Besi, Baja, dan Stainless Steel

Sobat muda, kali ini saya akan berbagi informasi mengenai salah satu bahan tambang yaitu Besi, yang dalam industri di proses lebih lanjut menjadi baja dan baja nirkarat (stainless steel).

Seperti biasa pembahasannya tidak terlalu mendalam, sebatas pengenalan proses produksi dan analisis kimia yang diperlukan untuk penentuan kualitasnya, sebatas pengetahuan saya sebagai Technician Laboratory yang pernah bekerja di laboratorium mineral. Selamat menyimak tulisan saya di bawah ini.

Besi

Besi adalah logam putih seperti perak, dapat di poles, keras, dapat ditempa, dapat dilengkungkan, dan bersifat magnetik. Besi adalah unsur yang sangat stabil dan merupakan unsur terbanyak kedelapan di bumi ini setelah Silikon, juga merupakan unsur logam terbanyak ketiga pada lapisan kulit bumi setelah Aluminium dan Silokon. Bijih besi yang banyak dikenal diantaranya Magnetite (Fe₃O₄), Hermanite (Fe₂O₃), Siderite (FeCO₃), Pirite (FeS₂).

Proses pengolahan bijih besi yang terkenal adalah proses Tanur sembur (blast furnace), dinamakan demikian sebab konstruksinya berupa silinder tinggi yang mencapai 30 meter dan dilengkapi dengan alat penyembur panas. Bijih besi ditambah kokas dan kapur dimasukan ke dalam tanur, lalu penyembur panas mulai dinyalakan yang menyebabkan panas tinggi terjadi dalam tanur (bisa mencapai 1700⁰C) sehingga kokas akan terbakar dan bijih besi akan tereduksi serta terbentuk gas Karbon Monoksida yang keluar melalui cerobong asap tanur.

                Fe₂O₃ + 3C         <--------->     2 Fe + 3 CO

Penambahan kapur dimaksudkan sebagai pembersih dengan menyerap kotoran-kotoran yang ada membentuk slag. Besi cair yang telah bebas kotoran biasanya dicetak menjadi bongkahan-bongkahan Besi (cast Iron).

Baja

Yang membedakan Baja (Steel) dari Besi (Iron) adalah kandungan Karbonnya. Baja diproduksi dari paduan Besi dan Karbon dengan penghilangan kadar karbonnya sampai dibawah 1,7 %. Dari kandungan Karbon ini dikenal istilah Baja Karbon rendah dengan kandungan Karbon 0,05-0,30%, biasa di sebut mild steel, mempunyai kekuatan sedang dengan sifat mudah di tempa, penggunaannya untuk pembuatan bodi mobil, rangka/tubuh kapal, pipa, konstruksi bangunan dan jembatan. Baja Karbon sedang (medium carbon steel), dengan kandungan Karbon 0,25-0,6 % sifatnya sulit untuk di bengkokkan, di las atau di potong dengan kekuatan lebih tinggi dari mild steel, cocok digunakan dalam kebutuhan pemakaian konstan yang tinggi dan ketahanan akibat hempasan yang kuat seperti yang dibutuhkan pada komponen mesin. Baja karbon tinggi (high carbon steel) dengan kandungan Karbon 0,6-1,6%, sifatnya sangat keras dan kuat, biasa disebut tool steel. Selain Baja Karbon dikenal juga istilah alloy steel/baja paduan yang mempunyai tujuan untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, dan kekuatan tariknya), menaikkan sifat baja agar tahan terhadap panas (biasanya disebut baja tahan panas bila tahan tanpa leleh pada syhu 650⁰C, di mana sifat ini di dapat dari kandungan Chrom, Nikel dan Karbon yang cukup tinggi) dan untuk meningkatkan daya tahan baja terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi) yang terkenal dengan nama baja tahan karat/stainless steel.

