Inilah Proses Pembuatan Baja yang Perlu Kamu Ketahui

proses pembuatan baja, Image via pexels.com

Bicara soal baja pasti selau identik dengan kekuatan. Seperti werkudara yang sangat kuat karena mempunyai tulang sekuat baja dalam kisah pewayangan mahabarata. Secara fakta baja adalah logam yang sangat kuat dan banyak bermanfaat untuk manusia diera modern ini.

Baja adalah logam keras yang terbuat dari bahan dasar bijih besi dan besi bekas (scrap), dengan karbon sebagai pengeras utamanya. Metode untuk pembuatan baja telah berkembang secara signifikan sejak produksi industri dimulai pada akhir abad ke-19.

Pembuatanan baja pada saat ini masih berdasarkan dengan metode seperti proses Bessemer, yaitu bagaimana proses pembuatan baja paling efisien menggunakan oksigen untuk mengatur kandungan karbon dalam besi agar besi menjadi lebih keras dan menjadi baja sebenarnya.

Sejarah Penemuan Baja

Baja sudah diolah dan digunakan sejak ribuan tahun silam, sebelum ditemukannya baja awalnya berupa biji besi yang belum sekuat baja karena kandungan unsur-unsur kimia yang menyebabkan karbon yang tidak begitu kuat mengikat unsur atom-atom besi pada logam tersebut.

Sekitar 3000 SM pada jaman mesir kuno sudah ada teknik untuk peleburan logam, bahkan pada jamam sebelumnya sudah ada pembuatan perhiasan dari besi.

Pada zaman Yunani sekitar 1000 tahun SM telah ada perkembangan proses pengerasan besi dengan teknik pemanasan (heat treatment) untuk pembuatan senjata seperti tombak dan pedang.

Pembuatan baja telah ada selama ribuan tahun, namun belum secara resmi diperkenalkan dan dikomersialkan hingga abad ke-19. Pada masa kuno seperti jaman kerajaan jaman dulu, kerajinan proses pembuatan baja adalah dengan proses wadah di dapur pemanasan.

Pada masa sejarah peradaban manusia baja hanya telah dibuat dalam jumlah kecil. Namun setelah ditemukan formula pengolahan baja yang lebih baik, yaitu penemuan proses Bessemer pada abad ke-19 dan perkembangan teknologi berikutnya dalam teknologi injeksi dan kontrol proses.

Setelah sukses pembuatan baja dengan proses Bessemer  yang baru dimulai pada akhir tahun 1850-an, selanjutnya diikuti oleh tungku perapian terbuka. Tahun 1850-an hingga 1860-an, metode pemrosesan bahan baku utama baja dengan proses Bessemer dan proses Siemens-Martin berubah untuk digunakan untuk pembuatan baja untuk industri berat.

Produksi baja secara massal telah berperan penting dalam perekonomi dunia dan indikator kunci dari perkembangan pembangunan. Bahan baja kuat dan relatif lebih mudah terbentuk untuk menjadi bahan serbaguna jika dibandingkan dengan besi.

Proses Pembuatan Baja

Dalam proses pembuatan baja, kandungan senyawa seperti silikon, nitrogen, sulfur, fosfor dan kelebihan karbon dikeluarkan dari besi mentah agar kandungan besi semakin murni dan atom besi semakin terikat kuat. Elemen perpaduan seperti nikel, kromium, mangan dan vanadium ditambahkan pada proses pengolahan untuk menghasilkan nilai yang berbeda dari baja yang dihasilkan.

Karbon pada besi bekerja sebagai unsur pengeras, mencegah atom besi untuk teratur dalam keterikatan. Kadar jumlah karbon dan penyebaran perpaduan campuran (alloy) bahan baku dapat mengontrol kualitas baja. Baja dengan peningkatan jumlah karbon dapat memperkeras dan memperkuat besi, tetapi juga bisa menajdikannya lebih rapuh. Pengertian baja secara ilmiah, baja adalah besi-karbon campuran dengan kadar karbon sampai 5,1 persen, namun alloy dengan kadar karbon lebih tinggi dari ini dikenal dengan besi.

