PROSES PEMBUATAN BAJA

Proses Pembuatan Baja

Keseluruhan proses dapat dibagi menjadi beberapa tahapan pengerjaan : 

Ø  Ijih besi menjadi besi kasar (pig iron) atau besi spons(sponge iron)

Ø  Pengolahan besi kasar/besi spongs menjadi baja antara lain ingot atau bilet/slab/bloom

Ø  Pengolahan bentuk menjadi benda setengah jadi /baku berbentuk plat, strip, sklep, batang kawat, batang profil, dll.

Ø  Pengolahan lanjut bentuk setengah jadi menjadi menjadi bentuk yang lain misalnya,  kawat, pipa, sheet, tin plated sheet, dll.

seluruhan proses itu dapat dilakukan pada satu lokasi pabrik baja yang besar dan dapat pula dilakukan pada sejumlah pabrik yang pisah. Misalnya ada pabrik yang hanya mengerjakan dri billet sampai suatu barang setengah jadi.

KETERANGAN GAMBAR

Besi kasar dan besi spons

Besi di alam berada dalam bentuk,

-  Oksidasi

-  Sulfide
Karbonat

-  Silikat

Semuanya itu dinamakan bijih besi. Bijih besi yang banyak diolah adalah yang berbentuk oksida yang mengandung unsur/senyawa lain yang biasanya disebut sebagai pengotoran, yaitu,

-  Hematid, Fe2O3  yang bercampur dengan sedikit belerang , phosphor, dll.

-  Limanit, 2 Fe 2O3  3 H2 O, dengan sejumlah phosphor dan pengotoran lainnya.

-  Magnetit, Fe 2O 4, dengan sejumlah belerang , silikat, seng, dll.

-  Siderit, FeCO 3, dengan pengotoran berupa silica, alumina, magnesium, dll.

Untuk memperoleh besi dari bijih besi dilakukan proses reduksi dengan menggunakan bahan reduktor yang kuat(biasanya karbon) dan fluks dengan pemanasan. Fluks berfungsi sebagai bahan pengikat kotoran sehiingga kotoran mudah mencair dan menjadi terak.

Cara yang selama ini banyak digunakan adalah dengan reduksi bertingkat yang dilakukan dalam dapur tinggi (Blast Furnace). Cara lainnya adalah dengan reduksi langsung (DRI, Direct Reduction Iron).

Dapur Tinggi

Dapur tinggi terbuat dari susunan batu tahan api yang diperkuat dengan tiang-tiang baja, Dalam dapur tinggi akan terjadi proses reduksi bijih besi menjadi besi kasar (besi mentah). Selain itu juga reaksi-reaksi kimia yang menyertai proses reduksi tersebut.

Dapur tinggi berukuran tinggi 30 m garis tengan maksimum 7 m, garis tengah puncak 4,5 m, garis tengah bawah 4m. Dapur tinggi didirikan diatas fondasi yang diperkuat oleh tiang-tiang baja. Bagian dalam dapur tinggi dilapisi batu tahan api yang mempunyai sifat tahan terhdap suhu tinggi dan merupakan penyekat panas.

Pada bagian atas dapur terdapat corot pengisi yang bekerja bergantian sehingga kehilangan gas dapur tinggi dapat dicegah. Serta dilengkapi dengan alat pemanas udara dan alat pemisah debu.

Bahan-bahan yang dimasukkan pada dapur tinggi : bijih besi, kokas, dan batu kapur. Bahan ini disimpan dedekat dapur tinggi supaya pengisiannya mudah. Bahan-bahan diangkut ke puncak dapur tinggi dengan alat pengangkut selapis demi selapis secara terus-menerus.

Bahan-bahan pengisi daput tinggi ini akan mengalami proses fisika dan kimia sebagai berikut,

1. Mula-mula dilakukan pemanasan pendahuluan, didalam dapur tinggi gas-gas hasil pembakaran yang suhunya masih panas akan naik ke atas sambil memanaskan bahan-bahan yang disikan., sehingga air dan zat-zat yang mudah menguap dalam zat-zat pengisi akan segera menguap hingga bahan2 mencadi cukup kering.
2. Langkah berikutnya adalah proses reduksi, dalam dapur tinggi yang bertemperatur antara 800C sd 1400C , akan terjadi serangkaian reaksi-reaksi kimia antara lain reaksi reduksi bijih besi, reaksi pembakaran kokas, dan peruraian batu kapor. Karena pengaruh udara panas kokas akan terbakar menurut reaksi 

C+CO---------------CO2

Gas CO yang terjadi akan mereduksi bijih besi menurut reaksi sebagai berikut.