Proses pembuatan baja yang terkenal diantaranya dengan proses Open Hearth Furnace, Basic Oxygen Furnace, dan Electric Arc furnace. Dalam pembuatan Baja yang harus diperhatikan adalah penambahan unsur-unsur logam, dan penghilangan gas dan unsur-unsur non logam yang tidak diinginkan. Perbaikan sifat keliatan (ductility) dapat dilakukan dengan penambahan unsur Niobium, Vanadium, atau Aluminium dengan kadar maksimal 0,05 %. Perbaikan sifat tahan panas dan tahan korosi dicapai dengan penambahan Chrom (Cr), Nikel (Ni) dan Molybdenum (Mo). Penghilangan gas dimaksudkan agar baja terhindar dari sifat getas. Gas-gas yang terjadi dalam pembuatan baja yaitu Oksigen, Nitrogen dan Sulphur yang dapat dihilangkan dengan penambahan Deoxidant yaitu Silocon atau Mangan. Hal ini disebabkan Silicon dapat menghambat dan mengikat perkembangan gas dalam leburan baja. Sedangkan unsur-unsur non logam yang harus dibatasi dalam produk baja adalah Sulphur dan Posphor, tingginya kedua unsur tersebut bisa menurunkan keliatan (ductility) baja dan kemungkinan retak pada sambungan las, untuk mencegahnya dibatasi kadarnya tidak boleh melebihi 0,05 %.

Stainless Steel

Baja tahan karat adalah paduan besi dengan minimal 12% Chromium. Jadi tanpa tambahan apapun perpaduan Besi dengan 12% Chromium bisa disebut Stainless Steel. Komposisi ini membentuk thin protective layer Cr₂O₃. Proses pembuatan baja tahan karat melalui 2 tahap, pertama menggunakan sistem electric arc furnace untuk melelehkan scrap dan ferro alloy berkarbon tinggi sebagai bahan murah sumber krom, lalu lelehannya disempurnakan dengan proses yang menggunakan alat Argon Oxygen Decarburizer (AOD), dengan proses kedua ini akan menghilangkan kandungan Karbon dan pegotor lainnya.

Baja tahan karat dapat dibedakan sesuai sesuai struktur mikronya yaitu: baja tahan karat martensitic, ferritic, dan austenitic.

Baja tahan karat martensitic mengandung 13% Chrom, mempunyai sifat mudah leleh dan sesuai untuk lingkungan korosif ringan seperti untuk pembuatan pipa, saluran air atau pelindung turbin.

Baja tahan karat ferritic, tipenya yang terkenal yaitu 316 dibuat dari 18% Chrom dan 2 % Molybdenum. Cocok untuk lingkungan korosif terutama terhadap bahan kimia asam nitrat, biasa dipakai dalam komponen-komponen dalam industry kimia.

Baja tahan karat austenitic, tipenya yang terkenal 302 (18 % Cr, 8% Ni), tipe 410 (12% Cr), tipe 430 (17 % Cr). Sesuai untuk lingkungan yang mengandung garam tinggi, biasa untuk pembuatan baling-baling kapal.

Analisis Kimia Stainless Steel

Berdasarkan table British Standard 1449:1983, ASTM A 176, ASTM A 240, dan ASTM A 580, analisa kimia yang dibutuhkan untuk klasifikasi Stainless Steel adalah analisa Carbon, Silicon, Mangan, Posphor, Sulphur, Chrom, dan Nikel yang rinciannya sebagai berikut:

Analisa kadar Chromium dengan metode Titrimetri Oksidasi Persulfat

Residu Chrom dioksidasi ketingkat valensi VI (dikhromat) dengan Ammonium Persulfat) dengan AgNO₃ sebagai katalis dan Kalium Permanganat sebagai indicator. Kelebihan KMnO₄ dihilangkan dengan mendidihkan dengan NaCl. Setelah dingin, dikhromat yang terbentuk dititrasi dengan larutan Ferro Ammonium Sulfat berlebih dan kelebihannya dititrasi kembali dengan KMnO₄, reaksi,

Reaksi oksidasi:

3 (NH₄)₂S₂O₈+3 H₂O                     -------> 3 (NH₄)₂SO₄+3 H₂SO₄+3(O)

