Sifat, Kegunaan dan Pembuatan Besi Skala Industri

Besi adalah logam kedua yang paling melimpah di kerak bumi (setelah aluminium) dan besi juga paling banyak dibuat paduan dari semua logam lainnya. Bijih besi, yang terutama yang mengandung oksida, direduksi menjadi besi dengan menggunakan karbon (kokas) pada suhu tinggi dalam tanur. Lebih dari 98% dari proses ini langsung digunakan untuk membuat baja sebelum sampai memadat dalam tungku yang dibuat. Sebagian kecil lainnya digunakan sebagai besi cor dan besi tempa.

Penggunaan besi

Sebagian kecil besi digunakan sebagai besi cor. Besi ini merupakan besi yang terdiri dari 92% besi murni dan mengandung karbon (2-5%) yang membuatnya rapuh, dicampur dengan sedikit silikon (1-3%), mangan, fosfor dan sulfur, sebagai impurtis atau pengotor. Besi cor secara tradisional digunakan untuk produk seperti radiator pemanas, perapian, selokan, trotoar dan tiang lampu. Namun, karena kerapuhan dan kecenderungan untuk karat, besi cor telah digantikan dengan bahan yang lain untuk sebagian besar menggunakan ini, meskipun benda besi cor masih dibuat untuk kualitas estetika mereka.

Besi tempa mengandung kurang dari 0,15% karbon dan dibuat dengan mengurangi bijih besi dalam keadaan padat, dan kemudian di palu untuk menghapus terak. Karena besi ini bisa ditekuk dan dipalu untuk dibentuk, maka banya besi ini yang digunakan untuk pintu pagar rumah, furnitur taman dan produk dekoratif lainnya. Sekarang sebagian besar benda-benda tersebut dibuat dari baja, dan besi tempa asli tidak lagi diproduksi dalam jumlah besar.

Pembuatan besi

Besi diproduksi dengan reduksi bijih besi, yang seringkali merupakan campuran oksida, menggunakan karbon, karbon monoksida, dan hidrogen. Proses tanur tiup merupakan proses reduksi bijih besi yang paling sering digunakan, teknologi lainnya hanya digunakan sebagian kecil saja. Ini terkait dengan lokasi di mana ada pasokan gas alam atau tersedianya batubara. Pembuatan besi memiliki dua tahap, persiapan bahan baku, dan reduksi oksida besi menjadi besi.

1. Persiapan bahan baku

Besi adalah salah satu elemen yang paling berlimpah di Bumi dan bijih yang umumnya mengandung oksigen, silikon, mangan, fosfor dan belerang. Mineral utama bijih besi adalah  haematite (Fe2O3) dan magnetit (Fe3O4). Banyak dari bijih ditambang di Australia, Brasil, China, India, Rusia dan Amerika Serikat.

Kebanyakan bijih mengandung lebih dari 60% besi dan mineral lainnya dipisahkan dalam tungku tiup. Bijih yang mengandung yang masih mengsandung mineral-mineral lainnya dihancurkan dan digiling menjadi bubuk dan dipekatkan dengan pengapungan. Kemudian digulung menjadi bola dan dipanaskan dalam tungku untuk menghasilkan pelet seukuran kelereng. Proses ini berlangsung di dekat tambang, agar mengurangi jauhnya jarak transportasi dari bahan limbah (tanah liat dan silikat lainnya).

Kokas atau batu arang yang padat berpori, menyediakan karbon untuk reaksi reduksi dan juga bahan bakar utama yang digunakan dalam tungku. Ini dibuat dipabrik dengan memanaskan batubara pada suhu 1200 K dalam ruang hampa udara hingga 20 jam dalam baterai oven arang. Residu kokas, dan berbagai senyawa volatil buang keluar. Gas yang dihasilkan pada proses ini misalnya gas batubara (terutama karbon monoksida dan hidrogen), dan tar hitam dari yang senyawa yang berguna seperti benzena yang diperoleh pada proses, juga diproduksi. Gas batubara digunakan sebagai bahan bakar di pabrik.

Oksigen diperlukan untuk pembakaran bahan bakar (untuk membuat suhu tinggi) dan juga berperan dalam reaksi tungku. Untuk membantu menjaga suhu tungku, udara dilewatkan melalui pipa yang mengelilingi tungku (bustle pipe0  dan kemudian melalui nozel (tuyeres) ke dalam tungku pada sekitar 1500 K. Sekarang banyak tungku yang menggunakan oksigen diperkaya udara, yang mengurangi jumlah gas yang melewati tungku dan juga memastikan kelengkapan reaksi.

