Metalurgi adalah ilmu
pengetahuan dan teknologi logam, pengolahan dari bijihnya, pemurnian, serta
studi sifat maupun penggunaannya. Namun demikian, dalam kesempatan ini hanya
dipelajari pemurnian logam hasil pengolahan dari bijihnya.
Prosedur pengolahan logam
dari bijihnya melewati tiga tahap yang umum yaitu pemekatan bijih, ekstraksi
logam dari bijihnya termasuk reduksi logam, dan pemurnian (refining) logam.
Berikut penjelasannya :
1. Pemekatan
bijih
Pada tahap ini mineral
yang berharga dipisahkan semaksimal mungkin dari batu-batuan yang tidak
diinginkan. Biasanya hari ini dilakukan dengan penggerusan bijih menjadi
pecahan-pecahan yang lebih kecil, kemudian pemisahan dapat dilakukan dengan
metode flotasi (flotation). Menurut
metode ini, bijih gerusan halus dimasukkan kedalam sebuah tangki yang
berisi
air, agen pelengket, seperti minyak tusam (pine
oil), yang akan membasahi mineral
pembawa logam tetapi tidak membasahi partikel-partikel batu silikat yang tak
diinginkan, agen aktif permukaan, dan mungkin juga agen pembuih. Agen aktif
permukaan berfungsi seperti molekul sabun atau detergen yang memiliki satu
ujung polar yang dapat diadsorbsi pada permukaan mineral dan satu ujung
hydrofobik (hidrokarbon) yang dapat ditarik kedalam gelembung membawa mineral
ke dalam buih (busa). Campuran kemudian diaduk dengan kuat, dan arus udara
disemprotkan dengan kuat ke dalam tanki sehingga partikel mineral terbawa ke
permukaan oleh gelembung udara sebagai buih dan selanjutnya dapat dipisahkan.
Sebagian besar batu-batuan yang tak diinginkan tenggelam kedasar tanki.
Gambar
2.1. Proses pemekatan
dengan flotasi.
2. Ektraksi
Ektraksi logam dari
bijih pekat melibatkan proses reduksi logam dari tingkat oksidasi positif
menjadi logam bebas. Sebelum reduksi, biasanya diperlukan beberapa perlakuan
lain seperti proses sintering (pelengketan), yaitu suatu pemanasan bijih lembut
tanpa pelelehan untuk memperoleh bijih yang lebih besar ukurannya, atau
calcining (kalsinasi), yaitu suatu pemanasan bijih karbonat atau oksida ntuk
membebaskan gas karbon dioksida, misalnya :
4 FeCO3 (s)
+ O2 (g) 
2 Fe2O3 (s) +
4 CO2 (g)
2 Fe2O3 (s) +
4 CO2 (g)
Selain itu dapat juga
dilakukan roasting (pemanggangan), yaitu suatu proses pemanasan dalam oksigen
atau udara dibawah titik leleh bijih yang bersangkutan yang biasanya dilakuakn
pada bijih sulfide untuk memperoleh oksidanya, misalnya :
2 PbS (s) +
3 O2 (g) 2 PbO (s) + 4 SO2 (g)
2 PbO (s) + 4 SO2 (g)
Kedua proses tersebut
pada dasarnya dilakuakn untuk memperoleh bijih oksidanya. Proses untuk
ekstraksi, reduksi dan pemurnian logam secara umum, dibagi dalam tiga macam
metalurgi yaitu pirometalurgi, elektrometalurgi, dan hidrometalurgi.
3. Pemurnian
Logam
pemurnian logam kasar
sangat penting ditinjau dari dua aspek. Pertama, adanya pengotor mungkin
mengakibatkan logam yang bersangkutan tidak dapat dimanfaatkan sesuai dengan
yang diinginkan, misalnya adanya arsenic dalam persentase yang sangat kecil
saja sebagai pengotor umumnya dalam tembaga, mengakibatkan penurunan sifat
konduktivitas listrik 10-20% kedua, adanya pengotor dalam logam itu sendiri
mungkin sangat berharga, misalnya timbel dan tembaga.
Metode untuk pemurnian
logam kasar meliputi pemurnian (1) elektrolitik misalnay untuk tembaga, (2)
oksidasi pengotor yang harus dipisahkan, misalnya untuk besi, atau (3)
distilasi logam dengan titik didih rendah seperti untuk raksa, zink dan nikel,
(4) pemurnian zona (zone refining).
Pemurnian zona
merupakan teknik pemurnia logam dengan hasil kemurnian yang sangat tinggi.
Teknik ini berdasarkan pada kenyataan bahwa pengotor lebih mudah larut dalam
fase cairan daripada fase padatan. Dalam proses ini batangan logam yang akan
dimurnikan dilewatkan secara perlahan kedalam kumparan pemanas listrik yang
mengakibatkan logam meleleh dan pengotor larut didalam fase lelehan logam.
Batangan logam bergerak terus maju dan ketika keluar dari kumparan pemanas maka
bagian ujung luar menjadi dingin dan segera memadat kembali, sedangkan pengotor
akan tetap tertinggal larut dalam zona pelelehan didalam kumparan pemanas.
Karena batangan logam bergerak maju terus maka batangan yang keluar dari kumparan
menjadi beku-murni dan semakin panjang, sehingga pada akhirnya sebagian besar
pengotornya terkumpul pada bagian ujung belakang, dan ini dapat dipisahkan
dengan pemotongan.
2.1
Jenis-Jenis
metalurgi
1.
Pirometalurgi
melibatkan reksi kimia
yang dilaksanakan pada temperature tinggi. Misalnya dalam smelting (peleburan
atau pelelehan), redusi mineral menghasilkan lelehan logam yang dapat
dipisahkan dari batuan yang tak diinginkan. Dlam proses reduksi ini biasanya
dipakai karbon atau logam lain. Oksida-oksida hasil pemanggangan bijih sulfide
atau hasil kalsinasi bijih karbonat tersebut umumnya direduksi dengan peleburan
oleh karbon, menurut persamaan reaksi :
ZnO (s) + C (s)
Zn (s) + CO (g)
Zn (s) + CO (g)
Biasanya, pemekatan
bijih tidak sampai memisahkan secara sempurna batu-batuan pengotor yang tak
diinginkan dari mineralnya. Batu-batuan pengotor dipisahkan dalam proses
peleburan dengan penambahan pereaksi fluks untuk menghasilkan slag (terak atau
ampas bijih) yang berupa cairan pada temperature proses dalam tungku. Sebagian
besar slag adalah silikat, misalnya :
SiO2 (s) + CaCO3 (s) CaSiO3 (l) + CO2 (g)
CaSiO3 (l) + CO2 (g)
Batuan pengotor fluks slag
Lelehan logam dan slag
membentuk lapisan yang terpisah dalam tungku sehingga dapat dipisahkan. Slag
dapat dipadatkan sebagai massa mirip gelas untuk dibuang atau dipakai pada
pembuatan semen Portland. Metode pirometalurgi diterapkan untuk produksi
tembaga, zink, dan besi.
