topic 2 ferrous material structure & binary...

TOPIC 2 - FERROUS MATERIAL STRUCTURE & BINARY ALLOY SYSTEM JF 302

1

TOPIC 2

FERROUS MATERIAL STRUCTURE & BINARY ALLOY SYSTEM

2.1.1 TYPES OF THE IRON ORE (JENIS -JENIS BIJIH BESI)

Bijih besi (iron ore) adalah merupakan bahan utama dalam pengeluaran besi jongkong. Ketika

bijih besi dilombong ianya tidaklah berada dalam bentuk tulin. Ianya didapati bersama-sama

dengan sebatian atau unsur-unsur lain seperti Oksida, Sulfida, Belerang, Silikon dan

sebagainya.

1. Magnitite - Fe3O4 (Bijih Besi Magnetit)

Bijih besi magnetit mempunyai 72.4% kandungan besi dalam keadaan besi dan didapati dalam

bentuk tanah atau batu-bata. Ia mempunyai sifat-sifat magnet dan berwarna kehitam-hitaman.

2. Iron Carbonate (Bijih Besi Berkarbonat)

Bijih besi ini mempunyai kandungan besi kurang daripada 30% dan selainnya kandungan

karbon dan fosforus. Warna bijihnya kelabu dan dilombong dengan menggunakan kaedah

`Gilchrist Thomas'.

3. Hematite - Fe2O3 (Bijih Besi Hematit)

Bijih besi hematit mempunyai 40% - 65% kandungan besi dan merupakan bijih besi yang

terbanyak sekali didapati. Ianya mungkin akan berkurangan 25% ketika dilombong. Besi

Hematit berwarna hitam coklat hingga kemerah-merahan. Ianya kadangkala dicampur dengan

Sulfat Magnetit.

4. Limonite - Bijih Besi Limonit

Bijih besi limonit mengandungi besi sebayak 20% - 55% dan kandungan air sebanyak 40%.

Warnanya adalah kuning coklat, tetapi apabila air dikeluarkan ianya akan bertukar warna bijih

Hematit. Ia berada dalam tanah gambut juga dikenali sebagai Hematit coklat.

CHARACTERISTIC OF IRON ORE (CIRI-CIRI BIJIH BESI)

Ciri-ciri utama yang perlu dilihat pada bijih besi adalah seperti berikut :

i . GRED - ia sepatutnya mengandungi sebanyak mungkin

oksida besi.

ii. KEPADATAN - ia sepatutnya tidak terlalu padat atau terlalu rapuh.

iii. KETULINAN - ia sepatutnya mempunyai kandungan bahan asing

yang serendah mungkin.

iv. KESERAGAMAN - ia sepatutnya mempunyai komposisi yang seragam

dari sekelompok ke sekelompok yang lain.


2

2.1.2 THE PROCESS OF IRON PRODUCTION (PROSES PENGELUARAN BESI)

Dalam proses menghasilkan besi terdapat tiga jenis relau yang digunakan untuk menghasilkan

besi. Relau-relau tersebut ialah relau bagas, relau reduksi terus dan relau kupola. Dalam tajuk ini

kita akan hanya membincangkan berkenaan relau bagas (Blast Furnace) sahaja.

1. BLAST FURNACE (RELAU BAGAS)

Tahukah anda relau mempunyai bentuk seperti sebuah menara yang berbentuk kon. Tinggi menara

ini lebih kurang 30 m tinggi dan berdiameter 7 m. Ia terbahagi kepada dua bahagian iaitu kebuk

pembakaran yang mana gas pancutan relau dipanaskan dan binaan batu-bata yang

menyediakan permukaan yang luas untuk menerima dan membebaskan haba. Gambarajah 1 di

bawah menunjukkan sebuah relau bagas.

