BIJI BESI
Biji atau bijih besi adalah cebakan yang digunakan untuk membuat besi gubal.Bijih besi adalah batuan yang mengandung mineral-mineral besi dan sejumlah mineralgangue seperti silika, alumina, magnesia, dan lain-lain. Biji besi terdiri atas oksigen dan atom besi yang berikatan bersama dalam molekul. Besi sendiri biasanya didapatkan dalam bentuk magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3), goethit, limonit atau siderit. Bijih besi biasanya kaya akan besi oksida dan beragam dalam hal warna, dari kelabu tua, kuning muda, ungu tua, hingga merah karat.
Besi merupakan unsur kuat golongan VIII B yang mempunyai nomor atom 26. Dan besi bisa setiap kali kita lihat di mana-mana dalam kehidupan sehari-hari.Saat ini, cadangan biji besi nampak banyak, namun seiring dengan bertambahnya penggunaan besi secara eksponensial berkelanjutan, cadangan ini mulai berkurang, karena jumlahnya tetap. Sebagai contoh, Lester Brown dari Worldwatch Institute telah memperkirakan bahwa bijih besi bisa habis dalam waktu 64 tahun berdasarkan pada ekstrapolasi konservatif dari 2% pertumbuhan per tahun.
Besi diperoleh dengan mengolah biji besi menjadi besi kasar. Biji besi diperoleh dari alam dalam bentuk oksida besi. Pengolahan biji besi dilakukan untuk mengurangi oksigen, sehingga disebut proses reduksi. Biji besi yang ditemukan di alam mempunyai berbagai bentuk.
Proses Reduksi Langsung (Direct Reduction)
Bijih besi merupakan bahan baku utama dalam pembuatan logam-besi. Untuk mendapatkan logam-besi tersebut, bijih besi yang masih dalam bentuk oksida harus melalui suatu tahapan tertentu. Tahapan tersebut dibutuhkan untuk melepaskan sejumlah oksigen yang terikat pada bijih besi sehingga pada akhirnya yang tersisa pada bijih besi tersebut hanya Fe dalam bentuk logamnya. Adapun untuk melepas
oksigen yang terikat pada bijih besi dibutuhkan suatu reduktor. Reduktor yang dapat digunakan dapat berupa C, CO atau H2 seperti yang ditunjukkan pada reaksi berikut [Ross., 1980]:
3Fe2O3 + C → 2Fe3O4 + CO ΔG0
1273 = -73 Kkal...(1) 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 ΔG0
1273 = -24,19 Kkal ...(2) 3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O ΔG0
1273 = -25,72 Kkal ...(3)
Ketika suatu reduktor direaksikan secara langsung dengan bijih besi, maka reaksi disebut reduksi langsung. Sebaliknya jika suatu reduktor tidak secara langsung direaksikan dengan bijih besi maka reaksi disebut reduksi tidak langsung [Biswas., 1981]. Persamaan (1), (2) dan (3) merupakan contoh persamaan reduksi langsung.
Salah satu contoh persamaan reduksi tidak langsung adalah reduksi bijih besi dengan reduktor batubara. Dikatakan sebagai reduksi tidak langsung karena batubara akan melalui gasifikasi terlebih dahulu sebelum bertindak sebagai reduktor. Adapun yang sebenarnya menjadi reduktor adalah gas CO hasil gasifikasi batubara. Untuk lebih jelasnya diperlihatkan pada reaksi berikut [Rosenqvist., 1983]:
C + O2→ CO2 ΔG0
1273 K = - 94,45 Kkal...(4) CO2 + C → 2CO ΔG0
1273 K = -12,41 Kkal ...(5) 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 ΔG0
1273 K = -24,19 Kkal ...(6)
Gas CO pada persamaan reaksi (6) merupakan hasil penggabungan reaksi 4 dan 5 (reaksi gasifikasi batubara) sehingga reaksi (6) disebut reduksi tidak langsung.Dalam perkembangan selanjutnya istilah reduksi langsung menjadi lebih umum digunakan sebagai suatu teknologi pembuatan besi spons. Adapun besi spons digunakan sebagai salah satu bahan baku pada industri baja yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas baja yang dihasilkan [Ross., 1980]. Proses reduksi langsung didefinisikan sebagai suatu proses menghasilkan besi-metal dengan mereduksi bijih besi ataupun bentuk senyawa oksida lainnya dibawah temperatur lebur setiap material yang terlibat di dalamnya [Feinman., 1999]. Hasil proses reduksi langsung disebut dengan DRI (Direct Reduction Iron), karena hasilnya masih dalam bentuk padatan dan secara fisik pada permukaannya terlihat rongga-rongga atau porositas maka disebut juga dengan besi spons.
Secara umum teknologi proses reduksi langsung terbagi menjadi tiga kategori yaitu [Sibakin.,1980]:
1. Teknologi dengan penggunaan reduktor padat dalam granular bed. 2. Teknologi dengan penggunaan reduktor gas dalam granular bed. 3. Teknologi dengan penggunaan reduktor gas dalam fluidizedbed.
Dalam penelitian ini teknologi proses reduksi langsung yang akan dilakukan adalah mengikuti kategori pertama yaitu dengan menggunakan batubara sebagai reduktornya.