Adapun contoh dari pirometalurgi adalah
sebagi berikut :
a. Tembaga
Pada mulanya, bijih
tembaga dipekatkan dengan penggerusan, kemudian dipanggang dan dilebur dalam
proses multitahap yang memisahkan besi dan tembaga sulfide yang sebagian besar
ada dalam bijih tembaga (kalkosit-Cu2S, kalkopirit-CuFeS2).
Bijih pertama-tama dipanggang untuk membebaskan sebagian belerang sebagai
belerang dioksida dan belerang trioksida. Kemudian pemanasan dalam tungku
dengan fluks silica akan mengubah oksida-oksida besi dan beberapa besi belerang
menjadi ampas (slag), dan menghasilkan campuran lelehan tembaga sulfide dan
besi sulfide dengan ampas besi silikat terapung di atas. Beberapa persamaan
reaksi yang penting dalam proses ini adalah :
FeS2 (l) +O2
(g) FeS (l) + SO2 (g)
FeS (l) + SO2 (g)
3 FeS (l) +
5 O2 (g) Fe3O4 (l) + 3 SO2
(g)
Fe3O4 (l) + 3 SO2
(g)
2 CuFeS2 (l)
+ O2 (g) Cu2S (l) + 2 FeS (l)
+ SO2 (g)
Cu2S (l) + 2 FeS (l)
+ SO2 (g)
Fe3O4
(l) + FeS (l) + 4 SiO2 + O2 (g) 4 FeSiO3 (l) + SO2 (g)
4 FeSiO3 (l) + SO2 (g)
ampas
besi silikat
Campuran lelehan
sulfide dibawa ketangki pengubah (conventer) untuk dilebur dengan silika
bersama oksigen yang ditiupkan melalui campuran. Dibagian ini sisa besi
dipisahkan sebagai ampas besi silikat dan langkah terakhir adalah reduksi
menjadi logam tembaga. Persamaan reaksinya adalah :
2 Cu2S (l)
+ 3 O2 (g) 2 Cu2O (l) + 2 SO2
(g)
2 Cu2O (l) + 2 SO2
(g)
2 Cu2O (l)
+ Cu2S (l) 6 Cu (l) + SO2 (g)
6 Cu (l) + SO2 (g)
Gas belerang dioksida merupakan produk pencemar, oleh
karena itu diusahakan untuk dihilangkan dengan oksidasi katalitik menjadi asam
sulfat via belerang trioksida, atau dengan mengalirkan gas ini melalui bara
karbon hingga terjadi reduksi menjadi belerang.
SO2 (g) + 2 C
(s) S (l) + 2 CO (g)
S (l) + 2 CO (g)
Tembaga yang diperoleh
dari peleburan bijih sulfide belum murni dengan pengotor utama adalah perak,
emas, zink, timbel, arsenic, belerang, tembaga (I) oksida dan sedikit ampas.
Dengan pemanasan lelehan logam tak murni ini dengan arus udara, sebagian besar
arsenic dan belerang diubah menjadi oksidanya yang mudah menguap. Pengotor yang
lain dihilangkan melalui proses pemurnian secara elektrolisis seperti pada
gambar 2.4. Batang-batang tembaga kasar dipasang sebagai anode dalam sel elektrolisi
dan lempengan tembaga murni sebagai katode dan elektrolitnya adalah campuran
asam sulfat encer, natrium klorida, dan tembaga (II) sulfat. Dengan mengontrol
secara hati-hati voltase arus listrik yang digunakan hanya tembaga dan pengotor
logam yang lebih elektropositif (bisi, zink, timbel) dalam anode yang
teroksidasi dan larut. Logam pengotor yang kurang elektropositif (perak, emas)
tidak terpengaruh dan jatuh dari anode yang mengalami disintegrasi. Jika
terjadi oksidasi terhadap perak, maka Ag akan diendapkan sebagai AgCl. Proses
seperti ini mampu menghasilkan tembaga dengan kemurnian > 99,9 %.
b. Zink
Bijih Zink yang paling
umum adalah sfalerit atau zinkblende, ZnS dan smitsonit, ZnCO3.
Lainnya adalah zinkit, ZnO dan franklinite, (Zn,Mn)O. nFe2O3,
dengan rasio Zn, Mn, dan Fe2O3 bervariasi. Titik didih
zink yang rendah (907oC) memungkinkan dapat dilakukan distilasi
terhadap lelehan bijih zink yang sering diikuti distilasi lanjut untuk pemurnian
logam zink. Metalurgi bijih franklinite sangat menarik, karena pada reduksi
pada temperature tinggi menghasilkan zink, mangan dan besi. Zink dapat
dipisahkan dengan distilasi sedangkan campuran mangan-besi dapat langsung
dijadikan logam paduan atau baja.
Sebagaian besar, bijih
zink dipanggang untuk mengubah sulfida menjadi oksidanya, kemudian dilanjutkan
dengan reduksi pada temperature tinggi dengan karbon untuk menghasilkan logam
zink yang kemudian dikondensasi dan dimurnikan. Persamaan reaksinya adalah :
ZnO (s) + C (s)
Zn (s) + CO (g)
Zn (s) + CO (g)
Logam zink juga dapat
diekstrak menurut proses hidrometalurgi. Sebagai contoh, larutan zink sulfat
dapat diperoleh secara peluluhan dengan asam sulfat dan oksigen pada bijih
sulfide yang telah dipanggang sebelumnya. Persamaan reaksinya adalah :
2 ZnS (s) +
O2 (g) + 2 H2SO4 (aq) ZnSO4 (aq) + 2 S (s) + 2
H2O (l)
ZnSO4 (aq) + 2 S (s) + 2
H2O (l)
Debu zink kemudian
diaduk bersama dalam larutan zink sulfat untuk mereduksi dan mengendapkan
logam-logam yang lebih mudah tereduksi daripada zink. Larutan kemudian disaring
dan dielektolisis untuk menghasilkan logam zink murni.
