Pembuatan baja

Pembuatan baja adalah proses untuk memproduksi baja dari bijih besi dan scrap. Dalam pembuatan baja, kotoran seperti nitrogen, silikon, fosfor, sulfur dan kandungan karbon berlebih dikeluarkan dari bahan baku besi, dan elemen paduan seperti mangan, nikel, kromium dan vanadium ditambahkan untuk menghasilkan berbagai nilai dari baja. Membatasi gas-gas terlarut seperti nitrogen dan oksigen, dan kotoran terlarut (disebut "inklusi") dalam baja ini juga penting untuk memastikan kualitas produk cor dari baja cair.^[1]

Pembuatan baja telah ada selama ribuan tahun, tapi tidak dikomersialkan dengan produksi besar-besaran sebelum tibanya abad ke-19. Proses kerajinan kuno dalam pembuatan baja adalah wadah proses. Pada tahun 1850-an dan 1860-an, proses Bessemer dan proses Siemens-Martin mengubah pembuatan baja menjadi industri berat. Saat ini ada dua proses-proses utama komersial untuk membuat baja, yaitu dasar pembuatan baja oksigen, yang mana prosesnya menggunakan besi mentah cair dari tungku sembur dan baja rongsokan sebagai material utama, dan proses pembuatan electric arc furnace (EAF), yang menggunakan baja rongsokan atau direct reduced iron (DRI) sebagai bahan utama. Pembuatan baja dengan oksigen dasar berjalan terutama oleh sifat eksotermik dari reaksi didalam tungknya sedangkan EAF, energi listrik digunakan untuk mencairkan material padat dan/atau bahan DRI. Dalam masa kini, teknologi pembuatan baja EAF telah berkembang menjadi seperti pembuatan baja dengan oksigen karena semakin banyaknya energi kimia yang dimasukkan ke dalam proses.^[2]

Sejarah

Bethlehem Steel (Bethlehem, Pennsylvania fasilitas foto) adalah salah satu produsen terbesar baja dunia sebelum penutupannya pada tahun 2003.

Pembuatan baja telah memainkan peran penting dalam pengembangan komunitas teknologi zaman kuno, abad pertengahan dan zaman modern. Awal proses pembuatan baja telah dilakukan selama era klasik di Iran Kuno, Cina Kuno, India, dan Roma, tapi proses kuno pembuatan baja hilang di Barat karena jatuhnya Kekaisaran Romawi Barat pada abad ke-5 Masehi.^[3]

Besi cor adalah bahan rapuh keras yang sulit untuk diolah, sedangkan baja ditempa, relatif mudah dibentuk dan bahan serbaguna. Untuk sebagian besar sejarah manusia, baja ini hanya dibuat dalam jumlah kecil. Sejak penemuan proses Bessemer di abad ke-19 dan selanjutnya perkembangan teknologi dalam teknologi injeksi dan kontrol proses, produksi massal dari baja telah menjadi bagian integral dari ekonomi global dan indikator kunci dari perkembangan teknologi modern.^[4] Proses pembuatan baja yang paling awal adalah dengan menggunakan tungku tempa.

Metode modern awal untuk memproduksi baja banyak menggunakan tenaga kerja-intensif dan seni yang membutuhkan keterampilan tinggi. Lihat:

Penempaan perhiasan, di mana proses pembuatan riasan dapat dikelola untuk menghasilkan baja.
Baja blister dan baja wadah.

Sebuah aspek penting dari Revolusi Industri adalah pengembangan metode untuk menghasilkan logam yang bisa ditempa dalam skala besar (bar besi atau baja). Tungku lumpur awalnya merupakan sarana untuk memproduksi besi tempa, namun kemudian diterapkan untuk produksi baja.

Revolusi nyata dalam pembuatan baja modern baru dimulai pada akhir tahun 1850-an ketika proses Bessemer menjadi sukses pertama metode pembuatan baja dengan kuantitas raksasa, diikuti oleh open-hearth furnace.

Proses pembuatan baja modern

Besi adalah logam paling banyak kedua di kerak bumi setelah aluminium. Unsur ini reaktif terhadap oksigen dan air. Besi segar memiliki permukaan abu-abu keperakan. Namun, warna akan berubah jika besi teroksidasi dalam air normal, menyebabkan oksida besi hidrat (karat). Bijih besi pada dasarnya terbuat dari oksida (magnetit, hematit dan limonit), karbonat (siderit) dan sulfida (pyrite). Banyak endapan bijih ditemukan di cekungan Mediterania bagian timur dan bisa mudah dikenali karena terkait dengan warna merah karat dari bumi. Bijih besi ini sering dieksploitasi sebagai pigmen karena bisa memberikan warna kuning, ochres (kuning tua), coklat dan merah.

Baja adalah logam yang dihasilkan dari paduan beberapa logam lainnya. Logam paduannya bisa berupa besi, karbon, mangan, fosfor, belerang, silikon, serta sebagian kecil dari aluminium, nitrogen, dan oksigen. Selain itu, karakteristik baja yang berbeda bisa menggunakan paduan seperti nikel, titanium, kromium, vanadium, boron, niobium, dan molydenum.

