Produksi Pig Iron
Bahan bakudasar dari produksi pig iron adalah bijih besi, coke, dan lim stone. Coke Coke diba dibaka karr seba sebaga gaii baha bahan n baka bakarr pada pada furn furnan ance ce.. Keti Ketika ka coke coke terb terbak akar ar,, coke coke memberikan memberikan karbon monoksida, monoksida, yang digukombinasikan digukombinasikan dengan iron oksida pada bijih bijih besi, sehingga mereduksi menjadi besi metalik. Reaksi dasar dalam blsat furnance yaitu Fe2O3 + 3CO = 3CO2 + 2Fe. Limestone pada furnace furnace berfungsi berfungsi sebagai sumber carbon monoksida monoksida tambahan tambahan yang digunakan sebagai fluks fluks yang yang dkombin dkombinasi asikan kan dengan dengan silika silika infusi infusible ble yang yang ada pada bijih besi besi untuk untuk membentuk fusible calsium silikat. Tanpa limstone, iron silikat tidak mungkin terbentuk, sehing sehingga ga metali metalik k iron iron juga juga tidak tidak terbent terbentuk. uk. Kalsiu Kalsium m silika silikatt ditamb ditambah ah pengot pengotor or lain lain membentuk slag yang akan mengambang pada lelehan metal pada bian belakang tungku. Pig iron biasa yang diproduksi blast furnance mengandung 92 persen besi, 3-4 persen karbon, karbon, 0,5-3, 0,5-3,0 0 persen persen siliko silikon, n, 0,25-2, 0,25-2,5 5 persen persen mangan mangan,, 0,04-2, 0,04-2,0 0 persen persen fospor fospor,, dan sulfur. Blast furnance (tanur tinggi) beroprasi secara kontinu. Material yang akan dimasukan dibagi mejadi bagian-bagian kecil pengisian yang dimasukan ke furnance dengan waktu 10-15 setiap pemasukan. Slag dibuang dari permukaan setiap dua jam dan besi yang dihasilkan dituang sebanyak lima kali sehari.
Blast furnance yang umum terdiri dari baja silinder yang dilapisi dengn batu tahan api (refra (refrakto ktori) ri),, yang yang tidak tidak mengan mengandung dung logam logam sepert sepertii batu batu bata bata tahan tahan api. api. Lapisa Lapisan n diperuncing diperuncing pada bagian atas dan bagian bawah. Bagian terlebar dari furnance adalah ¼ bagian bagian dari dari bawah. bawah. Porsi Porsi yang yang lebih lebih rendah, rendah, disebut disebut bosh bosh yang yang dilengk dilengkapi api dengan dengan beberapa pipa pembuka atau tuyeres yang dilewati tiupan aliran ledakan udara. Dekat dasar dasar dari dari bosh bosh terdap terdapat at lubang lubang tempat tempat mengal mengalirn irnya ya lelehan lelehan logam logam pig iron iron ketika ketika furnance furnance dituang dituang (tapped). (tapped). Dan diatas diatas lubang ini tetapi tetapi dibawah dibawah tuyeres tuyeres terdapat terdapat lubang lain lain untuk untuk mengel mengeluaar uaarkan kan slag. slag. Puncak Puncak furnanc furnancee yang yang memili memiliki ki tnggi tnggi sekiar sekiar 27 m,
mengandung pipa udara untuk pembuangan gas dan sepasang hoppers berbentuk katup dengan pengungkit untuk tempat pengisian material yang akan dicor. Udara yang akan digunakan dalam blast furnance dipreheat hinga mencapai temperatur 540° dan 870° C. Pemanasan dilakukan menggunakan kompor dengan silinder yang menggunakan bata tahan api yang disusun. Bata pada kompor dipanaskan selama beberapa jam dengan membakar gas blast furnance, gas buangan dari bagian atas tungku. Kemudian api dimatikan dan udara ditiupkan melalui kompor ke blast furnance. Total berat gas yang digunakan adalah lebih banyak sedikit dari jumlah berat material dari material mentah yang dipakai. Perkembangan yang penting dalam teknologi tanur tinggi (blast furnance) diperkenalkan setelah perang dunia kedua dengan mengecilkan aliran gas dari fentilasi furnance. Tekanan didalam furnance sebesaar 1,7 atm atau lebih. Teknik pengepresan dapat membuat pembakaran lebih baik dari coke dan menghasilkan hasil pig iron yang besar pula. Output yang dihasilkan dengan metode pengepresan 25 prersen lebih banyak daripada metode biasa. Hasil yang lebih juga telah dicoba dengan menambahkan oksigen pada udara blast furnance. Proses penuangan logam cair melalui saluran dekat bosh bagian bawah dan logam cair akan melewati saluran runner tanah liat, lalu ke saluran bata yang lebih besar sebagai penampug yang berupa ladle atau kereta mobil yang dapat menampung sebanyak 100 ton metal. Slag yang mungkin mengalir dari furnance bersama logam di ambil dengan gayung sebelum masuk ke penampung. Penampung dari lelehan peig iron kemudian diantar ke toko pembuat baja. Pada zaman sekarang, blast furnance dioprasikan dengan dihubungkan ke tungku basic oksigen, dan kadang-kadang pembuatan besi menjadi satu bagian dari rencana poduksi baja. Dalam rencana itu lelehan pig iron digunakan untuk mengisi tungku pembuatan baja. Lelehan metal dari beberapa blast furnance dapat dicampur dalam satu ladle yang besar sebelum diolah kembali menjadi baja untuk meminimalisasi ketidakhomogenan komposisi dalam peleburan masing-masing.
