Karakteristik, Ekstraksi dan Aplikasi Logam Besi

Besi merupakan unsur kimia dengan lambang Fe (Latin : ferrum) dan mempunyai nomor atomik 26. Besi merupakan logam pada deret logam transisi pertama, dengan konfigurasi elektron [Ar] 3d⁶ 4s². Berat atomiknya 55,845 gr, dengan massa jenis 7,874 gr/cm³. Titik leleh sekitar 1538^OC dan jari-jari atomik sebesar 126 pm. Struktur kristalnya adalah BCC (Body-Centered Cubic).

Besi adalah unsur yang paling banyak ditemukan di seluruh bumi, sebagai penyusun mayoritas dari inti dalam dan luar bumi, dan merupakan unsur terbanyak keempat pada kerak bumi, dengan kandungan sekitar 5% dari kerak bumi. Seperti logam transisi lainnya, besi berada pada keadaan oksidasi yang beragam, mulai dari -2 sampai +6, namun umumnya berada pada kondisi +2 dan +3.

Hematite

Besi umumnya ditemukan dalam mineral oksida, dimana yang terbanyak adalah Hematite (Fe₂O₃) dan Magnetite (Fe₃O₄). Unsur besi juga ditemukan pada meteoroid, dan  lingkungan dengan kadar oksigen rendah. Besi murni berwarna abu-abu perak berkilau, namun karena kereaktifannya dengan oksidasi dan air yang cukup tinggi, maka oksida besi akan berwarna coklat kemerahan, atau yang biasa disebut karat.

Besi telah digunakan oleh manusia, sejak zaman dahulu, meski yang pertama kali digunakan dalam sejarah manusia adalah paduan tembaga besi. Hal ini karena besi murni tidak dapat diperoleh melalui peleburan. Besi murni lunak dan dapat diperkuat dan diperkeras oleh pengotor dari proses peleburan, seperti kandungan tertentu karbon (0.2-2.0%) untuk memproduksi baja, yang memiliki ke  kerasan 1000 kali dibandingkan dengan besi murni.

Untuk memproduksi baja, bijih besi dihasilkan di tanur tinggi, dimana mineral besi direduksi dengan kokas menjadi besi tuang. Pemurnian berikutnya dengan peniupan gas oksigen untuk mereduksi kandungan karbon dan menjadi baja. Baja dan paduan besi karbon rendah adalah logam yang paling sering digunakan untuk kepentingan industri, karena besarnya jangkauan karakteristik yang bisa dicapai.

Besi juga merupakan contoh dari logam allotropi, yakni material yang memiliki berbagai fasa / struktur. Terdapat beberapa fasa besi, seperti α, γ, δ, ε dan β. Saat lelehan besi mencapai suhu 1538^OC, mencapai allotrop δ, dengan struktur kristal BCC.  Semakin dingin mencapai suhu 1394^OC, mencapai allotrop γ, biasa disebut austenit, dengan struktur kristal FCC. Pada suhu 912^OC, struktur kristalnya kembali menjadi BCC, atau allotrop α, biasa disebut ferit, dan pada suhu 770^OC besi akan melewati titik Curie, dimana besi akan menjadi magnetik. Pada tekanan diatas 10 GPa dan suhu diatas 800 K, maka fasa α akan berubah menjadi ε, dengan struktur HCP. Fasa β akan terbentuk pada suhu diatas 1500 K dan tekanan di atas 50 GPa.

Untuk proses pembuatan besi, umumnya melalui dua tahapan, kecuali produk yang diinginkan adalah besi tuang. Tahapan pertama adalah membuat pig iron dengan tanur tinggi, atau bisa direduksi langsung. Tahap kedua adalah membuat wrought iron atau baja dari pig iron menggunakan proses yang lebih lanjut.