2.
Elektrometalurgi
merupakan suatu proses
reduksi mineral atau pemurnian logam menggunakan energy listrik. Natrium dan
aluminium diproduksi menurut elektrometalurgi.
a. Natrium
merupakan logam alkali
yang paling dibutuhkan untuk keperluan industry. Sperti logam-logam alkali yang
lain, natrium tidak ditemukan dalam keadaan murni di alam karena reaktivitasnya
yang sangat tinggi. Logam putih keperakan ini dalam pabrik biasanya diproduksi
secara elektrometalurgi menurut proses Downs (gambar 2.2) yaitu denagn
mengelektrolisis lelehan natrium klorida (titik leleh 801oC)
Elektrolisis ini
dikerjakan dalam sebuah sel silindrik dengan anode grafit dipasang ditengah
(sentral) dan katode baja dibuat mengelilingi anode. Untuk menurunkan suhu
elektrolisis, ditambahkan kalsium klorida (titik leleh 600oC)
sebagai campuran. Campuran 33% CaCL2 – 67% NaCl ternyata mempu
menurunkan titik leleh menjadi 580 oC. Kedua elektroda dipisahkan
dengan diafragma ayakan baja silindrik sehingga lelehan natrium yang terbentuk
mengapung pada bagian atas katode dan tidak bersentuhan dengan gas klorin yang
terbentuk pada ruang anode. Natrium cair yang mengandung ~0,2%logam kalsium
didinginkan hingga 110oC agar logam kalsium memadat dan terkumpul
didasar wadah sehingga natrium cair dapat dipompa kedalam wadah pencetak dingin
tempat logam natrium memadat. Persamaan reaksi elektrolisisnya adalah :
Katode : 2 Na+(NaCl) + 2e 
2 Na (l)
2 Na (l)
Anode : 2 Cl- (NaCl)
Cl2 (g) + 2e
Cl2 (g) + 2e
b. Aluminium
Logam aluminium juga
diproduksi secara elektrometalurgi. Sumber utama aluminium berasal dari mineral
bauksit yaitu suatu hidrat aluminium oksida, Al2O3.nH2O.
Bauksit berisi sebagian besar silica, SiO2, dan besi (III) oksida,
Fe2O3 dan keduanya ini harus dipisahkan. Pemurnian
bauksit dolakukan dengan proses Bayer yang berdasarkan pada perbedaan sifat
asam-basa dari oksida-oksida yang bersangkutan. Oksida aluminium bersifat
amfoterik, besi (III) oksida bersifat basa, dan silica realtif inert atau
sedikit asam. Bijih bauksit digerus dengan larutan panas natrium hidroksida
dengan tekanan tinggi untuk melarutkan aluminium oksida menjadi garam kompleks
tetrahidroksoaluminat (III), Na[Al(OH)4] menurut persamaan reaksi :
Al2O3 (s) + 2
NaOH (aq) + 3 H2O (l) 2 Na[Al(OH)4] (aq)
2 Na[Al(OH)4] (aq)
Besi(III) oksida dan
material lain sebagai pengotor yang tak larut dapat dipisahkan dengan
penyaringan. Filtratnya kemudian diencerkan dengan air dan didinginkan sehingga
diperoleh endapan aluminium hidroksida, endapan ini kemudian dipisahkan dengan
penyaringan dan diubah menjadi aluminium oksida anhidrat dengan pemanasan,
menurut persamaan reaksi :
2 Na[Al(OH)4]
(aq) 2 Al(OH)3 (s) + 2 NaOH (aq)
2 Al(OH)3 (s) + 2 NaOH (aq)
2 Al(OH)3 (s)
Al2O3 (s) + 3
H2O (g)
Al2O3 (s) + 3
H2O (g)
Larutan natrium
hidoksida yang diperoleh dapat dipekatkan dan digunakan lagi.
Logam aluminium,
selanjutnya diperoleh dari oksidanya secara elektolisis menurut metode yang
dikenal sebagai proses Hall. Dalam proses ini, sel elektrolisis (Gambar 2.3)
berupa bak-kotak yang dibuat dari baja yang pada bagian dalamnya dilapisi
dengan karbon sebagai katode, dan batang-batang karbon sebagai anode dipasang
berjajar didalam bak, tercelup didalam elektrolit lelehan kriolit, Na3AlF6
yang mempunyai titik leleh ~1000oC, dan Al2O3
terlarut didalamnya. Proses elektolisis ini berlangsung pada temperatur tinggi,
~1000oC. Selama elektrolisis, ion Al3+ dari oksidanya
bermigrasi kekatode kemudian direduksi menjadi logam cair yang akan mengumpul
pada bagian dasar sel. Ion O2- bermigrasi keanode dan selanjutnya
dioksidasi menjadi gas oksigen. Gas oksigen yang terbentuk bereaksi dengan
anode karbon sehingga anode karbon akan semakin berkurang dan harus diganti
secara periodik. Elektrolit [AlF6]3- tidak tereduksi
karena mempunyai stabilitas yang sangat tinggi. Dengan proses ini dapat
diperoleh aluminium dengan kemurnian 99,0-99,9%.
3.
