Baja Paduan Rendah

BAB I

Klasifikasi Baja Paduan Rendah

Baja paduan rendah adalah salah satu klasifikasi dari baja paduan (alloy steel) yaitu : low alloy steel,medium alloy steel,dan high alloy steel. Klasifikasi ini dibedakan menurut unsur paduannya. Baja paduan rendah (low alloy steel) tergolong jenis baja karbon yang memiliki tambahan unsur paduan seperti Nikel, Chromium dan Molybdenum. Total unsur paduannya mencapai 2,07%-2,5%. Baja paduan rendah memiliki baja yang sedikit mengandung unsur  paduan dibawah 10% dibandingkan  dengan baja paduan tinggi mengandung unsur paduan diatas 10% .

Baja  paduan rendah (low alloy steel) dapat dikelompokkan menjadi :

2.1   Baja paduan rendah kekuatan tinggi

Baja ini mempunyai sifat mekanis dan ketahanan korosi yang lebih baik bila dibandingkan dengan baja paduan rendah biasa. Baja ini dibuat melalui pengerasan baik dalam keadaan diannealing atau normalizing. Baja ini kadar karbonnya rendah sehingga relatif lunak dan liat, sehingga mudah dalam pembentukan dan pengelasan. Unsur-unsur seperti Si,Mn,Ni,Cr,Mo, ditambahkan dalam baja ini. Sebagai unsur-unsur paduan ( alloying element) dengan jumlah total tidak lebih dari 5% . Unsur-unsur ini membentuk solid solution dengan ferrite sehingga menambah kekuatan baja.

2.2    Baja paduan rendah biasa

Biasanya baja ini mengandung paling sedikit 0,3% C, yang berarti mudah untuk dikeraskan karena adanya unsur-unsur Ni,Cr,Mn,Mo, berarti baja ini mempunyai sifat hardenability yang baik bila mana baja ini diannealing dan distempering sampai kekuatan tertentu atau bilamana seluruh stuktur martensite, maka baja ini mempunyai gejala yang menunjukkan sifat mekanis yang sama dengan baka karbon biasa yang mengandung unsur C yang sama. Dalam ukuran-ukuran baja yang besar, baja karbon tidak dapat dikeraskan secara sempurna, sehingga unsur-unsur paduan diperlukan untuk sifat –sifat pengerasan yang lebih baik, maka untuk baja dengan ukuran-ukuran besar.. Alloy steel  cocok untuk memperolah kekuatan maksimum dengan proses heat treatment.

Baja paduan rendah ( low alloy steel) dapat diklasifikasikan lagi, yaitu:

1.        Menurut komposi kimia, seperti Nikel stel, Nikel Chromanium steels,molybdenum steels,               20

2.        Menurut proses perlakuan panas, seperti quenched and tempered (QT) Normalized and tempered (NT) annealed (A) dan sebagainya.

Ciri-ciri umum  baja paduan rendah yaitu :

1.        Jumlah unsur paduan < 10%

2.        Memiliki kadar karbon sama seperti baja karbon, tetapi ada sedikit unsur paduan dengan penambahan unsur paduan, kekuatan dapat dinaikkan tanpa mengurangi keuletannya, kekuatan fisik, dan daya tahan terhadap korosi, aus, dan panas lebih baik

3.        Baja paduan rendah dapat didinginkan dan disepuh supaya dapat mencapai kekuatan leleh sebesar 80 – 110 ksi (550 – 760 MPa). Kekuatan leleh biasanya didefinisikan sebagai tegangan pada regangan offset 0,2%, karena baja ini tidak menunjukan titik leleh yang jelas. Dengan prosedur yang tepat baja ini dapat dilas, dan biasanya tidak membutuhkan tambahan perlakuan panas setelah pengelasan dilakukan. Untuk beberapa keperluan khusus, kadangkala dibutuhkan pengendoran tegangan. 