Gambarajah 1 : Relau Bagas


3

Bahagian-Bahagian Sebuah Relau Bagas

1. Bahagian Atas

Terdapat seperti loceng di bahagian atas untuk mengawal daripada pecah serta menjaga haba

daripada keluar. Dinding luar diperbuat daripada bahan kalis haba atau keluli haba dan di bahagian

dalamnya disaluti dengan seramik yang kalis haba. Injap besar dan kecil berfungsi untuk

mengawal bahan-bahan cas dalam relau yang dibawa oleh gerabak khas yang dipanggil `SKIP'.

2. Bahagian Sokongan

Struktur ini disokong oleh tiga bahagian berlainan iaitu bahagian DANDANG atau HEARTH,

BOSH dan STACK. Stack dilapisi dengan silika alumina manakala karbon untuk bahagian

hearth.

3. Paip Saluran Paip saluran keluar bagi mengeluarkan gas yang telah dibakar. Saluran tuyer pula membawa

udara panas ke dalam relau dan 2 lubang penirusan di bahagian bawah yang berasingan untuk

mengeluarkan besi lebur dan sangga.

4. Bahan Mentah

Bahan mentah yang padu digunakan dalam relau ini untuk dibawa ke bahagian atas relau dengan

menggunakan kereta pengangkut. Bahan mentah ini dimasukkan ke dalam relau melalui pengagih

bergerak dan melalui penggunaan loceng kecil dan loceng besar. Kedua-dua loceng tersebut

mengawal kehilangan beban gas. Udara panas yang berterusan akan disemburkan melalui

sebilangan bukaan yang dipanggil `TUYER' di bahagian bawah dekat `bosh'.

Melting Proces (Proses Peleburan)

Tuyer diperbuat daripada tembaga dan disejukkan oleh air. Ketuhar pancutan udara panas

digunakan untuk memanaskan udara sehingga 1 100 oC. Udara disejukkan dan gas panas yang

dibakar mengalir secara berulang-ulang pada arah yang bertentangan melalui ketuhar. Dengan

bantuan gas panas, binaan batu-bata itu menjadi panas dan akan membebaskan haba untuk

memanaskan semula semburan udara yang telah disejukkan tadi. Kaedah ini dikenali dengan

panggilan `REGENERATION'. Untuk membekalkan semburan panas yang berterusan, setiap

relau mempunyai beberapa ketuhar yang bekerja secara bergilir-gilir. Besi dikeluarkan dari

relau setiap 2 jam. Tanah liat menutupi lubang digerudi dan setelah semua kerja mengeluarkan

selesai ianya ditutup semula dengan menggunakan `CLAY GUN'.

Tindakbalas Kimia Dalam Pengeluaran Besi Dari Relau Bagas

Zon reaksi utama dalam Relau Bagas adalah seperti yang terdapat dalam gambarajah di bawah.

Proses peleburan besi dalam Relau Bagas boleh diringkaskan seperti berikut :

Bijih besi + kok + batu kapur + udara besi + sangga + gas.


4

Tiga Proses Kimia Yang Penting Berlaku Di Dalam Relau Bagas

i. Pembakaran karbon dalam arang kok dengan oksigen dalam semburan udara.

ii. Reduksi oksida kepada besi.

iii. Memfluskan `gauge' bijih besi dan abu dengan menggunakan batu kapur.

Keburukan (disadvatage) Melebur Menggunakan Relau Bagas

i. Modal dan kos operasi yang tinggi.

ii. Pengawalan komposisi besi adalah agak lemah.

iii. Relau kecil yang menggunakan kok adalah tidak cekap manakala pengeluaran dari

relau besar adalah tidak diperlukan.

Pilihan Lain Selain Daripada Operasi Relau Bagas i. Penggunaan relau `small-stack' iaitu di mana bahan- bahan berkarbon.

ii. Meleburkan cara arka elektrik pada kawasan di mana bekalan tenaga elektrik adalah

murah.

Contoh Penghasilan Menggunakan Relau Bagas

Untuk menghasilkan satu tan besi jongkong, memerlukan bahan mentah seperti berikut :

2 tan bijih besi + 1 tan arang kok. + 1/2 tan batu kapor 1 tan besi

* Bahan mentah ini mestilah dicampurkan semua sekali.

