Evolusi Pembuatan Baja: Dari Artefak Kuno hingga Proses Modern
Perkembangan Proses Pembuatan Baja
Produksi baja paling awal yang dikenal adalah potongan logam bekas yang diekskavasi dari situs arkeologis di Anatolia dan berusia hampir 4.000 tahun, berasal dari 1800 BCE (sebelum era umum). Horace mengidentifikasi senjata baja seperti falcata di Semenjang Iberia, sementara baja Noric digunakan oleh Tentara Romawi.
Reputasi ‘Seric iron’ India Selatan (wootz steel) di kalangan Yunani, Romawi, Mesir, Afrika Timur, Tiongkok dan Timur Tengah tumbuh secara signifikan. Sumber India Selatan dan Mediterania termasuk Alexander the Great (abad ke-3 BCE) menceritakan presentasi dan ekspor baja tersebut ke Yunani. Situs produksi logam di Sri Lanka menggunakan furnace angin yang dioperasikan oleh angin monsun, mampu menghasilkan baja karbon (C) tinggi. Produksi wootz steel berskala besar di Tamilakam menggunakan rongga dan sumber C seperti tanaman Avaram terjadi pada abad ke-6 BCE, pelopor modern dari produksi baja dan metalurgi modern. Baja diproduksi dalam jumlah besar di Sparta sekitar 650 BCE.
Tiongkok pada periode Warring states (403 BCE hingga 221 BCE) memiliki baja yang dipanaskan dan dihasilkan keras, sementara Tiongkok pada periode Dinasti Han (202 BCE hingga 220 CE) menciptakan baja dengan meleleh bersama besi paduan dengan besi cor, menghasilkan produk akhir baja karbon menengah pada abad ke-1 CE (era umum). Orang Haya di Afrika Timur menemukan jenis furnace yang mereka gunakan untuk membuat baja C pada 1.800 derajat C hampir 2.000 tahun yang lalu. Baja Afrika Timur disarankan oleh Richard Hooker berasal dari 1400 BCE.
Bukti produksi baja C tertinggi yang paling awal di subkontinen India ditemukan di Kodumanal di Tamilnadu, Golkonda di Telengana, dan Karnataka dan di wilayah Samanalawewa di Sri Lanka. Baja ini dikenal sebagai wootz steel, yang diproduksi sekitar abad ke-6 BCE diekspor secara global. Teknologi baja ada sebelum 326 BCE di wilayah tersebut karena disebut dalam literatur Sangam Tamil, Arab dan Latin sebagai baja terbaik (disebut Seric iron) di dunia yang diekspor ke dunia Romawi, Mesir, Tiongkok dan Arab pada waktu itu. Karena teknologi diperoleh dari India Selatan, asal teknologi baja di India dapat diperkirakan konservatif pada 500 BCE hingga 400 BCE.
Wootz, juga dikenal sebagai Damascus steel, terkenal karena daya tahannya dan kemampuan untuk mempertahankan tepi yang tajam. Seperti yang diketahui dari tulisan Zosimos of Panopolis, baja ini awalnya dibuat dari sejumlah bahan berbeda termasuk berbagai unsur pelacak. Namun, baja ini adalah teknologi lama di India ketika Raja Porus menghadirkan pedang baja ke kaisar Alexander pada 326 BCE. Ini pada dasarnya adalah alloy yang rumit dengan besi sebagai komponen utamanya. Studi terbaru telah menyarankan bahwa nanotube karbon termasuk dalam strukturnya, yang mungkin menjelaskan beberapa kualitas legendarisnya, meskipun dengan teknologi pada waktu itu, kualitas tersebut dihasilkan secara tidak sengaja daripada oleh desain. Angin alami digunakan di mana tanah yang mengandung besi dipanaskan dengan kayu. Orang Sinabah kuno berhasil mengekstrak satu ton baja untuk setiap dua ton tanah, prestasi yang luar biasa pada waktu itu. Salah satu furnace tersebut ditemukan di Samanalawewa dan arkeolog berhasil menghasilkan baja seperti yang dilakukan oleh orang kuno.
Berbagai metode digunakan untuk menghasilkan baja di subkontinen India. Menurut teks Islam seperti al-Tarsusi dan Abu Rayhan Biruni, tiga metode dijelaskan untuk produksi baja tidak langsung. Sejarawan Islam abad pertengahan Abu Rayhan Biruni (973 CE hingga 1050 CE) memberikan referensi paling awal tentang produksi Damascus steel. Dia hanya menjelaskan tiga metode untuk menghasilkan baja. Dua metode pertama memiliki sejarah panjang di Asia Tengah dan di subkontinen India sementara metode ketiga eksklusif untuk Asia Selatan. Tiga metode ini umumnya dianggap berasal dari subkontinen India. Metode pertama dan metode tradisional yang paling umum adalah carburization keadaan padat dari besi paduan. Ini adalah proses difusi di mana besi paduan dikemas di rongga atau hearth dengan arang kayu, kemudian dipanaskan untuk mempromosikan difusi C ke dalam besi untuk menghasilkan baja. Carburization adalah dasar dari proses wootz baja (sebuah proses cementation). Metode kedua adalah decarburization dari besi cor dengan menghapus C dari besi cor (sebuah proses rongga). Metode tidak langsung lain menggunakan besi paduan dan besi cor. Dalam proses ini, besi paduan dan besi cor dapat dipanaskan bersama di dalam rongga untuk menghasilkan baja melalui peluruhan. Mengenai metode ini Abu Rayhan Biruni menyatakan: “ini adalah metode yang digunakan di Hearth”.
Variasi proses co-fusion telah ditemukan awalnya di Persia dan Asia Tengah tetapi juga ditemukan di Hyderabad, India. Untuk C, berbagai bahan organik ditentukan oleh otoritas Islam kontemporer, termasuk kulit delima, buah ekor, kulit buah seperti kulit jeruk, daun serta putih telur dan cangkang. Sliper kayu disebut dalam beberapa sumber India, tetapi secara signifikan tidak ada sumber yang menyebutkan arang kayu.
