Besi: Sifat, Sejarah, dan Aplikasi Sehari-hari
Latar Belakang
Besi adalah salah satu elemen paling umum di bumi. Hampir setiap konstruksi manusia mengandung setidaknya sedikit besi. Ini juga salah satu logam tertua dan pertama kali dibentuk menjadi objek berguna dan hias setidaknya 3.500 tahun yang lalu.
Besi murni adalah logam putih-abu-abu yang lembut. Meskipun besi adalah elemen umum, besi murni hampir tidak pernah ditemukan di alam. Besi murni tunggal yang diketahui ada secara alami berasal dari meteor yang jatuh. Sebagian besar besi ditemukan dalam mineral yang terbentuk dari kombinasi besi dengan elemen lain. Oksida besi adalah yang paling umum. Mineral di dekat permukaan bumi yang memiliki kandungan besi tertinggi dikenal sebagai bijih besi dan ditambang secara komersial.
Bijih besi dikonversi menjadi berbagai jenis besi melalui beberapa proses. Proses yang paling umum adalah penggunaan dapur tiup untuk menghasilkan besi mentah yang sekitar 92-94% besi dan 3-5% karbon dengan jumlah lebih kecil dari elemen lain. Besi mentah hanya memiliki penggunaan terbatas, dan sebagian besar besi ini lanjut ke pabrik baja di mana dikonversi menjadi berbagai legasi baja dengan lebih mengurangi kandungan karbon dan menambahkan elemen lain seperti mangan dan nikel untuk memberikan sifat spesifik pada baja.
Sejarah
Sejarawan percaya bahwa Mesir adalah orang pertama yang bekerja dengan jumlah kecil besi, sekitar lima atau enam ribu tahun yang lalu. Logam yang mereka gunakan secara aparen diekstrak dari meteor. Bukti yang diyakini sebagai contoh pertama dari pertambangan dan peleburan besi menunjuk pada budaya Hittite kuno di yang sekarang Turki. Karena besi adalah bahan yang jauh lebih unggul untuk pembuatan senjata dan alat daripada logam lain yang diketahui, produksinya adalah rahasia yang dijaga erat. Namun, teknik dasarnya sederhana, dan penggunaan besi secara bertahap menyebar. Sebagaimana berguna dibandingkan dengan bahan lain, besi memiliki kelemahan. Kualitas alat yang dibuat darinya sangat bervariasi, tergantung pada wilayah dari mana bijih besi diambil dan metode yang digunakan untuk mengekstrak besi. Sifat kimia perubahan yang terjadi selama ekstraksi tidak dipahami; khususnya, pentingnya karbon untuk kekerasan logam. Praktik bervariasi luas di berbagai bagian dunia. Ada bukti, misalnya, bahwa Cina mampu meleleh dan mencetak alat besi sangat awal, dan bahwa Jepang menghasilkan hasil luar biasa dengan baja dalam jumlah kecil, seperti terbukti oleh pusaka pedang yang berusia berabad-abad. Kemajuan serupa dibuat di Timur Tengah dan India, tetapi proses tidak pernah muncul ke bagian lain dunia. Selama berabad-abad, Eropa tidak memiliki metode untuk memanaskan besi hingga titik lelehnya sama sekali. Untuk menghasilkan besi, mereka lentamente membakar bijih besi dengan kayu dalam oven yang dilapisi tanah liat. Besi terpis dari batang di sekitarnya tetapi tidak pernah sepenuhnya meleleh. Sebaliknya, ia membentuk kerak yang kaku yang dihilangkan dengan memukul. Proses pemanasan dan pemukulan berulang ini mencampur oksigen dengan oksida besi untuk menghasilkan besi, dan menghapus karbon dari logam. Hasilnya besi hampir murni, mudah dibentuk dengan palu dan tong tetapi terlalu lembut untuk mengambil dan mempertahankan tepis yang baik. Karena logam dibentuk, atau dibentuk dengan pemukulan, ia disebut sebagai besi tahta.
Alat dan senjata yang dibawa kembali ke Eropa dari Timur dibuat dari besi yang telah dileleh dan dicetak bentuk. Menahan lebih banyak karbon, besi tuang lebih keras daripada besi tahta dan akan memegang tepis pemotongan. Namun, ia juga lebih rapuh daripada besi tahta. Pekerja besi Eropa tahu bahwa Timur Tengah memiliki besi yang lebih baik, tetapi tidak tahu proses yang terlibat dalam pembuatan produk besi yang lebih kuat. Bangsa-bangsa seluruhnya meluncurkan upaya untuk menemukan proses tersebut.