Hidrometalurgi
merupakan istilah umum untuk suatu
proses yang melibatkan air dalam ekstraksi dan reduksi logam. Dalam proses
peluluhan atau pelumeran, logam atau senyawanya terlarut dan lepas dari
bijihnya atau langsung keluar dari endapan bijihnya oleh air, sehingga
terbentuk larutan logam tersebut dalam air. Larutan ini dapat dimurnikan dan
setelah itu, senyawa logam murni dapat direduksi langsung menjadi logamnya,
sedangkan jika yang terbentuk berupa endapan dapat dipisahkan dengan
penyaringan. Larutan hasil peluluhan sering dapat diregerasi dan dipakai
kembali untuk proses peluluhan. Tembaga dapat diluluhkan oleh asam sulfat
bersama oksigen, dan emas oleh larutan sianida bersama oksigen menurut
persamaan reaksi berikut :
2 CuFeS2 (s)
+ H2SO4 (aq) +4 O2 (g)
bijih tembaga larutan peluluh
2
CuSO4 (aq) + Fe2O3 (s) + 3 S (s) +
H2O (l)
4 Au (s) + 8
CN- (aq) + O2 (g) + H2O (l)
bijih emas larutan
peluluh
4 [Au(CN)2]- (aq)
+ 4 OH- (aq)
Setelah larutan ion
logamnya terbentuk, lalu ion logam tersebut direduksi dengan logam lain yang
lebih reaktif atau dengan pereduksi lain. Untuk kedua ion logam diatas, dipakai
masing-masing logam besi dan zink sebagai reduktor menurut persamaan reaksi :
CuSO4 (aq) +
Fe (s) FeSO4 (aq) + Cu (s)
FeSO4 (aq) + Cu (s)
2 [Au(CN)2]-
(aq) + Zn (s) 2 Au (s) + [Zn(CN)4]-
(aq)
2 Au (s) + [Zn(CN)4]-
(aq)
Hidrometalurgi
memberikan beberapa keuntungan :
1. bijih
tidak harus dipekatkan, melainkan hanya dihancurkan menjadi bagian-bagian yang
lebih kecil
2. pemakaian
batubara dan cokas pada pemanggangan bijih dan sekaligus sebagai reduktor dalam
jumlah besar dapat dihilangkan
3. polusi
atmosfer oleh hasil samping pirometalurgi sebagai belerang dioksida, arsenic
(III) oksida, dan debu tungku dapat dihindarkan
4. untuk
bijih-bijih peringkat rendah , metode ini lebih efektif.
2.2
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 hydrogen 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) 
Fe2+ (aq)
+ HCO32- (aq)
Fe2+ (aq)
+ HCO32- (aq)
4 Fe2+ (aq)
+ 4 HCO32- (aq) + O2 (g) 2 Fe2O3 (s) + 8 CO2
(g) + 4 H2O (l)
2 Fe2O3 (s) + 8 CO2
(g) + 4 H2O (l)
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 mengndung silica, dewasa ini penggunaannya
sebagai sumber besi di Amerika mengalami kenaikan. Bijih ini benar-benar sanagt
keras dan sulit ditangani, namun penelitian metalurgi telah berhasil mengatasi
sebagian besar problem yang dihadapi.
Dalam penggunaanya
sebagai bahan untuk berbagai keperluan, seperti mesin-mesin industry, otomotif
dan sebagainya, besi tidak cukup kuat sehingga perlu dicampur dengan materi
lain dalam bentuk paduan. Salah satu paduan yang dikenal dengan nama baja
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 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 srbagai peralatan-peralatan dapur. Baja stainless merupakan baja medium yang
mengandung lebih dari 4% kromium.
a. 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 didalam 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.
Campuran menjadi lebih
panas secara perlahan dengan semakin menurunnya ke posisi dasar tanur. Uap air
pertama-tama akan terdesak keluar, 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 silicon 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.
Proses reduksi bersifat
dapat dibalik/reversible, dan reduksi sempurna hanya terjadi jika karbon
dioksida yang terbentuk dihilangkan. Hal ini dapat dilakukan dengan penambahan
kokas berlebihan yang akan mereduksi karbon dioksida menjadi karbon monoksida.
b. Preparasi
baja
Besi gubal hasil
pengolahan tanur tinggi mengandung sedikit karbon, belerang, fosfor, silicon,
mangan, dan pengotor lain. Pada tingkat ini besi bersifat sedemikian rapuh
sehingga belum dapat dimanfaatkan. Preparasi besi adalah proses reduksi, tetapi
preparasi baja 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
silicon didalam lelehan besi gubal
diubah oleh udara atau oksigen menjadi oksidanya yang kemudian bereaksi dengan
fluks yang sesuai menjadi ampas. Belerang masuk kedalam 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, biasannya yaitu silicon dioksida, yang akan menghasilkan
mangan silikat dengan persamaan reaksi sebagai berikut :
MnO (s) +
SiO2 (s) MnSiO3 (l)
MnSiO3 (l)
Jika pengotor utama
adalah silicon atau fosfor (kasus yang lenih 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)
MgSiO3 (l)
P4O10
(s) + 6 CaO (s) 2 Ca3(PO4)2 (l)
2 Ca3(PO4)2 (l)
Tanur preparasi baja
biasanya dilapisi denga batu-batu yang terbuat dari material fluks, dan lapisan
ini menyerap bagian oksida yang harus dipisahkan.
c. Perlakuan
pemanasan baja
Pada temperatur tinggi,
besi dan karbon bergabung membentuk besi karbida (Fe3Cl) yang
disebut sementit. Reaksinya bersifat reversible dan endotermik, berbeda dengan
sebagian besar reaksi penggabungan lainnya yang bersifat eksotermik :
3 Fe (s) + C
(s) + panas 
Fe3C (s)
Fe3C (s)
Dengan demikian, stabilitas sementit
bertambah dengan naiknya temperature, paling tidak ada rentang temperature yang
terlibat pada pemanasan baja. Apabila baja sementit didinginkan secara
perlahan, keseimbangan reaksi begeser kearah 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 temperature 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
memalui pemanasan yang sesuai dalam waktu yang pendek kemudian diikuti dengan
pendinginan mendadak.
2.3
Paduan
Logam (ALOI)
Kombinasi
dua jenis logam atau lebih disebut aloi atau paduan logam. Apabila leburan dari
dua macam atau lebih logam dicampur atau leburan suatu logam dicampur dengan
unsur-unsur nonlogam kemudian campuran yang terjadi didinginkan maka akan
diperoleh suatu padatan. Padatan tersebut mungkin merupakan suatu senyawa
ionik, campuran sederhana, atau aloi (alloy). Kemungkinan mana yang akan
terjadi tergantung pada sifat kimia serta ukuran relatif dari atom- atom
unsur-unsur yang dileburkan. Aloi dapat terbentuk apabila dalam padatan yang
diperoleh atom-atom yang ada tidak saling bereaksi serta tidak sekedar
bercampur satu dengan yang lain dan masih menunjukkan sifat-sifat sebagai
logam. Aloi disebut juga dengan lakur atau paduan. Aloi dapat merupakan larutan
zat padat (solid solution) dengan komposisi
yang bervariasi atau suatu senyawa antarlogam (intermetallic compound) dengan komposisi dan struktur internal
tertentu. Aloi yang merupakan larutan zat padat ada dua macam, yaitu aloi
selitan (interstitial alloy) dan
aloi substitusi (substitution alloy).