Crucible steel, yang dibentuk dengan memanaskan dan mendinginkan besi murni dan C (biasanya dalam bentuk arang kayu) di dalam rongga, diproduksi di Merv pada abad ke-9 hingga 10 CE. Pada abad ke-11, ada bukti produksi baja di Tiongkok Song dengan dua teknik yaitu (i) metode “berganesque” yang menghasilkan baja yang kurang baik, tidak homogen, dan (ii) pelopor proses Bessemer yang menggunakan decarbonisasi parsial melalui pengintian berulang dengan angin dingin.
Produksi baja melalui proses cementation dijelaskan dalam kitab yang diterbitkan di Praha pada tahun 1574 dan digunakan di Nuremberg dari tahun 1601.
Proses Cementation untuk Membuat Baja
Proses cementation adalah metode yang sudah ketinggalan zaman untuk membuat baja dengan carburization besi. Berbeda dengan pembuatan baja modern, ini meningkatkan jumlah C dalam besi. Ini tampaknya dikembangkan sebelum abad ke-17. Furnace cementation Derwentcote, yang dibangun pada tahun 1720, adalah contoh terawal dari furnace cementation yang masih ada. Dua furnace cementation yang pasti ada pada awal abad ke-16 telah diekskavasi di Inggris.
Proses dimulai dengan besi paduan dan arang kayu. Ini menggunakan satu atau lebih pot batu panjang di dalam furnace. Biasanya, masing-masing berukuran 14 kaki (4,27 m) x 4 kaki (1,22 m) dan dalam 3,5 kaki (1,07 m). Batang besi dan arang kayu dikemas dalam lapisan bergantian, dengan lapisan teratas arang kayu dan kemudian materi refraktori untuk membuat pot udara tertutup. Beberapa produsen menggunakan campuran arang kayu bubuk, asap dan garam mineral, disebut bubuk cement. Di pabrik besar, hingga 16 ton besi diperlakukan dalam setiap siklus.
Batang besi paduan standar ditempatkan di furnace cementation untuk dikonversi menjadi baja cementation atau blister steel. Furnace dibangun dari batu pasir dalam bentuk kotak besar dengan tutup dan dimuat dengan batang besi ditempatkan dalam lapisan yang diiringi dengan kuantitas besar arang kayu berkualitas tinggi. Setelah dimuat sepenuhnya, tutup ditempatkan dan mortar digunakan untuk menutup kotak. Pemanasan diterapkan dari api di bawah furnace di mana api arang batu dijaga di dalam lubang. Panas dipelihara selama seminggu dan seminggu lagi diambil untuk kotak untuk mendingin sebelum dibuka, dikosongkan, dan dimuat ulang.
Desain umum untuk furnace cementation memiliki dua kotak berdampingan dengan lubang api di tengah keduanya dan keseluruhan terkandung dalam struktur berbentuk botol, mirip dengan ‘glass cones’ dan ‘pottery kilns’, yang melindungi furnace dari cuaca dan bertindak sebagai cerobong asap. Penempatan dua furnace chest bersama-sama akan memungkinkan satu api untuk memanaskan kotak pertama sementara kotak kedua sedang mendingin dan dimuat ulang.
Selama pemanasan lambat yang panjang C dari arang kayu diserap ke dalam batang besi. Saat dikeluarkan dari furnace, baja memiliki tampilan bergelembung (sehingga nama alternatif). Gelembung ini mengandung baja dengan kandungan C tinggi sementara tengah batang masih besi paduan dengan sangat sedikit C, sehingga blister steel sangat tidak berguna sampai telah diproses lebih lanjut.
Blister steel dipanaskan dan diintai di bawah palu sehingga batang dilipat pada dirinya sendiri. Ini menghasilkan ‘Shear Steel’, putaran kedua lipatan dan pukulan menghasilkan baja yang dikenal sebagai ‘double shear’, hasil berkualitas lebih baik, putaran lipatan dan pukulan lebih lanjut menghasilkan grade baja yang lebih tinggi. Rencana dan tampilan elevasi dari furnace cementation tipikal ada pada Gambar 1.
Gambar 1 Tampilan tipikal furnace cementation
Crucible Steel
Crucible steel adalah istilah yang berlaku untuk baja yang dibuat dengan dua metode berbeda di era modern, meskipun telah diproduksi di berbagai lokasi sepanjang sejarah. Ini dibuat dengan meleleh besi dan bahan lain di dalam rongga dan menuangkan cairan leleh ke dalam cetakan. Crucible steel diproduksi di Asia Selatan dan Tengah pada era pertengahan. Teknik untuk produksi baja berkualitas tinggi dikembangkan oleh Benjamin Huntsman di Inggris pada abad ke-18. Prosesnya menggunakan besi dan baja sebagai bahan mentah. Struktur kristal homogen dari baja cetak ini meningkatkan kekuatannya dan kekerasannya dibandingkan dengan bentuk baja sebelumnya.
Crucible steel umumnya diatribusikan pada pusat produksi di India dan Sri Lanka di mana diproduksi menggunakan proses wootz, dan diasumsikan bahwa penampakannya di lokasi lain adalah karena perdagangan jarak jauh. Baru-baru ini saja telah terlihat bahwa tempat di Asia Tengah seperti Merv di Turkmenistan dan Akhsiket di Uzbekistan adalah pusat produksi crucible steel yang penting. Temuan Asia Tengah semuanya dari ekskavasi dan berasal dari abad ke-8 hingga 12 CE, sementara materi India/Sri Lanka ada sejak 300 BCE. Selain itu, biji besi India memiliki vanadium (V) pelacak dan tanah langka lainnya yang mengakibatkan hardenability yang meningkat dalam Indian crucible steel yang terkenal di seluruh Timur Tengah karena kemampuan untuk mempertahankan tepi yang tajam.
Sementara crucible steel lebih diatribusikan pada Timur Tengah pada waktu awal, ada pedang yang ditemukan di Eropa, terutama di Skandinavia. Pedang yang bersangkutan memiliki nama ambigu yang terukir di dalamnya, ‘Ulberht’. Pedang-pedang ini sebenarnya berasal dari periode 200 tahun dari abad ke-9 hingga awal abad ke-11. Diduga oleh banyak orang bahwa proses pembuatan pedang berasal dari Timur Tengah dan kemudian diperdagangkan selama hari-hari ‘Volga trade route’.