CO2+ C ----------------2CO

Gas CO yang terjadi akan mereduksi bijih besi menurut reaksi berikut.

Fe3O4 +CO ----------- 3FeO+CO2

Fe2O3 + CO ---------- 2 FeO + CO2

Kedua reaksi tersebut dinamakan reaksi tidak langsung. Pada daerah reduksi juga terjadi peruraian batu kapur dan mungkin juga peruraian MgCO3 ataupun FeCO3 yang mungkin terdapat dalam batu kapur tersebut menurut reaksi berikut:

CaCO3 ----------------- CaO + CO2

MgCO3  --------------- MgO +CO2

FeCO3 ------------------ FeO + CO2

Gas CO2 hasil dari peruraian ini akan bersinggungan dan bereaksi dengan lapisan kokas menurut reaksi berikut:

CO2  + C ----------------- 2CO

3. Langkah berikutnya adalah proses peleburan, Pada temperature 1400C sd 1600C akan terjadi peleburan hasil reduksi tak langsung dan juga terjadi pembentukan terak. Disamping itu juga akan terjadi reduksi langsung FeO oleh kokas. Reaksi kimia yang terjadi pada daerah ini adalah sebagai berikut.

a.  Reaksi langsung    FO + C  -------------------------------Fe + CO

b.  Pembentukan terak  CaO + SiO2 ---------------------- Ca SiO3

   Kalau bijih besi mengandung mangan MnO + SiO2 -----------------MnSiO3

Karena berat jenis terak lebih ringan daripada berat jenis besi, maka terak akan mengapung pada bagian atas. Besi mentah yang dihasilkan bukan merupakan besi murni tetapi masih mengandung unsur yang lainnya yaitu karbon(C), yang berasal dari kokas, sisilium (Si), Mangan(Mn), dan Phosphor (P) yang berasal dari bijih besi. Oleh karena itu besi mentah masih harus mengalami proses pengerjaan lanjutan.

Pembuatan Baja

Baja pada dasarnya adalah paduan besi karbon dengan kadar karbon tidak lebih dari 2.0% disamping juga mungkin mengandung sejumlah unsur lainnya(unsur paduan dan pengotoran). Baja di buat dari besi kasar/spongs dengan mengurangi kadar karbo dan unsur lain yang kurang disukai.

Ada beberapa macam cara pembuatan baja, antara lain:

1.  Dengan konvertor

2.  Dengan dapur siemens Martin (open Hearth furnance)

3.  Dengan dapur Listrik

Klasifikasi proses pembuatan baja dilakukan berdasarkan pada derajat keasaman terak yang dihasilkan.

a.  Proses asam (acid)

b.  Proses basa (basic)

c.  Proses duplex (gabungan asam dan basa)

d.  Basic Oxygen process

Pembuatan baja dengan cara konvertor

Pembuatan Baja dengan cara ini yang diolah adalah besi cair, yang diperoleh dari dapur tinggi atau peleburan lain. Besi cari ditunagkan ke dalam konventor kemudian dihembuskan udara /oksigen sehingga bahan dan unsur pengotoran akan terbakar dan keluar dari besi cair berupa gas atau terak. Cara ini mula-mula diperkenalkan oleh Henry Bessemer.

Pengisian dilakukan saat posisi horizontal dan dilanjutkan dengan mengembalikannya ke posisi vertical sambil dihembuskan udara dari bawah. Hal ini menyebabkan terjadinya reaksi .

2Fe + O2 ---------------------------2 FeO

Sebagian oksida besi ini menjadi terak dan yang lainnya bereaksi dengan Si dan Mn ,

Si + 2FeO --------------------------SiO2 + 2Fe

Mn + FeO ------------------------- MnO + Fe

Reaksi-reaksi itu akan menyebabkan panas (exothermic) dan akan menaikkan temperature cairan. Oksida mangan dan oksida silicon ini akan menjadi terak pada saat  Si dan Mn hampir habis temperature menjadi sangat tinggi dan karbon mulai terbakar,

C + FeO  -------------------------- Fe  +  CO

CO berupa gas dan keluar melalui mulut konventor, disini CO akan terbakar dan menjadi CO2. Hal ini di tandai dengan nyala api yang panjang dan terang. Bila nyala api mulai meredup dan yang ada adalah asap kemerahan hal ini berarti C sudah habis terbakar, dan hembusan angin harus segera dihentikan, agar besi tidak habis terbakar. Kemudian konvertor dimiringkan dan cairan besi dikeluarkan. Karena dalam cairan baja ini masih banyak oxygen maka perlu diberikan oksidan (ferromangan, ferrosilikat, atau alumunium) untuk menghilankannya. Sedangkan pengaturan kadar karbon dapat dilakukan dengan menambahkan sejulah besi kasar ke dalam baja cair.