2.4
Jenis-Jenis
Aloi
Sebagaimana
telah dijelaskan bahwa di dalam kristal logam yang atom-atomnya membentuk
susunan rapat heksagonal atau susunan rapat kubus terdapat tempat selitan
tetrahedral dan tempat selitan oktahedral. Dalam kristal logam yang atom-atomnya
membentuk susunan kubus berpusat badan atau susunan yang lain juga terdapat
tempat-tempat selitan. Jumlah tempat selitan tersebut adalah banyak sekali.
Atom logam yang lain atau altom nonlogam yang ukurannya sama atau lebih kecil
dari ukuran tempat selitan yang ada dapat menempati tempat selitan terebut
sehingga terbentuk aloi selitan. Ditempatinya tempat-tempat selitan oleh
atom-atom logam atau oleh atom-atom nonlogam yang ukurannya sama atau lebih
kecil dianggap tidak merubah struktur dari atom-atom kristal logam murninya.
Apabila perbandingan
jari-jari atom unsur yang dipadukan dengan jari-jari atom logam murni berkisar
antara 0,225 - 0,414 maka atom-atom dari unsur yang dipadukan akan menempati
tempat selitan tetrahedral. Apabila perbandingan jari-jari atom unsur yang
dipadukan denagn jari-jari atom logam murni berkisar antara 0,414 -0,732 maka
atom-atom dari unsur yang dipadukan akan menempati tempat selitan oktahedral.
Atom hidrogen karena ukurannya relatif kecil dapat menempati tempat selitan
tetrahedral, akan tetapi atom-atom kecil yang lain seperti boron, karbon, dan
nitrogen cenderung menempati tempat selitan oktahedral.
Aloi
selitan ada dua macam yaitu aloi selitan acak (random) dan aloi selitan
teratur. Pada aloi selitan acak atom-atom dari unsur yang dipadukan mengisi
tempat-tempat selitan pada logam induk secara acak, sedangkan pada aloi selitan
teratur atom-atom dari unsur yang dipadukan mengisi tempat-tempat selitan pada
logam induk secara teratur dan berulang (periodik). Salah satu model susunan
atom-atom pada aloi selitan acak dan aloi selitan teratur diberikan pada gambar
berikut:
Aloi
selitan acak diperoleh apabila leburan aloi didinginkan secara cepat. Untuk
memperoleh aloi selitan teratur perlu pendinginan leburan aloi secara lambat.
Hubungan antara keteraturan susunan atom-atom dalam aloi dengan waktu
pendinginan leburan aloi dapat dianalogikan dengan pembentukan susunan
mahasiswa yang akan mengikuti tes. Biasanya pada waktu tes mahasiswa tidak
boleh duduk berdampingan. Sering kali pengisian tempat duduk dengan pola
kosong-isi-kosong-isi. Seandainya ada 50 mahasiswa yang mengikuti tes dan
mereka hanya diberi waktu satu menit untuk membentuk susunan
kosong-isi-kosong-isi, maka susunan tersebut cenderung sulit untuk dibentuk.
Berbeda halnya bila mereka diberi waktu 5 menit untuk mengatur diri, maka
susunan yang diharapkan cenderung lebih mudah terbentuk.
Komposisi
dari aloi selitan yang diperoleh tergantung pada banyaknya tempat selitan yang
ditempati oleh atom-atom dari unsur yang dipadukan, sehingga sifat fisik dari
aloi selitan yang diperoleh adalah bervariasi. Secara umum sifat fisik dari
aloi selitan adalah sebagai berikut:
1.
Struktur kristal dari logam induk pada
aloi sama seperti struktur logam dalam kristal murinya seperti ditunjukkan pada
gambar diatas
2.
Dapat menghantarkan panas dan listrik.
3.
Lebih keras tetapi lebih rapuh
dibandingkan logam murniya.
4.
Lebih sulit ditempa atau diregangkan
dibandingkan logam murniya.
5.
Massa jenisnya lebih tinggi dibandingkan
massa jenis logam murniya.
6.
Titik leburnya relatif lebih tinggi
dibandingkan titik lebur logam murninya.
Kereaktifan
logam dalam aloi selitan cenderung lebih rendah dibandingkan kereaktifan logam
murninya. Hal ini disebabkan karena tertutupnya sebagian permukaan dari logam
murni oleh atom-atom unsur yang dipadukan. Aloi borida, karbida, dan nitrida
cenderung bersifat lembab (inert). mempunyai titik lebur yang sangat tinggi dan
keras sekali.
Aloi
besi dan karbon adalah penting untuk membuat baja karbon. Pada aloi ini atom-atom
besi membentuk susunan kubus berpusat badan (bcc). Atom-atom karbon yang
dipadukan menempati sebagian tempat selitan oktahedral yang terdapat pada
susunan tersebut. Baja karbon mengandung 0,2 sampai 1.6% atom C. Baja karbon
ada tiga kategori yaitu baja karbon rendah, sedang dan tinggi. Baja karbon
rendah mengandung atom karbon sampai 0,25%; baja karbon sedang mengandung 0,25
sampai 0,45% atom karbon, baja karbon tinggi mengandung 0,45 sampai 1,6% atom
karbon. Baja karbon semakin keras dan semakin kuat dengan bertambahnya
persentase atom C, akan tetapi semakin sulit ditempa atau diregangkan.
Massa
jenis aloi selitan selalu lebih besar dibandingkan massa jenis logam murninya
karena beberapa tempat selitan yang semula kosong terisi oleh atom dari unsur
yang dipadukan. Massa jenis aloi selitan semakin besar dengan bertambahnya
persentase tempat selitan yang terisi oleh atom dari unsur yang dipadukan.
2.
Aloi
Substitusi
Pada
aloi substitusi atom-atom dari unsur yang dipadukan menggantikan sebagian atom-atom
dari logam murni. Aloi substitusi terjadi apabila ukuran dari atom-atom unsur
yang dipadukan lebih besar dari ukuran tempat selitan tetrahedral dan tempat
selitan oktahedral yang ada di dalam kristal logam murninya. Ada dua macam aloi
substitusi yaitu aloi substitusi acak (random substitutional alloy) dan aloi
substitusi teratur (ordered substitusi alloy) atau kisi super (superlattice).
Pada aloi substitusi acak atom-atom dari unsur yang dipadukan menggantikan
posisi dari sebagian atom-atom logam murninya secara tidak teratur, sedangkan
pada aloi substitusi teratur atom- atom dari unsur yang dipadukan menggantikan
posisi dari sebagian atom- atom logam murninya secara teratur dan periodik.