Beberapa baja karbon, seperti baja tekanan fluida tertentu, dapat didinginkan dan disepuh supaya dapat memberikan kekuatan leleh sekitar 80 ksi (550 MPa), namun kebanyakan baja dengan kekuatan sedemikian merupakan baja paduan rendah. Baja paduan rendah ini pada umumnya memiliki karbon sekitar 0,2% supaya dapat membatasi kekerasan mikrostruktur butiran kasar (martensit) yang mungkin terbentuk selama perlakuan panas atau pengelasan, sehingga dapat mengurangi bahaya retakan. 

Perlakuan panas terdiri dari pendinginan (pendinginan secara cepat dengan air atau minyak paling tidak 16500 ^oF (9000^oC) sampai sekitar (300 – 4000)^oF; kemudian penyepuhan dengan pemanasan kembali sampai paling tidak sekitar 11500F (6200^oC) dan kemudian dibiarkan mendingin. Penyepuhan, meskipun mengurangi sedikit kekuatan dan kekerasan dari bahan yang telah didinginkan, namun dapat meningkatkan kekenyalan dan keuletan. Pengurangan dalam kekuatan dan kekerasan dengan peningkatan temperatur sedikit dilawan oleh munculnya pengerasan sekunder yang terjadi akibat penyerapan kolubium, titanium atau vanadium karbida. 

Penyerapan ini dimulai pada temperatur sekitar 9500^oF (5100^oC) dan menjadi makin cepat sampai sekitar 12500^oF (6800^oC). Penyepuhan pada atau sekitar 12500^oF untuk

mendapatkan penyerapan maksimum dari karbida mungkin akan mengakibatkan masuknya elemen tersebut ke dalam zona transformasi dan hasilnya mikrostruktur menjadi lebih lemah yang mungkin dapat diperoleh tanpa pendinginan dan penyepuhan. Secara ringkas, pendinginan menghasilkan martensit, suatu mikrostruktur getas yang sangat keras dan kuat; pemanasan kembali akan sedikit mengurangi kekuatan dan kekerasan, namun akan meningkatkan keuletan dan kekenyalan.

Baja dikatakan dipadu jika kompesisi unsur-unsur paduannya secara khusus, bukan Baja karbon biasa yang terdiri dari unsur silisium dan mangan. Baja paduan semakin banyak digunakan.Unsur yang paling banyak digunakan untuk baja paduan, yaitu: Cr,Mn, Si, Ni, W, Mo, Ti, Al, Cu, Nb dan Zr. Baja paduan dapat diklasifikasikan sesuai dengan komposisi struktur dan penggunaannya.

 BAB II

Komposisi dan Bentuk Stuktur Kristal Baja Paduan Rendah

2.1    Komposisi Baja Paduan Rendah

Berdasarkan komposisi baja paduan rendah dibagi menjadi :

1.        Baja tiga komponen : terdiri dari satu unsur pendukung dalam penambahan Fe dan C

2.        Baja empat komponen : terdiri dari dua unsur paduan dst.

Sebagai contoh baja paduan rendah yaitu bila jumlah unsur tambahan selain karbon lebih kecil dari 8% (menurut Degarmo. Sumber lain, misalnya Smith dan Hashemi menyebutkan 4%), misalnya : suatu baja padua rendah  terdiri atas 1,35%C; 0,35%Si; 0,5%Mn; 0,03%P; 0,03%S; 0,75%Cr; 4,5%W [Dalam hal ini 6,06%<8%]>)

Baja paduan istimewa lainnya terdiri 35-44% Ni dan 0,35% C,memiliki koefisien muai yang rendah yaitu :

1.             Invar : memiliki koefisien muai sama dengan nol pada suhu 0 – 100 °C. Digriakan untuk alat ukur presisi.

2.             Platinite : memiliki koefisien muai seperti glass, sebagai pengganti platina.

3.             Elinvar : memiliki modulus elastisitet tak barubah pada suhu 50°C sampai 100°C. Digunakan untuk pegas arloji dan berbagai alat ukur fisika.

