Besi-Baja

Besi dalam bentuk senyawanya Fe2O3 (hematite), Fe2O3.H2O (limonit), Fe3O4 (magnetic), FeCO3(siderite), dan FeS2 (pirit).

Elemen berikut ini selalu ada dalam baja: karbon,mangan, fosfor, sulfur, silikon, dan sebagian kecil oksigen, nitrogen dan aluminium. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi bergeser pada kisi kristal (crystal lattice) atom besi.Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle) serta menurunkan keuletannya (ductility).

Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi bergeser pada kisi kristal (crystal lattice) atom besi.mampu menjalani reaksi-reaksi kimia seperti reaksi SUBSTITUSI (pergantian), reaksi ADISI  (penambahan), reaksi ELIMINASI (pengurangan). CARBON pada baja adalah sebagai LEM  atau zat perekat dan mempunyai sifat cukup TAHAN GESEK terhadap benda atrasip ( tanah  yang berpasir dan tidak mengandung silicon ). 

Baja pada dasarnya ialah besi (Fe) dengan tambahan unsur Karbon ( C ) sampai dengan 1.67% (maksimal). Bila kadar unsur karbon (C) lebih dari 1.67%, maka material tersebut biasanya disebut sebagai besi cor (Cast Iron).

 Iron diekstraksi dari bijih besi dengan menghilangkan atom oksigen dan kemudian menggabungkannya kembali dengan atom lain seperti karbon. Proses ini disebut smelting.

Besi berdasarkan kadar carbonnya:

1. Besi Tuang, yaitu besi yang dihasilkan dari tanur tinggi. Sifat besi tuang antara lain:

a. Mengandung 3%-6% karbon serta sejumlah kecil silicon, mangan , fosfor, dan belerang.

b. Sangat keras tetapi rapuh.

c. Tidak dapat ditempa

d. Titik leleh rendah.

Berdasarkan sifat ini, besi tuang mudah digunakan pada alat-alat yang dibuat dengan 

cetakan, seperti kaki mesin jahit, setrika, lumpang besi , dan sebagainya. Karena titik lelehnya 

rendah maka mudah dicairkan dan dituangkan ke dalam cetakan.

2. Besi Baja

Sifat besi baja antara lain:35

Page 

| 35

a. mengandung 0.02%-1.5% karbon.

b. keras tetapi dapat ditempa

c. tahan korosi

3. Besi tempa

Sifat besi tempa, antara lain:

a. mengandung kurang dari 0.5% karbon.

b. kurang keras dan mudah ditempa.

Jenis besi ini banyak digunakan sebagai bahan baku untuk produk paku, kawat, besi beton, dan sebagainya.

Besi dihasilkan dari oksida besi (Fe2O3), melalui reaksi reduksi dengan karbon monoksida pada suhu relatif tinggi (>15000C). Reduksi berlangsung beberapa tahap, dan reaksi yang terlibat bersifat reversible, di mana kesetimbangan bergantung pada tekanan relatif dari CO dan CO2 dalam tanur tinggi.