Seperti
halnya pada pembuatan aloi selitan, aloi substitusi acak diperoleh apabila
leburan aloi didinginkan secara cepat. Untuk memperoleh aloi substitusi
teratur perlu pendinginan leburan aloi secara lambat.
Aloi
substitusi dari dua macam logam atau lebih dapat terbentuk dengan rentangan
komposisi tertentu atau dengan segala komposisi. Aloi dengan segala komposisi
terbentuk apabila logam-logam yang dipadukan dapat membentuk larutan zat padat
(solid solution) dengan sembarang komposisi.
Menurut Hume dan Rothery aloi substitusi
dengan segala komposisi dapat terjadi antara dua macam logam apabila tiga
syarat di bawah terpenuhi yaitu:
(1) Perbedaan jari-jari
atom logam yang dipadukan tidak lebih dari 15%.
(2)
Dua logam yang dipadukan memiliki struktur kristal yang sama.
(3) Dua logam yang
dipadukan memiliki sifat kimia, khususnya elek- tronvalensi
yang sama.
Aloi
substitusi dengan segala komposisi dapat terbentuk antara logam emas dan
tembaga karena dua logam tersebut memiliki struktur kristal yang sama (ccp),
elektron valensi yang sama (keduanya golongan 11 atau IB) dan perbedaan
jari-jari atomnya adalah kurang dari 12,5% .
Tembaga dan nikel juga dapat membentuk aloi substitusi dengan segala komposisi
karena dua logam tersebut memiliki struktur kristal yang sama (ccp),
keelektropositifan yang hampir sama (perbedaan keelektronegatifannya kecil, χCu
~ 2,00; χNi = 1,91) dan perbedaan jari-jari atomnya hanya 2,4% .
Apabila
satu, dua, atau tiga persyaratan di atas tidak terpenuhi maka dua logam yang
dipadukan hanya dapat membentuk aloi substitusi dengan rentangan komposisi
tertentu. Dalam hal ini ada kecenderungan bahwa rentangan komposisi yang
diperoleh semakin kecil dengan semakin banyaknya persyaratan yang tidak
terpenuhi.
Zink
(Zn) dan tembaga (Cu) hanya dapat membentuk aloi yang disebut a-kuningan
(a-brass) dengan komposisi maksimal atom zink 38%. Hal ini terjadi karena
keduanya memiliki struktur kristal yang berbeda (Zn mengadopsi susunan hcp, Cu
mengadopsi susunan ccp) meskipun perbedaan jari-jari atomnya hanya 7,03%. Rumus
dari a- kuningan adalah Cu1-x, Znx (0<x< 38%) dan
struktur kristalnya sama dengan struktur kristal tembaga.
Timah
(Sn) dan timbel (Pb) membentuk aloi substitusi dengan rumus Pb1-x vSnx
( 2 < x < 63%). Sn dan Pb hanya membentuk aloi substitusi dengan
rentangan komposisi tertentu karena struktur kristal keduanya berbeda (Sn
mengadopsi struktur intan, Pb mengadopsi susunan ccp) meskipun keduanya
memiliki elektron valensi yang sama dan perbedaan jari-jari atom hanya 8,02%.
Aloi dari Sn dan Pb dengan komposisi atom Sn sekitar 30% disebut solder.
Nikel
(Ni) dan titanium (Ti) membentuk aloi yang disebut nitinol. Nitinol memiliki
sifat yang istimewa karena dapat mengingat bentuknya semula sehingga seringkali
disebut aloi yang memiliki ingatan. Bentuk asli yang dapat diingat oleh nitinol
diperoleh dengan memanaskan aloi nikel dan titanium pada temperatur 500 sampai
550°C selama sekitar satu jam dan setelah itu aloi tersebut dibiarkan mengalami
pendinginan. Pada temperatur rendah aloi tersebut adalah cukup lunak sehingga
mudah dibengkokkan atau ditekuk sehingga bentuknya berubah dari bentuk aslinya.
Pada waktu dihangatkan aloi tersebut kembali ke bentuk aslinya. Nitinol
ditemukan pada tahun 1960 oleh William J. Buchler, seorang insinyur metalurgi
pada Naval Ordnance Laboratory di White Oak, Maryland USA. Nama nitinol diambil
dari nikel, titanium dan Naval Ordnance Laboratory. Nitinol memiliki banyak
kegunaan, seperti untuk bingkai (frame) kacamata. Dalam bidang kedokteran
nitinol dapat digunakan untuk membuat kawat perapi gigi (brace), dan untuk
mengganti persendian tulang paha yang rusak.
Aloi
substitusi yang mengandung lebih dari dua macam logam juga dapat terbentuk.
Alnico misalnya, merupakan aloi yang digunakan untuk membuat magnet pada
pengeras suara karena memiliki sifat magnetik yang permanen. Alnico merupakan
aloi dari lima macam logam yaitu Al (8%), Ni (14%), Co (24%), Cu (3%), dan Fe
(51%).
Di
samping aloi selitan dan aloi substitusi, ada juga aloi yang merupakan
gabungan dari aloi
selitan dan aloi substitusi. Salah satu contohnya adalah
baja tahan karat (stainless Steel). Aloi ini
terdiri atas besi, karbon, kromium
(18-20%) dan nikel (8-12%). Pada baja tahan karat atom
karbon menempati
sebagian tempat selitan oktahedral yang ada, sedangkan atom kromium dan
nikel
menggantikan sebagian posisi dari atom-atom besi.
Baja
tahan karat mungkin juga mengandung unsur lain selain kromium dan nikel.