Pada abad-abad awal periode Islam, ada beberapa studi ilmiah tentang pedang dan baja. Yang paling dikenal adalah oleh Jabir ibn Ayyan (abad ke-8), al-Kindi (abad ke-9), Abu Rayhan Biruni (awal abad ke-11), Murda al Tarsusi (akhir abad ke-12), dan Fakhr-i-Mudabbir (abad ke-13). Setiap salah satu ini berisi informasi yang jauh lebih banyak tentang baja India dan damascene daripada yang muncul dalam seluruh literatur Yunani dan Romawi klasik.
Benjamin Huntsman adalah pembuat jam cari baja yang lebih baik untuk pegas jam. Dia mulai memproduksi baja pada tahun 1740 setelah bertahun-tahun bereksperensi secara rahasia. Sistem Huntsman menggunakan furnace yang dibakar kokos yang mampu mencapai 1.600 derajat C, di dalamnya hingga dua belas rongga tanah liat, masing-masing mampu menampung sekitar 15 kg besi, ditempatkan. Ketika rongga atau ‘pot’ panas putih, mereka diisi dengan gumpalan blister steel, alloy besi dan C yang dihasilkan oleh proses cementation, dan flux untuk membantu mengeluarkan kotoran. Pot dikeluarkan setelah sekitar 3 jam di furnace, kotoran dalam bentuk slag diambil, dan baja cair dicurahkan ke dalam cetakan untuk akhirnya menjadi ingot cetak. Penglelehan total baja menghasilkan struktur kristal yang sangat seragam saat pendinginan, yang memberikan logam kekuatan tarik dan kekerasan yang meningkat dibandingkan baja lain yang diproduksi pada waktu itu.
Baja diproduksi dalam bengkel khusus yang disebut ‘crucible furnaces’ di Sheffield, Inggris, yang terdiri dari bengkel di tingkat tanah dan ruang bawah tanah. Bangunan furnace bervariasi ukuran dan gaya arsitektur, bertambah ukuran menuju akhir abad ke-19 saat perkembangan teknologi memungkinkan beberapa pot untuk ‘dipanaskan’ sekaligus, menggunakan gas sebagai bahan bakar pemanas. Setiap bengkel memiliki serangkaian fitur standar, seperti baris lubang peleburan, lubang penurunan, ventilasi atap, baris rak untuk pot crucible, dan furnace annealing untuk menyiapkan setiap pot sebelum dipanaskan. Ruang tambahan untuk menimbang setiap muatan dan untuk pembuatan pot tanah liat baik melampirkan bengkel, atau terletak dalam kompleks ruang bawah tanah. Baja, yang awalnya dimaksudkan untuk membuat pegas jam, kemudian digunakan dalam aplikasi lain seperti gunting, kapak dan pedang.
Dalam metode lain, yang dikembangkan di Amerika Serikat pada tahun 1880-an, besi dan C dileleh bersama secara langsung untuk menghasilkan crucible steel. Selama abad ke-19 dan hingga tahun 1920-an sejumlah besar crucible steel diarahkan ke dalam produksi alat potong, di mana disebut tool steel.
Proses crucible terus digunakan untuk baja khusus, tetapi sudah ketinggalan zaman saat ini.
Bentuk lain dari crucible steel dikembangkan pada tahun 1837 oleh insinyur Rusia, Pavel Anosov. Tekniknya lebih bergantung pada proses pendinginan cepat baja cair ketika struktur kristal yang tepat telah terbentuk di dalamnya, daripada pada pemanasan dan pendinginan. Dia menyebut bulatnya ‘bulat’. Rahasia proses ini mati bersama dia. Di Amerika Serikat crucible steel dipionirkan oleh William Metcalf. Sementara crucible steel sangat berkualitas tinggi, ini juga mahal; namun tanda kualitasnya adalah penggunaan crucible steel hingga tahun 1950 untuk penggunaan spesialis.
Proses Bessemer mengakhiri penggunaan crucible steel untuk penggunaan yang tidak krusial.
Proses Bessemer dan Pembuatan Baja Modern
Sejarah pembuatan baja modern dimulai pada abad ke-19, ketika Reaumur dari Prancis pada tahun 1772, Kelly dari Amerika Serikat pada tahun 1850 dan Bessemer dari Inggris pada tahun 1856 menemukan cara untuk meningkatkan pig iron dengan mengontrol kandungan karbon dalam alloy besi, yang kemudian benar-benar menjadi baja. Sementara Reaumur, seorang kimiawan, didorong oleh rasa ingin tahu ilmiah, tetapi Kerry dan Bessemer sebagai insinyur, merespons kebutuhan akan kuantitas yang lebih besar dan kualitas yang lebih baik dari baja yang telah diciptakan oleh revolusi industri, dengan loomnya, mesin uap, mesin dan kereta api. Ini telah memulai hubungan dialektika antara ilmu pengetahuan dan teknologi dan konsep dasar pemurnian logam panas (pig iron) dengan mengoksidasi C dalam kolam cair ditemukan pada waktu itu.
Pertumbuhan kereta api selama abad ke-19 di Eropa dan Amerika memberikan tekanan besar pada industri besi dan baja, yang masih berjuang dengan proses produksi yang tidak efisien. Namun baja masih belum terbukti sebagai logam struktural dan produksi lambat dan mahal. Itu sampai tahun 1856, ketika Henry Bessemer datang dengan cara yang lebih efektive untuk memperkenalkan oksigen (O2) ke dalam besi cair untuk mengurangi kandungan C.
Mulai Januari 1855, dia mulai bekerja pada cara untuk menghasilkan baja dalam kuantitas massal yang diperlukan untuk artileri dan pada Oktober dia mendaftarkan paten pertamanya terkait proses Bessemer. Bessemer pertama kali bekerja dengan furnace reverberatory biasa tetapi selama uji beberapa ingot pig terpinggir ke sisi ladle dan duduk di atasnya di udara panas furnace. Ketika Bessemer pergi mendorongnya ke ladle dia menemukan bahwa mereka adalah cangkang baja: udara panas saja telah mengubah bagian luar ingot menjadi baja. Penemuan kunci ini membawanya untuk meredesain furnace sepenuhnya sehingga akan memaksa udara tekanan tinggi melalui besi cair menggunakan pompa udara khusus. Secara intuitif ini sepertinya bodoh karena akan mendinginkan besi, tetapi karena oksidasi eksotermik baik silikon (Si) dan C bereaksi dengan O2 berlebihan meninggalkan besi leleh sekitarnya lebih panas, memfasilitasi konversi ke baja.
