Dari Era Besi ke Proses Bessemer dan Pembuatan Baja Modern
Era Besi
Pada suhu yang sangat tinggi, besi mulai menyerap karbon, yang menurunkan titik leleh dari logam, menghasilkan besi tuang (2,5 hingga 4,5% karbon). Perkembangan blast furnace, pertama kali digunakan oleh orang Cina pada abad ke-6 SM tetapi lebih banyak digunakan di Eropa selama Abad Pertengahan, meningkatkan produksi besi cor.
Besi kasar
Besi cair yang habis dari tanur tiup dan didinginkan di saluran utama dan cetakan yang bersebelahan menjadi disebut sebagai pig iron karena ingot kecil yang lebih besar, tengah dan berdampingan menyerupai babi babi betina dan menyusui.
Besi cor
Besi cor kuat tetapi menderita rapuh karena kandungan karbonnya, membuatnya kurang ideal untuk bekerja dan membentuk. Ketika ahli metalurgi menyadari bahwa kandungan karbon yang tinggi dalam besi merupakan pusat masalah kerapuhan, mereka bereksperimen dengan metode baru untuk mengurangi kandungan karbon untuk membuat besi lebih bisa diterapkan.
Besi tempa
Pada akhir abad ke-18, para pembuat besi belajar bagaimana mengubah besi cor pig menjadi besi tempa kandungan rendah karbon menggunakan tungku pancang (dikembangkan oleh Henry Cort pada 1784). Tungku besi panas yang dipanaskan, yang harus diaduk oleh genangan air dengan menggunakan alat berbentuk dayung panjang, memungkinkan oksigen untuk bergabung dan perlahan-lahan menghilangkan karbon.
Ketika kadar karbon menurun, titik lebur zat besi meningkat, sehingga massa besi akan menggumpal di dalam tungku. Massa ini akan dipindahkan dan dikerjakan dengan palu tempa oleh puddler sebelum digulung menjadi lembaran atau rel. Pada tahun 1860, ada lebih dari 3000 tungku berlumpur di Inggris, tetapi prosesnya tetap terhalang oleh tenaga dan intensitas bahan bakar.
Blister Steel
Salah satu bentuk paling awal dari baja , baja blister, mulai produksi di Jerman dan Inggris pada abad ke-17 dan diproduksi dengan meningkatkan kandungan karbon dalam besi babi cair menggunakan proses yang dikenal sebagai sementasi. Dalam proses ini, jeruji besi tempa dilapisi dengan bubuk arang di kotak-kotak batu dan dipanaskan.
Setelah sekitar satu minggu, besi akan menyerap karbon di arang. Pemanasan berulang akan mendistribusikan karbon lebih merata dan hasilnya, setelah pendinginan, adalah baja blister. Kandungan karbon yang lebih tinggi membuat baja blister jauh lebih bisa diterapkan daripada besi kasar, memungkinkannya untuk ditekan atau digulung.
Produksi baja blister maju pada 1740-an ketika pembuat jam Inggris Benjamin Huntsman ketika mencoba mengembangkan baja berkualitas tinggi untuk pegas jamnya, menemukan bahwa logam dapat dilelehkan di cawan lebur tanah liat dan disempurnakan dengan fluks khusus untuk menghilangkan terak yang proses sementasi tersisa dibelakang. Hasilnya adalah krusial — atau cor — baja. Namun karena biaya produksi, baik baja blister dan cor hanya digunakan dalam aplikasi khusus.
Akibatnya, besi tuang yang dibuat di tungku berlumpur tetap menjadi logam struktural utama dalam industrialisasi Inggris selama sebagian besar abad ke-19.
Proses Bessemer dan Pembuatan Baja Modern
Pertumbuhan kereta api selama abad ke-19 di Eropa dan Amerika memberi tekanan besar pada industri besi, yang masih berjuang dengan proses produksi yang tidak efisien. Baja masih belum terbukti karena logam struktural dan produksinya lambat dan mahal. Itu sampai 1856 ketika Henry Bessemer muncul dengan cara yang lebih efektif untuk memperkenalkan oksigen ke besi cair untuk mengurangi kandungan karbon.
Sekarang dikenal sebagai Proses Bessemer, Bessemer merancang wadah berbentuk buah pir - disebut sebagai 'konvertor' - di mana besi dapat dipanaskan saat oksigen dapat diledakkan melalui logam cair. Ketika oksigen melewati logam cair, ia akan bereaksi dengan karbon, melepaskan karbon dioksida dan menghasilkan besi yang lebih murni.
Prosesnya cepat dan murah, menghilangkan karbon dan silikon dari besi dalam hitungan menit tetapi menderita karena terlalu sukses.
Terlalu banyak karbon dihilangkan dan terlalu banyak oksigen yang tersisa di produk akhir. Bessemer akhirnya harus membayar kembali para investornya sampai ia dapat menemukan metode untuk meningkatkan kandungan karbon dan menghilangkan oksigen yang tidak diinginkan.
Pada waktu yang hampir bersamaan, ahli metalurgi Inggris Robert Mushet memperoleh dan mulai menguji senyawa besi, karbon, dan mangan — dikenal sebagai spiegeleisen . Mangan dikenal untuk menghilangkan oksigen dari besi cair dan kandungan karbon di spiegeleisen jika ditambahkan dalam jumlah yang tepat, akan memberikan solusi untuk masalah Bessemer. Bessemer mulai menambahkannya ke proses konversi dengan sukses besar.