Proses Pengolahan Besi

Secara umum proses pengolahan besi dari bijihnya dapat berlangsung dengan urutan sebagai berikut:
a.Bahan – bahan dimasukkan ke dalam tanur melalui bagian puncak tanur.
Bahan – bahan ini berupa:
1.)Bahan utama yaitu bijih besi yang berupa hematit (Fe2O3 ) yang bercampur dengan pasir (SiO2) dan oksida – oksida asam yang lain (P2O5 dan Al2O3). Batuan – batuan ini yang akan direduksi.
2.)Bahan – bahan pereduksi yang berupa kokas (karbon).
3.)Bahan tambahan yang berupa batu kapur (CaCO3) yang berfungsi untuk mengikat zat – zat pengotor.
b.Udara panas dimasukkan di bagian bawah tanur sehingga menyebabkan kokas terbakar.
C(s) + O2(g) CO2(g) DH = - 394 kJ
Reaksi ini sangat eksoterm (menghasilkan panas), akibatnya panas yang dibebaskan akan menaikkan suhu bagian bawah tanur sampai mencapai 1.900o C.
c.Gas CO2 yang terbentu kekmudian naik melalui lapisan kokas yang panas dan bereaksi dengannya lagi membentuk gas CO.
CO2(g) + C(s) 2 CO(g) DH = +173 kJ
Reaksi kali ini berjalan endoterm (memerlukan panas) sehingga suhu tanur pada bagian itu menjadi sekitar 1.300o C.
d.Gas CO yang terbentuk dan kokas yang ada siap mereduksi bijih besi (Fe2O3). Reuksi ini dapat berlangsung dalam beberapa tahap, yaitu:
1.)Pada bagian atas tanur, Fe2O3 direduksi menjadi Fe3O4 pada suhu 500o C.
3 Fe2O3(s) + CO(g) 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
2.)Pada bagian yang lebih rendah, Fe3O4 yang terbentuk akan direduksi menjadi FeO pada suhu 850o C.
Fe3O4(s) + CO(g) 3 FeO(s) + CO2(g)
3.)Pada bagian yang lebih bawah lagi, FeO yang terbentuk akan direduksi menjadi logam besi pada suhu 1.000o C.
FeO(s) + CO(g)  Fe(l) + CO2(g)
e.Besi cair yang terbentuk akan mengalir ke bawah dan mengalir di dasar tanur.
f.Sementara itu, di bagian tengah tanur yang bersuhu tinggi menyebabkan batu kapur terurai menurut reaksi:
CaCO3(s)  CaO(s) + CO2(g)
g.Kemudian di dasar tanur CaO akan bereaksi dengan pengotor dan membentuk terak (slag) yang berupa cairan kental. Reaksinya sebagai berikut:
CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l)
3 CaO(s) + P2O5(g)  Ca3(PO4)2(l)
CaO(s) + Al2O3(g)  Ca(AlO2)2(l)
h.Selanjutnya, besi cair turun ke dasar tanur sedangkan terak (slag) yang memiliki massa jenis lebih rendah daripaba besi cair akan mengapung di permukaan dan keluar pada saluran tersendiri.

Pyrometallurgy

Mitsubishi Proses di Gresik dengan 3 furnace yaitu: Pada Smelting furnace, yang dimasukkan adalah konsentrat kering, flux berupa pasir silikat, batubara, slag hasil converting furnace dan recycling dust. Semuanya dimasukkan dengan sistem pneumatic conveying. Konsentrat dengan komposisi Cu: 30%, S: 30%, Fe: 25%, Gangue minerals 15% akan dimasukkan kedalamnya melalui apa yang disebut lance pipe. Lance pipe ini berguna pula untuk memberikan semacam aliran kuat yang mengakibatkan molten metal akan seperti teraduk secara alamiah. Pada proses di smelting furnace, konsentrat tadi akan teroksidasi dan melting dengan reaksi eksotermik. Reaksi eksotermik akan menghasilkan panas nantinya akan dikumpulkan dan akan dijual dalam bentuk uap.  Molten metal yang masih tercampur dengan slag akan di transfer ke furnace selanjutnya, yaitu Slag Cleaning furnace.

Proses pada Slag Cleaning furnace adalah molten metal berisi matte dan slag ditransfer dari Smelting furnace melalui launder akan dipanaskan oleh dua buah set elektroda. Dengan proses yang terjadi, maka matte yang disana mengandung Cu sebanyak 68% akan terpisah dengan slag dengan memanfaatkan prinsip perbedaan berat jenis. Slag akan overflow,  kemudian akan dikirrim ke industri semen sebagai bahan campuran pembuatan semen. Sedangkan matte akan berlanjut ke converting furnace melalui launder.