Sekarang dikenal sebagai proses Bessemer, Bessemer merancang wadah berbentuk pear – yang disebut sebagai ‘converter’ – di mana besi dapat dipanaskan sementara O2 dapat dihembuskan melalui logam cair. Saat O2 melewati logam cair, itu akan bereaksi dengan C, melepaskan karbon dioksida (CO2) dan menghasilkan besi yang lebih murni.
Proses Bessemer adalah proses industri pertama yang hemat biaya untuk produksi massal baja dari besi cair. Proses ini dinamai berdasarkan penemunya, Henry Bessemer, yang mengambil paten pada proses ini pada tahun 1855. Prinsip utamanya adalah pengeluaran kotoran dari besi dengan oksidasi dengan udara yang dihembuskan melalui besi cair. Oksidasi juga meningkatkan suhu massa besi dan menjaga agar tetap cair. Proses dilakukan dalam wadah ovoid besar baja yang dilapisi tanah liat atau dolomit yang disebut converter Bessemer. Kapasitas converter adalah dari 8 ton hingga 30 ton besi cair dengan muatan biasa sekitar 15 ton. Di puncak converter ada pembuka, biasanya miring ke sisi relatif terhadap badan vessel, di mana besi diperkenalkan dan produk akhir dikeluarkan. Dasarnya dilubangi dengan sejumlah saluran yang disebut tuyere di mana udara dipaksa ke dalam converter. Converter dipivot pada trunnion sehingga dapat diputar untuk menerima muatan, diputar tegak selama konversi, dan kemudian diputar lagi untuk menuang besi cair pada akhir.
Proses oksidasi mengeluarkan kotoran seperti Si, C, dan mangan (Mn) sebagai oksida. Oksida ini melarikan diri sebagai gas atau membentuk slang padat. Lapisan refraktori converter juga berperan dalam konversi—lapisan fireclay digunakan dalam acid Bessemer, di mana ada fosfor (P) yang rendah dalam bahan mentah. Dolomit digunakan ketika kandungan P tinggi dalam basic Bessemer (lapisan batu kapur atau magnesit terkadang juga digunakan sebagai pengganti dolomit). Untuk memberikan baja dengan sifat yang diinginkan, zat lain dapat ditambahkan ke baja cair setelah konversi selesai, seperti spiegeleisen (alloy besi karbon-mangan).
Ketika baja yang diperlukan telah terbentuk, itu diurini ke dalam ladle dan kemudian ditransfer ke dalam cetakan dan slang yang lebih ringan ditinggalkan di belakang. Proses konversi yang disebut ‘blow’ selesai dalam sekitar dua puluh menit. Selama periode ini kemajuan oksidasi kotoran dinilai dari penampilan api yang keluar dari mulut converter. Setelah blow, logam cair direkarburasi ke titik yang diinginkan dan bahan alloing lainnya ditambahkan, tergantung pada produk yang diinginkan. Proses Bessemer mengurangi waktu yang diperlukan untuk membuat baja dengan kualitas ini menjadi sekitar setengah jam sambil hanya membutuhkan kokos yang diperlukan untuk meleleh pig iron awalnya. Gambar 2 menunjukkan converter Bessemer.
Gambar 2 Converter Bessemer
Bessemer melisensikan paten untuk prosesnya kepada lima ironmaster, untuk total GBP 27.000, tetapi lisensi gagal menghasilkan kualitas baja yang dijanjikannya dan dia kemudian membelinya kembali untuk GBP 32.500. Dia menyadari masalahnya adalah karena kotoran dalam besi dan menyimpulkan bahwa solusinya terletak pada mengetahui kapan mematikan aliran udara dalam prosesnya; sehingga kotoran telah terbakar, tetapi jumlah C yang tepat masih tersisa. Namun, meskipun menghabiskan ribuan pound untuk eksperimen, dia tidak dapat menemukan jawabannya. Solusi yang sederhana, namun elegan, pertama kali ditemukan oleh Robert Forester Mushet yang telah melakukan ribuan eksperimen yang valid secara ilmiah. Metodenya adalah dengan pertama membakar, sejauh mungkin, semua kotoran dan C, kemudian memperkenalkan C dan Mn dengan menambahkan jumlah spiegeleisen yang tepat. Ini memiliki efek meningkatkan kualitas produk akhir, meningkatkan kelincahnya dan kemampuannya untuk menahan pengilingan dan pengintian pada suhu tinggi dan membuatnya lebih cocok untuk berbagai penggunaan.
Proses Bessemer merevolusi manufaktur baja dengan menurunkan biayanya, dari GBP 40 per long ton menjadi GBP 6-7 per long ton saat diperkenalkan, bersama dengan meningkatkan skala dan kecepatan produksi bahan mentah vital ini. Proses ini juga mengurangi kebutuhan tenaga kerja untuk pembuatan baja.
Sebelum diperkenalkannya proses Bessemer, baja terlalu mahal untuk membuat jembatan atau kerangka bangunan dan oleh karena itu besi paduan telah digunakan sepanjang Revolusi Industri. Setelah diperkenalkannya proses Bessemer, baja dan besi paduan menjadi setara harga, dan sebagian besar produsen beralih ke baja. Ketersediaan baja murah memungkinkan pembangunan jembatan besar dan memungkinkan pembangunan kereta api, gedung bertingkat, dan kapal besar. Pengenalan proses produksi skala besar yang disempurnakan oleh Inggris Henry Bessemer membuka jalan menuju industrialisasi massal seperti yang diamati pada abad ke-19-20.
Produksi baja komersial menggunakan metode ini berhenti di Workington pada tahun 1974. Digantikan oleh proses seperti proses oksigen dasar, yang menawarkan kontrol yang lebih baik atas kimia akhir. Proses Bessemer sangat cepat (10–20 menit untuk satu heat) sehingga memberikan waktu yang sedikit untuk analisis kimia atau penyesuaian elemen alloing dalam baja. Converter Bessemer tidak dapat mengeluarkan P secara efisien dari baja cair; seiring berjalannya waktu biji P rendah menjadi lebih mahal, biaya konversi meningkat. Proses ini hanya mengizinkan jumlah baja bekas yang terbatas untuk dimuat, lebih meningkatkan biaya. Terutama ketika baja bekas murah, penggunaan teknologi EAF bersaing dengan baik dengan proses Bessemer mengakibatkan kedinggalan zaman.