2.2              Bentuk Stuktur Kristal Baja Paduan Rendah

2.3.Stuktur baja paduan diklasifikasikan berdasarkan :

                                 Stuktur Kristal Baja Paduan

2.3.1    Baja Ferit

Baja ferit mempunyai stuktur sel BCC (Bodi Centered Cubic) atau kubik pusat ruang,kpr. Pada BCC semua sumbu memiliki panjang yang sana dengan sudut antar sumbu90^o(derajat). Stuktur BCC mempunyai atom pada tiap titik sudut kubus dan satu atom pada pusat kubus. Setiap atom besi dalam stuktur kubik pusat ruang ini dikelilingi oleh delapan atom tetangga, baik atom pada sudut maupun pada pusat sel satuan. Sel satuan logam kpr memiliki dua atom. Satu atom di pusat kubus dan delapan kali seperdelapan atom pada delapan titik sudutnya.

Bentuk sel satuan BCC

2.3.2        Baja Martensite

Martensit memiliki stuktur BCT (Body Centered Tetragonal). Sel satuan ini memiliki satu atom pada pusat kubus dan seperdelapan atom pada delapan titik sudutnya. Sel satuan ini memiliki dua sumbu yang sama panjang dan satu sumbu berbeda. Sudut antara sumbu pada stuktur BCT adalah 90^oC.

2.3.3        Baja Austenit

Austenit mempunyai stuktur sel FCC ( Fase Centered Cubic) atau kubij pusat sisi, kps. Pada FCC, semua sumbu memiliki panjang yang sama dengan sudut antara sumbu 90⁰ (derajat). Sel kps tidak memilki atom yang terletak pada pusat kubus. Sel  satuan ini memiliki atom yang terletak pada pusat bidang /sisi dan atom pada titik sudut kubusnya. kedelapan atom pada titik sudut menghasilkan satu atom, dan keenam bidang sisi menghasilkan 3 atom per sel satuan. Dengan demikian sel satuan FCC memiliki 4 atom.

Bentuk sel satuan FCC

Sifat-sifat yang penting pada austenit :

1. Ketangguhan baik sekali

2. Ketahana korosi yang paling baik dari SS yang lain

3. Bentuk kristal pada suhu ruangan dan temperature tinggi adalah FCC

4. Non hardened heattretment

5. Mudah dibentuk

6. Dapat menahan timbulnya scc dan linier granulun corrosion

7. Paling banyak dipakai dalam industri

8. Non magnetit

9. Stabil antara temperatur (911 – 1392) ^oC

10. Maximum solubility 2,14 % wt C.

11. Elevated temperatur.

2.4.  Stuktur micro pada perlakuan panas pada baja

perlakuan panas pada baja

Dengan mengendalikan reaksi eutectoid, dapat diperoleh 3 konstituen micro penting yaitu : pearlit, bainite, dan martensit yang bentuk stukturnya adalah sebagai berikut :

2.4.1   Pearlit

Perlit adalah suatu campuran lamellar dari ferrite dan cementite. Kontituen ini terbentuk dari dekomposisi austenite melalui reaksi eutectoid pada keadaan setimbang, dimana lapisan ferrite dan cementite terbentuk secara bergantian untuk menjaga keadaan kesetimbangan komposisi eutectoid. Pearlite memillki struktur yang lebih keras dari pada ferrite, yang terutama disebabkan oleh adanya fase cementite atau carbide dalam bentuk lamel-lamel yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Microstruktur pearlit pada baja

Gambar diatas menunjukkan struktur mikro pearlite dalam perbesaran lebih tinggi. Daerah yang lebih terang pada gambar adalah ferrite sedangkan daerah yang lebih gelap pada gambar adalah carbide atau cementite.