Proses Pembuatan Baja dengan Tanur Oksigen Basa

Pembuatan Baja dengan Open Head Furnace

Pada furnace ini udara dan bahan bakar gas akan bercampur dan terbakar menghasilkan panas yg tinggi , pembakaran menghasilkan panas yang tinggi karena bahan bakar maupun uadara sudah dipanaskan didalam suatu regenerator. Karena temperature yang tinggi pada ruang bakar maka muatan dapur yang diletakkan diruang bakar akan mencair dan cairan ini akan mendidih sehingga reaksi oksidasi dari unsur pengotoran/pembentuk terak akan dapat berlangsung.

Muatan pengisian dimasukkan melalui pintu pengisian (charging door) muatan ini dapat berupa bahan padat ataupun besi cairan. Pada proses basa juga ditambahkan batu kapur sebagai pembentuk terak / pengikat phosphor. Reaksi yang berlangsung sama seperti pada konventor. Sebagian Fe, Si,Mn akan teroksidasi dan menjadi terak. Terak ini akan mengapung dipermukaan cairan sehingga menghalangi kontak antara cairan dan udara, untuk menjamin kelangsungan reaksi maka kedalam cairan ditambahkan bijih besi.

Proses dalam dapur ini berlangsung sangat lambat 6-14 jam sedangkan pada konventor hanya 15 menit atau kurang). Karena proses dalam dapur sangat lambat maka dapat dilakukan analisa kimia dari cairan pada sitiap saat dan komposisinya dapat dikontrol dengan mudah.  Dan karena cairan besi tidak bersentuhan dengan udara luar maka baja yang dihasilakan tidak mengandung nitrogen.

Pembuatan baja dengan electric furnace

Pembuatan baja dengan cara ini lebih luas digunakan karena, metoda ini akan menghasilkan panas yang sangat tinggi sehingga pemaduan dengan unsur-unsur yang memiliki titik leleh yang sangat tinggi dapat dilakukan. Diasmping itu atmosfir di permukaan cairan dapat dikontrol dengan mudah sehingga dapat menghasilkan baja yang lebih bersih. Kelemahannya pada kapasitasnya yang tidak terlalu tinggi, sehingga biasanya dipergunakan pada pabrik baja yang tidak terlalu besar.atau hanya untuk membuat special steel dalam jumlah yang terbatas, atau hanya dipergunakan untuk pengolahan besi tua ( remelling) dan  pabrik pengecoran (foundry).

Electric furnace ini pada dasarnya ada dua yaitu:

1.  Electrical Arc Furnace

2.  Induction Furnace

Cordless Induction Furnace

GAMBAR STRUKTUR MICRO BAJA KARBON

BAB II

PROSES PEMBUATAN BAJA TUANG (CAST IRON)

              Dalam pengertian proses produksi, maka proses pengecoran meliputi: pembuatan cetakan, persiapan peleburan logam, penuangan logam cair kedalam cetakan, pembersihan coran dan proses daur ulang pasir cetak.

Pengecoran, tercatat sebagai suatu proses yang relatif tua, karena sudah dikenal orang sekitar tahun 2000 S.M Bahkan sampai saat ini, pengecoran merupakan proses dasar yang sangat  penting dalam pengembangan industri logam dan permesinan.

• Macam-macam besi tuang (cast iron)

             Besi tuang atau cast iron, dapat di golongkan kedalam 2 (dua) kelompok besar, yaitu:

Kelompok A.

1. Besi tuang kelabu                             unsur C nya berupa grafit
2. Besi tuang kelabu ke putih-putih an unsur C nya berupa sementit
3. Besi tuang putih
4. Malleable cast iron

Kelompok B.

 a.   Alloy cast iron

b.      Nodular cast iron.