Proses ini cepat dan hemat biaya, mengeluarkan C dan Si dari besi dalam waktu beberapa menit tetapi menderita karena terlalu sukses. Terlalu banyak C yang dikeluarkan dan terlalu banyak O2 yang tersisa dalam produk akhir. Bessemer pada akhirnya harus membayar investornya sampai dia dapat menemukan metode untuk meningkatkan kandungan C dan mengeluarkan O2 yang tidak diinginkan.
Proses Open Hearth Pembuatan Baja
Proses pembuatan baja open hearth (OH) menggunakan furnace open hearth. Karena keuntungannya segera menggantikan proses pembuatan baja Bessemer. Pada tahun 1908, produksi tahunan baja yang dibuat oleh furnace OH melebihi yang dibuat oleh proses Bessemer. Sebagian besar furnace OH ditutup pada awal tahun 1990-an, tidak terlepas dari operasi yang lambatnya, digantikan oleh furnace oksigen dasar (BOF) atau EAF. Ada masih beberapa pabrik baja di dunia yang membuat baja dengan proses OH. Keuntungan utama proses OH adalah bahwa ia tidak mengekspos baja pada nitrogen berlebihan (yang akan menyebabkan baja menjadi rapuh), lebih mudah dikontrol, dan memungkinkan peluruhan dan pemurnian jumlah besar besi bekas dan baja.
Insinyur berasal dari Jerman Carl Wilhelm Siemens mengembangkan furnace regeneratif Siemens pada tahun 1850-an, dan mengklaim pada tahun 1857 bahwa ia dapat memulihkan cukup panas untuk menghemat 70 % hingga 80 % bahan bakar. Furnace ini beroperasi pada suhu tinggi dengan menggunakan pemanasan ulang regeneratif bahan bakar dan udara untuk pembakaran. Dalam pemanasan ulang regeneratif, gas buang dari furnace dipompa ke dalam ruang yang berisi bata, di mana panas dipindahkan dari gas ke bata. Aliran furnace kemudian dibalik sehingga bahan bakar dan udara melewati ruang dan dipanaskan oleh bata. Dengan metode ini, furnace OH dapat mencapai suhu yang cukup tinggi untuk meleleh baja, tetapi Siemens awalnya tidak menggunakannya untuk itu.
Pada tahun 1865, insinyur Prancis Pierre-Emile Martin mengambil lisensi dari Siemens dan pertama kali menerapkan furnace regeneratifnya untuk membuat baja. Karakteristik paling menarik dari furnace regeneratif Siemens adalah produksi cepat kuantitas besar baja dasar. Ukuran bias furnace OH bervariasi dari 50 ton hingga 500 ton.
Proses OH adalah proses batch dan batch disebut ‘heat’. Furnace pertama kali diperiksa untuk kerusakan yang mungkin. Setelah siap atau diperbaiki, dimuat dengan bekas ringan, seperti lem logam, kendaraan yang dihancurkan atau logam limbah. Furnace dipanaskan dengan membakar gas. Setelah meleleh, bekas berat, seperti bangunan, konstruksi atau logam limbah pabrik baja ditambahkan, bersama dengan logam panas (HM) dari furnace tiang bersih (BF). Setelah semua baja meleleh, agen pembentukan slang, seperti batu kapur, ditambahkan. O2 dalam oksida besi dan kotoran lain menurunkan karbon HM dengan membakar berlebihan C, menghasilkan baja. Untuk meningkatkan kandungan O2 heat, biji besi ditambahkan ke heat.
Proses ini jauh lebih lambat dari proses converter Bessemer dan oleh karena itu lebih mudah dikontrol dan diambil sampel untuk penilaian kualitas. Persiapan heat biasanya memakan waktu sekitar 8 jam hingga 9 jam untuk diselesaikan menjadi baja. Karena proses lambat, tidak perlu membakar semua C seperti dalam proses Bessemer, tetapi proses dapat diakhiri pada titik tertentu ketika kandungan C yang diinginkan telah dicapai.
Furnace ditap dengan cara yang sama seperti BF ditap yaitu lubang dibuat di sisi hearth dan baja mentah mengalir keluar. Setelah semua baja telah ditap, slang diambil. Baja mentah dapat dicetak menjadi ingot; proses ini disebut teeming, atau dapat dicetak dalam mesin pencetakan terus terus.
Regenerator adalah fitur khas furnace dan terdiri dari saluran api batu tahan api yang diisi dengan bata yang diletakkan berdiri dan diatur sedemikian sehingga memiliki sejumlah kecil saluran di antara mereka. Bata menyerap sebagian besar panas dari gas buang keluar dan mengembalikannya nanti ke gas dingin masuk untuk pembakaran. Gambar 3 memberikan potongan lintang furnace Siemens-Martin tahun 1895.
Gambar 3 Potongan lintang furnace Siemen-Martin
Proses Siemens-Martin melengkapi daripada menggantikan proses Bessemer. Ini lebih lambat dan oleh karena itu lebih mudah dikontrol. Ini juga memungkinkan peluruhan dan pemurnian jumlah besar baja bekas, lebih menurunkan biaya produksi baja dan mendaur ulang bahan limbah yang sulit. Kekurangan terburuknya adalah fakta bahwa peluruhan dan pemurnian muatan memakan waktu beberapa jam. Ini adalah keuntungan pada awal abad ke-20, karena memberikan waktu bagi kimiawan pabrik untuk menganalisis baja dan memutuskan berapa lama untuk memurnikannya. Namun, sekitar tahun 1975, instrumen elektronik seperti spektrofotometer serapan atom telah membuat analisis baja jauh lebih mudah dan lebih cepat.
Pembuatan Baja di Furnace Listrik
Ada dua jenis furnace yang digunakan untuk pembuatan baja listrik. Ini adalah (i) furnace arc listrik, dan (ii) furnace induksi. Perkembangan historis pembuatan baja dengan dua furnace ini adalah sebagai berikut.
