Makalah Besi Dan Baja [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Setelah aluminium, besi adalah logam yang paling berlimpah-limpah dan yang keempat berlimpah-limpah dari semua unsur-unsur; itu terjadi terutama sebagai oksida untuk hematit contoh ( Fe2O3), magnetit ( besi magnet) (Fe3O4) dan sebagai pirit besi Fes2. (C. Chambers and a. K. Holliday. 1975). Pada manusia besi merupakan unsur penting dalam hemoglobin darah. Besi bebas ditemukan dalam meteorit, dan besar kemungkinan bahwa manusia primitif menggunakan besi ini sebagai sumber atau bahan untuk alat dan senjata mereka. Ekstraksi besi telah dilakukan beberapa ribu tahun yang lalu, dan besi masih menjadi logam yang paling penting dalam kehidupan sehari-hari karena kelimpahan dan kemudahan didapatnya, dan kemampuannya untuk dibentuk dan ditempa untuk berbagai kegunaan. Fe bersifat pyrophoric di udara, tetapi logamnya mengoksidasi udara kering hanya ketika dipanaskan. Pada udara lembab, Fe berkarat, pembentukan suatu oksida hydrated Fe2O3Xh2O. Besi bereaksi dengan halogen pada suhu 470–570 K untuk membentuk FeF3, FeCl3, FeBr3, dan FeI2. Ketika bubuk besi dan belerang dipanaskan bersama-sama, FeS diproduksi. Formasi tentang karbid besi dan campuran logam adalah hal yang rumit dalam industri baja. Kebanyakan dari ilmu kimia Fe melibatkan Fe(II) atau Fe(III), dengan Fe(IV) dan Fe(VI) yang dikenal sejumlah kecil sebagai campuran. (Chatherine. 2005) Besi adalah logam yang berasal dari bijih besi (tambang) yang banyak digunakan untuk kehidupan manusia sehari-hari. Dalam tabel periodik, besi mempunyai simbol Fe dan nomor atom 26. 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).



Makin tinggi kadar karbon dalam baja, maka akan mengakibatkan halhal sbb: 



Kuat leleh dan kuat tarik baja kan naik,







Keliatan / elongasi baja berkurang,







Semakin sukar dilas.



1.2



Rumusan 1. 2. 3. 4.



Masalah Bagaimana sifat fisik dan kimia dari Besi dan Baja? Bagaimana cara pengekstraksian Besi dan Baja? Apa saja senyawa - senyawa penting dari Besi dan Baja? Apa saja kegunaan – kegunaan Besi dan Baja?



1.3 1. 2. 3. 4.



Tujuan Mengetahui sifat fisik dan sifat kimia dari Besi dan Baja Mengetahui cara pengekstraksian Besi dan Baja Mengetahui senyawa – senyawa penting dari Besi dan Baja Mengetahui kegunaan – kegunaan Besi dan Baja



BAB II PEMBAHASAN 2.1



Sifat Fisika dan Kimia



Besi 1. Elektronegativitas menurut Pauling : 1,8 2. Kepadatan



: 7,8 g/cm 3 pada 20 °C



3. Titik lebur



: 1536 °C



4. Titik didih



: 2861 °C



5. Radius Vanderwaals



: 0,126 nm



6. Radius ionik: 0,076 nm (+2)



: 0,064 nm (+3)



7. Isotop



:8



8. Energi ionisasi pertama



: 761 kJ/mol



9. Energi ionisasi kedu



: 1556,5 kJ/mol



10. Energi ionisasi ketiga



: 2951 kJ/mol



11. Potensial standar: – 0.44 V (Fe2+ / Fe): 0,77 V ( Fe3+ / Fe2+) 12. Ditemukan oleh



: Orang jaman kuno



Baja 1. 2. 3. 4. 5. 6.



Titik didih : 1550OC Titik lebur : 2900OC konduktivitas listrik Menghantarkan panas Reaktif Jumlah elektron bebas yang tinggi di segala bentuk logam padat menyebabkan logam tidak pernah terlihat transparan.



