Besi diekstraksi dari oksida besi dengan reduktor karbon. Besi diolah dari bijihnya dalam suatu tungku yang disebut tanur tiup (blast furnance) (lihat Gambar). Tanur tiup berbentuk silinder raksasa dengan tinggi 30 m atau lebih dan diameter bagian tengah sekitar 8 m.
Bahan yang digunakan pada pengolahan besi, selain bijih besi adalah kokas (C) dan batu kapur (CaCO3). Kokas berfungsi sebagai reduktor, sedangkan batu kapur berfungsi sebagai fluks, yaitu bahan yang akan bereaksi dengan pengotor dalam bijih besi dan memisahkan pengotor itu dalam bentuk cairan kental yang disebut terak (slag).
Komposisi bahan-bahan tersebut bergantung pada pengotor dalam bijih besi. Bijih besi mengandung pengotor, baik yang bersifat asam seperti SiO2 (pasir), Al2O3, dan P2O5, maupun pengotor yang bersifat basa seperti CaO, MgO, dan MnO. Akan tetapi, biasanya pengotor yang bersifat asam lebih banyak sehingga perlu ditambahkan fluks yang bersifat basa, yaitu CaCO3.
Proses/reaksi yang terjadi pada pengolahan besi dalam garis besarnya adalah sebagai berikut. Bijih besi, kokas, dan batu kapur diumpankan dari puncak tanur, sementara dari bagian bawah ditiupkan udara panas. Kokas terbakar pada bagian bawah tanur dengan membebaskan kalor sehingga suhu di daerah itu dapat mencapai 2000°C.
C(s) + O2(g) → CO2(g) + kalor
ketika bergerak naik, gas CO2 yang baru terbentuk itu bereaksi lagi dengan kokas yang bergerak turun membentuk CO.
CO2(g) + C(s) → 2CO(g)
Gas CO inilah yang akan mereduksi bijih besi secara bertahap (lihat gambar):
(+3) (+3/+2) (+2) (0)
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
Reaksi totalnya dapat dituliskan sebagai berikut.
Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g)
Oleh karena suhu tanur sangat tinggi, besi yang terbentuk berupa cairan. Reaksi pembentukan terak yang menghilangkan pengotor adalah sebagai berikut.
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) (800 – 900°C)
CaO(s) + SiO2(s) → CaSiO3(l) (1200°C)
3CaO(s) + P2O5(g) → Ca3(PO4)2(l) (1200°C)
Reaksi yang menghasilkan pengotor yang larut dalam besi cair.
MnO + C → Mn + CO (14000C)
SiO2 + 2C → Si + 2CO (14000C)
P2O5 + 5C → 2P + 5CO (14000C)
Mn, Si, P, C, dan S larut dalam besi cair. Besi cair turun ke dasar tanur dan dikeluarkan secara periodik. Adapun terak, karena massa jenisnya lebih kecil, mengapung di atas besi cair itu. Lapisan terak sekaligus berfungsi melindungi besi cair dari oksidasi kembali. Terak dikeluarkan dari saluran tersendiri dan dapat digunakan sebagai bahan dasar pembuatan jalan raya atau bahan pupuk.
Besi yang dihasilkan dari tanur tiup disebut besi gubal (pig iron) atau besi kasar, mengandung kira-kira 95% besi, 3 – 4% karbon, dan sisanya pengotor lain seperti Mn, Si, P, dan S. Besi gubal bersifat keras tetapi rapuh. Pada umumnya, sebagian besar besi gubal langsung diproses untuk membuat baja. Sebagian lain dapat dialirkan ke dalam cetakan sehingga diperoleh besi tuang (cast iron). Besi tempa diperoleh dari besi gubal dengan mengurangi kadar karbon. Besi tempa lebih lunak dan tidak rapuh.
Pembuatan Baja
Logam-logam campur dan besi disebut baja. Perubahan yang harus dilakukan pada pembuatan baja dan besi gubal, yaitu:
- Menurunkan kadar karbon dan 3 – 4% menjadi 0 – 1,5%,
- Menghilangkan pengotor seperti Si, Mn, dan P,
- Menambahkan logam-logam campur seperti Ni dan Cr, sesuai dengan jenis baja yang akan dibuat.
Teknologi pembuatan baja secara murah dan cepat ditemukan oleh Henry Bessemer dari Inggris pada tahun 1856. Setelah itu terjadi perkembangan pesat. Pada tahun 1860 dikembangkan tungku terbuka (open hearth furnance) oleh Wilian Siemens, juga dari Inggris. Kini, kebanyakan baja dibuat dengan tungku oksigen (basic oksygen proces).
Tungku oksigen adalah silinder baja raksasa dengan pelapis yang bersifat basa pada bagian dalamnya (lihat Gambar). Tungku ini berkapasitas sekitar 200 ton besi cair, 80 ton besi bekas dan 18 ton kapur (CaO) sebagai fluks. Ke dalam campuran yang berupa cairan yang sangat panas itu ditiupkan oksigen murni melalui pipa berpendingin. Gas oksigen akan mengoksidasikan karbon menjadi karbon monoksida (CO), sedangkan pengotor lainnya dipisahkan ke dalam terak. Proses pembuatan baja dengan tungku oksigen hanya memerlukan waktu sekitar 22 menit.