Kemajuan Eropa pertama yang diketahui dalam produksi besi tuang, yang cepat mengarah pada baja praktis pertama, tidak datang sampai 1740. Pada tahun itu, Benjamin Huntsman mengambil paten untuk peleburan bahan untuk produksi spring baja untuk digunakan dalam pembuatan jam. Selama 20 tahun atau lebih mendatang, prosedur menjadi lebih luas diadopsi. Huntsman menggunakan dapur tiup untuk meleleh besi tahta dalam susun tanah liat. Ia kemudian menambahkan jumlah arang murni yang diukur dengan hati-hati ke dalam logam cair. Legasi yang dihasilkan kuat dan fleksibel saat dicetak menjadi spring. Karena Huntsman awalnya hanya tertarik pada pembuatan jam yang lebih baik, baja susunnya langsung mengarah pada pengembangan kronometer laut, yang pada gilirannya memungkinkan navigasi global dengan memungkinkan pelaut untuk menentukan posisi timur/barat mereka dengan tepat. Fakta bahwa ia juga telah menciptakan metalurgi modern adalah efek samping yang sepertinya tidak disadarinya.
Bahan Baku
Bahan baku yang digunakan untuk menghasilkan besi mentah dalam dapur tiup adalah bijih besi, arang, sinter, dan batu kapur. Bijih besi terutama oksida besi dan termasuk magnetit, hematit, limonit, dan banyak batuan lain. Kandungan besi dari bijih ini bervariasi dari 70% hingga 20% atau kurang. Arang adalah bahan yang dibuat dengan memanaskan batu bara hingga menjadi hampir karbon murni. Sinter terbuat dari bijih besi grade lebih rendah, yang terpis halus, yang dibakar dengan arang dan kapur untuk menghilangkan jumlah besar kotoran dalam bijih. Batu kapur terjadi secara alami dan adalah sumber kalsium karbonat.
Logam lain terkadang dicampur dengan besi dalam produksi berbagai bentuk baja, seperti krom, nikel, mangan, molibdenum, dan tungsten.
Proses Ekstraksi dan Pemurnian Bijih
Sebelum bijih besi dapat digunakan dalam dapur tiup, ia harus diekstrak dari tanah dan sebagian dipurnai untuk menghilangkan sebagian besar kotoran.
Berterbangan pada tongkat panjangnya, pembantu tukang puddler muda ini berteduh untuk foto ini pada awal tahun 1860-an, ketika Anak-anak Vulkan masih serikat muda. (Dari koleksi Museum Henry Ford & Greenfield Village.)
Secara historis, besi diproduksi dengan metode panas-hembus, atau nanti, dapur batu bara antrik. Baik mana pun, aktivitas dasar dalam pembuatan besi melibatkan pekerja yang mengaduk batch kecil besi mentah dan abu sampai besi terpis dari kerak. Disebut "puddling," ini adalah pekerjaan yang sangat terampil, tetapi juga panas, memberatkan, dan berbahaya. Ini memerlukan banyak pengalaman serta konstitusi yang kuat. Puddlers bangga, mandiri, dan sangat berbayar.
Puddlers mendirikan serikat perdagangan pertama di industri besi dan baja, Anak-anak Vulkan, di Pittsburgh pada 1858. Pada 1876, serikat ini bergabung dengan tiga organisasi buruh lainnya untuk membentuk Asosiasian Gabungan Pekerja Besi dan Baja. Ini adalah serikat yang dikalahkan oleh Andrew Carnegie dalam Homestead Strike 1892, yang meninggalkan serikat dalam reruntuhan dan industri pada dasarnya tidak terorganisir hingga tahun 1930-an.
William S. Pretzer
Ekstraksi
- 1. Sebagian besar bijih besi di dunia diekstrak melalui penambangan terbuka di mana
Besi murni adalah logam putih-abu-abu yang lembut. Meskipun besi adalah elemen umum, besi murni hampir tidak pernah ditemukan di alam. Mineral di dekat permukaan bumi yang memiliki kandungan besi tertinggi dikenal sebagai bijih besi dan ditambang secara komersial. permukaan tanah dihilangkan oleh mesin berat, seringkali di area yang sangat luas, untuk mengekspos bijih di bawahnya. Dalam kasus di mana tidak ekonomis untuk menghilangkan permukaan, sumur dibor ke dalam tanah, dengan sisi terowongan untuk mengikuti lapisan bijih.
Pemurnian
- 2. Bijih yang ditambang dihancurkan dan diurutkan. Bijih grade terbaik mengandung lebih dari 60% besi. Bijih grade lebih rendah dirawat, atau dipurnai, untuk menghilangkan kontaminan yang berbeda sebelum bijih dikirim ke dapur tiup. Secara kolektif, metode pemurnian ini disebut beneficiation dan termasuk hancuran lebih lanjut, cuci dengan air untuk melayani pasir dan tanah liat, pemisahan magnet, peletisasi, dan sintering. Semakin banyak pasokan bijih kandungan besi tinggi yang diketahui di dunia yang habis, teknik pemurnian ini menjadi semakin penting.
- 3. Bijih yang telah dipurnai kemudian dimuat pada kereta atau kapal dan diangkut ke lokasi dapur tiup.