Sifat Fisika yang lain Besi



1. Besi adalah logam berkilau, kuat, mudah ditempa, dan berwarna perak abu-abu. 2. Besi merupakan unsur kesepuluh paling melimpah di alam semesta. 3. Besi juga unsur paling melimpah (massa , 34,6%) yang membentuk bumi. Konsentrasi besi dalam berbagai lapisan bumi bervariasi dari amat tinggi di inti hingga sekitar 5% di kerak luar. Sebagian besar besi ditemukan dalam berbagai senyawa oksida besi, seperti mineral hematit, magnetit, dan taconite. Inti bumi diyakini sebagian besar terdiri dari paduan logam besi-nikel. Unsur besi sangat penting dalam hampir semua organisme hidup. Pada manusia, besi merupakan unsur penting dalam hemoglobin darah. Baja 1. Berat dan Berat Jenis Baja Berat baja per m3 diperlukan saat melaksanakan perhitungan volume besi atau menghitung struktur bangunan guna mencari nilai beban yang harus ditahan oleh sebuah struktur baja. Menurut standar nasional indonesia berat jenis baja adalah 7850 kg/m3. Pada kondisi nyata berat jenis baja dipengaruhi oleh bahan baja itu sendiri seperti kandungan logam tertentu, kepadatan baja, kualitas baja yang menyebabkan perbedaan pada berat jenis baja. 2. Daya hantar panas pada baja Baja merupakan logam yang terbuat dari besi dengan campuran karbon. Berdasarkan campuran karbonnya baja dikategorikan menjadi 3 macam yaitu: baja dengan kadar karbon rendah(00,25%),b aja dengan kadar karbon menengah(0,25-0,55%) dan baja dengan karbon tinggi diatas 0,55%. Baja memiliki keunggulan yaitu memiliki sifat penghantar panas yang baik. Digunakan pada penghantar transmisi yaitu ACSR dimana fungsi baja dalam hal ini adalah memperkuat konduktor aluminium secara mekanis setelah digalfanis dengan Seng. keuntungan dipakainya baja pada ACSR adalah menghemat pemakaian aluminium. Aluminium berinti baja, yang biasanya dikenal sebagai ACSR (Aluminium Cable Steel Reinforced), suatu kabel penghantar aluminium yang dilengkapi dengan unit kawat baja pada inti kabelnya. Kawat baja itu diperlukan guna meningkatkan kekuatan



tarik kabel. ACSR ini banyak digunakan untuk kawat saluran hantar udara. 3. Konduktivitas listrik Konduktivitas listrik pada baja termasuk konduktivitas listrik yang baik, karena paduan logam pada baja merupakan pencampuran besi(Fe) dan krom(Cr). Sifat Kimia Besi 1. Logam ini memiliki empat bentuk kristal yang berbeda. Jika terpapar udara, besi berpotensi mengalami karat. Besi berkarat terutama di udara lembab, tetapi tidak di udara kering. 2. Logam ini mudah larut dalam asam encer. Besi merupakan unsur yang aktif secara kimia dan membentuk dua seri utama senyawa kimia, besi bivalen (II) atau fero, dan senyawa besi trivalen (III) atau feri. 3. Unsur besi bersifat elektropositif yaitu mudah melepaskan elektron. Karena sifat inilah bilangan oksidasi besi bertanda positif. 4. Besi dapat memiliki biloks 2, 3, 4 dan 6. Hal ini disebabkan karena perbedaan energi elekktron pada subkulit 4s dan 3d cukup kecil, sehingga elektron pada subkulit 3d juga terlepas ketika terjadi ionisasi selain elektron pada subkulit 4s. 5. Logam murni besi sangat reaktif secara kimiawi dan mudah terkorosi, khususnya di udara yang lembab atau ketika terdapat peningkatan suhu. 6. Besi memiliki bentuk allotroik ferit yaitu alfa, beta, gamma dan omega dengan suhu transisi 700oC, 928oC, dan 1530oC. Bentuk alfa bersifat magnetik, tapi ketika berubah menjadi beta, sifat magnetnya menghilang meski pola geometris molekul tidak berubah. 7. Mudah bereaksi dengan unsur-unsur non logam seperti sulfur, fosfor, boron, karbon dan silikon. 8. Oksidanya bersifat amfoter yaitu oksida yang menunjukkan sifatsifat asam sekaligus basa. Baja 1. Logam biasanya cenderung untuk membentuk kation dengan menghilangkan elektronnya, kemudian bereaksi dengan oksigen di udara untuk membentuk oksida basa.



