Ekstraksi Besi dari Hematit — Peleburan Bloomery dari Bijih ke Nuget

Hematit (Fe₂O₃) mengandung sekitar 70% besi menurut massa. Di tungku bloomery, karbon monoksida (CO) dari pembakaran arang mengurangi oksida besi: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Besi tidak meleleh sepenuhnya (suhu bloomery 1100–1300°C, besi meleleh pada 1538°C). Sebaliknya, ia membentuk massa berpori yang disebut nuget.

Hancurkan bijih hematit dengan palu di atas batu datar menjadi potongan 2–3 cm. Potongan yang lebih kecil mengekspos luas permukaan yang lebih besar ke gas pereduksi, meningkatkan hasil besi. Buang batu non-ferus yang jelas (kuarsa, batu kapur) saat menyortir.

Panaskan potongan bijih dalam api terbuka selama 2–3 jam pada 700–800°C. Roasting mengeluarkan kelembaban dan mengubah oksida besi terhidrasi (limonit, goethit) menjadi hematit anhidrat. Bijih yang disangrai juga lebih rapuh dan lebih mudah dipecah lebih lanjut. Bijih berubah warna dari cokelat tanah menjadi merah bata.

Pilih area datar dan terdrain baik jauh dari struktur mudah terbakar. Lereng alami atau lereng bukit ideal – Anda dapat membangun tungku di lereng untuk dukungan struktural. Pastikan ada akses baik ke aliran udara untuk blower dan ruang untuk bekerja dengan aman di sekitar tungku panas.

Campurkan tanah liat dengan pasir dan jerami cincang (rasio 3:1:0,5) untuk membuat material tahan api. Bangun silinder vertikal berdiameter sekitar 30 cm dan tinggi 80–100 cm. Tinggalkan bukaan tuyère (inlet udara) di dasar, diameter 5–7 cm, sedikit miring ke atas. Tinggalkan bukaan keran terak di depan bawah untuk mengalirkan terak.

Biarkan tungku mengering selama minimal 3–5 hari sebelum penggunaan pertama. Pemanasan cepat tungku basah menyebabkan ledakan uap yang mengorbankan dinding tanah liat. Api pemanas kecil di hari terakhir secara bertahap mengeluarkan kelembaban yang tersisa.

Anda membutuhkan sekitar 8–10 kg arang untuk 1 kg bijih. Arang kayu keras (ek, beech, birch) terbaik – terbakar lebih panas dan lebih lama daripada arang kayu lunak. Potong arang menjadi potongan 2–4 cm. Total bahan bakar yang diperlukan untuk muatan bijih 5 kg: 40–50 kg arang.

Masukkan nozel blower (tabung tuyère) ke dalam bukaan tuyère. Tabung harus terbuat dari keramik atau baja – harus tahan 1200°C+. Ujung tuyère harus menonjol sekitar 3–5 cm ke dalam tungku. Dua orang berganti-ganti di blower memberikan aliran udara konstan terbaik.

Isi tungku dengan arang dan nyalakan dari atas. Pompa blower dengan lembut selama 30–45 menit untuk menaikkan suhu operasi. Interior tungku harus bersinar jingga-putih (1100–1300°C) sebelum menambahkan bijih apa pun.

Setelah mencapai suhu, tambahkan lapisan bolak-balik arang dan bijih yang digiling dari atas: lapisan arang 5 cm, kemudian lapisan bijih tipis (segenggam setiap kali). Rasio volume arang ke bijih harus sekitar 3:1. Tambahkan muatan baru setiap 10–15 menit seiring level turun.

Pompa blower dengan kecepatan konstan – sekitar 15–20 pompa per menit. Aliran udara konstan sangat penting: terlalu sedikit udara dan suhu jatuh di bawah pengurangan, terlalu banyak udara dan besi terbakar menjadi terak. Suara tungku berubah dari dengungan suram menjadi nada lebih tinggi ketika suhu benar.

Setiap 30–60 menit, buka keran terak di dasar dan biarkan terak cair mengalir. Terak adalah cairan seperti kaca gelap dari silikat besi (fayalit). Jika terak menumpuk, itu memblokir aliran udara dan menurunkan suhu. Gunakan tongkat untuk membersihkan bukaan keran jika tersumbat. Kenakan celemek kulit dan perlindungan wajah.

Total waktu peleburan adalah 4–8 jam operasi berkelanjutan. Lanjutkan menambahkan arang dan bijih dalam lapisan. Lanjutkan memompa blower. Nuget terbentuk di dasar tungku di mana partikel besi yang berkurang menyatu bersama dalam panas. Muatan bijih 5 kg biasanya memakan waktu sekitar 6 jam.

Ketika semua bijih dan arang habis, matikan blower dan biarkan tungku mendingin selama 1–2 jam. Jangan dinginkan dengan air – kejutan termal dapat retak nuget. Nuget harus cukup panas untuk ditangani dengan penjepit tetapi tidak terlalu panas untuk berubah bentuk saat dilepas.

Pecahkan dinding depan tungku di keran terak. Dengan penjepit gagang panjang, tarik nuget keluar. Ini akan menjadi massa nuget kasar dan berpori dari besi bercampur dengan terak terjebak dan arang, kira-kira seukuran kepalan tangan hingga melon tergantung muatan bijih. Bersinar merah gelap.

Saat masih panas (di atas 800°C, bersinar merah), palu nuget di atas landasan atau batu datar untuk mengeluarkan terak terjebak. Terak menetes seperti percikan bersinar. Lipat dan palu berulang kali. Proses ini disebut pengelasan dan memadatkan besi berpori menjadi massa nuget yang lebih padat dan dapat ditangani.

Timbang nuget yang dikonsolidasikan. Hasil bloomery khas adalah 10–25% dari massa bijih sebagai besi logam. Dari 5 kg hematit, harapkan 500 g hingga 1,25 kg besi yang dapat digunakan. Besi rendah karbon (besi tempa) kecuali menyerap karbon dari arang selama peleburan.

Biarkan nuget mendingin sepenuhnya di udara tenang. Simpan di tempat kering – besi tempa mudah berkarat. Lapisi dengan lapisan tipis minyak atau lilin lebah untuk mencegah oksidasi saat penyimpanan. Besi ini sekarang siap untuk dipalu menjadi alat, senjata, atau perangkat.