Baja Eutektoid didinginkan pada temperatur Austenite (850⁰C – 750⁰C) setelah sampai

pada temperatur 650⁰C, perlit  akan mulai dibentuk pada 1 detik dan sempurna pada 210 detik. Formasi pearlit ditandai dengan pertumbuhan batas butir austenite akibat difusi permukaan dari batas butir, dimana pearlit sebagai Junction (ranting) akibat difusi ferrite dan sementite. Pertumbuhan batas butir semakin banyak tergantung sistem pendinginan dan kandungan karbon yang dimiliki. Hal ini penting, karena campuran ferit dan karbida dapat pula dibentuk dengan reaksi yang lain. Mikrostuktur hasil prosedur yang lain, tidak berbentuk lamel (lihat gambar dibawah). Oleh sebab itu, sifat hasil modifikasi ini berbeda.

Terbentuknya pearlit

Pertumbuhan ferit dan karbida secara simultan biasanya mulai terjadi pada batas butir austenit. Lamel kedua fase tersebut tumbuh ke arah dalam. Ketika terjadi pertumbuhan, karbon bersegrasi, jika laju pendingin lambat maka atom karbon dapat berdifusi lebih jauh dan terbentuk pearlit kasar (lapisan lebih tebal). Jika laju pendingin dipercepat maka jarak difusi lebih pendek. Hasilnya adalah pearlit halus, jumlah lamel lebih banyak dan lebih tipis.

Pertumbuhan pearlit pada batas butir akibat difusi

Karena pearlit berasal dari austenit dengan komposisi eutektoid, jumlah pearlit harus sama dengan  austenit eutectoid yang terurai. Baja pearlit didapat, jika unsur- unsur paduan relatif kecil (maksimum 5%). Baja ini mampu mesin, sifat mekaniknya meningkat oleh heattreatment (hardening dan tempering).

2.4.2        Bainite

Bainite adalah suatu campuran non-lamellar dari ferrite dan cementite yang terbentuk pada dekomposisi Austenite melalui reaksi eutectoid. Berbeda dengan pearlite yang terbentuk pada laju transformasi pendinginan sedang strukturnya adalah acicular, terdiri atas ferrite lewat jenuh dengan partikel-partikel carbide terdispersi secara diskontinu. Dispersi dari bainite tergantung pada temperatur pembentukannya.  

Gambar Bainite

2.4.3        Martensit

Martensit merupakan baja cr dengan atau tanpa paduan lain. Martensit terbentuk pada suhu diatas suhu ruang, tetapi dibawah suhu eutekeoid dimana struktur fcc austensit menjadi tidak stabil. Austenit secara spontan berubah menjadi struktur pemusatan ruang dengan cara khusus tidak melibatkan difusi, tetapi diakibatkan oleh suatu gerak geser. Semua atom bergeser serempak, dan tidak ada atom individu yang bergeser lebih dari nanometer dari tetanggga semulanya. Karena tanpa difusi, perubahan berlangsung cepat. Semua atom karbon yang ada tetap dalam larutan padat. Dengan lebih dari 15% karbon, struktur pemusatan ruang yang terjadi tidak berbentuk kubus tetapi tetragonal (bct).

Karena martensit yang terdapat dalam baja umumnya mempunyai struktur non-kubik dan arena karbon terperangkap dalam kisi,tidak mudah terjadi slip. Oleh  itu,martensit keras, kuat, dan rapuh. Gambar dibawah ini memperlihatkan perbandingan kekerasan martensit dengan baja yang mengandung pearlit, sebagai fungsi dari kadar karbon.

kekerasan martensit (karbon 0,8%)

Peningkatan kekerasan ini penting direkayasa , karena mampu menghasilkan baja yang sangat tahan terhadap abrasi dan deformasi. Namun, martensit terlalu rapuh untuk digunakan untuk hampir semua jenis aplikasi. Oleh karena itu, perlu ditemper dengan pemanasan.