Teknologi pembuatan baja EAF lebih dari seratus tahun. Meskipun De Laval telah mematenkan furnace listrik untuk peluruhan dan pemurnian besi pada tahun 1892 dan Heroult telah mendemonstrasikan peleburan arc listrik ferro alloy antara tahun 1888 dan 1892, EAF industri pertama untuk pembuatan baja hanya mulai beroperasi pada tahun 1900. Pengembangan cepat dan ada peningkatan sepuluh kali produksi dari tahun 1910 hingga 1920, dengan lebih dari 500.000 ton yang diproduksi pada tahun 1920, meskipun ini masih hanya persentase yang sangat kecil dari produksi baja global pada waktu itu.
Awalnya, pembuatan baja EAF dikembangkan untuk menghasilkan grade khusus baja menggunakan bentuk padat bahan masukan seperti baja bekas dan ferro alloy. Bahan padat pertama kali dileleh melalui peleburan arc langsung, dipurni dengan penambahan flux yang tepat dan ditap untuk pemrosesan lebih lanjut. Hanya sekitar tiga puluh hingga tiga puluh lima tahun yang lalu, waktu tapan ke tapan lebih dari tiga jam sangat umum dan penggunaan daya spesifik seringkali jauh di atas 700 kWh/ton hampir dua kali kebutuhan termodinamis. Untuk sebagian besar abad ke-20 pembuatan baja EAF dianggap sebagai proses yang mahal dan lambat dan hanya cocok untuk baja khusus dan bernilai tambah. Sejak tahun 1960 teknologi telah mengalami pengembangan cepat dan menjadi teknologi pembuatan baja kedua terbesar di belakang teknologi pembuatan baja oksigen dasar.
EAF adalah bagian inti dari rute produksi yang merupakan alternatif dari rute BF-BOF yang dominan. Rencana dan tampilan lintang EAF ditunjukkan pada Gambar 4. EAF digunakan untuk menghasilkan baja C dan baja alloing terutama dengan mendaur ulang besi bekas. Dalam EAF, baja bekas dan/atau unit besi buatan (seperti DRI, pig iron, dan iron carbide, dll.) dileleh dan dikonversi menjadi berkualitas tinggi baja dengan menggunakan arc listrik tinggi yang terbentuk antara katoda dan satu (untuk DC) atau tiga (untuk AC) anoda. Baja bekas jauh merupakan sumber yang paling penting, mencakup sekitar 80 % dari semua bahan masukan logam EAF secara global.
Gambar 4 Rencana dan tampilan lintang furnace arc listrik
Kenaikan produksi dan teknologi EAF di seluruh dunia telah disebabkan oleh alasan berikut.
- Penggantian proses OH sebagai proses pembuatan baja yang bersaing.
- Keinginan untuk beralih dari biaya modal dan operasional besar yang terkait dengan pembuatan baja terpadu skala besar menuju pabrik baja mini yang lebih kecil, lebih rendah biaya modal.
- Peningkatan yang sangat cepat dalam teknologi listrik, menurunkan biaya peralatan listrik skala besar dan juga memungkinkan kontrol yang sangat ditingkatkan terhadap perangkat listrik.
- Ketersediaan baja bekas yang mudah di banyak negara digabungkan dengan tekanan sosial yang kuat terhadap daur ulang logam.
- Ketersediaan yang meningkat dari sumber besi alternatif, terutama dari negara berkembang.
- Penggunaan HM dan oxy fuels dalam EAF.
- Peningkatan yang luas dalam operasi, kontrol, efisiensi dan kualitas produk teknologi pembuatan baja berbasis EAF.
Furnace induksi (IF) digunakan untuk peleburan logam ferrous dan non-ferrous. Ini menghasilkan panas secara bersih dan tanpa pembakaran. Ini bekerja pada prinsip induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Michael Faraday.
Pada tahun 1870, De Ferranti mulai bereksperensi di Eropa pada furnace induksi. IF pertama untuk peleburan logam dipatenkan oleh Edward Allen Colby pada tahun 1900. Baja pertama yang dibuat dalam IF di Amerika Serikat adalah pada tahun 1907 dalam furnace Colby di dekat Philadelphia. Furnace fasa 3 pertama dibangun di Jerman pada tahun 1906 oleh Rochling- Rodenhauser. Meskipun furnace induksi telah digunakan sejak lama, produksi baja ringan oleh IF adalah fenomena yang relatif baru.
Pengembangan sumber daya listrik induksi frekuensi menengah yang fleksibel, daya konstan pelacakan telah menghasilkan penggunaan yang luas dari metode peleburan batch. Unit daya ini menggabungkan rectifier silikon yang dikendalikan berat yang mampu menghasilkan frekuensi dan daya listrik yang diperlukan untuk peleburan batch dan mampu mencapai tingkat efisiensi listrik yang melebihi 97 %, peningkatan yang besar dibandingkan dengan efisiensi 89 % yang khas dari sumber daya listrik induksi tahun 1970-an. Desain baru ini memungkinkan penggunaan maksimum daya furnace selama siklus peleburan dengan kontrol pengadukan yang baik. Skema furnace induksi coreless ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Skema furnace induksi coreless
Ada beberapa jenis IF yang tersedia, tetapi semua bekerja dengan memanfaatkan medan magnet kuat yang dibuat dengan melewatkan arus listrik melalui coil yang dibungkus di sekitar furnace. Arus listrik ini menciptakan medan elektromagnetik yang melewati materi refraktori dan berpasangan dengan muatan logam konduktif di dalam furnace. Medan magnet pada gilirannya menciptakan tegangan di seluruh, dan subsequently arus listrik melalui logam yang akan dileleh. Resistensi listrik logam menghasilkan panas, yang pada gilirannya meleleh logam dan membantu mencapai suhu titik yang ditetapkan.
IF dibuat dalam berbagai ukuran. Karena tidak ada kontak antara muatan dan pengisi energi, IF biasanya cocok untuk peleburan baja, besi cor dan logam non-ferrous, asalkan bahan pelapis yang sesuai dapat ditemukan. Produk yang dibuat dengan peleburan IF oleh industri termasuk ingot/biliet baja ringan untuk tujuan struktural, ingot/biliet baja stainless untuk pembuatan peralatan dapur, wire rods dan kawat, pengecoran alloing rendah untuk aplikasi teknik, pengecoran baja stainless untuk komponen tahan panat dan tahan karat, dan alloing untuk industri pengintian dan grinding media.