Ada hal yang perlu diperhatikan di slag cleaning furnace, yaitu kita harus menjaga agar tidak terbentuknya Fe3O4. Terbentuknya Fe3O4 akan mengakibatkan terbentuknya lapisan diantara slag dengan matte. Lapisan Fe3O4 mengakibatkan matte tidak dapat terpisah menjadi underflow. sehingga  molten metal yang berasal dari Smelting furnace akan ikut terbuang akibat adanya lapisan itu. Pada Converting furnace, matte yang dialirkan melalui launder dari slag cleaning furnace akan dicampur dengan limestone dan slag hasil converting furnace akan direaksikan dengan udara yang kaya oksigen. Dari hasil reaksi itu akan menghasilkan blister copper dengan kandungan 98.5% Cu dan slag yang mengandung 14% Cu. Blister copper akan terpisah berdasarkan prinsip perbedaan berat jenis. Blister copper akan diteruskan ke anode furnace dengan mengunakan system switching launder. Dan slag akan dikembalikan ke proses smelting furnace untuk diolah kembali.

Pada proses smelting, concentrate yang dimasukkan adalah konsentrat kering. Untuk membuat konsentrat kering, pada PT. Smelting Gresik terdapat Concentrat dryer, dimana medianya juga ada yang berasal dari hasi lain proses pengolahan seperti hot air hasil dari acid plant, dan gas buangan darianode furnace. Keduanya ditambah oleh natural gas sebagai media untuk mengeringkan konsentrat. Pada concentrate dryer terdapat bag filter yang fungsinya untuk menangkap dust yang nantinya berguna untuk proses pengolahan di smelting furnace.
Kemudian, slag-slag yang dihasilkan juga tidak dibuang begitu saja, pada proses mitshubishi, ada 2 kali proses yang menghasilkan slag, yaitu Slag cleaning furnace dan Converting furnace. Keduanya keluar dengan cara overflow akibat perbedaan berat jenis. dan setelah keluar dari furnace, keduanya akan diproses granulasi di slag granulation. Dan nantinya slag dari smelting furnace akan di kirim ke industri semen, sedangkan slag converting furnace  akan diolah kembali di smelting furnace.

Proses pada anode furnace, dimana  material input berupa blister copper yang ditransfer menggunakan launder yang switching. Pada anode furnace, proses yang terjadi pada blister adalah oksidasi dan reduksi. Proses ini bertujuan agar terproduksi refinery copper yang akan siap di casting pada proses selanjutnya. Proses oksidasi terjadi dengan meniup udara dan oksigen pada furnace ini dan bertujuan untuk mengurangi kadar sulfur hingga 0.05%, sedangkan proses reduksinya dengan cara meniupkan agen pereduksi adalah bertujuan untuk mengurangi kadar oksigen sampai angka 0.15%.

Dengan banyaknya proses diatas yang menghasilkan gas, maka PT. Smelting Gresik memiliki pengolahan gas hasil dari pengolahan logam. Pada smelting dan converting furnace, ada beberapa pengolahan gas hasil proses. Yang pertama adalah gas akan melewati waste heat boiler, ini bertujuan untuk mengambil panas sehingga menghasilkan uap. Nantinya uap ini akan berada di tangan konsumen. Kemudian gas tersebut akan melewati electrostatic precipitator yang berguna untuk menangkap dust yang terikut ke gas. Kemudian dust ini akan dimasukkan kembali saat smelting furnace. Selanjutnya gas akan di alirkan ke acid plant yang selanjutnya akan diproses menjadi produk yang punya nilai ekonomi yaitu asam sulfat. Sedangkan pada anode furnace, gas pada saat oksidasi akan dikirimkan langsung ke acid plant  untuk dibuat asam sulfat, sedangkan pada proses holding dan reduksi akan dikirim ke concentrate dryer untuk sebagai media mengeringkan konsentrat.

Tahap akhir smelter pada PT Smelting Gresik yang menggunakan metode Mitsubishi process adalah casting. PT Smelting Gresik menggunakan teknologi casting dari inggris yang dinamakan Hazelett Caster. Proses ini berlangsung dalam 2 tahap dimana pertama-tama refined copper akan di tuang secara kontinyu kedalam copper strip oleh sebuah Hazelett Twin Belt Caster. Lalu, continuous copper strip tadi akan dipotong menjadi potongan anoda oleh hydraulic shearing machine. Maka keluarlah hasil smelter PT Smelting Gresik berupa Anoda tembaga. Dan akan dilanjutkan ke proses refining.