Pada tanur tinggi, mineral besi yang biasanya berupa hematit dan magnetit direduksi dengan karbon (reaksi karbotermik) dengan suhu sekitar 2000^OC. Mineral besi, kokas, dan flux seperti batu kapur (yang digunakan untuk menghilangkan silikon dioksida) dimasukkan melalui bagian atas tanur, dengan udara panas ditiupkan melalui bagian bawah tanur. Kokas bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon monoksida:

2 C + O₂ à 2 CO

Karbon monoksida bereaksi dengan hematit menjadi lelehan besi, serta menghasilkan karbon dioksida:

Fe₂O₃ + 3 CO à 2 Fe + 3 CO₂

Beberapa kandungan besi pada daerah bawah tanur yang bersuhu tinggi bereaksi langsung dengan kokas:

2 Fe₂O₃ + 3 C à 4 Fe + 3 CO₂

Flux digunakan untuk melelehkan pengotor pada besi, seperti silikon dioksdida dan silkat lainnya. Flux umumnya terdiri dari kalsium karbonat (limestone) dan kalsium-magnesium karbonat (dolomite). Dalam tanur, flux akan terdekomposisi menjadi oksida kalsium:

CaCO₃ à CaO + CO₂

Kemudian oksida kalsium akan bergabung dengan silikon dioksida untuk membentuk terak cair:

CaO + SiO₂ à CaSiO₃

Terak meleleh di dalam tanur, dan di bagian bawah tanur, lelehan terak akan mengambang diatas lelehan besi yang lebih padat, dan lubang pada kedua sisi tanur akan dibuka untuk mengeluarkan lelehan besi dan terak secara terpisah. Besi yang telah membeku, disebut pig iron dan terak dapat digunakan sebagai material pada konstruksi jalan atau meningkatkan tanah yang kurang mineral untuk agrikultur.

Namun, karena penggunaan kokas sekarang semakin diperketat dengan alasan lingkungan, maka terdapat alternatif lain untuk memproses besi. Salah satunya adalah dengan reduksi langsung. Proses ini mereduksi ore besi menjadi besi spons, yang cocok digunakan dalam pembuatan baja. Terdapat dua reaksi utama yang terjadi pada proses ini:

Gas alam (misalnya metana) dioksidasi oleh panas dan katalis:

2 CH₄ + O₂ à 2 CO + 4 H₂

Gas ini akan direaksikan dengan ore besi di tanur, menghasilkan besi spons:

Fe₂O₃ + CO + 2 H₂ à 2 Fe + CO₂ + 2 H₂O

Penghilangan silika dapat dilanjutkan berikutnya dengan menambahkan flux, semisal batu kapur.

Besi tuang yang masih memiliki kandungan 4-5% karbon terlarut dengan pengotor lainnya, masih bersifat keras dan rapuh. Besi tuang ini masih bisa diproses menjadi baja atau besi murni buatan, dengan berbagai macam proses, seperti konverter Bessemer, tanur terbuka (open hearth furnace), tanur oksigen (basic oxygen furnace) dan tanur listrik (electric arc furnace). Secara umum, tujuannya sama, yakni mengoksidasi kandungan karbon yang masih ada dalam besi tersebut. Di sisi lain, dapat juga dilakukan penambahan logam lain untuk membuat paduan baja. Tingkat kekerasan baja tergantung dari kandungan karbonnya, semakin tinggi kandungan karbon maka kekerasan akan meningkat dan kemampuan dibentuk akan menurun. Sifat dari baja dapat diatur dengan beberapa proses, seperti pemanasan (annealing) yang membuat baja lebih lunak, pengerjaan dingin (cold working) untuk meningkatkan kekerasan baja, pemanasan dan pendinginan cepat (quenching) untuk menghasilkan tingkat kekuatan, kekerasan dan kekakuan baja meningkat.

Aplikasi besi sangat luas dalam dunia manufaktur, karena kekuatannya tinggi dan biaya produksi yang relatif rendah dibanding logam lain. Karena besi murni cenderung lunak, maka yang sering digunakan adalah baja. Besi dan baja niasa digunakan dalam permesinan, bagian kendaraan, dan komponen struktur bangunan, seperti aplikasi rangka baja ringan yang dipakai di perumahan.

Banyaknya variasi karakteristik besi yang bisa dicapai melalui pemaduan dengan logam lain membuat logam ini memiliki jangkauan aplikasi yang luas baik dari segi fungsional maupun bertahan dalam lingkungan apapun.

Salah satu kelemahan besi dan baja, adalah besi murni, dan banyak paduannya sangat mudah mengalami korosi jika tidak dilakukan perlindungan spesifik. Bentuk perlindungan yang dapat dilakukan adalah dengan pengecatan, galvanisasi, pelapisan dengan plastik, atau proteksi katodik dengan logam lain.