Metode Lain untuk Pemurnian Besi
Hampir semua besi dan baja diproduksi dengan menggunakan pig iron dengan proses blast furnance, tetapi ada metode lain yang digunakan dalam pembuatan baja dan besi yaitu metode pembuatan langsung besi dan baja dari bijih besi tanpa pembuaan pig iron. Pada proses ini bijih besi dan coke dicampur pada alat pencampur yang disebut revolving kiln, dan dipanaskan sampai temperatur 9500C. Carbon monoksida diberikan dari hasil pemanasan coke seperti pada blast furnance dan mereduksi oksida dari bijih besi menjadi besi metalik. Proses reaksi kedua pada blast furnance tidak terjadi sehingga terbentuk sponge iron. Spong iron memiliki kemurnian yang lebih tinggi dari pada daripada pig iron. Besi murni juga didapat dari proses elektrolisis, tetapi proses elektrolisis tidak digunakan untuk mendapatkan besi secara komersil.
Proses Perapian Terbuka untuk Pembuatan Baja
Produksi baja dari pig iron terdiri dari pembakaran karbon yang berlebih dan pengotor lainnya yang ada pada besi. Kesulitan dari produksi baja adalah tingginya suhu pelelehan, yaitu sekitar 13700C yang tidak bisa dicapai menggunakan bahan bakar yang umum digunakan untuk pembuatan besi. Untuk mengurangi keslitan ini maka dikembangkan teknologi proses perapian terbuka, furnance pada teknologi ini dapat bekerja pada suhu tinggi dengan regeneratif preheating pada gas dan udara yang digunakan untuk pembakaran di dalam furnance (tungku). Dengan regeneratif preheaing, gas pembuangan dari furnance dialirkan dalam suatu tempat yang mengandung banyak bata dan memberikan kebanyakan dari panas yang dihasilkan pada bata. Lalu kembali dialirkan sepanjang furnance sehingga bahan bakar, dan udara melewati tempat pemanas sehingga dapat terpanaskan oleh bata yang telah menyerap panas. Melalui teknologi ini furnance dapat menghasilkan panas sebesar 16500C. Furnance tersebut biasanya tersusun atas bata perapian berbentuk kotak datar berukuran 6 m X 8 m denagn tinggi 2,5 m. Di depan perapian terdapat satu rangkaian
pintu yang membuka ke luar ke suatu lantai kerja di depan perapian. Perapian secara keseluruhan dan lantai kerja adalah satu cerita diatas lantai dasar, dan ruangan dibawah perapian merupakan ruangan pemanas dengan heat regenerating dari furnace. Furnace dengan ukuran ini mampu memproduksi sekitar 100 metric ton baja stiap 11 jam.
Furnace tersebut diisi dengan campuran pig iron (cair maupun dingin), scarp baja, dan bijih besi yang akan menghasilkan oksigen tambahan. Limstone ditambahkan untuk membentuk flux dan fluorspar ditambahkan agar slag yang dihasilkan lebih cair. Proporsi penambahan bervariasi tergantung dari batas lebar, tetpi pengisian logam yang umum yaitu 56,750 kg (125,000 lb) of scrap baja, 11,350 kg (25,000 lb) pig iron dingin, 45,400 kg (100,000 lb) pig iron cair, 11,800 kg (26,000 lb) limestone, 900 kg (2,000 lb) of bijih besi, dan 230 kg (500 lb) fluorspar. Setelah furnance diisi, furnace bercahaya dan api bertiup di perapian dengan arah dapat diatur operator agar terjadi heaat regeneration.