Hasil Keluaran Relau Bagas

Relau Bagas digunakan untuk melebur bijih besi untuk dijadikan besi jongkong. Besi

jongkong tersebut mengandungi 93% besi tulin, 3% - 5% karbon, silika, belerang, fosforus dan

mangan. Oleh kerana ia mengandungi berbagai kandungan, ini menyebabkan ia belum bersedia

untuk digunakan. Besi jongkong adalah bahan utama untuk membuat besi tuang, besi tempa dan

keluli. Selain daripada itu sangga dapat digunakan apabila ia telah diasingkan daripada besi cair

dalam relau Bagas. Ia digunakan untuk membuat jalan raya dan blok bangunan.


5

2.2 STEEL PRODUCTION PROCESS (PROSES PENGELUARAN KELULI)

Dalam proses menghasilkan keluli terdapat tiga jenis relau yang digunakan iaitu relau arka elektrik

(Electric Arc Furnace), relau asas oksigen (Basic Oxygen Furnace), relau dedah dan relau

bessemer.

Dalam topik ini kita akan membincangkan hanya relau asas oksigen dan relau arka lelektrik

sahaja.

A. BASIC OXYGEN FURNACE - BOP (RELAU ASAS OKSIGEN)

Bentuk relau ini hampir sama seperti relau Bessemer. Ia menggunakan oksigen tulin manakala

relau Bessemer menggunakan oksigen yang bercampur dengan nitrogen dan disalurkan dari

bawah. Gambarajah 2 di bawah menunjukkan sebuah relau asas oksigen.

Gambarajah 2 : Basic Oxygen Furnace – BOP (Relau asas oksigen)

Water-cooled fume colleting

hood


6

The Operation of Basic Oxygen Furnace (Operasi Relau Asas Oksigen)

Proses ini adalah lebih baik daripada relau Bessemer.

Ia boleh bergerak secara mengufuk dan menegak seperti ditunjukkan dalam Gambarajah 2 (a),

2(b) dan 2(c). Semasa digunakan relau diisi dengan besi cair dan 30% besi sekerap, semasa relau

berada dalam keadaan condong, kemudian ia digerakkan ke kedudukan tegak. Pancutan oksigen

dengan kelajuan tinggi dihala kepermukaan kandungan cairan seperti yang ditunjukkan dalan

Gambarajah 2(c). Oksigen ini disejukkan dengan menggunakan air.

Sebahagian daripada karbon dalam bahan ditukar menjadi oksida berbentuk gas yang

kemudiannya keluar daripada relau melalui salurannya. Bendasing yang lain juga membentuk

oksida dan kemudian bertindakbalas dengan batu kapor membentuk sangga (slag). Setelah selesai

relau dicondongkan ke kedudukan mengufuk untuk mengeluarkan keluli lembut lebur dan

diterbalikkan untuk mengeluarkan sangga seperti yang ditunjukkan dalan Gambarajah 2(d), 2(e)

dan 2(f).

Penghasilan Daripada Relau Asas Oksigen Ia dapat mengeluarkan keluli yang bermutu tinggi dengan cepat iaitu 80 tan sejam. Cecair

keluli biasanya dijadikan jongkong keluli.

Gambarajah 2(a) Gambarajah 2(c) Gambarajah 2(b)

Gambarajah 2(d) Gambarajah 2(e) Gambarajah 2(f)


7

B. ELECTRIC ARC FURNACE (RELAU ARKA ELEKTRIK)

Relau Arka Elektrik mempunyai keupayaan yang tinggi serta mudah untuk dikendalikan

berbanding dengan relau lain. Kadar oksigen yang rendah di dalam relau menyebabkan ianya

sesuai untuk menghasilkan keluli aloi kerana logam yang dicampurkan tidak bertindakbalas

dengan oksigen di dalam relau. Relau ini digunakan secara meluas dan sangat sesuai untuk

peningkatan gred bagi keluli serta menghasilkan keluli alat dan keluli aloi yang berkualiti tinggi

tanpa bantuan bahan pembakar. Relau ini boleh mengeluarkan 120 tan keluli dalam masa 4 jam.