Di India penggunaan IF dimulai pada pertengahan tahun 1960-an. Imported medium frequency induction furnaces digunakan dari pertengahan tahun 1970-an. Furnace peleburan induksi di India pertama kali dipasang untuk membuat baja stainless dari baja stainless bekas impor. Selama tahun 1981-82 beberapa pengusaha, yang memiliki furnace induksi ukuran kecil yang membuat baja stainless, bereksperensi dalam pembuatan baja ringan dari baja bekas peleburan dan mereka berhasil. Karena kesuksesan ini, pertumbuhan tiba-tiba telah terjadi pada awal tahun 1980-an hingga pertengahan tahun 1990-an. Selama periode ini pembuatan furnace induksi dalam negeri juga dimulai. Pembuatan baja melalui furnace induksi muncul selama periode ini sebagai salah satu penggerak kunci pertumbuhan produksi baja di negara dan saat ini mencakup porsi lebih dari 32 % dari total produksi baja. Hari ini, India adalah produsen IF terbesar serta produsen baja terbesar dengan teknologi IF. Pembuatan baja oleh IF telah tumbuh tidak hanya dalam hal kapasitas keseluruhan tetapi juga dalam hal ukuran furnace. Hari ini, IF hingga kapasitas 40 ton beroperasi di negara.
Pembuatan Baja Oksigen Dasar
Pembuatan baja oksigen dasar (BOS) adalah proses pembuatan baja dengan menghiup O2 murni ke dalam kolam logam cair yang terkandung dalam vessel yang dikenal sebagai furnace oksigen dasar (BOF), LD converter, atau cukup converter.
Konsep BOS kembali ke tahun 1856 ketika Henry Bessemer mematenkan proses pembuatan baja yang melibatkan pembusuran O2 untuk decarbonizing besi cair (UK Patent number 2207). Pada saat waktu itu tidak ada metode yang tersedia untuk menyediakan jumlah O2 yang diperlukan untuk proses. Kuantitas komersial O2 tidak tersedia sama sekali atau terlalu mahal, dan oleh karena itu penemuan Bessemer tetap hanya di kertas dan tidak digunakan. Pembuatan baja dengan menghiup O2 murni menjadi praktis pada tahun 1928, ketika perusahaan Linde berhasil mengembangkan metode (proses Linde-Fränkl) untuk menyediakan O2 murni dalam kuantitas besar. Akibat suksesnya proses Linde-Fränkl, O2 juga menjadi jauh lebih murah, sehingga kedua prasyarat (ketersediaan kuantitas besar serta ketersediaan O2 murah) untuk diperkenalkannya proses BOS terpenuhi.
Di Eropa dan Amerika Serikat, eksperimen dengan O2 dilakukan berulang kali. Di antara mereka yang bekerja dengan O2 kemurnian tinggi adalah Otto Lellep, tetapi konsepnya ‘meniup O2 vertikal ke atas kolam besi cair’ terbukti gagal. Menurut Hubert Hauttmann, yang ikut serta dalam eksperimen Lellep antara tahun 1936 dan 1939 di Gutehoffnungshütte, di mana dia bekerja pada saat itu, niatnya adalah untuk mengonversi besi cair dengan menghiup O2 murni melalui nozzle di dasar converter. Baja yang diproduksi dengan cara ini adalah kualitasnya sangat buruk.
Selama Perang Dunia Kedua, Insinyur bernama C. V. Schwartz dari Jerman, John Miles dari Belgia, dan Durrer Swiss dari dan Heinrich Heilbrugge dari Jerman mengajukan versi mereka dari pembuatan baja dengan pembusuran O2, tetapi hanya Durrer dan Hellbrügge yang membawa ke tingkat produksi skala massal.
Carl Valerian Schwarz mengajukan aplikasi paten pada tahun 1939 untuk menghiup O2 ke dalam kolam dengan kecepatan supersonik. Namun metode ini juga ‘belum mampu menghasilkan baja yang dapat digunakan’. Meskipun proses Linz-Donawitz (LD) nantinya memiliki persamaan dengan paten Schwarz, fitur khasnya berbeda (misalnya ‘pembusuran vertikal terpusat’). Hanya karena pemberontakan Perang Dunia Kedua bahwa teknologi yang dijelaskan dalam paten Schwarz tidak memuncak pada aplikasi praktis awal. Ini juga di akhir tahun 1930-an bahwa Robert Durrer dari Swedia memulai eksperimen sendiri.
Setelah perang, Heinrich Hellbrügge dan Robert Durrer (Direktur Teknis dari Roll’schen Eisenwerke) memulai eksperimen lebih lanjut di Roll’schen Eisenwerke di kota Swiss Gerlafingen. Fotografi converter oxygen pembusuran atas pertama di Gerlafingen ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6 Converter oxygen pembusuran atas pertama di Gerlafingen dan tampilan lintang potongan converter oxygen
Itu adalah Durrer yang menetapkan prinsip teoretis dasar dan menasihati VÖEST untuk menghiup O2 dari atas dalam vessel terpisah, setelah kontak telah terbentuk antara Gerlafingen dan VÖEST untuk kerja sama teknis skala industri. Serangkaian eksperimen menggunakan converter eksperimental 2 ton dimulai pada 3 Juni 1949 di lokasi VÖEST. Setelah tim di Linz mengalami beberapa kegagalan awal, terobosan dicapai secepat 25 Juni 1949, ketika tekanan O2 diturunkan dan ujung lancar pembusuran dipindahkan lebih jauh dari kolam, sehingga jet O2 tidak dapat menembus sejauh itu. Dengan terobosan ini, baja diproduksi yang dapat dilentuk menjadi lembar tanpa masalah. Departemen eksperimental VÖEST memeriksa baja ini dan sangat positif dalam pengamatannya. Ini adalah saat saat ketika proses pembuatan baja converter LD lahir. Eksperimen berlanjut hingga beberapa ratus heat 2 ton telah diproduksi, setelah itu mereka beralih ke converter eksperimental 15 ton yang secara khusus dibangun di ruang terbuka. Batch pertama diproduksi pada 2 Oktober 1949. Grade baja baru telah melalui pengujian metalurgi dan tes lainnya secara terus menerus.