Secara umum, persentase Karbon cast iron adalah: 2,25 ¸ 4,3 %

Di dalam perdagangan:   C nya ± 3,5 %

Pada  cast iron, disamping  dan  terkandung pula: , ,  dan

• Keunggulan Besi Tuang

            Dibandingkan dengan baja tuang, ada beberapa keunggulan besi tuang ini, misalnya:

a.       Hasilnya akan lebih murah dibandingkan dengan baja tuang

b.      Temperatur peleburan lebih rendah, oleh karena itu “Dapur Kupola” dapat dipakai.

c.       Besi tuang cair akan lebih baik mengalirnya, sehingga dapat mengisi rongga-rongga cetakan (mould) dengan lebih sempurna.

d.      Hasilnya siap untuk dikerjakan lebih lanjut.

e.       Menghasilkan kombinasi kekuatan tarik dan tekan yang baik

f.       Tahan terhadap ke aus an, gerusan, dll.

• DIAGRAM  ALIRAN  PROSES  PENUANGAN

           Flowchart dibawah ini menunjukkan tahapan-tahapan pada proses penuangan.

1. Peleburan (Smelting)                                                                          

             Untuk mem proses atau melebur logam, maka dapat menggunakan:

-          Dapur Kupola, yang penting diperhatikan:

-          Rotary Furnace

-          Electric Furnace

-          Air Furnace (reverborotary air furnace)

2. Pembuatan Model

Pembuatan model atau pola, yang penting harus di perhatikan adalah: logam cair, setelah membeku, akan mengalami “penyusutan”. Oleh sebab itu, dimensi model tersebut harus diperhitungkan terhadap kemungkinan penyusutan tersebut. Penyusutan untuk setiap logam akan selalu ber beda-beda, sebagai contoh, dibawah ini disajikan dalam bentuk tabel besarnya penyusutan yang terjadi untuk berbagai jenis logam.

3. Cetakan (mould)

Bila dilihat dari cara penuangan logam cair ke dalam cetakan, maka jenis cetakan dapat golongkan menjadi 2 (dua) kelompok, yaitu:

A.    Cetakan diam atau “stationary mould”

• Cetakan Pasir:                                                          

        - Green sand moulding

        - Dry sand moulding

        - Loam (tanah liat) moulding

        - Hot box proses, proses dan Shell moulding

B.     Cetakan bergerak atau “non-stationary mould”

• Investment casting
• Centrifugal casting

v  Klasifikasi Cetakan dapat di klasifikasi kan ke dalam 2 (dua) kelompok, yaitu:

1)      Ditinjau dari bahan yang pembuat nya, terdiri dari:

a)      Cetakan pasir basah (green sand moulding)  dari pasir cetak yang masih basah

b)      Cetakan kulit kering (skin dried moulding)  lapisan pola akan mengeras bila terkena panas

c)      Cetakan pasir kering (dry sand moulding)  menggunakan pasir yang kasar

d)     Cetakan lempung (loam moulding) terbuat dari batu bata, diberi lempung, u/ B.K yg besar

e)      Cetakan furan (furan moulding)  terbuat dari resin, untuk sekali pakai

f)       Cetakan  pasir dicampur natrium silikat, dialirkan CO2, maka campuran mengeras

g)      Cetakan logam  proses cetak-tekan (die casting), logam yang titik cair nya rendah

h)      Cetakan khusus  terbuat dari plastik, kertas, kayu, semen, plester atau karet  

2)      Ditinjau dari cara penempatan cetakan nya, terdiri dari:

a)      Pembuatan cetakan di meja (bench moulding)  untuk benda cor yang kecil-kecil

b)      Pembuatan cetakan di lantai (floor moulding)  untuk benda cor sedang dan besar

c)      Pembuatan cetakan sumuran (pit moulding)  untuk benda cor yang besar sekali

d)     Pembuatan cetakan dengan mesin (machine moulding)  semua proses secara mekanis

Ø  Green Sand Moulding

              Pasir yang digunakan masih dalam keadaan agak basah, sehingga mempunyai sifat elastisitas yang baik dan mudah untuk dibentuk, biasanya menggunakan “rangka celah”.

v  Bentuk benda kerja yang di kehendaki (misal nya):

                                  

Bentuk rangka celah nya:

                               

v  Model

                                        

v  Kerangka bawah

                                                                           

-          model atau pola ditempatkan didalam rangka celah pada posisi terbalik

-          kerangka di isi pasir, kemudian di padatkan.

v  Kerangka atas

            

Guna saluran lebih:

-          Untuk mengetahui (checking) apakah seluruh rongga cetak sudah penuh terisi logam cair

-          Sebagai saluran/lubang penambah logam cair (pada proses pendinginan

v  Kerangka atas dan bawah di-assembling

                    

-          Sebelum di-assembling, kerangka cetak bawah dibalik, model di keluar kan, permukaan (bekas) model di olesi dengan grafit yang di cair kan

-          Rangka atas dan bawah di satukan dengan sebelum nya inti di masukkan

-          Untuk benda-benda kerja yang bentuk nya sulit, maka kerangka cetak dapat di buat lebih dari 2 (dua) bagian, sehingga “pipe” atau rongga cetak dapat dihindarkan, atau di minimal kan.