Bentuk Relau Arka Elektrik

Relau arka elektrik mempunyai bentuk melekung seperti sebuah selinder cembung. Ia diperbuat

daripada keluli dan disaluti dengan bata yang kalis haba. Penutupnya pula boleh dialihkan dan

terdapat tiga laluan atau bukaan yang mana elektrod karbon boleh digerakkan dengan bebas. Tiga

elektrod tersebut digunakan untuk membekalkan arka elektrik dan seterusnya dapat meleburkan

bahan-bahan mentah semasa menjalani proses elektrolisis seperti yang ditunjukkan dalam

Gambarajah 3. Alat penggerak elektrik yang digunakan dalam relau ini mempunyai voltan yang

tinggi bagi membantu peleburan. Ia menggunakan penyejuk yang melalui saluran tembaga di luar

relau. Oksigen yang digunakan adalah oksigen asli yang dibekalkan secara jet.

Gambarajah 3 : Relau arka elektrik.


8

Operasi Relau Arka Elektrik

Operasi dalam Relau Arka Elektrik ini boleh dibahagikan kepada 4 (empat) peringkat iaitu

pengecasan, peleburan, pengasingan dan pengakhiran.

1. Charging Scrap (Pengecasan)

Bahan cas yang mengandungi sekerap keluli, pig iron, besi oksida dan kapur dimasukkan ke

dalam relau. Arus elektrik dialirkan ke elektrod karbon untuk membekalkan arka elektrik yang

ditunjukkan pada gambarajah 3(a).

Gambarajah 3(a) : Menunjukkan proses pengecasan

2. Melting (Peleburan) Arka elektrik yang haba yang tinggi akan meleburkan bahan cas beroksigen. Silikon, mangganes

dan fosforus mula teroksid dan bercampur dengan kapur untuk membentuk sangga asas. Peleburan

yang berlaku adalah peleburan tulin. Oleh kerana elektrod karbon yang terbakar, maka tiada

logam yang hilang seperti ditunjukkan gambarajah 3(b).

Gambarajah 3(b) : Menunjukkan proses peleburan


9

3. Slagging & Decarburising (Pengasingan)

Gambarajah 3(c) menunjukkan perpindahan fosforus bergantung kepada sangga asas dalam

kalsium oksid. Kapur, flourospar dan besi oksida dicampur untuk membentuk sangga yang

bertindakbalas dengan bendasing. Setelah tindakbalas berlaku, ia membentuk keluli

berkomposisi yang dikehendakki. Kemasukan sulfur kepada sangga sebagai kalsium sulfida.

Tindakbalas tersebut adalah seperti berikut :

FeS + CaO + C CaS + Fe + CO

Gambarajah 3(c) : Menunjukkan proses pengasingan

4. Tapping (Pengakhiran)

Logam lebur adalah diperolehi dengan komposisi yang dikehendakki oleh penambahan aloi dan

suhu diubahsuai seperti yang dikehendakki. Keluli dioksidakan menggunakan aluminium, Ferro-

Silikon atau Ferro-Mangganes. Untuk mengambil keluli, sangga dikait atau dituang daripada

permukaannya dahulu kemudian diasingkan atau dialirkan melalui lubang/saluran keluar dengan

mencondongkan relau yang ditunjukkan pada gambarajah 3(d)

Gambarajah 3(d) : Menunjukkan proses pengakhiran


10

Kebaikan (advantage) Relau Arka Elektrik

i. Perpindahan atau perubahan sulfur adalah bersesuaian.

ii. Pembakaran dapat dikawal dan diatur dengan lebih berkesan.

iii. Tiada gas pengoksidaan menghasilkan keluli berkualiti tinggi.

iv. Suhu boleh dikawal dengan tepat.

v. Penambahan elemen aloi boleh dibuat dengan betul.

vi. Relau ini bebas dari kekotoran dan asap.

topic 2 ferrous material structure & binary...

Documents