Banyak aspek yang diperhatikan untuk pembuatan baja seperti pembatasan gas-gas terlarut seperti nitrogen dan oksigen serta limbah yang tertahan (disebut “inklusi”) pada pembuatan baja juga penting untuk menjamin kualitas produk baja.

• Produk Baja Berdasarkan Komposisinya

Berdasarkan komposisi baja yang dioleh, diperoleh beberapa klasifikasi jenis baja seperti baja karbon (carbon steel) dan baja paduan (alloy steel). Kedua jenis baja tersebut juga banyak klasifikasinya lagi beradasarkan proses pembuatan dan kualitas yang dihasilkan.

Bentuk jadi produk baja dari bahan karbon seperti pipa baja untuk industri pertambangan, pondasi dan kerangka baja untuk menara dan gedung bertingkat. Sedangkan produk jadi dari baja alloy seperti peluru baja, komponen-komponen mobil seperti cakram rem, velg mobil dan gear.

pipa baja Karbon (Carbon Steel). Image via www.apisteel.com

Baja diproduksi di dalam dapur pengolahan baja dengan bahan utama besi kasar yang berupa padat maupun cair, besi bekas (skrap) dan beberapa paduan logam. Inilah beberapa proses yang digunakan dalam pembuatan baja, secara gambaran umum prosesnya adalah seperti berikut ini :

1). Proses Konvertor

Konvertor adalah salah satu wadah untuk mengolah besi menjadi baja siap untuk diproduksi. Dibuat dari plat baja dengan sambungan las atau paku keling. Pada bagian dalam konvertor dibuat dari batu yang tahan api, batu tahan api tersebut dapat bersifat asam atau basa tergantung dari sifat baja yang akan diolah.

Di bagian bawah konvertor terdapat lubang-lubang angin (tuyer) sebagai saluran udara penghembus yang disebut sebagai air blast. Terdapat juga penyangga pada konvertor yang dilengkapi dengan trunnion untuk mengatur posisi horizontal atau vertikal konvertor.

• Sistem kerja

1. Bahan baku dipanaskan dengan kokas (seperti batu bara  komposisi karbon) sampai ± 1500 derajat C.
2. Konvertor miringkan untuk memasukkan bahan baku baja kurang lebih 1/8 dari volume konvertor.
3. Setelah abhan baku baja masuk, ke=onvertor kembali ditegakkan.
4. Tekanan udara penglolahan berkisar 1,5 – 2 atm di hembuskan dari kompresor.
5. Kemudian setelah 20-25 menit, konvertor di putar balik (dijungkirkan) untuk mengelaurkan hasilnya.

• Proses Bassemer (Asam)

Pengolahan dengan proses bassemer yaitu lapisan dalam yang digunakan adalah batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO2), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO2, SiO2 + CaO CaSiO3.

• Proses Thomas (basa)

Proses Thomas pada lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)]. Bahan baku yang diolah adalah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 – 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O5) untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO), 3 CaO + P2O5 Ca3(PO4)2 (terak cair)

2). Proses Siemens Martin

Proses siemens martin diolah didalam dapur pelebur baja yang dapat mencapai suhu tinggi,  Proses pengolahan baja siemens martin dibuat oleh dua orang yang bernama Siemen dan Martin, sehingga dapurnya disebut pula dapur siemen martin. Dapur untuk proses siemens martin mempunyai tungku kerja yang diperlengkapi dengan ruang-ruang hawa.

Tungku pengolahan ini mempunyai kapasitas 30 – 50 ton, bahan baku yang diolah selain besi kasar juga dapat dimasukkan besi bekas atau besi tua. Jika besi yang dimasukkan mengandung posfor, bahan lapisan dapurnya bersifat basa. Sebaliknya jika besinya tidak mengandung posfor bahan lapisan dalam pada dapurnya bersifat asam.

• Sistem kerjanya

Sistem kerja dengan proses siemens martin menggunakan sistem regenerator dengan suhu mencapai 3000 derajat C. Fungsi dari regenerator adalah:

1. Memanaskan gas dan udara untuk menambah temperatur dapur olah.
2. Berfungsi sebagai fundamen / landasan dapur.
3. Menghemat pemakaian ruang di dalam dapur

Bahan baku yang bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih. Besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO2) sedangkan besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO3 + 60 % CaCO3).