Secara kimia furnace perapian terbuka terdiri dari perendahan kandungan karbon logam yang dilebur dengan oksidasi dan penghilangan pengotor seperti silikon, phospor, mangan, dan sulfur, yang dikombinasikan dengan limstone dari slag.. Reaksi ini terjadi ketika logam berada dalam furnece pada suhu pelelehan yaitu temperatur antara 1400 sampai 16500 C untuk beberapa jam sampai logam yang diinginkan memiliki kandungan karbon yan diinginkan. Pengalaman operator dapat menentukan kandunan carbon dari logam dengan melihat warnanya tetapi biasanya pencairan logam diuji dengan menambil sebagian kecil logam dari furnace, mendinginkannya, dan mengujinya dengan cara fisika maupun kimia.
Ketika kandungan karbon telah mencapai level yang diinginkan, furnace kemudian dituang dengan membuka keran taping pada bagian bawah. Logam cair kemudian mengalir ke ladle yang diletakan dibawah furnace. Dari ladle, baja kemudian dituang ke cetakan besi tuang yang berbentuk ingot dengan panjang umumnya 1,5 m dan
lebar 48 cm. Ingot ini menjadi bahan baku pada industri baja, beratnya kira-kira 2,25 metric ton pada ukuran ini. Ada juga metode yang langsung membuat benda cor tanpa pembentukan ingot terlebih dahulu.
Basic Oksygen Process
Proses yang paling tua dalam pembuatan baja dengan kuanitas besar, proses Bessemer , dibuat dengan ketinggian, pear-shaped furnace, disebut proses converter Bessemer, yang dapat dimringkan untuk dapat menambahkan dan menuangkan. Jumlah besar gas ditiupkan melewati lelehan logam. Oksigen tersebut bersatu secara kimia dengan pengotor dan membawa mereka keluar. Dalam basic oksygen process, baja juga dimurnikan dalam pear shape furnace yang dapat dimiringkan untuk mengisi dan menuang. Udara juga dihilangkan dengan meniupkan arus oksigen yang hampr murni. Setelah furnace selesai diisi dan diputar tegak lurus, oksigen diturunkan dengan tinggi lance sekitar 2 m atau sesuai denan kebutuhan. Ribuan kubik oksigen ditiukan
kedalam furnace dengan kecepatan
supersonik. Oksigen berkombinasi dengan karbon dan elemen yang tidak diinginkan dan dimulai temperatur reaksi pengocokan sehingga dengan cepat membakar pengotor dan mengubah pig iron menjadi baja. Waktu pemurnian sekitar 50 menit atau kurang, sekitar 275 metric ton baja yang dapat diproduksi denggan metode ini dalam satu jam.
Electric Furnace Steel
Dalam beberapa Furnace digunakan listrik sebagai pengganti bahan bakar untuk proses melelehkan dan memurnikan baja karena Electric Furnaces lebih mudah diatur daripada perapin terbuka dengan basic oksien furnace. Electric furnace steel lebih khusus
digunakan untuk memproduksi Stainless Steels dan Baja paduan tinggi lainnya yang harus dibuat dengan spesifikasi yang tepat. Pemurnian terjadi dekat bilik dimana temperature dan kondisi lainnya dikontrol dengan alat secara otomatis. Pada tingkat awal Refining process, oksigen tingkat tinggi disuntikkan melalui Lance, kemudian menaikan temperature Furnace dan mengurangi waktu untuk memproduksi Baja. Jumlah oksigen yang masuk ke dalam Furnace dapat diatur untuk menghindari reaksi oksidasi yang tidak diinginkan. Kebanyakan logam pengisi terdiri dari Scrap. Sebelum dapat digunakan, Scrap harus dianalisa terlebih dahulu dan disortir, karena kandungan paduannya akan mempengaruhi komposisi. Material lainnya, seperti jumlah kecil bijih besi dan dry lime, ditambahkan untuk membantu memindahkan Carbon dan pengotor lainnya yang ada. Elemen paduan tambahan lainnya ditambahkan pada baja saat pengisian atau akan di tuang ke ladle.