Proses akhir dari pengolahan tembaga di PT Smelting adalah proses refinery yang menggunakan ISA Process. Pada proses ini, tembaga hasil dari smelter yaitu berupa anoda akan di elektrorefining dengan proses elektrolisis menggunakan Stainless Steel (SS) Blank sebagai katodanya, sedangkan elektrolitnya adalah CuSO4-H2SO4-H2O. proses ini nantinya diharapkan akan diperoleh katoda tembaga dengan kandungan 99.99% dari anoda yang kandungannya sekitar 99% serta memisahkan logam berhgarga seperti Au Ag dan Pt menjadi Slime. Prinsip prosesnya adalah Anode copper dan SS Blank akan diletakkan di sebuah sel elektrorefining, lalu dialiri arus DC sehingga tembaga pada anoda akan terlarut dan kemudian akan terdeposit ke Katoda. Prosesnya adalah sebagai berikut:

1. Copper anode akan diletakkan diantara SS Blank yang terceelup didalam larutan elektrolit,
2. SS Blank akan ditarik setelah 7 hari untuk mengambil sekitar 50 kg katoda x 2 sisi, lalu dibenamkan kembali hingga hari ke 20 dan diambil hingga 100 kg x 2 sisi per SS blank. Dan setelah 20 hari, anoda diganti dengan yang baru, sedangkan scrap anoda tadi akan dikembalikan ke proses smelter. Dan larutan elektrolit akan dibersihkan kembali.
3. Pelat tembaga yang terdeposit pada SS akan dipisahkan lalu dicuci di CWSM (Cathode Washing and Stripping Machine)
4. Plat Katoda akan dipacking untuk selanjutnya siap di di distribusi ke konsumen.

Tranformasi fasa

Fasa adalah daerah  materi dari suatu sistem  yang secara fisis  dapat dibedakan dari daerah materi yang lain dalam sistem tersebut;  fasa memiliki struktur atom dan sifat, sifat sendiri yang apabila terjadi  perubahan  temperatur,  komposisi,  atau  peubah  thermodinamik  yang  lain, akan berubah  secara kontinyu (tidak berubah  mendadak). Pada  dasarnya  berbagai  fasa  yang  hadir  dalam  suatu  sistem  dapat  dipisahkan secara mekanis.

Transformasi  fasa adalah proses perubahan struktur atau keadaan dari suatu keadaan awal (fasa pertama) menjadi  struktur yang berbeda (fasa selanjutnya) dengan perubahan karakteristik dan sifat yang berbeda.

Sedangkan  Transformasi fasa padat adalah proses perubahan berbagai fase ke fase padat, bisa dengan system  multi-fasa ataupun system satu fasa.

Transformasi fasa dapaat dilakukan  dengan  memvariasikan  temperatur  , komposisi dan tekanan. Perubahan panas yang terjadi bisa dilihat pada diagram fasa.  Namun  kecepatan  perubahan  temperatur  berpengaruh  terhadap perkembangan  pembentukan  struktur  mikro.

Sebagian besar transformasi bahan padat tidak terjadi terus menerus sebab ada hambatan yang menghalangi jalannya reaksi dan bergantung terhadap waktu. Contoh : umumnya transformasi membentuk minimal satu fase baru yang mempunyai komposisi atau struktur kristal yang berbeda dengan bahan induk (bahan sebelum terjadinya transformasi). Pengaturan susunan atom tejadi karena proses difusi.
Secara stuktur mikro, proses pertama yang terjadi pada transformasi fasa adalah nukleasi yaitu pembentukan partikel sangat kecil atau nuklei dari fase baru. Nuklei ini akhirnya tumbuh membesar membentuk fasa baru. Pertumbuhan fase ini akan selesai jika pertumbuhan tersebut berjalan sampai tercapai fraksi kesetimbangan.

Fraksi transformasi , y di rumuskan:

Laju transformasi , r diambil pada waktu  ½  dari proses berakhir :

t 5,0  = waktu  ½ proses

Laju transformasi , r terhadap jangkauan temperatur dirumuskan :

R = konstanta  gas

T = temperatur mutlak

A = konstanta , tidak tergantun waktu.

Q = Energi aktivasi untuk reaksi tertentu