Pemurnian Logam Fe

Besi merupakan unsur dengan jumlah kelimpahan terbesar ke empat di alam setelah oksigen, silikon dan aluminium. Daftar kelimpahan dapat diamati pada tabel disamping. Di indonesia mineral besi memiliki persebaran di daerah Sulawesi, Sumatera dan Kalimantan.

Besi merupakan unsur dengan jumlah kelimpahan terbesar ke empat di alam setelah oksigen, silikon dan aluminium. Daftar kelimpahan dapat diamati pada tabel disamping. Di indonesia mineral besi memiliki persebaran di daerah Sulawesi, Sumatera dan Kalimantan. Besi merupakan campuran dari 4 isotop stabil yaitu Fe – 54, Fe – 56, Fe – 57, Fe – 58. Kelimpahan isotop Fe di alam adalah Fe – 54 (5.8%), Fe – 56 (91,7%), Fe – 57 (2.2%), Fe – 58 (0.3%). Isotop Fe – 60 merupakan radioaktif yang mempunyai waktu paruh yang panjang (1,5 juta tahun). Besi meupakan unsur yang paling banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari hari. Luasnya pemanfaatan besi ini disebabkan sifat besi yang mudah dibentuk, kuat, dan ulet.

Di Indonesia belum terdapat sarana pemurnian biji besi, pada umumnya perusahaan yang memiliki hak untuk menambang biji besi hanya mengolah biji besi menjadi konsentrat yang kadar kemurniannya rendah. Ada pula perusahaan yang megolah biji besi menjadi baja seperti PT. Krakatau Stell yang berada di Cilegon provinsi Banten.

Kebanyakan besi terdapat dalam batuan dan tanah sebagai oksida besi, seperti oksida besi magnetit (Fe₃O₄) mengandung besi 65 %, hematite (Fe₂O₃) mengandung 60 – 75 % besi, limonet (Fe₂O₃ . H₂O) mengandung besi 20 % dan siderit (Fe₂CO₃). 


Pengolahan Biji besi dengan Tanur Tiup

Pengolahan biji besi dilakukan dengan menggunakan tungku yang disebut tanur tiup   (blast furnance). Seperti yang terlihat pada gambar di samping. Tanur tiup berbentuk silinder raksasa dengan tinggi 30 meter dan diameter bagian tengah sekitar 8 meter.

Bahan baku berupa biji besi yang telah di bersihkan dengan menggunakan teknik crushing, grinding, washing serta screning dimasukkan ke dalam tungku dengan mencampurkan bahan tambahan berupa kokas (C) dan batu kapur (CaCO₃). Kokas berfungsi sebagai bahan bakar sekaligus sebagai penghasil karbon yang digunakan untuk mereduksi besi dari oksida besinya. Batu kapur berfungsi sebagai fluks yaitu bahan yang akan bereaksi dengan pengotor dan akan membentuk terak (slag).

Komposisi bahan – bahan tersebut tergantung pada jumlah pengotor yang terdapat pada biji besi yang akan diolah. Zat pengotor yang terdapat pada biji besi dapat berupa SiO₂ maupun oksida asam seperti P₂O₅ dan Al₂O₃.

Campuran kokas, batu kapur dan bijih besi di masukkan dari atas tanur. Udara panas dialirkan dari dasar tanur membakar kokas menjadi karbon monoksida. Reaksi yang berlangsung antara udara panas dan kokas sebagai berikut:

                                               

2C_(s)  + O_2(g)  à 2CO_(g)  +  Panas    (suhu 2000^oC)

Gas CO dapat menimbulkan reaksi reduksi terhadap bijih yang dimasukkan ke dalam tanur tersebut. Sedangkan panas yang ditimbulkan berguna untuk mencairkan besi yang telah tereduksi tersebut.

Reaksi reduksi yang terjadi antara oksida besi dan gas karbon monoksida adalah sebagai berikut:
Tahap 1 : Fe₂O_3(s) + CO_(g)  à Fe₃O_4(s)  + CO_2(g)  (suhu 250^oC)
Tahap 2 : Fe₃O_4(s)  +  CO_(g)  à  3FeO_(s)  + CO_2(g)  (suhu 600^oC)
Tahap 3 : FeO_(s)  +  CO_(g)  à  Fe_(l)  + CO_2(g)  (suhu 1000^oC)

               

                Reaksi total dapat dituliskan sevagai berikut:

                                    Fe₂O_3(s) + 3CO_(g)  à Fe_(l)  + 3CO_2(g)

Gas CO₂ yang dihasilkan dari peristiwa di atas akan bereaksi dengan kokas berlebih menghasilkan gas CO untuk mereduksi oksida besi berikutnya.  Reaksi antara kokas dan gas CO₂ sebagai berikut:

C_(s)  +   CO_2(g)  à   2CO_(g)   (suhu 1.300^oC)

Batu kapur yang dimasukkan ke dalam tanur akan terurai menjadi CaO dan gas CO­₂ menurut reaksi:

                        CaCO_3(s)  à CaO_(s)  +  CO­_2(g)

Kalsium oksida yang dihasilkan dari penguraian batu kapur akan bereaksi dengan zat pengotor berupa SiO₂ maupun oksida asam seperti P₂O₅ dan Al₂O₃ menurut reaksi:

                        CaO_(s)  + SiO_{2 (s)}  à   CaSiO_3(l)

                        CaO_(s)  + P₂O_{5 (l)}  à   Ca₃(PO₄)_2(l)

                        CaO_(s)  + Al₂O_3(l)  à   Ca₃(AlO₂)_2(l)

Besi yang dihasilkan dari proses tersebut akan mengalir ke dasar tanur sedangkan zat pengotor (terak) akan berada di atas permukaan besi cair akibat berat jenis yang lebih ringan. Apabila besi tuang diolah dengan menurunkan kadar karbon serta memadukan berbagai macam logam seperti kromium, nikel, titanium, dan vanadium. Besi yang diperoleh dari proses tanur tiup memiliki kemurnian sekitar 96% dan senyawa karbon sekitar 4%. Besi jenis ini disebut besi tuang atau pig iron, besi jenis ini memiliki sifat sangat keras dan rapuh karena banyak mengandung karbon.  Apabila besi yang dihasilkan diolah kembali dengan menurunkan kadar karbon hingga 1% maka besi tersebut disebut besi lunak. Besi lunak mempunyai sifat ulet, dan relatif lebih lunak dibandingkan dengan besi tuang dan mudah bengkok sehingga kurang baik digunakan untuk konstruksi.