Faktor kunci untuk inovasi ini adalah pergerakan kolam cair. Hingga saat ini dianggap tidak mungkin untuk mendapatkan pergerakan kolam yang cukup tanpa menghiup O2 pada kedalaman yang lebih besar. Namun pergerakan ini dicapai dengan cara yang sangat memuaskan oleh pembentukan CO (karbon monoksida). Prinsip ‘pembusuran lemah’ juga mempromosikan pembentukan FeO yang pada gilirannya menyerap kotoran yang dioksidasi untuk membentuk slang. Ini membantu dalam produksi grade baja baru yang luar biasa.
Selain Roll’schen Eisenwerke di Gerlafingen dan VÖEST, Mannesmann AG di Duisburg-Huckingen dan ÖAMG (yaitu Donawitz) juga menunjukkan minat pada Mei 1949 dalam proses pembusuran O2 atau setidaknya metalurgi O2 secara umum. Selama eksperimen di Linz dan setelah demonstrasi proses, pembagian kerja yang tepat disepakati pada 17 Juni 1949. VÖEST akan melanjutkan pekerjaan dengan baja kasar dari Linz dalam vessel pemurnian yang jauh lebih besar sementara Mannesmann akan bereksperimen dengan pembusuran O2 baja Thomas, Roll’schen Eisenwerke akan menyelidiki penggunaan O2 dalam EAF dan ÖAMG akan melakukan tes dengan O2 dalam furnace pig iron rendah. Perjanjian mewajibkan semua pihak yang terlibat dalam metalurgi O2 ini ‘tidak untuk mengeluarkan pernyataan atau meneruskan informasi di luar perusahaan mereka sendiri mengenai detail pemurnian O2 yang datang ke perhatian mereka atau kesimpulan yang mungkin mereka capai selama diskusi di Linz pada 17 Juni 1949.
Berdasarkan perjanjian, segera terlihat dari eksperimen di Donawitz bahwa penggunaan oksigen di furnace shaft tidak berguna, sehingga perusahaan mulai menjelajahi pendekatan yang berbeda. Proses yang dikembangkan di Donawitz untuk pemulihan slang dengan kandungan mangan tinggi dengan pembusuran dengan O2 mengarah pada kesadaran bahwa hanya penggunaan proses pembusuran dengan O2 murni yang harus dipertimbangkan untuk rencana ekspansi dan rasionalisasi produksi baja di Donawitz. Setelah penyelidikan yang luas dan pekerjaan pengembangan yang sukses pada setup eksperimental 5 ton atau 10 ton, dengan oksigen yang disediakan selama tes pertama dari tabung yang diatur secara beruntun, manajemen perusahaan memutuskan untuk membangun pabrik baja baru, yang akan siap beroperasi dalam dua tahun. Insinyur Donawitz awalnya menyebut prosesnya ‘SK’, dari singkatan bahasa Jerman untuk ‘Oxygen Converter’. Istilah ini membantu membedakan kegiatan VÖEST dan ÖAMG hingga beberapa derajat.
Pada 9 Desember 1949 direktur pengurus VOEST saat itu Heinrich Richter-Brohm mengambil keputusan yang tidak bebas risiko untuk membangun pabrik baja LD pertama. Tidak lama setelah ini dan setelah klarifikasi pertanyaan mengenai metode produksi untuk grade baja yang lebih keras, diputuskan untuk membangun pabrik LD di Donawitz juga. Paten pertama untuk proses diajukan pada tahun 1950.
Dalam laporan penelitian dan jaminan kualitas tahunan 1951, telah dinyatakan bahwa ‘selama tahun tinjauan banyak penelitian dituntun pada grade baja LD, dan sebuah publikasi diterbitkan. Jenis baja ini diharapkan memiliki potensi besar dalam hal kualitas, dan khususnya akan memungkinkan baja dengan permukaan berkualitas tinggi digabungkan dengan formabilitas dingin yang baik untuk diproduksi. Ini sangat penting untuk produksi lembar tipis, di mana hingga saat ini formabilitas dingin yang baik hanya mungkin jika beberapa cacat permukaan diterima (grade baja killed). Namun baja dengan kekuatan luluh yang lebih tinggi juga dapat diproduksi dengan sangat menguntungkan oleh proses pemurnian O2.
Pada tahun 1951 menjadi mungkin di Linz untuk memurni logam panas dengan O2 murni dalam pembuatan baja menjadi proses inovatif, operasi yang andal untuk produksi baja berkualitas massal di Linz. Pengumuman proses baru dibuat untuk pertama kalinya pada Desember 1951, pada konferensi ‘Steel Refining with Pure Oxygen’ oleh Austrian Society for Metallurgy di Leoben. Pada konferensi Robert Durrer menyatakan bahwa dua pabrik metalurgi (Linz dan Donawitz) telah mengembangkan konsep menghiup O2 kemurnian tinggi pada HM domestik menjadi proses industri yang viable, dan mengucapkan selamat kepada mereka atas keberhasilan besar ini. Dengan pengumuman ini Austria menjadi negara pertama yang memproduksi baja pada skala industri dari HM dengan menghiup O2 murni. Potongan lintang converter LD sebelum dan selama pembusuran O2 di kolam logam cair ditunjukkan pada Gambar 6.
Pada 27 November 1952 converter pertama dioperasikan di LD Steelworks 1 di Linz yang merupakan tonggak dalam produksi baja dengan prinsip pembusuran O2. Pada 5 Januari 1953 LD Steelworks, pertama di dunia, resmi dibuka. Pada 17 Juni 1953, LD Steelworks 1 di Linz telah memproduksi 100.000 ton baja LD, dan pada awal Desember 1953 250.000 metrik ton baja diproduksi. Pabrik LD kedua mulai beroperasi pada 22 Mei 1953 di Österreichisch-Alpine Montangesellschaft (ÖAMG) di Donawitz. Proses, sekarang telah berkembang hingga matang operasional penuh, melebihi semua harapan baik dalam kualitas baja yang diproduksi dan kelayakannya secara ekonomi. Pada tahun 2015, 73,4 % baja dunia diproduksi oleh pembuatan baja BOF.
