Besi Dan Baja

TUGAS IPROSES PRODUKSI

Disusun Oleh:Imam Syahputra120421016

Fakultas Teknik MesinUniversitas Sumatera Utara

BESI DAN BAJA

Pendahuluan Besi dan baja merupakan logam yang banyak sumbangannya bagi perkembangan kebudayaan manusia. Hal ini disebabkan karena : - Jumlahnya yang cukup melimpah - Memiliki sifat mekanik yang menarik - Mudah dikerjakan dengan forming maupun dengan machining - Harganya relative murah - Dll. Pemanfaatanya besi dipergunakan dalam keadaan paduan bukan dalam keadaan murni. Paduan besi umumnya dengan carbon, yang dikenal sebagai baja dan besi tuang. Besi dan baja tuang bukan hanya berbeda kadar karbonnya tetapi juga berbeda struktur mikronya dan berbeda sifatnya. Klasifikasi baja dipasaran dilakukan berdasarkan :- Kekuatannya, st37, st42, st50, st60 dan lain sebagainya. - Komposisi kimianya, baja karbon rendah, baja karbon menengah, baja karbon tinggi - Strukturnya, baja hypoeutectoid, baja eutectoid, baja hypereutectoid - Penggunaannya - Bentuknya - Pembuatannya, dan lain sebagainya.

Proses Pembuatan Baja Keseluruhan proses dapat dibagi menjadi beberapa tahapan pengerjaan : - Ijih besi menjadi besi kasar (pig iron) atau besi spons(sponge iron) - Pengolahan besi kasar/besi spongs menjadi baja antara lain ingot atau bilet/slab/bloom - Pengolahan bentuk menjadi benda setengah jadi /baku berbentuk plat, strip, sklep, batang kawat, batang profil, dll. - Pengolahan lanjut bentuk setengah jadi menjadi menjadi bentuk yang lain misalnya, kawat, pipa, sheet, tin plated sheet, dll. Keseluruhan proses itu dapat dilakukan pada satu lokasi pabrik baja yang besar dan dapat pula dilakukan pada sejumlah pabrik yang terpisah. Misalnya ada pabrik yang hanya mengerjakan dri billet sampai suatu barang setengah jadi.

Gambar contoh proses pembuatan baja

Proses pertama :1. komponen dasar : iron ore (bijih besi), limestone (tanah kapur), coke (dibuat dari coa, khusus untuk pembuatan steel) dimasukkan kedalam blast furnace2. coke : bahan bakar untuk furnace, dibuat dari coal dengan proses tertentu3. cairan besi (molten metal) yang panas didalam furnace terpusah menjadi 2 bagian, yang atas adalah slag (waste, impurities) dan yang bawah adalah besi yang hendak dipakai.Besi yang dihasilkan ini kemudian dicetak menjadi pig iron. Kadar c dalam pig iron bisa mencapai 2%.Proses kedua :1. Pig iron dimasukan kedalam primary steelmaking furnace, bisa berupa oxygen furnace, electric arc furnace, atau open hearth furnace. Kedalam furnace ini, berbagai bahan kimia ditamnbahkan untuk mendapatkan material propertis yang diinginkan.2. Seringkali scrap juga dimasukan kedalam furnace ini.3. Baja yang dihasilkan dicetak dalam bentuk slab, bloom atau billet.Proses ketiga :1. Baja yang telah dicatak dalam bentuk slab, bloom atau billet tersebut selanjutnya dibentuk menjadi berbagai macam profil seperti H-beam, angle (siku), channel, rel kereta, plat, pipa (seamless pipe), dsb2. Produk dapat dipasarkan

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 adalahyang berbentuk oksida yang mengandung unsur/senyawa lain yang biasanya disebut sebagai pengotoran, yaitu, - Hematid, Fe2O3 yang bercampur dengan sedikit belerang , phosphor, dll. - Limanit, 2 Fe2O3 3 H2O, dengan sejumlah phosphor dan pengotoran lainnya. - Magnetit, Fe2O4, dengan sejumlah belerang , silikat, seng, dll. - Siderit, FeCO3, 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 TinggiDapur 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. Gambar contoh dapur tinggi 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 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 oxygen BasaProses tanur oksigen basa menggunakan besi kasar (65-85%) yang dihasilkan oleh tanur tinggi sebagai bahan dasar utama dicampur dengan besi bekas dan batu kapur. Panas ditimbulkan oleh reaksi dengan oksigen. Gagasan ini dicetuskan oleh bassemer sekitar tahun 1800.

Pembuatan baja dengan tanur oksigen basa (BOF)Besi bekas sebanyak 30% dimasukkan kedalam bejana yang dilapisi batu tahan api basa. Logam panas dituangkan kedalam bejana tersebut. Suatu pipa aliran oksigen yang diinginkan dengan air dimasukkan kedalam bejana 1 sampai 3m diatas permukaan logam cair. Unsur-unsur karbon, mangan dan silicon akan teroksidasi. Batu kapur dan kalsium flour ditambahkan untuk mengikat kotoran-kotoran seperti fosfor dan belerang dan membentuk kerak. Jenis baja yang dihasilkan oleh proses ini adalah baja karbon dan baja paduan 0,1% < C < 2%

Pembuatan baja dengan open heath 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

Electrical Arc Furnace

Cordless Induction Furnace

Sifat dan penggunaan baja Sifar baja banyak di tentukan oleh kadar karbonnya, disamping unsur paduannya. Pengaruh kadar karbon terhadap struktur mikro dan sifat mekanik utama dari baja karbon dapat dilihat dapri gambar berikut.