Beberapa unsur yang terdapat pada baja tahan karat beserta fungsinya diberikan
pada Tabel berikut:
|
Logam
|
Persentase
yang ditambahakan
|
Pengaruh
pada sifat baja yang diperoleh
|
|
Tembaga
|
0,2-1,5
|
Meningkatkan
ketahanan terhadapa korosi
|
|
Nikel
|
0,1-1
|
Memberikan
permukaaan yang bagus
|
|
Niobium
|
0,02-0,12
|
Meningkatkan
kekuatan regang
|
|
Nitrigen
|
0,03
|
Meningkatkan
kekuatan
|
|
Mangan
|
0,2-1,6
|
Meningkatkan
kekuatan
|
|
Vanadium
|
Sampai 0,2
|
Meningkatkan
kekuatan
|
Beberapa
unsur logam yang terdapat pada baja taha karat beserta fungsinya
(Dikutip
dari Shriver&Atkins: 2006,82)
Beerapa aloi
yang penting secara komersial
|
Nama Umum
|
Logam Induk
|
Komposisi
(Persen massa)
|
Sifat
|
Contoh
Kegunaan
|
|
Alnico
|
Fe
|
Al(8), Ni(14), Co(24), Cu(3), dan fe(51)
|
Magnetik
|
Magnet
|
|
Amalgam gigi
|
Hg
|
Hg(50), Ag(35), dan Sn (15)
|
Mudah dibentuk
|
Pengisi
gigi berlubang
|
|
Baja Invar
|
Fe
|
Fe(64),
Ni(36), dan C(0,5)
|
Memiliki koefisien
muai yang kecil
|
Meteran, pita
pengukur
|
|
Baja Karbon
|
Fe
|
Fe(98,4-99,8)
dan C(0,2-1,6)
|
Keras
|
Kerangka
Bangunan
|
|
Baja Kecepatan
Tinggi
|
Fe
|
Fe(80-86), W
(14-20) dan C(0,5)
|
Sifatnya tidak
berubah pada kecepatan tinggi
|
Alat pemotong
dengan kecepatan tinggi
|
|
Baja Mangan
|
Fe
|
Fe(82-90), Mn
(10-18) dan C(0,5)
|
Keras dan
tahan bebam
|
Rel kereta
api, kendaraan tempur
|
|
Baja Nikel
|
Fe
|
Fe(96-98), Ni
(2-4) dan C(0,5)
|
Keras,
elastis, dan tahan korosi
|
Kabel, roda
gigi
|
|
Baja Silikon
|
Fe
|
Fe(5-99), Si
(1-5) dan C(0,5)
|
Keras, kuat,
dan bersifat magnetik
|
Magnet
|
|
Duriron
|
Fe
|
Fe(84), Si
(145), C(1) dan Mn(1)
|
Tahan korosi
dan tahan asam
|
Pipa, ceret,
dan kondensor
|
|
Emas 10 karat
|
Au
|
Au(42),
Ag(12-20), dan Cu(38-46)
|
Tahan lama
|
Perhiasan
|
|
Emas 18 karat
|
Au
|
Au(75),
Ag(10-20), dan Cu(5-15)
|
Tahan lama
|
Perhiasan
|
|
Gunmetal
|
Cu
|
Cu(88),
Sn(10), dan Zn(2)
|
Tahan benturan
dan tekanan
|
Laras senapan,
bagian dari mesin
|
|
Kuningan
|
Cu
|
Cu(67-90), dan
Zn (10-33)
|
Mudah
direnggangkan
|
Pipa
|
|
Lead shot
|
Pb
|
Pb (99,8) dan
As (0,2)
|
Keras dan
tahan korosi
|
Selongsong
peluru
|
|
Magnalium
|
Al
|
Al (70-90),
dan Mg(10-30)
|
Massa jenisnya
rendah
|
Badan pesawat
terbang
|
|
Monel
|
Ni
|
Ni(60-70),
Cu(25-35), Fe dan Mn dengan persentase yang bervariasi
|
Tahan korosi
|
Peralatan,
bagian dari mesin
|
|
Nikrom
|
Ni
|
Ni (60),
Fe(25), dan Cr(15)
|
Memiliki daya
tahan yang tinggi
|
Kabel listrik
|
|
Pelat baterei
timbel
|
Pb
|
Pb (94) dan
Snb(6)
|
Cukup tahan
korosi
|
Baterei
|
|
Perak Jerman
(albata)
|
Cu
|
Cu(60),
Zn(25), dan Ni(15)
|
Tahan korosi
|
Teko, keran
|
|
Perak solder
|
Ag
|
Ag(63),
Cu(30), dan Zn(7)
|
Titik lebur
yang tinggi
|
Solder dengan
titik lebur tinggi
|
|
Perak Streling
|
Ag
|
Ag(92,5) dan
Cu (7,5)
|
Berkilau
|
Perhiasana
|
|
Perunggu
|
Cu
|
Cu(70-95),
Zn(1-25), dan Sn (1-18)
|
Mudah dibentuk
|
Medali, bel
|
|
Perunggu
alumunium
|
Cu
|
Cu (90) dan Al
(10)
|
Kers dan kuat
|
Bak atau rumah
mesin dan batang penghubung
|
|
Pewter
|
Sn
|
Sn ( 70-95),
Sb(5-15), Pb (0-15)
|
Tahan korosi
|
Peralata
makanan dan minum
|
|
Solder
|
Pb
|
Pb (67) dan Sn
(33)
|
Titik lebur
rendah
|
Sambungan
solder
|
|
3AL-2,5V
|
Ti
|
Ti(94,5),
Al(3), dan V(2,5)
|
Kuat dan
ringan
|
Frame sepeda
|
|
Wood’s metal
|
Bi
|
Bi (50),
Pb(25), Sn(13), dan Cd(12)
|
Titik lebur
rendah
|
Sistem
penyairam air otomatis
|
Salah
satu aloi yang banyak digunakan untuk perhiasan adalah emas putih (white gold). Emas putih bukan platina,
emas putih merupakan aloi dari emas dengan nikel atau aloi dari emas dengan
paladium. Emas putih kadang-kadang mengandung unsur logam ylngj lain seperti
perak, tembaga, atau zink dalam jumlah yang kecil. Emas putih memiliki kilau
seperti kilau platina. Sekarang nikel jarang digunakan untuk membuat emas putih karena nikel dapat
memberikan reaksi tertentu pada seseorang yang menggunakan perhiasan dari emas
putih. Emas putih yang banyak digunakan sebagai perhiasan sekarang kebanyakan
merupakan alaoi dari emas dengan perak dan paladiun. Perhiasan yang terbuat
dari emas putih sering kali dilapisi dengan rodium (Rh) untuk menghasilkan
kilau putih yang lebih bagus. Sebagai
pada emas kuning (yellow gold),
kandungan emas pada emas putih juga dinyatakan dengan karat. Kandungan emas
pada emas putih 18 karat adalah sama dengan kandungan pada emas kuning 18
karat.
2.6 Pembuatan Aloi
Aloi dibuat secara komersial
dengan melelehkan logam aktif, kemudian lelehan yang dihasilkan didinginkan (quenching)
dan selanjutnya ditumbuk menjadi bubuk halus. Bubuk ini kemudian
dapat dicadar untuk ukuran partikel tertentu tergantung pada aplikasi yang
digunakan.
