Proses Pembuatan Baja Dijelaskan: Dari Bijih Besi hingga Legas
Pengenalan produksi dan properti legas baja
Menurut World Steel Association, 1869,9 juta ton baja diproduksi pada 2019. Ini mewakili peningkatan output sebesar 3,4% dari 2018 dan lebih dari dua kali output pada 1999. Dunia memiliki kebutuhan yang terus bertumbuh untuk baja. Ia digunakan dalam konstruksi, industri, dan manufaktur. Kedua kuat dan murah, ideal untuk semua jenis manufaktur.
Dari apa baja terbuat?
Besi, komponen elemen utama dari baja, adalah salah satu elemen yang paling melimpah di kerak bumi. Semua legas baja terutama besi dan 0,002–2,1 % karbon menurut berat. Dalam rentang ini, karbon bereaksi dengan besi untuk menciptakan struktur molekuler yang kuat. Mikrostruktur jaring yang dihasilkan membantu mencapai properti material tertentu, seperti kekuatan tarik dan kekakuan, yang kita andalkan pada baja.
Meskipun semua baja terbuat dari besi dan karbon, berbagai jenis baja memiliki persentase elemen yang berbeda. Baja juga dapat mencakup elemen lain seperti nickel, molibdenum, manganese, titanium, boron, kobalt, atau vanadium. Menambahkan elemen berbeda ke “resep” untuk legas baja mempengaruhi properti materialnya. Metode pembuatan dan perlakuan baja lebih meningkatkan kemampuan ini.
Salah satu grup legas baja yang patut disebutkan mengandung chromium. Semua legas tersebut dikenal secara umum sebagai stainless steel.
Cara membuat baja
Pada dasarnya, baja dibuat dengan mencampur karbon dan besi pada suhu sangat tinggi (di atas 2600°F).
Primary steelmaking membuat baja dari produk yang disebut “pig iron.” Pig iron adalah besi dileleh, dari bijih, yang mengandung lebih banyak karbon daripada yang benar untuk baja.
Pembuat baja menggunakan sistem yang mencermbus oksigen melalui pig iron yang meleleh. Proses ini menciptakan oksidasi yang merata di seluruh logam cair. Oksidasi menghilangkan karbon berlebih. Ia juga menguapkan atau mengikat kotoran yang terdiri dari elemen seperti silikon, fosfor, dan manganese.
Secondary steelmaking dilakukan “di dalam ladle.” Ini adalah proses pemurnian dan pengaloyan baja. Secondary steelmaking dapat memulai dengan meleleh sisa, atau melanjutkan proses primer. Elemen dapat ditambahkan untuk mendapatkan legas tertentu. Pekerja baja juga dapat menghilangkan kotoran permukaan (de-slagging). Ladle dipanaskan dan didinginkan ke suhu yang diperlukan untuk proses kimia yang diperlukan.
Finishing baja
Di pabrik tuang, baja dicasting pasir atau investment ke dalam bentuk pola. Di pabrik baja, baja dicasting oleh continuous caster menjadi bahan bangunan mentah. Continuous caster menciptakan bentuk baja mentah yang terstandarisasi daripada bagian dekat-selesai. Baja mentah akan dimesin atau dikerjakan menjadi produk akhir. Pabrik baja biasanya mencasting dan membentuk lembar, billet, bar, bloom, pipa, ingot, dan kawat.
Pabrik mungkin juga hot-roll atau cold-roll baja selama produksi. Proses-proses ini menciptakan bentuk dan finishing yang berbeda. Sebelum pengiriman, baja mungkin dipotong, digulung, atau dikemas sebelum meninggalkan pabrik.
Di pabrik tuang atau pabrik, baja dapat dioleh panas. Langkah akhir seperti quenching, tempering, normalizing dan annealing dapat membentuk cara legas berperilaku dalam aplikasi.
Penemuan baja
Arkeolog telah menemukan baja paling awal di situs yang berusia 4.000 tahun, di Turki. Crucible steels, seperti baja Wootz India Selatan yang terkenal, dibuat secara konsisten sejak abad ke-4 SM. Namun, hingga pertengahan abad ke-19, pembuatan baja sangat tantangan.
Baja meleleh sekitar 2700°F. Mempertahankan panas tinggi ini adalah tantangan untuk purba kuno yang membuat baja crucible. Selain itu, kotoran ditemukan dalam legas baja, terdiri dari elemen seperti silikon dan manganese. Mengelola ini masih tantangan. Dalam pembuatan baja kuno, mereka membuat proses yang panjang, multistep. Pendiri akan menghabiskan hari yang panjang memanaskan, mengaduk, de-slagging, dan memanaskan ulang legas mereka. Setelah baja dicasting, ia kemudian pergi untuk dikerjakan oleh pande. Dipukul di besi sisik menciptakan bentuk akhir. Ia juga membantu mendistribusikan dan mengurangi variansi karbon, pori, atau inklusi.
Pada tahun 1856, Henry Bessemer mengajukan paten untuk proses untuk membuat baja dengan cara baru. Menggunakan Bessemer converter, daripada wadah peleburan tradisional, memungkinkan pembuat baja untuk mencermbus udara melalui logam cair. Dalam reaksi terhadap udara, kotoran akan mengoksidasi dan off-gas. Oksidasi juga membantu menciptakan dan mempertahankan panas tinggi yang diperlukan untuk pembuatan baja.