6 AgNO₃+3(O)+3 H₂O                   --------> 3 Ag₂O₂+6HNO₃

   2 Cr(NO₃)₃+3 Ag₂O₂+6HNO₃+H₂O ------->  H₂Cr₂O₇+ 6 HNO₃+6 AgNO₃

2 Cr(NO₃)₃+3(NH₄)₂S₂O₈      ------->  3(NH₄)₂SO₄+6HNO₃ + 3H₂SO₄                                                                  + H₂Cr₂O₇

Reaksi Titrasi:

6 Fe²⁺+Cr₂O₇^2-+14H⁺------>2C^r3++6 Fe³⁺+7H₂O

5 Fe²⁺+MnO4^-+8 H⁺ ------> Mn²⁺+5 Fe²⁺+4H₂O

Tekhnik Analisanya sampel Stainless steel dilarutkan dengan aqua regia dan HClO₄ sampai menjadi residu, lalu residu dilarutkan dengan HNO₃ dan mulai dilakukan proses oksidasi dengan menggunakan AgNO₃, (NH₄)₂S₂O₈, dan KMnO₄. Setelah reaksi oksidasi selesai larutan dititrasi dengan FAS 0,2 N sampai berlebih, kelebihan FAS lalu di Titrasi kembali dengan KMnO₄.

Analisa kadar Nikel dengan metode pengendapan Ni-Dimetilglioksima

Ion nikel diendapkan dengan Dimetilglioksima dalam suasana basa lemah Ammonia membentuk endapan Nikel-Dimetilglioksima yang berwarna merah. Untuk menghilangkan gangguan ion lain ditambahkan asam tartrat. Endapan yang terbentuk disaring dengan cawan kaca masir G4. Dari bobot sebelum dan sesudah pemanasan cawan kaca masir G4 dapat dihitung kadar Nikelnya, reaksi:

        Ni²⁺ + 2 C₄H₈N₂O₂ ------->     Ni(C₄H₇N₂O₂)₂ + 2^H+

Analisa kadar Silikon dengan metode penguapan HF

Silikat tidak dapat dilarutkan dengan asam kuat manapun termasuk dengan aqua regia. Silikat hanya dapat dilarutkan dengan HF. Dari bobot sebelum dan sesudah sampel diuapkan dengan HF dapat dihitung kadar Silokonnya, reaksi:

        SiO₂ + 4 HF -------> SiF₄  + 2 H₂O

Analisa kadar Phosphor dengan metode Pembentukan Kompleks Molybdenum Biru

Ammonium Molybdat yang ditambahkan bereaksi dengan Phospor membentuk heterpoly phospomolibdat. Lalu senyawa ini direduksi dengan Hydrazin Sulfat membentuk kompleks Molybdenum biru yang dapat di baca pada Spektrofotometer UV/Vis pada panjang gelombang 650 nm, reaksi:

HPO₄^2-+3NH₄⁺+12MoO₄^2-+23 ^H+ ------>(NH₄)₃[P(Mo₃O₁₀)₄] + 12 H₂O

(NH₄)₃[P(Mo₃O₁₀)₄]+Hydrazin ------->[Mo₂O₃,MoO₄,MoO₂]

Analisa kadar Cu, Mn, Mo dengan metode AAS

Sampel didekstruksi dulu dengan aqua regia, residu dilarutkan dengan air bidest lalu diukur dengan alal AAS dengan lampu katoda yang sesuai

Analisa kadar Carbon dan Sulphur

Dapat menggunakan alat khusus seperti C&S Determinator Leco CS-444 dengan prinsip sampel stainless steel dibakar pada suhu tinggi sehingga membentuk CO₂ dan SO₂ yang dapat terukur pada detector infra red alat tersebut.

Sumber: Pengalaman Kerja Penulis

Terima kasih telah membaca tulisan saya, semoga bermanfaat, bila ada yang ingin ditanyakan jangan ragu untuk bertanya pada kolom komentar dibawah ini. Bila mampu saya akan menjawabnya.

Salam
Beny Satyahadi

Masih di kategori Pertambangan Industri, baca juga:
1. Batubara
2. Minyak Bumi
3. Metanol
4. Mengenal kekerasan mineral