Sejarah Baja: Dari Zaman Besi ke Tungku Busur Listrik
Pengembangan baja dapat ditelusuri kembali 4000 tahun ke awal Zaman Besi. Terbukti lebih keras dan lebih kuat dari perunggu, yang sebelumnya merupakan logam yang paling banyak digunakan, besi mulai menggantikan perunggu dalam persenjataan dan peralatan.
Namun, untuk beberapa ribu tahun berikutnya, kualitas besi yang dihasilkan akan sangat bergantung pada bijih yang tersedia serta metode produksi.
Pada abad ke-17, sifat-sifat besi telah dipahami dengan baik, tetapi meningkatnya urbanisasi di Eropa menuntut logam struktural yang lebih fleksibel. Dan pada abad ke-19, jumlah zat besi yang dikonsumsi dengan memperluas jalur kereta api memberi para ahli metalurgi insentif finansial untuk menemukan solusi bagi kerapuhan besi dan proses produksi yang tidak efisien.
Namun, tidak diragukan lagi, terobosan paling besar dalam sejarah baja terjadi pada 1856 ketika Henry Bessemer mengembangkan cara efektif untuk menggunakan oksigen untuk mengurangi kandungan karbon dalam besi: Industri baja modern lahir.
Era Besi
Pada suhu yang sangat tinggi, besi mulai menyerap karbon, yang menurunkan titik leleh logam, menghasilkan besi tuang (2,5 hingga 4,5% karbon). Pengembangan blast furnace, pertama kali digunakan oleh Cina pada abad ke-6 SM tetapi lebih banyak digunakan di Eropa selama Abad Pertengahan, meningkatkan produksi besi cor.
Pig iron adalah besi cair yang keluar dari tungku ledakan dan didinginkan dalam saluran utama dan cetakan yang bersebelahan. Ingot besar, pusat, dan yang berdampingan menyerupai babi yang menabur dan menyusu.
Besi cor kuat tetapi menderita kerapuhan karena kandungan karbonnya, membuatnya kurang ideal untuk bekerja dan membentuk. Ketika para ahli metalurgi menyadari bahwa kandungan karbon yang tinggi dalam besi adalah pusat masalah kerapuhan, mereka bereksperimen dengan metode baru untuk mengurangi kandungan karbon untuk membuat besi lebih bisa diterapkan.
Menjelang akhir abad ke-18, pembuat besi belajar bagaimana mengubah besi tuang menjadi besi tempa dengan kandungan karbon rendah menggunakan tungku puddling (dikembangkan oleh Henry Cort pada 1784). Tungku memanaskan besi cair, yang harus diaduk oleh puddling menggunakan alat panjang, berbentuk dayung, memungkinkan oksigen untuk bergabung dengan dan perlahan-lahan menghilangkan karbon.
Saat kadar karbon menurun, titik lebur besi meningkat, sehingga massa besi akan menggumpal dalam tungku. Massa ini akan dihilangkan dan dikerjakan dengan palu tempa oleh puddler sebelum digulung menjadi lembaran atau rel. Pada 1860, ada lebih dari 3000 tungku puddling di Inggris, tetapi prosesnya tetap terhambat oleh tenaga dan intensitas bahan bakarnya.
Salah satu bentuk baja paling awal, baja blister, mulai berproduksi 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, batangan besi tempa dilapisi dengan bubuk arang dalam kotak batu dan dipanaskan.
Setelah sekitar satu minggu, setrika 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 digunakan daripada besi kasar, memungkinkannya untuk ditekan atau digulung.
Produksi baja blister meningkat pada 1740-an ketika pembuat jam tangan Inggris Benjamin Huntsman ketika mencoba mengembangkan baja berkualitas tinggi untuk pegas jamnya, menemukan bahwa logam dapat dilebur dalam cawan lebur tanah dan disempurnakan dengan fluks khusus untuk menghilangkan terak yang ditinggalkan oleh proses penyemenan . Hasilnya adalah sebuah wadah, atau cast, baja. Tetapi karena biaya produksi, baik blister dan baja tuang hanya pernah digunakan dalam aplikasi khusus.
Akibatnya, besi cor yang dibuat di tungku puddling tetap menjadi logam struktural utama di negara industri Inggris selama sebagian besar abad ke-19.
Proses Bessemer dan Pembuatan Baja Modern
Pertumbuhan jalur kereta api selama abad ke-19 di Eropa dan Amerika memberikan tekanan besar pada industri besi, yang masih berjuang dengan proses produksi yang tidak efisien. Baja masih belum terbukti karena logam struktural dan produksi produknya lambat dan mahal. Itu terjadi sampai 1856 ketika Henry Bessemer menemukan cara yang lebih efektif untuk memasukkan oksigen ke dalam besi cair untuk mengurangi kandungan karbon.