Proses yang sebelumnya memakan waktu sehari penuh di pabrik tuang dan lebih banyak waktu di pabrik diganti dengan proses 20 menit yang dapat membuat 5 ton baja. Baja Bessemer juga lebih kuat, dan kualitas yang lebih tinggi, daripada yang sebagian besar pembuat baja dapat harapkan. Inovasi ini mendukung Revolusi Industri.
Apakah baja magnetik?
Sebagian besar baja magnetik, tetapi tidak semua. Baja sebagian besar terbuat dari besi, dan besi magnetik. Ferromagnetism pertama kali ditemukan di alam di “lodestones”—batu yang terbuat dari magnetite, oksida besi. Elemen lain juga ferromagnetis, seperti kobalt dan nickel. Elemen ini juga kadang-kadang ditemukan dalam baja.
Stainless steel terkenal non-magnetik, meskipun semua stainless steel mengandung besi dan banyak mengandung nickel. Sejujurnya, hanya beberapa legas stainless yang non-magnetik. Austenitic stainless steel—yang mengandung nickel—non-magnetik dalam sebagian besar kasus (meskipun dapat menjadi sangat sedikit magnetik saat dikerjakan). Tipe lain, seperti legas ferritic atau martensitic, adalah stainless dan magnetik.
Properti baja
Baja begitu umum digunakan karena properti material spesifiknya dikombinasikan dengan biaya relatif rendah. Dibandingkan banyak bahan bangunan dan pembuatan alat lainnya (seperti kayu, batu, beton, atau besi tuang), legas baja menawarkan:
- Kekakuan: resistensi terhadap indensi saat ditekan dengan tekanan yang bertambah secara bertahap
- Ketawalan: ketika material merubah bentuk, ketawalan menggambarkan seberapa jauh ia pergi sebelum pecah
- Yield strength: resistensi terhadap mengubah bentuk saat ditarik dengan tekanan yang bertambah secara bertahap
- Tensile strength: kemampuan material untuk menahan ditarik sebelum pecah
- Malleability: kemampuan untuk dibentuk dengan memukul atau menekan tanpa pecah
- Ductility: kemampuan untuk dibentuk tanpa kehilangan ketawalan—mengerjakan logam seringkali membuatnya lebih rapuh, tetapi material duktil tidak rapuh melalui pekerjaan secepat itu.
Rentang yang diuji dari properti ini bervariasi antara legas, tetapi secara keseluruhan baja berhasil menjadi lebih keras dan lebih tahan (kurang rapuh) daripada banyak bahan lainnya.
Jenis baja
Ada empat kelompok utama legas baja: karbon, alat, alloy, dan stainless steels.
- Carbon Steel—Baja rendah, sedang, dan tinggi karbon bervariasi sebagian besar oleh kekakuan dan duktibilitas. Baja ringan atau rendah karbon cenderung lebih duktil dibandingkan baja lainnya, tetapi juga menawarkan kekakuan lebih rendah. Di ujung lain dari rentang, baja tinggi karbon lebih keras. Namun, baja tinggi karbon biasanya memiliki duktibilitas lebih rendah.
- Tool Steel—Baja tinggi karbon dengan elemen tambahan seperti tungsten, vanadium, atau molibdenum, dioleh panas dan di-quench ke kekakuan superior, digunakan untuk baja alat.
- Alloy Steel—Keluarga baja ini umumnya merujuk pada baja dicampur dengan elemen spesifik untuk properti material luar biasa, di luar yang biasanya jatuh ke dalam keluarga lain. Semua baja adalah legas dan banyak memiliki elemen tambahan. Namun, alloy steel adalah baja yang tidak biasa yang dibangun untuk aplikasi spesifik, dan dapat bervariasi dari formulasi nilai hingga legas eksotis yang digunakan untuk mesin jet.
- Stainless Steel—Baja ini dialloy dengan chromium untuk membuatnya tahan karat melalui passivation.
Produksi baja: cerita tentang daur ulang
Salah satu fitur terbaik dari baja (dan logam lainnya) adalah sisa dapat menjadi logam baru, berkualitas tinggi. Proses secondary steelmaking menciptakan legas yang sama baik dengan yang berasal dari pig iron. Item logam dapat degradasi dari penggunaan, tetapi kimia elemen logam berarti meleleh dan pengaloyan menciptakan produk yang sepenuhnya baru.
Pertumbuhan output pembuatan baja oleh karena itu tidak memerlukan pertumbuhan yang cocok dalam peleburan bijih baru (meskipun produksi pig iron tetap merupakan bagian vital dari rantai pasokan baja.) Mereklamasi dan pemrosesan sisa baja berarti panel mobil kemarin dapat menjadi balok besi besok.
Dengan 98% baja dapat direklamasi, logam ini adalah salah satu produk paling dapat didaur ulang di dunia. Masih, tidak tanpa tantangan lingkungan. Coke, bentuk batu bara, biasanya digunakan sebagai masukan karbon untuk pembuatan baja. Selain itu, energi tinggi yang diperlukan untuk meleleh atau pelebur dan oksidasi dan proses produksi lainnya menciptakan kimia dan karbon dioksida. Untungnya, banyak penelitian yang dilakukan di sektor pembuatan baja untuk mengurangi masalah produksi. Beberapa meliputi daur ulang karbon dioksida kembali ke dalam baja itu sendiri, sebagai sumber karbon, menurunkan kebutuhan untuk sumber lain seperti coke.
Dengan teknologi ini yang telah diperbaiki dan diterapkan, pembuatan baja akan terus menjadi salah satu industri besar di masa depan. Ia mendasari, mendorong, dan membangun ekonomi kita.