Setelah Furnace diisi logam, elektroda didekatkan dengan permukaan logam. Arus dialirkan melalui salah satu elektrodanya lalu membentuk Arc/busur pada muatan logam, kemudian mengalir melalui logam dan busur kembali ke elektroda selanjutnya. Panas dihasilkan dari tahanan aliran arus dengan muatan. Panas ini bersamaan dengan busur mempercepat peleburan logam. Ada juga electric furnace yang panasnya diasilkan dari koil.
Proses Penyelesaian
Baja dipasarkan dalam berbagai variasi ukuran dan bentuk, seperti rods, pipa, railroad rails, tees, channels dan I-beams. Bentuk-bentuk ini diproduksi dengan rolling dan forming, memanaskan ingot untuk mendapatkan bentuk yang diinginkan. Perlakuan terhadap baja juga dapat meningkatkan kualitasnya dengan memurnikan kristalnya dan membuat logam lebih tangguh.
struktur
Proses dasar pembuatan baja dikenal dengan hot rolling. Dalam hot rolling, ingot baja dipanaskan terlebih dahulu sampai merah dalam furnace yang dinamakan soaking pit dan dilewatkan diantara sepasang metal rollers yang memeras sampai dihasilkan bentuk dan ukuran yang diinginkan. Jarak antara kedua Rollers berkurang seiring dengan pertambahan panjang dan pengurangan ketebalan.
Besi Tempa
Proses pembuatan material yang tangguh, paduan Malleable yang dikenal dengan Besi Tempa karena proses pembuatannya. Prosesnya dikenal dengan puddling, membutuhkan kemampuan tangan buruh. Produksi besi tempa dalam jumlah ton tidak memungkinkan. Pengembangan proses baru dengan bessemer converters dan furnaces perapian terbuka meningkatkan kuantitas besi tempa. Besi tempa tidak lagi diproduksi secara komersial, karena dapat diganti dengan Low-carbon Steel pada hampir semua aplikasi, yang lebih murah untuk memproduksinya dan lebih uniform kualitasnya dibandingkan besi tempa. Puddling Furnace menggunakan arched roof dan depressed hearth yang dipisahkan oleh dinding dari pembakaran saat arang terbakar. Setelah furnace panas, Puddler atau Furnace operator, “Fettles” dengan melapisi perapian dan dinding dengan pasta oksida Fe, biasanya Hematite Ore. Furnace diisi dengan 270 kg pig iron dan pintunya ditutup. Setelah 30 menit Iron meleleh dan Puddler ditambahkan oksida besi atau mill scale untuk mengisinya, perlakuan oksida ke dalam besi dengan bent iron bar disebut Raddle. Si, dan Mn dalam oksida besi serta S dan P dihilangkan. Temperature meningkat drastis dan carbon mulai terbakar menjadi gas carbon-oxide. Saat carbon terbakar, temperatur lebur paduan meningkat dan logam menjadi lebih pucat. Fe menjadi murni, Puddler mengendalikan muatan dengan raddle untuk memastikan komposisi yang seragam. Spongelike dipisahkan jadi gumpalan (lumps) yang disebut balls, sekitar 80-90 kg. Balls dikeluarkan dari furnace dengan tongs dan ditempatkan pada squeezer. Besi
dipotong jadi tipis dan ditumpuk, kemudian dipanaskan sampai welding temperature. Akhirnya di-rolled menjadi single piece. Rolling terkadang dilakukan berulang kali untuk meningkatkan kualitas produk.
Klasifikasi Baja
Baja dikelompokan menjadi lima kelompok besar, yaitu:
1. Baja Karbon
Lebih dari 90 persen dari semua baja yanng diproduksi adalah baja karbon. Mengandung jumlah karbon bervariasi dengan jumlah mangan tidak lebih dari 1,65 persen, silikon 0,6 persen, dan Cu sebanyak 0,6 persen. Digunakan pada mesin, body automobil, baja strutural untuk bangunan, ship hulls, kasur per, bobby pins. 2. Baja Paduan Baja ini memiliki komposisi yang spesifik yang mengandung beberapa persen vanandium, Mo, dan elemen paduan lain. Memiliki kandungan mangan, Si, dan Cu lebih besar daripada bja karbon biasa. Digunakan pada gigi dan axel mobil, roller skates, dan carving knives. 3. High-Strength Low alloy Steel (HSLA) Merupakan baja jenis terbaru diantara lima ke luarga baja. Biaya produksi lebih rendah karena hanya sedikit mengandung paduan yang mahal. HSLA lebih ringan daripada baja biasa. 4. Stainless Steel Stainless steel adalah baja tahan karat yang mengandung Cr, Ni, dan elemen lain yang membuat baja tersebut tahan karat pada kelembaban asam dan gas tertentu.