A.      Martensit Temper

Hadirnya martensit sebagai fase metastabil yang mengandung karbon dalam larutan padat dalam stuktur BCT tidak mengubah bentuk diagram fasa besi-karbida. Pada suhu dibawah suhu eutektoid setelah waktu tertentu, larutan lewat jenuh karbon besi, terus berubah sehingga membentuk ferit dan karbida yang lebih stabil. proses pemanasan ini secara komersial dikenal sebagai temper

                                        M                                               α  + karbida

                                           (martensit)                       (martensit temper)

Microstruktur (α + C) yang dihasilkan tidak berbentuk lamel,tetapi mengandung partikel karbida terdispersi. Martensit temper ini jauh lebih tangguh dibandingkan dengan martensit, sehingga menjadi produk yang lebih sesuai untuk berbagai aplikasi,meski kekerasannya berkurang.

Microstuktur martensit temper bertambah kasar dengan bertambahnya waktu temper dan naiknya suhu. Kecenderungan ini diakibatkan pertumbuhan (koalesensi) karbida menjadi partikel yang lebih besar (namun lebih sedikit). Stuktur Kristal martensit temper tidak sama dengan stuktur martensit. Microstuktur dua fasa ini mengandung ferit dan karbida, microstuktur ini terjadi akibat dekomposisi martensit dan lebih keras dengan daerah batas antarfasa yang lebih luas.

BAB III

Contoh Penggunaan Baja Paduan Rendah

Berdasarkan penggunaan dan sifat-sifanya, baja paduan diklasifikasikan menjadi :

2.3          Baja konstruksi (structural steel),

Baja Konstruksi, dibedakan lagi mejadi; tiga golongan tergantung persentase unsur pa  duanya, yaitu :

1.        Baja paduan rendah (maximum 2 %),

2.        Baja paduan menengah (2- 5 %),

3.        Baja paduan tinggi (lebih dari 5 %)

2.4      Baja perkakas (tool steel).

Baja perkakas(Tool Steel) adalah Baja dengan sifat fisik khusus serta baja dengan kandungan Carbon antara 0.3 – 1.6% dan mengandung unsur-unsur paduan lainnya (Cr, V, W, Mo, dll). Unsur-unsur paduan tersebut membuat baja tersebut mempunyai sifat mekanik (kekerasan, ketahanan abrasi, kemampuan potong, kekerasan pada temperatur tinggi) yang sangat baik sehingga baja tersebut dapat digunakan sebagai tool (perkakas), misalkan sebagai mould, dies atau pisau. Umumnya tool Steel digunakan setelah di “heat treatment” (perlakuan panas), hal ini untuk mendapatkan sifat mekanik yang benar-benar sesuai dengan kebutuhan.

Sesudah di heat treatment baja jenis ini, sifat-sifat mekanikya lebih baik dari pada baja karbon biasa. Baja Perkakas, dipakai untuk alat-alat potong, komposisinya tergantung bahan dan tebal benda yang dipotong/disayat,kecepatan potong, suhu kerja. Tool steel diproduksi dalam berbagai type atau grade. Pemilihannya tergantung pada jenis pembebanannya (impact, abrasi) atau pada pekerjaannya : stamping, cutting, extrusi, forging, dll.

Baja perkakas paduan rendah, kekerasannya tak berubah hingga pada suhu 250 °C . Baja perkakas paduan tinggi, kekerasannya tak berubah hingga pada suhu 600°C. Biasanya komposisinya terdiri dari 0,8% C, 18% W, 4% Cr, dan 1% V. Ada lagi terdiri 0,9% C, 9 W, 4% Cr dan 2-2,5% V.

Baja paduan istimewa lainnya terdiri 35-44% Ni dan 0,35% C,memiliki koefisien muai yang rendah yaitu :

1.        Invar : memiliki koefisien muai sama dengan nol pada suhu 0 – 100 °C. Digriakan untuk              alat ukur presisi.

2.        Platinite : memiliki koefisien muai seperti glass, sebagai pengganti platina.3.

3.        Elinvar : memiliki modulus elastisitet tak barubah pada suhu 50°C sampai 100°C. Digunakan untuk pegas arloji dan berbagai alat ukur fisika.