Sekarang dikenal sebagai Proses Bessemer, Bessemer merancang wadah berbentuk buah pir, disebut sebagai 'konverter' di mana zat besi dapat dipanaskan sementara oksigen dapat ditiup 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.Akan tetapi, terlalu banyak karbon dihilangkan, dan terlalu banyak oksigen yang tersisa dalam produk akhir. Bessemer akhirnya harus membayar kembali 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 mengakuisisi dan mulai menguji senyawa besi, karbon, dan mangan , yang dikenal sebagai spiegeleisen. Mangan dikenal untuk menghilangkan oksigen dari besi cair dan kandungan karbon dalam spiegeleisen, jika ditambahkan dalam jumlah yang tepat, akan memberikan solusi untuk masalah Bessemer. Bessemer mulai menambahkannya ke proses pertobatannya dengan sukses besar.
Masih ada satu masalah. Bessemer gagal menemukan cara untuk menghilangkan fosfor, pengotor berbahaya yang membuat baja rapuh, dari produk akhirnya. Akibatnya, hanya bijih bebas-fosfor dari Swedia dan Wales yang dapat digunakan.
Pada tahun 1876, orang Wales, Sidney Gilchrist Thomas, menemukan solusi dengan menambahkan fluks kimiawi dasar, batu kapur, ke proses Bessemer. Batu kapur itu menarik fosfor dari besi babi ke dalam terak, yang memungkinkan unsur yang tidak diinginkan dihilangkan.
Inovasi ini berarti, 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, yang memulai pertumbuhan industri baja dunia.
The Open Hearth Process (perapian Terbuka)
Pada tahun 1860-an, insinyur Jerman Karl Wilhelm Siemens semakin meningkatkan produksi baja melalui penciptaan proses perapian terbuka. Proses perapian terbuka menghasilkan baja dari besi kasar di tungku dangkal yang besar.
Prosesnya, menggunakan suhu tinggi untuk membakar karbon berlebih dan kotoran lainnya, mengandalkan ruang batu bata yang dipanaskan di bawah perapian. Tungku regeneratif kemudian menggunakan gas buang dari tungku untuk mempertahankan suhu tinggi di ruang bata di bawah ini.
Metode ini memungkinkan untuk produksi dalam 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 tua sebagai bahan baku . Meskipun prosesnya sendiri jauh lebih lambat, pada tahun 1900, proses perapian terbuka terutama menggantikan proses Bessemer.
Kelahiran Industri Baja
Revolusi dalam produksi baja yang menyediakan bahan yang lebih murah dan berkualitas lebih tinggi, diakui oleh banyak pengusaha saat itu sebagai peluang investasi. Kapitalis pada akhir abad ke-19, termasuk Andrew Carnegie dan Charles Schwab, berinvestasi dan menghasilkan jutaan (milyaran dalam kasus Carnegie) di industri baja. Perusahaan Baja AS Carnegie, didirikan pada tahun 1901, adalah perusahaan pertama yang diluncurkan bernilai lebih dari satu miliar dolar.
Pembuatan Tungku Busur Listrik
Tepat setelah pergantian abad, perkembangan lain terjadi yang akan memiliki pengaruh kuat pada evolusi produksi baja. Tungku busur listrik Paul Heroult (EAF) dirancang untuk melewatkan arus listrik melalui bahan yang diisi, menghasilkan oksidasi eksotermik dan suhu hingga 3272 ° F (1800 ° C), lebih dari cukup untuk memanaskan produksi baja.
Awalnya digunakan untuk baja khusus, EAF mulai digunakan dan, pada Perang Dunia II, digunakan untuk pembuatan paduan baja. Biaya investasi rendah yang terlibat dalam mendirikan pabrik EAF memungkinkan mereka untuk bersaing dengan produsen utama AS seperti US Steel Corp dan Bethlehem Steel, terutama dalam baja karbon, atau produk lama.
Karena EAF dapat menghasilkan baja dari potongan 100%, atau ferro dingin, pakan, lebih sedikit energi per unit produksi diperlukan. Berbeda dengan perapian oksigen dasar, operasi juga dapat dihentikan dan dimulai dengan sedikit biaya terkait. Karena alasan ini, produksi melalui EAF 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 1960-an memungkinkan untuk kemajuan besar dalam pengembangan tungku oksigen dasar.
Tungku oksigen dasar meniup oksigen ke dalam jumlah besar dari besi cair dan baja tua dan dapat menyelesaikan muatan jauh lebih cepat daripada metode perapian terbuka. Kapal besar yang menyimpan hingga 350 metrik ton besi dapat menyelesaikan konversi menjadi baja dalam waktu kurang dari satu jam.
Efisiensi biaya pembuatan baja oksigen membuat pabrik perapian terbuka tidak kompetitif dan, setelah munculnya pembuat baja oksigen di tahun 1960-an, operasi perapian terbuka mulai ditutup. Fasilitas perapian terbuka terakhir di AS ditutup pada 1992 dan Cina pada 2001.