Proses Manufaktur
Mengisi dapur tiup
- 1. Setelah pemrosesan, bijih dicampur dengan bijih lain dan pergi ke dapur tiup. Dapur tiup adalah struktur berbentuk menara, terbuat dari baja, dan dilapisi batu tahan api, atau tahan panas. Campuran bahan baku, atau muatan, masuk di atas dapur tiup. Di bawah dapur, udara sangat panas ditiup, atau ditiup, melalui nozzle yang disebut tuyères . Arang terbakar dalam kehadiran udara panas. Oksigen dalam udara bereaksi dengan karbon dalam arang untuk membentuk karbon monoksida. Karbon monoksida
kemudian bereaksi dengan bijih besi untuk membentuk karbon dioksida dan besi murni.
Memisahkan besi dari kerak
- 2. Besi leleh tenggelam ke dasar dapur. Batu kapur bereaksi dengan batuan dan kotoran lainnya dalam bijih untuk membentuk kerak yang lebih ringan daripada besi dan melayang di atasnya. Saat volume muatan berkurang, lebih banyak terus ditambahkan di atas dapur. Besi dan kerak diambil secara terpisah dari dasar dapur. Besi leleh mungkin pergi ke proses legasi lebih lanjut, atau dicetak menjadi ingot yang disebut pig. Kerak dibawa untuk dibuang.
Mengolah gas
Kontrol Kualitas
Operasi dapur tiup sangat diinstrumen dan dipantau secara kontinu. Waktu dan suhu diperiksa dan dicatat. Kandungan kimia bijih besi yang diterima dari berbagai tambang diperiksa, dan bijih dicampur dengan bijih besi lain untuk mencapai muatan yang diinginkan. Sampel diambil dari setiap tuangan dan diperiksa untuk kandungan kimia dan sifat mekanis seperti kekuatan dan kekerasan.
Produk Samping/Limbah
Ada banyak efek lingkungan yang mungkin dari industri besi. Yang pertama dan paling jelas adalah proses penambangan terbuka. Area luas tanah dikuras hingga batang telanjang. Saat ini, situs tambang yang habis biasanya digunakan sebagai tempat pembuangan sampah, kemudian ditutup dan di landscape. Beberapa tempat pembuangan sampah itu sendiri menjadi masalah lingkungan, karena di masa lalu yang terdekat, beberapa digunakan untuk pembuangan bahan beracun tinggi yang merembes ke tanah dan air.
Proses ekstraksi besi dari bijih menghasilkan jumlah besar gas beracun dan mengkarat. Dalam praktik, gas ini discrub dan didaur ulang. Tidak terhindarkan, sejumlah kecil gas beracun melarikan diri ke atmosfer.
Produk samping dari pemurnian besi adalah kerak, yang dihasilkan dalam jumlah besar. Bahan ini sebagian besar iners, tetapi tetap harus dibuang di tempat pembuangan sampah.
Pembuatan besi menggunakan jumlah besar batu bara. Batu bara tidak digunakan langsung, tetapi pertama kali dikurangi menjadi arang yang terdiri dari hampir karbon murni. Banyak produk kimia samping dari pembuatan arang hampir semuanya beracun, tetapi juga berguna secara komersial. Produk ini termasuk ammonia, yang digunakan dalam sejumlah besar produk; fenol, yang digunakan untuk membuat plastik, minyak pemotong, dan antiseptik; kresol, yang masuk ke dalam herbisida, pestisida, farmasi, dan kimia fotografi; dan toluene, yang merupakan bahan dalam banyak produk kimia kompleks seperti pelarut dan peledak.
Sisa besi dan baja—dalam bentuk mobil lama, peralatan rumah tangga dan bahkan seluruh bangunan baja—juga merupakan masalah lingkungan. Sebagian besar bahan ini didaur ulang, karena sisa baja adalah sumber daya esensial dalam pembuatan baja. Sisa yang tidak didaur ulang akhirnya berubah menjadi oksida besi, atau karat, dan kembali ke tanah.
Masa Depan
Pada permukaan, masa depan produksi besi—terutama di Amerika Serikat—terlihat terganggu. Cadangan bijih berkualitas tinggi telah sangat habis di area tempat dapat diekstrak secara ekonomis. Banyak pabrik baja lama telah ditutup.
Namun, penampilan ini menipu. Teknik pengayaan bijih baru telah membuat penggunaan bijih grade lebih rendah menjadi jauh lebih menarik, dan ada pasokan bijih yang luas. Banyak pabrik baja telah ditutup dalam beberapa dekade terakhir, tetapi ini sebagian besar karena lebih sedikit yang dibutuhkan. Efisiensi dapur tiup saja telah meningkat sangat luar biasa. Pada awal abad ini, dapur tiup terbesar di Amerika Serikat menghasilkan 644 ton besi mentah per hari. Dipercaya bahwa segera produksi yang mungkin dari satu dapur akan mencapai 4.000 ton per hari. Karena banyak pabrik modern ini telah dibangun di luar negeri, sebenarnya telah menjadi lebih ekonomis dalam beberapa kasus untuk mengirim baja melalui samudera daripada memproduksinya di pabrik AS yang lebih lama.