Paduan patong

Paduan potong digunakan untuk alat-alat potong yang beroperasi sampai suhu (1000-1100)°C. tidak dapat dimesin secara biasa. Diproduksi dangan dua cara : 

1.        casting cutting alloys atau stellites, terdiri dari sejumlah besar cobalt dan wolfram, memiliki kekerasan (HRc= 60-65) dan mencair pada suhu tinggi. Batang-batang tuangan paduan ini dengan ketebalan 5-10mm digunakan untuk memperkeras permukaan dengan disambung pada ujung alat-alat potong untuk meningkatkan umur (lama pemakaian).

2.        cemented carbides, dibuat dari campuran powder (serbuk) wolfram dan titanium carbide dan cobalt yang disatukan secara proses powsere metallurgy.Kekerasannya mencapai lebih dari 85 HRc, dan tetap keras hingga suhu 1000°C.

BAB IV

Proses/Cara Pembuatan Baja Paduan Rendah

Proses pembuatan baja karbon dimulai dengan proses ekstraksi bijih besi. Proses reduksi umumnya terjadi di dalam tanur tiup (blast furnace) di mana di dalamnya bijih besi (iron ore) dan batu gamping (limestone) yang telah mengalami pemanggangan (sintering) diproses bersama-sama dengan kokas (cokes) yang berasal dari batubara. Serangkaian reaksi terjadi di dalam tanur pada waktu dan lokasi yang berbeda-beda, tetapi reaksi penting yang mereduksi bijih besi menjadi logam besi adalah sebagai berikut: Fe2O3 + 3CO à 2Fe + 3CO₂

 Bagan Proses Pembuatan Baja

Gambar  Proses Peleburan Besi/Baja

Luaran utama dari proses ini adalah lelehan besi mentah (molten pig iron) dengan kandungan karbon yang cukup tinggi (4% C) beserta pengotor-pengotor lain seperti silkon, mangan, sulfur, dan fosfor . Besi mentah ini belum dapat dimanfaatkan secara langsung untuk aplikasi rekayasa karena sifat-sifat (mekanis)-nya belum sesuai dengan yang dibutuhkan karena pengotor-pengotor tersebut. Besi mentah berupa lelehan atau coran selanjutnya dikirim menuju converter yang akan mengkonversinya menjadi baja.

Proses pembuatan baja karbon umumnya berlangsung di tungku oksigen-basa (basic-oxygen furnace). Di dalam tungku ini besi mentah cair dicampur dengan 30% besi tua (scrap) yang terlebih dahulu dimasukkan ke dalam tanur. Selanjutnya, oksigen murni ditiupkan dari bagian atas ke dalam leburan, bereaksi dengan Fe membentuk oksida besi FeO. Beberapa saat sebelum reaksi dengan oksigen mulai berlangsung, fluks pembentuk slag dimasukkan dalam jumlah tertentu.

Oksida besi atau FeO selanjutnya akan bereaksi dengan karbon di dalam besi mentah sehingga diperoleh Fe dengan kadar karbon lebih rendah dan gas karbon monoksida. Reaksi penting yang terjadi di dalam tungku adalah sebagai berikut: FeO + C à Fe + CO

Selama proses berlangsung (sekitar 22 menit), terjadi penurunan kadar karbon dan unsur-unsur pengotor lain seperti P, S, Mn, dalam jumlah yang signifikan.