Contohnya: 4 Na + O2 → 2 Na2O (natrium oksida) 2 Ca + O2 → 2 CaO (kalsium oksida) 4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 (aluminium oksida) 2. Beberapa logam seperti aluminium, magnesium, beberapa macam baja, dan titanium memiliki semacam "pelindung" di bagian paling luarnya, sehingga tidak dapar dimasuki oleh molekul oksigen. 2.2



Ekstraksi



Besi Bijih oksida besi ditambang di berbagai bagian dunia. Contohnya haematite Fe2O3 dan magnetite Fe3O4. 1. Campuran padatan bijih haematite, coke dan limestone secara kontinu dimasukkan ke dalam blast furnace. 2. Coke dibakar di dasar dan udara panas ditiupkan untuk membakar coke (karbon) untuk membentuk karbon dioksida dalam reaksi oksidasi (C menerima O). 3. Energi panas dibutuhkan dalam reaksi eksotermik untuk meningkatkan suhu blast furnace hingga di atas 1000oC untuk mempengaruhi reduksi bijih logam. karbon + oksigen → karbon dioksida C(s) + O2(g) → CO2(g) 4. Pada suhu tinggi terbentuk karbon dioksida, bereaksi dengan coke (karbon) lain untuk membentuk karbon monoksida karbon dioksida + karbon o karbon monoksida CO2(g) + C(s) → 2CO(g) (catatan: CO2 tereduksi dengan kehilangan O, C teroksidasi dengan menerima O) 5. Karbon monoksida adalah molekul yang benar-benar mengusir oksigen dari bijih besi oksida. Ini adalah reaksi reduksi (Fe2O3 kehilangan O, atau Fe3+ menerima tiga elektron untuk membentuk Fe) dan CO dikenal sebagai agen pereduksi (pengusir O dan teroksidasi dalam proses). 6. Logam besi dilelehkan pada suhu blast furnace tinggi dan menetes ke dasar blast furnace. Reaksi reduksi utama adalah Besi (III) oksida + karbon monoksida → besi + karbon dioksida Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g) Catatan, dalam kedua reaksi di atas, oksidasi dan reduksi selalu terjadi bersamaan.



Reaksi reduksi bijih logam yang lain adalah Besi (III) oksida + karbon o besi + karbon monoksida. Fe2O3(s) + 3C(g) → 2Fe(l) + 3CO(g) atau besi (III) oksida + karbon → besi + karbon dioksida 2Fe2O3(s) + 3C(g) → 4Fe(l) + 3CO2(g) Bijih logam asli mengandung acidic mineral impurities seperti silika (SiO2, silikon dioksida). Ini bereaksi dengan kalsium karbonat (limestone) untuk membentuk molten slag misal dari kalium silikat. kalsium karbonat + silika → kalsium silikat + karbon dioksida CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2 Kadang-kadang ditunjukkan dalam dua langkah: CaCO3 → CaO + CO2 CaO + SiO2 → CaSiO3 7. Molten slag membentuk lapisan di atas lelehan besi yang lebih padat dan keduanya dapat dipisahkan, dan biasanya, disalurkan ke luar. Besi didinginkan dan dicetak ke dalam pig iron ingots atau ditransfer langsung ke furnace penghasil baja. 8. Limbah gas dan debu dari blast furnace harus diperlakukan dengan baik untuk menghindari polusi lingkungan. 9. karbon monoksida yang sangat beracun dapat dibakar untuk menghasilkan sumber energi panas, dan dalam reaksi eksoterm dikonversikan menjadi karbon dioksida yang tidak berbahaya. karbon monoksida + oksigen → karbon dioksida 2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g) 10. Gas asam seperti sulfur dioksida dari bijih sulfida, dapat dihilangkan dengan bubbling melalui larutan alkali seperti kalsium hidroksida (’limewater’) yang dinetralkan dan dioksidasi menjadi kalsium sulfat yang tidak berbahaya. Pembersihan gas dengan cara ini disebut ‘gas scrubbing’.



11.