Satu masalah tetap ada. Bessemer gagal menemukan cara untuk menghilangkan fosfor — pengotor yang merusak yang membuat baja rapuh — dari produk akhirnya. Konsekuensinya, hanya bijih bebas fosfor dari Swedia dan Wales yang dapat digunakan.
Pada 1876, Welshman Sidney Gilchrist Thomas datang dengan solusi dengan menambahkan fluks dasar kimia — batu kapur — ke proses Bessemer. Batu kapur menarik fosfor dari besi babi ke dalam terak, memungkinkan elemen yang tidak diinginkan untuk dihapus.
Inovasi ini berarti bahwa, akhirnya, bijih besi dari mana saja di dunia dapat digunakan untuk membuat baja. Tidak mengherankan, biaya produksi baja mulai menurun secara signifikan. Harga untuk rel baja turun lebih dari 80% antara 1867 dan 1884, sebagai akibat dari teknik produksi baja baru, memulai pertumbuhan industri baja dunia.
Proses Pos Gempa Terbuka:
Pada 1860-an, insinyur Jerman Karl Wilhelm Siemens semakin meningkatkan produksi baja melalui penciptaan proses perapian terbuka. Proses perapian terbuka menghasilkan baja dari besi kasar dalam tungku dangkal besar.
Menggunakan suhu tinggi untuk membakar kelebihan karbon dan kotoran lainnya, proses ini bergantung pada ruang bata panas di bawah tungku. Tungku regeneratif kemudian menggunakan gas buang dari tungku untuk mempertahankan suhu tinggi di ruang bata di bawah.
Metode ini memungkinkan untuk produksi jumlah yang jauh lebih besar (50-100 metrik ton dapat diproduksi dalam satu tungku), pengujian berkala dari baja cair sehingga dapat dibuat untuk memenuhi spesifikasi tertentu dan penggunaan baja bekas sebagai bahan baku. . Meskipun prosesnya sendiri jauh lebih lambat, pada tahun 1900 proses perapian terbuka telah menggantikan proses Bessemer.
Kelahiran Industri Baja:
Revolusi dalam produksi baja yang menyediakan bahan yang lebih murah dan berkualitas lebih tinggi, diakui oleh banyak pengusaha hari itu sebagai peluang investasi. Kaum kapitalis pada akhir abad ke-19, termasuk Andrew Carnegie dan Charles Schwab, berinvestasi dan menghasilkan jutaan (miliaran dalam kasus Carnegie) dalam industri baja. Carnegie US Steel Corporation, didirikan pada tahun 1901, adalah perusahaan pertama yang diluncurkan senilai lebih dari satu miliar dolar.
Electric Arc Furnace Steelmaking:
Tepat setelah pergantian abad, perkembangan lain terjadi yang akan memiliki pengaruh kuat pada evolusi produksi baja. Electric arc furnace (EAF) Paul Heroult dirancang untuk mengalirkan arus listrik melalui material bermuatan, menghasilkan oksidasi eksotermik dan temperatur hingga 3272 ° F (1800 ° C), lebih dari cukup untuk memanaskan produksi baja.
Awalnya digunakan untuk baja khusus, EAF tumbuh digunakan dan, oleh Perang Dunia II, sedang digunakan untuk pembuatan paduan baja. Biaya investasi rendah yang terlibat dalam mendirikan pabrik EAF memungkinkan mereka untuk bersaing dengan produsen besar AS seperti US Steel Corp dan Bethlehem Steel, terutama baja karbon, atau produk-produk lama.
Karena EAF dapat menghasilkan baja dari 100% potongan — atau umpan besi dingin, lebih sedikit energi per unit produksi yang diperlukan. Berbeda dengan perapian oksigen dasar, operasi juga dapat dihentikan dan dimulai dengan biaya yang sedikit terkait. Untuk alasan ini, produksi melalui EAFs terus meningkat selama lebih dari 50 tahun dan sekarang menyumbang sekitar 33% dari produksi baja global.
Pembuatan Baja Oksigen:
Mayoritas produksi baja global — sekitar 66% — sekarang diproduksi di fasilitas oksigen dasar. Pengembangan metode untuk memisahkan oksigen dari nitrogen pada skala industri pada tahun 1960 memungkinkan untuk kemajuan besar dalam pengembangan tungku oksigen dasar.
Tungku oksigen dasar meniup oksigen ke dalam jumlah besar besi cair dan baja bekas dan dapat menyelesaikan muatan jauh lebih cepat daripada metode perapian terbuka. Kapal-kapal besar yang menahan hingga 350 metrik ton besi dapat menyelesaikan konversi menjadi baja dalam waktu kurang dari satu jam.
Efisiensi biaya pembuatan baja oksigen membuat pabrik-pabrik terbuka tidak kompetitif dan, setelah munculnya pembuatan baja oksigen pada 1960-an, operasi open-hearth mulai ditutup. Fasilitas open-hearth terakhir di AS ditutup pada tahun 1992 dan di Cina pada tahun 2001.
Sumber:
Spoerl, Joseph S. Sejarah Singkat Produksi Besi dan Baja . Sekolah Saint Anselm.
Tersedia: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
Asosiasi Baja Dunia. Situs web: www.steeluniversity.org
Street, Arthur. & Alexander, WO 1944. Logam dalam Layanan Manusia . 11 Edisi (1998).