Beberapa jenis Stainless steel sangat keras. Karena permukaannya yang mengkilap, arsitek sering menggunakannya untuk tujuan dekorasi. Untuk membuat pipa, alat-alat oprasi, dan yang lainnya.
5. Tool Steel
Dibuat menjadi beberapa jenis tools atau cutting dan shaping machinery untuk operasi manufaktur yang bervariasi. Toolsteel mengandung W, Mo dan elemen paduan lainnya yang membuat jadi lebih kuat, keras dan tahan aus.
Struktur Baja
Physical Properties dari berbagai jenis Baja dan paduannya pada temperature tertentu tergantung dari kadar karbon dan bagaimana proses distribusinya. Sebelum dikeraskan dengan proses heat treatment, baja umumnya memiliki struktur: ferrite, pearlite, dan cementite. Ferrite merupakan Besi dengan kandungan kecil karbon dan elemen lain yang larut, sifatnya soft dan ulet. Cementite, paduan Besi dengan 7% Carbon, umumnya rapuh dan keras. Pearlite merupakan campuran ferrite dan cementite dengan komposisi yang spesifik dan struktur yang berkarakter. Physical characteristics intermediate antara dua konstituen tersebut. Ketangguhan dan kekerasan baja tidak terlalu tergantung oleh heat treatment, tetapi tergantung sama tiga komposisi utama tersebut. Jika kandungan Carbon meningkat, maka jumlah ferrite berkurang dan jumlah pearlite meningkat sampi Baja mengandung 0.8% Carbon, keseluruhannya merupakan komposisi pearlite. Baja dengan Carbon lebih merupakan campuran pearlite dan cementite. Meningkatkan temperature perubahan ferrite dan pearlite menjadi bentuk allotropic dari paduan iron-carbon (austenite), yang memiliki property kelarutan semua Carbon bebas dalam logam. Jika baja didinginkan
secara lambat, austenite menjadi ferrite dan pearlite, tapi jika pendinginan cepat austenite “membeku” atau berubah menjadi martensite, yang sangat keras.
Heat Treatment Baja
1.
Hardening
Baja dapat ditingkatkan kekerasannya dengan perlakuan panas. Timbul struktur martensit melalui proses pendinginan yang sangat cepat (rapid cooling ) dari fasa austenite (struktur FCC) ke temperatur ruang. Pada proses pendinginan normal (equilibrium) terjadi perubahan fasa dari γ -austenite menjadi α -ferite. Perubahan fasa seiring dengan struktur kristal dari FCC menjadi BCC.
Kelarutan karbon dalam BCC lebih rendah dari kelarutan karbon dalam FCC, karbon yang larut dalam austenite harus berdifusi keluar dari kisi kristal FCC dan membentuk senyawa karbida saat terjadi transformasi kristal. Difusi berlangsung sangat lama, jika proses pendinginan berlangsung sangat cepat, maka atom karbon yang terlarut dalam FCC tidak sempat berdifusi keluar. Akibatnya tidak terjadi transformasi FCC ke BCC, melainkan transformasi geser yang membentuk struktur BCT yang sangat jenuh akan karbon dan menimbulkan tegangan pada struktur BCT, serta meningkatnya kekerasan secara drastis. Peningkatan kekerasan baja dengan cara solid solution treatment yang dilanjutkan dengan pendinginan cepat dikenal dengan istilah quenching.
Banyak faktor yang mempengaruhi kekerasan baja hasil quenching, diantaranya temperatur austenisasi yang dibahas pada paper ini. Secara umum kekerasan baja akan meningkat seiring dengan peningkatan temperatur austenisasi sampai pada batas maksimum kelarutan karbon dalam fasa austenite pada diagram Fe-Fe3C.
2.
Tempering
Proses hardening menghasilkan struktur martensit yang sangat brittle, maka jarang digunakan dalam aplikasi. Perlu mekanisme perlakuan panas agar martensit yang telah terbentuk dapat dimodifikasi sifatnya dan dihasilkan baja yang lebih tangguh (tough). Mekanisme ini disebut dengan tempering. Proses ini terdiri atas dua tahap, dimana di dalamnya terjadi reduksi kadar karbon dalam martensit hingga 0.3%. Kekerasan baja menurun dan keuletannya (ductility) meningkat, maka dapat dihasilkan baja yang lebih tangguh.