Salah satu unsur yang penting dalam pembuatan baja adalah adanya paduan karbon. Penggunaan karbon dalam proses pembuatan baja bertujuan untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan tariknya. Jadi, karbon bertindak sebagai pengeras dengan mencegah pergeseran dalam kisi kristal atom besi. Selain itu, kandungan unsur karbon dalam rentang baja dari 0,2 hingga 2,1 persen sesuai dengan kualitasnya. Baja karbon ini berwarna hitam sehingga sering disebut baja hitam. Biasanya, bahan ini digunakan untuk membuat alat-alat pertukangan seperti sabit, cangkul, linggis, dan lain-lain. Saat ini, baja adalah salah satu bahan yang paling banyak digunakan di dunia industri dan proses membangun bangunan.

Besi merupakan material alami yang terbuat dari unsur ferrum (Fe). Besi terbuat dari bijih besi yang ditambang dari alam, lalu diolah. Baja adalah material buatan yang terbuat dari paduan berbagai unsur seperti besi, karbon, mangan, fosfor, sulfur, silikon, serta sebagian kecil aluminium, nitrogen, dan oksigen. Besi terbuat dari bijih besi yang ditambang dari alam, lalu diolah sedemikian rupa seperti besi kasar untuk besi cor. Selain itu, besi dapat digunakan sebagai bahan baku untuk membuat baja. Sehingga, jangan heran jika besi dan baja juga memiliki bentuk yang sangat mirip.

Pada proses pembuatan besi yang paling awal, bijih yang telah dicuci dan dihancurkan dipanaskan dengan arang dalam sebuah tungku tradisional, biasanya berupa lubang sederhana di tanah. Suhu tercapai tidak mencukupi untuk mencapai leleh dan oksidasi bijih dikurangi dengan karbon dalam keadaan padat, mengarah ke gumpalan yang disebut bloom. Ampas bijih disingkirkan dan bloom berulang kali dipanaskan dan dipalu untuk mengusir sisa ampas, dan membentuk massa yang lebih padat. Bijih yang diperoleh dengan cara ini sepenuhnya murni, dengan kandungan karbon rendah. Oleh karena itu mudah dibentuk dan relatif lunak.

Pada proses pembuatan baja, terdapat “pig iron” atau besi tuang yang dihasilkan dari tanur tinggi, yang harus ada proses pemurnian terlebih dahulu agar menurunkan kadar karbonnya (dari 5 persen diturunkan sampai di bawah 1.5 persen), dan proses menghilangkan bahan atau unsur lain yang mengotori besi (silikon, belerang, fosfor, dan sebagainya) dapat dilakukan dengan pemurnian melalui berbagai metode, yaitu:

Proses pembuatan besi dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu Blast Furnace dan Electric Arc Furnace (EAF). Perbedaan Blast Furnace dan EAF yaitu terletak pada bahan dasarnya. Pada proses Blast Furnance, bahan bakar (Coke) digunakan dalam jumlah yang besar, sedangkan, pada EAF tidak menggunakan Coke. Proses produksi material baja untuk struktur, mulai dari bijih besi sampai menjadi baja profil atau baja pelat dirangkum secara sederhara sebagai berikut: Pertama, ada beberapa komponen dasar yang perlu diperhatikan. Komponen dasar tersebut diantaranya adalah iron ore (bijih besi), limestone (tanah kapur), coke (dibuat dari coal, khusus untuk pembuatan steel) dimasukkan ke dalam blast furnace. Coke merupakan bahan bakar untuk furnace, dibuat dari coal dengan proses tertentu. Cairan besi (molten iron) yang panas di dalam furnace terpisah menjadi 2 bagian. Bagian atas adalah slag (waste, impurities), dan bagian bawah adalah besi yang hendak dipakai. Besi yang dihasilkan ini kemudian dicetak menjadi pig iron. Kadar karbon dalam pig iron bisa mencapai 2%.

Cara pengolahan besi lainnya adalah Proses Bassemer, prosesnya adalah dari sejumlah leburan besi tuang dari tanur tinggi dimasukan ke dalam Converter Bassemer (yaitu tanur untuk Proses Bassemer). Dalam metode ini, ke dalam Conventer Bassemer ditambahkan senyawa lain seperti dolomite dan, untuk mengikat zat pengotor di dalam besi. Sambil diputar terus dibawah tanur, melalui lubang-lubang dibawah tanur dimasukan gas oksigen agar bereaksi dengan karbon, silikon, fosfor dan belerang menjadi oksida-oksidanya. Oksidaoksida ini akan diikat oleh oksida-oksida magnesium dan kalsium sebagai hasil penguraian yang sebelumnya dimasukan, menjadi kerak yang mengapung diatas cairan besi. Selanjutnya besi cair yang sudah mendekati murni dikeluarkan dan CaCO 3 melalui lubang pada converter. Dan kerak yang tertinggal dalam converter dapat dibuang. Jenis baja yang dihasilkan Converter Bassemer ditentukan dengan mengontrol karbon yang dikandungnya, serta jenis logam lain yang dicampurkan untuk membuat logam aliasi.