Ø  Dry sand moulding

                 Cetakan dibuat dari pasir yang kasar dengan menggunakan bahan perekat atau pengikat. Karena harus dipanaskan di dalam dapur sebelum digunakan, maka tempat cetakan nya terbuat dari logam (lihat gambar ilustrasi nya).

    

-          Guna  serbuk-serbuk  sekam  jarami:  untuk  memudahkan   keluarnya  gas-gas  dari  dalam cetakan  akibat penuangan logam cair.

-          Cetakan  pasir  kering  tidak  memuai, ketika  terkena   aliran  logam  cair.  Keunggulan   nya   yang    lain  adalah: bebas dari  gelembung-gelembung  udara, karena   gelembung   tersebur   dapat  keluar  melalui pori-pori pasir cetak dan sekam jerami.

-          Cetakan jenis ini banyak digunakan di pabrik-pabrik pengecoran baja.

-          Bila  digunakan   untuk   benda-benda   coran   yang  besar - besar,  maka  cetakan   dibuat langsung pada lubang-lubang galian yang tetap (pit muolding).

v  PENGECORAN

                                     Ladle

                                                    

Pada pengertian pengecoran disini adalah: penuangan logam cair ke dalam cetakan yang sebelumnya, inti harus dimasukkan terlebih dahulu.

v  PEMBONGKARAN/PENGELUARAN  BENDA  CORAN ( BELUM BERSIH)                                     

                             

Setelah, logam cair di dalam cetakan membeku, maka benda cor nya di keluarkan (pasir cetak bisa rusak, bisa juga tidak  di daur ulang). Benda cor yang dikeluarkan, masih sangat kotor,  untuk itu perlu di bersihkan.

Ø  Pembersihan

                               

Catatan:

-          Untuk memudahkan pengeluaran model, maka model harus berbentuk tirus

-          Untuk bentuk-bentuk yang sulit, cetakan dapat dibuat lebih dari 2 (dua) bagian.

v  PERLAKUAN   PANAS   CORAN                                                

    Ilustrasi:                              

                          

Bila logam cair membeku, maka akan terjadi penyusutan dan bila solidifikasi (proses penyusutan) tersebut tidak dikendalikan dengan baik, maka akan terjadi rongga-rongga penyusutan yang besar. Solidifikasi harus dikendalikan sedemikian rupa, sehingga rongga penyusutan hanya terjadi di daerah saluran turun/saluran masuk atau pada saluran penambah.

          Pada gambar ilustrasi diatas, terlihat adanya gradien suhu dan garis-garis isotermal serta arah aliran panas di dalam suatu benda coran.

Umumnya, rongga-rongga penyusutan terjadi di daerah dimana terdapat pembekuan yang paling akhir, artinya di daerah yang suhu nya paling tinggi (panas terperangkap).

Untuk mengatasi hal tersebut, ada beberapa cara yang bisa dilakukan, antara lain:

-          menyiapkan logam cair “stand-by” di daerah saluran penambah

-          memasang “chill” (batang logam) di daerah panas terperangkap, dengan demikian panas dapat disalurkan dengan cepat keluar

-          menempat kan bahan kimia “eksotermik” dai daerah benda coran, dengan demikian suatu daerah tertentu akan tetap panas

-          menempatkan pompa vacuum dibagian bawah cetakan, sehingga logam cair mengalir lebih cepat untuk mengisi seluruh rongga-rongga cetakan

-          membuat cetakan lebih dari 2 (dua) bagian, sehingga tidak ada daerah dimana panas dapat terperangkap.

GAMBAR STRUKTUR MIKRO PADA BAJA COR (CAST IRON)

Gb : Struktur micro baja cor maliable (mampu tempa)

Gb: Struktur micro baja kelabu

DAFTAR PUSTAKA

1. Proses Pembuatan Baja, From http://www.scribd.com/doc/54999880/Proses-Pembuatan-Baja
2. Teknik Pengecoran Logam, From http://www.gudangart.com/2011/10/pengecoran-logam-teknik-pengecoran_15.htmlproses pembuatan baja