3). Proses Basic Oxygen Furnace (BOF)

Proses pengolahan baja dengan proses Basic Oxygen Furnace (BOF) merupakan modifikasi dari proses Bessemer. Pada proses Bessemer menggunakan uap air panas ditiupkan pada besi kasar cair untuk membakar zat kotoran yang tersisa. Sedangkan pada proses BOF memakai oksigen murni sebagai ganti uap air.

Dapur bejana BOF biasanya berukuran 5 m untuk diameternya dan mampu memproses 35 – 200 ton dalam satu pemanasan. Peleburan baja menggunakan BOF ini juga termasuk proses yang paling baru dalam industri pembuatan baja. Tungku konstruksi relatif sederhana, pada bagian luarnya dibuat dari plat baja sedangkan dinding bagian dalamnya dibuat dari batu tahan api (firebrick).

• Sistem kerjanya

Proses BOF menggunakan besi kasar cair (65 – 85%) yang dihasilkan oleh tanur tinggi sebagai bahan dasar utama dicampur dengan besi bekas (skrap baja) sebanyak (15 – 35%), batu kapur dan gas oksigen dengan kemurnian 99,5%.

Oksigen akan mengikat karbon yang terdapat pada besi kasar secara berangsur-angsur turun sampai mencapai tingkat baja yang dibuat. Saat proses oksidasi berlangsung terjadi panas yang sangat tinggi sehingga dapat menaikkan temperatur logam cair hingga mencapai diatas 165 derajat C.

Saat oksidasi berlangsung, ditambahkan batu kapur yang dimasukkan kedalam tungku. Batu kapur tersebut akan mencair kemudian bercampur dengan bahan-bahan impuritas (termasuk bahan – bahan yang teroksidasi) sehingga membentuk terak yang terapung diatas baja cair.

Ketika proses oksidasi selesai, aliran oksigen dihentikan dan pipa pengalir oksigen diangkat dari tungku. Tungku BOF kemudian dimiringkan, pengambilan sampel baja cair kemidian dilakukan analisa komposisi kimia untuk menilai kadar bajanya.

Jika komposisi kimia pada unsur baja telah tercapai maka dilakukan penuangan (tapping). Penuangan dilakukan ketika temperature baja cair sekitar 165 derajat C. cara penuangan yang dilakukan yaitu dengan memiringkan perlahan-lahan tungku pengolahan sehingga cairan baja tertuang masuk kedalam ladel (wadah tuangan baja cari yang belum dicetak).

Di dalam ladel kemudian dilakukan skimming untuk membersihkan terak dari permukaan baja cair. Setalh terak dibersihkan dilakukan proses perlakuan logam cair (metal treatment).

• Keuntungan dari BOF:

1. Proses BOF menggunakan O2 murni tanpa Nitrogen
2. Proses berjalan lebih cepat dan efektif, hanya lebih-kurang 50 menit.
3. Pada dapur olah / tungku tidak diperlukan tuyer pada bagian bawahnya.
4. Filtering zat yang tidak digunakan seperti phosphor dan sulfur dapat dipisahkan dulu daripada karbon
5. Biaya operasional dengan proses BOF relatif lebih murah dengan proses lainnya. (menggunkan O2, proses lebih cepat)

4). Proses Dapur Listrik

Proses pengolahan baja dengan menggunakan dapur listrik adalah metode pengontrol temperatur peleburan dan memperkecil unsur-unsur campuran di dalam baja yang dilakukan selama proses pemurnian. Pada awal pemurnian baja digunakan dapur tungku terbuka atau konvertor.

Kemudian ada proses pemurnian lagi yang dilakukan didalam dapur listrik sehingga baja yang diperoleh menjadi lebih berkualitas. Dapur listrik terdiri dari dua jenis, yaitu dapur listrik busur nyala dan dapur induksi frekuensi tinggi.

• Dapur listrik busur nyala

Pada dapur lisrik busur nyala mempunyai kapasitas 25 – 100 ton, dilengkapi dengan tiga buah elektroda karbon yang dipasang pada bagian atas / atap dapur. Elektroda karbon dapat disetel dan secara otomatis bisa menghasilkan busur nyala sehingga secara langsung dapat memanaskan dan mencairkan logam.