Air yang terkontaminasi harus dibersihkan dari bahan kimia



berbahaya sebelum dilepaskan ke sungai atau didaur ulang melalui water treatment plant. 12. waste slag digunakan untuk konstruksi jalan atau menimbun galian sehingga dapat ditanami. 13. Besi dari blast furnace baik untuk obyek cast iron yang sangat keras tetapi terlalu rapuh untuk aplikasi lainnya karena kandungan karbon dari coke-nya terlalu tinggi. Jadi dikonversikan menjadi steel alloy untuk range yang lebih luas Baja Pembuatan baja dilakukan dengan cara memperoleh bahan berupa besi kasar terlebih dahulu. Besi kasar merupakan hasil dari pengolahan bijih besi melalui beberapa proses seperti proses reduksi kandungan zat pengotor dan reduksi ukuran menjadi pellet. Setelah itu pellet diproses di dalam tanur tinggi sehingga dihasilkan cairan besi yang akan turun ke dasar tanur tinggi. Besi kasar yang telah dihasilkan di tanur tinggi tadi kemudian diolah secara lanjut menjadi menjadi barbagai jenis baja. Ada beberapa proses yang dilakukan untuk merubah besi kasar menjadi baja : 1. Proses Konvertor Terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap ke samping. Sistem kerja :  Dipanaskan dengan kokas sampai suhu ±1500ºC  Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku (±1/8 dari   



volume konvertor) Kembali ditegakkan Menghembuskan udara bertekanan 1,5-2 atm dari kompresor Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk



mengeluarkan hasilnya 2. Proses Bassemer Adalah proses untuk produksi massa baja cair pig iron. Prinsip dari proses ini adalah menghilangkan kotoran dari besi dengan oksidasi dengan udara yang ditiup melalui besi cair.



Proses ini dilakuka di dala container baja bulat telur besar dilapisi dengan tanah liat atau dolomit yang disebut konverter bassemer. Di bagian atas atas converter merupakan bukaan, biasanya miring relative ke bidang kapal. Di bagian bawah Bagian bawah ini berlubang dengan sejumlah saluran yang disebut tuyères melalui udara dipaksa menjadi konverter. Konverter ini diputar pada trunnions sehingga dapat diputar untuk menerima tuduhan, berbalik tegak selama konversi dan kemudian diputar lagi untuk menuangkan baja cair di akhir. Proses yang terjadi adalah proses oksidasi. Proses oksidasi ini digunanakan untuk menghilangkan pengotor seperti silicon, mangan dan karbon sebagai oksida yang akan membentuk gas ataupun terak padat. Setelah baja yang dinginkan terbentuk itu dicurahkan ke ladle kemudian ditransfer ke dalam cetakan dan terak ringan yang tertinggal. Proses konversi yang disebut "pukulan" dilakukan dalam waktu sekitar dua puluh menit. Selama periode ini kemajuan oksidasi kotoran dapat dilihat atau dinilai oleh penampilan dari api yang keluar dari mulut konverter. 3. Proses Open-Heart Proses pembuatan dengan dapur ini adalah proses oksidasi kotoran yang terdapat pada bijih besi sehingga menjadi terak yang mengapung pada permukaan baja cair. Oksigen langsung disalurkan kedalam cairan logam melalui tutup atas. Apabila selesai tiap proses, maka tutup atas dibuka dan cairan baja disalurkan untuk proses selanjutnya untuk dijadikan bermacammacam jenis baja. Pada proses Open-Hearth ( dapur Siemens Martin ) digunakan campuran besi mentah (pig iron) padat atau cair dengan baja bekas (steel scrap) sebagai bahan isian (charge). Pada proses ini temperatur yang dihasilkan oleh nyala api dapat mencapai 1800oC. Bahan bakar (fuel) dan udara sebelum dimasukkan ke dalam dapur terlebih dahulu dipanaskan dalam “Cheekerwork” dari renegarator. Proses pembuatan baja dengan cara Open-Hearth ini meliputi 3 periode yaitu :



a. Periode memasukkan dan mencairkan bahan isian. b. Periode mendidihkan cairan logam isian. c. Periode membersihkan/memurnikan (refining) dan deoksidasi Bahan bakar yang dipakai adalah: campuran blast furnace gas dan cokes oven gas. 3.1 Proses Basic Open-Heart Pada proses basic open-hearth ini, mula-mula ke dalam dapur dimasukkan baja bekas (scarap steel) yang ringan kemudian baja bekas yang berat. Setelah itu ditambahkan bahan tambah (batu kapaur) dan bijih besi yang diperlukan untuk membentuk terak pertama. Pada proses akhir peleburan, sebagian phosphor (P) yang terdapat besi mentah akan berubah menjadi terak. Untuk menjaga agar terak tidak masuk/bereaksi kembali dengan logam cair, maka kira-kira 40%-50% terak tersbut lekas dikeluarkan dan juga perlu ditambah batu kapur untuk membentuk terak yang baru. 3.2 Proses Acid Open-Hearth Proses acid open-hearth membutuhkan bahan isian berkualitas lebih baik dengan kadar Phospor P