Komposisi aloi awal sangatlah
penting karena proses pendinginan menghasilkan berbagai fase yang berbeda-beda
yang memiliki sifat-sifat pelindian (leaching) yang berbeda pula. Selama
proses pendinginan, sejumlah kecil logam dapat ditambahkan. Hal ini dilakukan
untuk meningkatkan aktivitas katalitik.
Adapun
proses paduan logam (aloi) besi, seperti baja. Baja diproduksi dalam dapur
pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas (Skrap) dan
beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembutan baja, diantaranya adalah:
1.
Proses konvertor
Terdiri
dari satu tabung yang berbentuk tabung bulat lonjong denga menghadap kesamping
Sistem
Kerja:
-dipanaskan
dengan kokas sekitar 1500oc
-dimiringkan
untuk memasukkan bahan baku baja (1/8 dari volume konvektor)
-kembali
ditegakkan
-udara
dengan tekanan 1,5-2 atm dihembuskan dari kompresor
-setelah
20-25 menit konvektor dijungkirkan untuk mengeluarkan hasilnya
2.
Proses dalam Dapur Tinggi
Prinsip
dari proses dapur tinggi adalah prinsip reduksi. Pada proses ini zat
karbon
monoksida dapat menyerap zat asam dari ikatan-ikatan besi zat asam pada suhu
tinggi. Pada pembakaran
suhu tinggi +
18000oC dengan udara panas, maka
dihasilkan suhu yang
dapat menyelenggarakan reduksi
tersebut. Agar tidak terjadi pembuntuan karena proses berlangsung maka diberi
batu kapur sebagai bahan tambahan. Bahan tambahan bersifat asam apabila bijih
besinya mempunyai sifat
basa dan sebaliknya
bahan tambahan diberikan yang bersifat basa apabila bijih
besi bersifat asam. Gas yang terbentuk dalam dapur tinggi selanjutnya dialirkan
keluar melalui bagian atas dan
ke dalam pemanas
udara. Terak yang
menetes ke bawah melindungi besi kasar dari oksida oleh
udara panas yang dimasukkan, terak ini kemudian dipisahkan. Proses reduksi di
dalam dapur tinggi tersebut berlangsung sebagai berikut:
Zat
arang dari kokas terbakar menurut reaksi :
C+O2 à CO2
sebagian
dari CO2 bersama
dengan zat arang
membentuk zat yang
berada ditempat yang lebih atas yaitu gas CO.
CO
+ C à 2CO
Di
bagian atas dapur tinggi pada suhu 300
sampai 800 C oksid besi yang lebih
tinggi diubah menjadi
oksid yang
lebih rendah oleh
reduksi tidak langsung dengan
CO tersebut menurut prinsip :
Fe O +
CO à 2FeO+CO
Pada
waktu proses berlangsung muatan turun ke bawah dan terjadi reduksi
tidak
langsung menurut prinsip :
FeO+CO à FeO+CO2
Reduksi ini
disebut tidak langsung
karena bukan zat
arang murni yang mereduksi melainkan
persenyawaan zat arang
dengan oksigen. sEdangkan reduksi langsung terjadi
pada bagian yang
terpanas dari dapur,
yaitu langsung di atas pipa pengembus. Reduksi ini berlangsung sebagai
berikut.
FeO+C à Fe+CO
CO yang
terbentuk itulah yang
naik ke atas
untuk mengadakan reduksi tidak langsung tadi.
Setiap 4
sampai 6 jam
dapur tinggi dicerat,
pertama dikeluarkan teraknya dan baru
kemudian besi. Besi
yang keluar dari
dapur tinggi disebut
besi kasar atau besi
mentah yang digunakan
untuk membuat baja
pada dapur pengolahan baja atau
dituang menjadi balok-balok tuangan yang dikirimkan pada pabrik-pabrik
pembuatan baja sebagai bahan baku. Besi
cair dicerat dan
dituang menjadi besi
kasar dalam bentuk
balok-balok besi kasar yang
digunakan sebagai bahan
ancuran untuk pembuatan
besi tuang (di dalam dapur kubah) atau masih dalam keadaan cair
dipindahkan pada bagian pembuatan baja (dapur Siemen Martin).
Terak
yang keluar dari dapur tinggi dapat pula dimanfaatkan menjadi bahanpembuatan pasir
terak atau wol
terak sebagai bahan
isolasi atau sebagai bahan campuran semen. Besi cair yang
dihasilkan dari proses dapur tinggi sebelum dituang menjadi balok besin
kasar sebagai bahan
ancuran di pabrik
penuangan, perlu
dicampur dahulu di
dalam bak pencampur
agar kualitas dan
susunannya seragam.
Dalam bak pencampur dikumpulkan besi
kasar cair dari bermacam-macam
dapur tinggi yang ada untuk mendapatkan besi kasar cair yang sama
dan merata. Untuk
menghasilkan besi kasar
yang sedikit mengandung belerang
di dalam bak
pencampur tersebut dipanaskan
lagi menggunakan gas dapur tinggi.
3. Proses
dapur cawan
proses kerja dapur cawan dimulai
dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan, kemudian dapur ditutup
rapat, lalu di masukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling dan muatan
dalam cawan akan mencair. baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja
istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan
4.
Proses
dapur kopel
-pemanasan pendahuluan agar
bebas dari uap cair
-bahan bakar (arang kayu dan
kokas) dinyalakan sekitar 15 jam
-kokas dan udara dihembuskan
dengan kecepatan rendah hingga kokas 700-800 mm dari dasar tungku, lalu besi
kasar dan baja bekas kira-kira 10-15% ton/jam dimasukkan
-15 menit baja
cairdikeluarkan dari lubang pengeluaran
Untuk membentuk terak dan
menurunkan kadar P dan S ditambahakan batu kapur (CaCO3 ) dan akan
terurai menjadi:
CaCO3 CaO + CO2
CO2
akan bereaksi dengan karbon:
CO2 + C 2CO
Gas
COyang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk
pembangkit mesin-mesin lain.
Bagi infonya mengenai cara eksttaksi logam antimony dari mineralnya.. saya sangat membutuhkan info tersebut.
BalasHapusBagi infonya mengenai cara eksttaksi logam antimony dari mineralnya.. saya sangat membutuhkan info tersebut.
BalasHapusBagi infonya mengenai cara eksttaksi logam antimony dari mineralnya.. saya sangat membutuhkan info tersebut.
BalasHapus