Pada dapur modern ini mampu mengolah logam dengan proses asam atau basa. Bagian dalam dapur masih berlapiskan batu tahan api. Bahan olah yang dimasukkan ke dalam dapur adalah besi kasar dan juga logam keras (baja atau besi) yang terlebih dahulu diketahui komposisinya.

Apabila dilakukan proses basa pada pengolahan baja, maka akan terjadi oksidasi terak dari kapur yang ditambahkan untuk mereduksi unsur-unsur campuran. Selanjutnya diperoleh pemisahan terak (mengandung kapur) dari baja cair. Untuk mencegah oksidasi ditambahkan lagi logam campur pada logam baja yang telah diolah sebelum dikeluarkan dari tungku.

• Dapur induksi frekuensi tinggi

Dapur listrik dengan cara induksi frekuensi tinggi ini terdiri dari kumparan yang dililiti kawat mengelilingi cawan batu tahan api. Tenaga yang dialirkan dari listrik akan menghasilkan arus listrik yang bersirkulasi di dalam logam sehingga menyebabkan terjadinya pencairan.

Setelah bahan baku logam mencair selanjutnya peran arus listrik yaitu untuk membuat gerak mengaduk secara berputar. Kapasitas isi dari dapur jenis ini adalah 350 kg – 6 ton, pada umumnya dapur ini digunakan untuk meproduksi baja paduan (alloy steel) yang khusus.

• Keuntungan Dengan Busur Listrik :

1. Mudah mencapai temperatur tinggi dalam waktu singkat
2. Temperatur dapat diatur
3. Lebih efisien dalam pengolahannya
4. Cairan besi terlindungi dari kotoran dan pengaruh lingkungan sehingga kualitas baja lebih baik
5. Kerugian akibat penguapan sangat kecil

Baca juga: Proses Terjadinya Petir

5) Proses Dapur Kupola (Cupola Furnace)

Dapur Cupola (Cupola Funace) digunakan untuk peleburan besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang, pada umumnya digunakan untuk menghasilkan peleburan sehari-hari berdasarkan pada kapasitas dari pabrik (foundry). Cupola (kubah-kubahnya) biasanya dioperasikan secara berpasangan, jadi pemeliharaannya bisa diatur pada satu kubah dankubah yang lainnya tetap bisa beroperasi, demikian seterusnya secara bergantian.

• Sistem kerjanya

1. Dilakukan pemanasan terlebih dahulu pada kubah agar bebas dari uap cair.
2. Bahan bakar berupa arang kayu dan kokas dinyalakan selama ± 15 jam.
3. Kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah dengan blower.
4. Setelah kokas terbakar habis kemudian dimasukan kepingan baja dan besi kasa.
5. Setelah beberapa menit 15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.

Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar pospor dan sulfur, kemudian ditambahkan batu kapur (CaCO3) dan akan terurai lagi dengan reaksi kimia dan terakhir menghasilkan gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.

Proses terkahir saat di dalam dapur setelah pembersihan terak diatas cairan dari dalam dapur selanjutnya adalah mengeluarkan baja cair yang ditampung panci panci untuk dibawa ke tempat penuangan besi atau baja.

Penerapan Baja dalam Kehidupan

Manfaat pembuatan baja telah memainkan peran penting pengembangan masyarakat teknologi modern. Produk baja yang banyak kita temui seperti yang digunakan untuk kerangka-kerangka bangunan besar dan kerangka jembatan. Bahan baku utama terbuat dari baja karena keunggulan dan kekutananya.

Kontruksi Baja untuk Kerangka Gedung Bertingkat. Image via pexels.com

Pondasi Jembatan dari Baja. Image via pexels.com

Jembatan Selat Penghubung Antar Pulau Dibangun Dengan Baja. Image via pexels.com

Rel Kereta Api yang Kuat Terbuat dari Bahan Baja. Image via pexels.com

Sumber :

• https://id.wikipedia.org/wiki/Baja
• https://bisakimia.com/2016/08/07/proses-pembuatan-baja/
• https://shinqueena.wordpress.com/2009/06/07/baja-dan-proses-pembuatannya/