Dalam beberapa tungku, minyak atau gas alam diinjeksikan dengan udara  yang dipanaskan, bahan ini bisa menggantikan hingga kokas atau arang hingga 40%. Ini akan mengurangi ketergantungan pada batubara, selaint itu hasil samping dari tungku ini sulit untuk di jual. Sekarang ini bubuk halus batubara dapat disuntikkan langsung sebagai cairan ke dalam tungku, untuk menghilangkan kebutuhan kokas untuk oven. Beberapa produsen yang bereksperimen dengan menggunakan limbah kayu atau plastik sebagai bahan bakar.

2. Reduksi oksida besi menjadi besi (Tanur Tiup)

Blast furnace atau tanur tiup merupakan mesin pabrik yang besar, bagian yang merupakan silinder baja mempunyai ukuran hingga 30 m, dilapisi dengan batu bata khusus mampu menahan suhu yang sangat tinggi. Ini juga berpendingin air. Titik terluas tungku, perapian di bagian bawah, biasanya dengan diameter 9 m, meskipun bisa lebih besar. Tungku beroperasi kurang lebih atau terus sampai 15 tahun pada tekanan hingga 5 atmosfer, dan suhu internal yang lebih dari 2.000 K. Tungku dapat menghasilkan sebanyak 10 000 ton besi cair per hari, hingga 50 juta ton selama seumur hidup tungku.

Tungku tiup menggunakan baik bijih besi bermutu tinggi atau pelet bijih besi bersama dengan kokas dan batu kapur. Dalam tanur modern, massa masing-masing komponen dan waktu tambahan untuk tungku yang dikendalikan komputer, menanggapi secara otomatis dengan kondisi yang berlaku pada waktu itu di tungku. Komponen yang ditambahkan dalam jumlah kecil setiap 10-15 menit di atas tungku.

Tekanan yang diperbolehkan 1,7 atm untuk dibuat di dalam tungku, akan memberikan pembakaran yang lebih baik dari kokas dan bahan bakar lain dan menghasilkan besi yang yang lebih baik kualitasnya.

Udara  kaya oksigen ditiupkan di dekat bagian bawah, pipa yang dikenal sebagai tuyeres (Gambar 3). Banyak reaksi berlangsung sebagai gas dan membuat jalan mereka ke atas. Kokas bereaksi dengan oksigen dalam ledakan itu untuk membentuk karbon monoksida, sebagai agen pereduksi:

Besi cair berjalan ke bawah dan terkumpul di bagian bawah tungku. Akan turun menyerap karbon, fosfor, sulfur dan sejumlah kecil elemen lain seperti mangan dan silikon dari bijih, kokas dan kapur. Di daerah dari tungku di mana suhu lebih tinggi dari 1150 K kapur terurai menghasilkan kalsium oksida

Kalsium oksida, yang merupakan basa, bereaksi dengan kotoran asam dalam bijih, membentuk terak aluminosilikat. Kalsium oksida juga menyerap adanya belerang dalam berbagai bahan baku. Terak cair berjalan ke bagian bawah tungku, membentuk lapisan di atas besi cair.

Besi cair (mempunyai kemurnian 90-95%, pengotor utama adalah 4% karbon) dan ampas bijih cair dikeluarkan dari tungku melalui lubang tap di dasar tungku.

Biasanya besi cair dikirim langsung ke pengolahan dengan muatan beban 300 ton lapisan di tahan api, transfer ladle berbentuk torpedo.

Terak dipisahkan setiap beberapa jam, didinginkan dan kemudian dikirim untuk perawatan untuk membuat produk olahan seperti semen dan produk isolasi atau yang akan digunakan untuk pembangunan jalan.

Gas yang muncul dari atas tungku mengandung nitrogen, karbon monoksida, karbon dioksida, hidrogen, uap air dan debu. Setelah mengeluarkan debu, gas, dicampur dengan gas alam, digunakan sebagai bahan bakar untuk memanaskan batu bata dikemas menjadi ‘kompor’.

Panas dari kompor ini digunakan untuk memanasi ledakan udara. Langkah-langkah yang hemat energi ini memiliki dampak penting pada ekonomi secara keseluruhan operasi tanur. Langkah-langkah lain termasuk menggunakan peralatn yang kaya oksigen di balst, penggunaan hidrokarbon sebagai bahan bakar tambahan, operasi tungku pada tekanan yang lebih tinggi, meminimalkan penggunaan batu kapur, dan persiapan bahan baku sehingga proses kimia dalam tungku berlangsung lebih cepat dan menggunakan sedikit bahan bakar.