Proses Open Hearth Furnace, merupakan proses terbuka tanur berupa piringan datar yang besar. Pada dasar kolom telah ditempatkan oksida basa yang akan berguna sebagai zat pengikat. Ke dalam tanur tinggi dimasukan besi tuang, besi bekas dan batu kapur. Campuran gas pembakar dan udara panas dilewatkan di atas piringan yang berisi besi cair ini. Sementara diaduk maka akan berlangsung reaksi antara oksida-oksida pengotor dengan CaO dan MgO menjadi kerak. Kelebihan proses ini adalah kualitas baja yang dihasilkan mudah dikontrol kualitasnya secara terus menerus selama proses ini berlangsung lama (8 sampai 10 jam) sedangkan Proses Bassemer berlangsung cepat (sekitar 15 menit).

Pig iron dimasukkan ke dalam primary steelmaking furnace, bisa berupa oxygen furnace, electric arc furnace, atau open hearth furnace. Pada proses ini, berbagai bahan kimia ditambahkan ke dalam furnace untuk mendapatkan material properties yang diinginkan. Seringkali, scrap juga dimasukkan ke dalam furnace ini. Di dalam proses dengan oksigen, karbon di dalam molten iron akan bereaksi dengan oksigen menghasilkan gas karbon monoksida. Gas ini harus keluar. Kalau tidak, bisa membentuk ‘gas pockets’ (rimming) saat menjadi dingin (rimmed steel). Untuk menghindarinya, bisa menggunakan deoxidizer seperti silikon dan aluminum. Baja yang dihasilkan adalah killed steel atau semi-killed steel. Baja yang dihasilkan dicetak dalam bentuk slab, billet, dan bloom. Baja yang telah dicetak dalam bentuk slab, bloom atau billet tersebut selanjutnya dibentuk menjadi berbagai macam profil seperti H-beam, Angle (siku), Channel, rel kereta, pelat, pipa (seamless pipe), dan sebagainya.

Proses BOP (Basic Oxigen process), merupakan proses besi tuang dicampur dengan besi rongsokan. Besi tuang meleleh di dalam besi tuang. Kedalam tanur dimasukan oksigen murni melalui pipa. Oksigen murni ini akan membakar zat pengotor didalam cairan besi tuang. Batu kapur yang sebelumnya dimasukan kedalam tanur akan mengikat zat pengotor ini menjadi kerak. Hingga saat ini metode BOP banyak digunakan karena baja yang dihasilkan mutunya tinggi, prosesnya cepat (20 sampai 30 menit), pengontrolan kualitas mudah dilakukan, serta mudah mencampurkan logam-logam lain untuk membuat baja aliasi. Terakhir ini dikembangkan proses busur listrik untuk menghasilkan kualitas baja yang lebih baik lagi.

Peleburan Baja Primer

Pra perlakuan logam panas, hot metal pre treatment
Tungku oksigen dasar, hasic oxygen furnace (BOF)
Tungku hibrida, hybrid furnace
Tungku busur listrik, electric arc furnace (EAF)
Tungku induksi, induction furnace (IF)
Tungku optimal energi, energy optimization furnace (EOF)

Metalurgi Sekunder

Stasiun pembilasan argon, argon rinsing station (ARS)
Ladle furnace (LHF)
Pemanasan kimia
Penghilangan gas vakum.
Dekarburisasi oksigen argon

Pengecoran Kontinu

Kastor slab konvensional, conventional slab caster
Kastor lempengan tipis, thin slab caster
Kastor billet, billet caster
Bloom kastor, bloom caster
kastor kombinasi, combi caster
Near net shape caster

Paduan Ferro

Tungku busur terendam, submerged arc furnace

Fasilitas lainnya

Pemrosesan terak

Lihat juga

Referensi

^ B. Deo and R. Boom, Fundamentals of Steelmaking Metallurgy, Prentice and Hall, 1993
^ E.T. Turkdoagn, Fundamentals of Steelmaking, IOM, 1996
^ Pahl, Ron (2002). Breaking Away from the Textbook: Prehistory to 1600. Scarecrow Press Inc. hlm. 53. ISBN 978-0810837591.
^ S. Sass, The Substance of Civilization, Arcade Publishing, 1998

Pranala luar

Film pendek Film pendek The Drama of Steel (1946) tersedia untuk diunduh secara gratis di the Internet Archive [selebihnya]
AS Baja Gary Karya Koleksi Foto, 1906-1971
"Baja Untuk alat-Alat Untuk meraih Kemenangan" , desember 1943, Ilmu pengetahuan Populer besar artikel rinci dengan berbagai ilustrasi dan bentuk modern pada dasar-dasar pembuatan baja

[1] B. Deo and R. Boom, Fundamentals of Steelmaking Metallurgy, Prentice and Hall, 1993

[2] E.T. Turkdoagn, Fundamentals of Steelmaking, IOM, 1996

[3] Pahl, Ron (2002). Breaking Away from the Textbook: Prehistory to 1600. Scarecrow Press Inc. hlm. 53. ISBN 978-0810837591.

[4] S. Sass, The Substance of Civilization, Arcade Publishing, 1998

[1]

[2]

[3]

[4]