Contoh Baja Karbon Paduan Rendah

Ada beberapa proses pembuatan baja karbon antara lain :

4.1          Proses Konvertor

Converter ialah sebuah tabung baja dengan dinding berlapis dan tahan terhadap

temperatur tinggi serta ditempatkan pada sebuah dudukan yang dibentuk sedemikian rupa agar posisinya dapat diubah secara vertikal mapun secara horizontal dengan posisi mulut berada disamping atau diatas bahkan dibawah. Posisiposisi ini diperlukan untuk pengisian,penghembusan karbon dioksida dan penuangan hasil pemurnian

Proses pemurnian ini dilakukan dengan terlebih dahulu mencairkan besi mentah ke dalam converter yang berada pada posisi horizontal kemudian converter diubah posisinya pada posisi vertikal dan pada posisi ini udara bertekanan 140 KN/m2 dihembuskan melalui dasar converter kedalam besi mentah cair, dengan demikian maka unsur karbon akan bersenyawa dengan oksigen menjadi karbon dioxida (CO2) dan mengikat unsur-unsur lainnya.

Dengan tekanan udara sedemikian itu unsur-unsur tersebut akan terbawa keluar dari converter, proses ini dilakukan dalam waktu 20 menit,dari proses ini besi mentah memiliki unsur-unsur paduan tidak lebih dari 0,05 % dan 0,006 % diantaranya adalah unsur karbon dan dianggap sebagai besi murni atau Ferrite (Fe), selanjutnya ditambahkan unsure karbon ke dalam converter ini dengan jumlah tertentu sesuai dengan jenis baja yang dikehendaki hingga 2,06%, coverter ini berkapasitas antara 25 ton sampai 60 ton.

Pada dasarnya berbagai metoda dalam proses pembuatan baja ini ialah proses pemurnian unsur besi dari berbagai unsur yang merugikan sebagaimana telah dikemukakan terdahulu, oleh karena itu dalam proses pembuatan baja dengan menggunakan sistem converter ini ialah salah satu proses pemurnian atau pemisahan besi dengan menggunakan bejana sebagai alat pemanasan (peleburan) besi kasar tersebut. Lihat gambar dibawah yang merupakan bagian dari bentuk pemurnian besi kasar dengan dapur basa dari sistem converter.

Terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap kesamping. Sistem kerjanya yaitu :

1.             Dipanaskan dengan kokas sampai ± 1500 ⁰C,

2.             Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja. (± 1/8 dari volume konvertor)

3.             Kembali ditegakkan.

4.             Udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dihembuskan dari kompresor.

5.             Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk mengelaurkan hasilnya.

Proses konvertor terdiri dari:

• Proses Bassemer (asam)

Lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO₂), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO_2.                   SiO₂  +  CaO                 CaSiO

• Proses Thomas (basa)

Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)], besi yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 – 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O₅), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO),

                                 CaO + P₂O₅                           Ca₃(PO₄)₂ (terak cair)

4.2    Proses Siemens Martin

Menggunakan sistem regenerator (± 3000 ⁰C.). Fungsi dari regenerator adalah:

a.       Memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur

2. Sebagai Fundamen/ landasan dapur
3. Menghemat pemakaian tempat
4. Bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih,
5. Besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO₂),
6. Besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO₃ + 60 % CaCO₃)

Pada proses Open-Hearth digunakan campuran besi mentah (pig iron) padat atau cair dengan baja bekas (steel scrap) sebagai bahan isian (charge). Pada proses ini temperatur yang dihasilkan oleh nyala api dapat mencapai 1800oC. Bahan bakar (fuel) dan udara sebelum

dimasukkan ke dalam dapur terlebih dahulu dipanaskan dalam “Cheekerwork” dari renegarator.
Proses pembuatan baja dengan cara Open-Hearth ini meliputi 3 periode yaitu :
a. Periode memasukkan dan mencairkan bahan isian.

b. Periode mendidihkan cairan logam isian.

c. Periode membersihkan/memurnikan (refining) dan deoksidasi

d.Bahan bakar yang dipakai adalah: campuran blast furnace gas dan cokes oven gas.
          Bahan isian : besi mentah dan baja bekas beserta bahan tambah ditaruh dalam heart lewat puntu pengisian.