Proses reduksi tidak langsung(Indirect Reduction)
Proses ini dilakukan dengan menggunakan tungku pelebur yang disebut juga tanur tinggi ( blast furnace ). Biji besi hasil penambangandimasukkan ke dalam tanur tinggi tersebut dan di dalam tanur tinggi dilakukan proses reduksi tidak langsung yang cara kerjanya yaitubahan bakar batu bara yang telah dikeringkan (kokas) dengan kandungan karbon (C) diatas 80%, tidak hanya berfungsi sebagai bahan bakar, tetap juga berfungsi sebagai pembentuk gas CO yang berfungsi sebagai reduktor. Untuk menimbulkan proses pembakaran makake dalam tanur tersebut ditiupkan udara dengan menggunakan blower, sehingga terjadi proses oksidasi sebagai berikut :
2C + O2 2CO + Panas
Gas CO yang terjadidapat 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 (impurity) 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 di dalam logamcair. Karena berat jenis terak lebih rendah dari berat jenis cairan besi maka terak tersebut berada dipermukaan logam cair sehingga dapat dikeluarkan melalui lubang terak.
Bentuk Biji Besi
1. Berbentuk batu :
Batu besi merah ( Fe2O3), disebut hematit, mengandung kadar besi 45% - 65%, sedikit phosphor dan berwarna merah.
Batu besi magnit (Fe3O4), mengandung kadar besi 40% - 70%. Kandungan Phosphor hampir tidak ada, warna hijau tua kehitaman dan bersifat magnet, mengandung pasir besi titan (TiO2) 95 - 11%.
Batu besi sawo matang (Fe2O3.3H2O) mengandung kadar besi 25% - 50%, mengandung phosphor dan air.
2. Berbentuk pasir :
Pasir besi titan (TiO2) yang mengandung oksida besi Fe33O4 kira-kira 70% dan bercampur dengan oksida titan (Ti2O2) 9% - 10%.
3. Berbentuk butiran halus campur tanah liat :
Pasir besi spat (Fe.CO3) atau disebut (sperosiderit) dengan kandungan besi 40% bercampur dengan tanah liat. Pasir besi spat ini mengandung karbon 10% - 25%.
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 di sebut 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%.
Pengolahan Biji Besi
Biji besi umumnya disertai batu pengering yang terdiri dari silikat atau aluminat. Batu pengiring (kotoran) perlu dipisahkan dengan dicuci pada saluran goyang kemudian dihaluskan dengan proses pemecah secara bertingkat. Pemecahan diawali dengan proses ”breaking” menggunakan hammer mill yang mampu mereduksi dimensi bijih besi dari 300 – 1500mm menjadi 100 – 200mm, dilanjutkan dengan proses ”crushing” menggunakan gyratori mill yang mampu mereduksi dimensi bijih besi hingga 10mm dan terakhir proses ”grinding” menggunakan ball mill yang menghasilkan butiran bijih besi berukuran 0,005 – 0,15mm.
Butiran halus bijih besi kemudian dilewatkan pada roda magnetik untuk memisahkan bijih besi yang mengandung kadar Fe tinggi dengan yang berkadar Fe rendah. Bijih besi yang mengandung kadar Fe tinggi kemudian disinter untuk mengurangi kadar air, karbon dan zat asam lainnya. Serbuk dicampur dengan serbuk arang kayu atau serbuk kokas, dibakar dalam dapur berputar. Disini terjadi reduksi tidak sempurna, biji besi setengah meleleh. Akibat dapur berputar akan terbentuk gumpalan berukuran kira-kira 30 – 60mm yang disebut sinter.
Bahan-Bahan Yang Diperlukan Pada Proses Pengolahan Biji Besi 1. Biji besi yang telah diselesaikan (dipecah, dibuat sinter, briket). 2. Bahan bakar
a. Arang kayu
Kerugian : panas pembakarannya rendah 300 k.cal/Kg, tidak keras, tidak berpori-pori, maka hanya untuk dapur tinggi 17 M.
b. Kokas
Kokas diperoleh dengan membakar tidak sempurna dari batu bara. Kokas yang baik harus dipilih yang keras, besar dan berpori-pori.
Keuntungan : jumlahnya banyak, mudah panas pembakaran tinggi 8000 kcal/kg.
3. Batu tambahan
Gunanya untuk mengambil P dan S dari besi dan menghindarkan oksidasi. Umumnya digunakan CaO atau CaCO3. Dalam dapur tinggi batu akan mencair dan menjadi terak. Berat jenis terak < berat jenis besi cair, sehingga butiran-butiran besi terbungkus oleh terak dan terapung di atas cairan besi. Dengan demikian cairan besi dapat dihindarkan dari oksidasi. Lain daripada itu, semua kotoran dapat diserap oleh terak, sehingga besi cair bersih.
4. Udara
Untuk mengadakan pembakaran dan pembentukan CO sebagai bahan reduksi biji besi diperlukan udara yang banyak sekali. Oksigen yang murah terdapat dalam udara. Untuk kapasitas 300 ton besi kasar diperlukan kira-kira 300 ton kokas, 800 ton biji besi, 106 M3 udara. Agar bahan bakarnya dapat lebih hemat, udara tersebut dipanaskan sampai 900oC dalam pemanas Cowper. Dengan cara ini dapat dihemat bahan bakar 20%.
