grafit. Kandungan karbon sebagai grafit ataupun sementit dalam baja dapat dimodifikasi melalui pemanasan yang sesuai dalam waktu yang pendek kemudian diikuti dengan pendinginan mendadak.