Gambar Dapur Siemens Martin

         Proses pembuatan baja dengan cara Open-Hearth furnace ini dapat dalam keadaan basa atau asam (basic or acid open-hearth). Pada basic open-hearth furnace, dinding bagaian dalam dapur dilapisi dengan magnesite brick. Bagian bawah untuk tempat logam cair dan terak dari bahan magnesite brick atau dolomite harus diganti setiap kali peleburan selesai. Terak basa yang dihasilkan + 40 - 50 % CaO. Pada acid open-hearth furnace, dinding bagian dalam dapur dilapisi dengan dinas-brick. Bagian bawah dinding dapur harus diganti setiap kali peleburan selesai. Terak yang dihasilkan mengandung silica yang cukup tinggi yaitu 50 - 55 % SiO2. Pada proses basic ataupun acid dapat menggunakan bahan isian padat ataupun cair.

Proses yang menggunakan isian padat biasa disebut “Scarp and pig process” yaitu proses yang isian padatnya terdiri dari besi mentah (pig iron), baja bekas (Scrap steel) dan sedikit bijih besi (iron ore). Proses yang mengggunakan besi mentah cair terdiri dari besi mentah cari + 60 % dan baja bekas kira-kira 40 % dan sedikit bijih besi dan bahan tambah. Cara ini biasa dikerjakan pada perusahaan dapur tinggi (blast furnace) dimana besi mentah cair dari dapur tinggi tersebut langsung diproses pada open-hearth furnace.

1. Proses Basic Open-Hearth

Pada proses basic open-hearth ini, mula-mula ke dalam dapur dimasukkan baja bekas (scarap steel) yang ringan kemudian baja bekas yang berat. Setelah itu ditambahkan bahan tambah (batu kapaur) dan bijih besi yang diperlukan untuk membentuk terak pertama. 
Pada akhir proses peleburan, sebagian Phospor (P) yang terdapat dalam besi mentah akan berubah menjadi terak. Untuk menjaga agar terak tidak masuk/berekasi kembali dengan logam cair, maka kira-kira 40% - 50% terak tersebut lekas dikeluarkan dan juga perlu ditambahkan batu kapur untuk membentuk terak yang baru. Sebagian Sulfur (S) dapat dikeluarkan dari logam dengan reaksi :Reaksi ini diikuti dengan kenaikan temperatur yang tinggi dan terak CaS yang terjadi berupa terak basa.

Macam-macam baja paduan dapat dihasilkan dalam open-hearth furncae, yaitu dengan menambahkan bahan paduan yang dikehendaki seperti : tembaga, chrome, nikel dan sebagainya. Untuk deoxidasi terakhir, biasanya dengan menambahkan Alumunium ke dalam kowi tempat menampung/mengetap baja cair yang dihasilkan agar kadar silicon dapat dibatasi. Pertama-tama baja bekas dan batu kapur dimasukkan ke dalam dapur. Kemudian dipanaskan sampai temperatur yang cukup, lalu bahan isian cair dimasukkan lewat pintu pemasukan. Reaksi kimia terjadi serupa dengan di atas.

2. Proses Acid Open-Hearth

Proses acid open-hearth membutuhkan bahan isian berkualitas lebih baik dengan kadar Phospor P < 0,03% dan kadar Sulphur S < 0,03%. Proses ini biasanya memakai bahan isian padat dengan 30 - 50 % berat baja bekas. Kandungan Silicon dipertahankan < 0,6%, kandungan Silicon ini perlu dipertahankan dalam kadar yang rendah sebab pada akhir periode pemanasan, kandungan Silicon akan naik.

Pada proses ini, biji besi tidak boleh ditambahkan pada bahan isian, dimana hal itu dapat menimbulkan reaksi dengan Silica pada bagian tungku berupa 2FeO.SiO2. Setelah pengisian dan pemanasan, besi, Silicon dan Mn dioksidasi dan bersatu dengan bahan tambah dan membentuk terak pertama (+ 40% SiO2).

3. Efisiensi Ekonomis Operasi Open-Hearth Furnace

Faktor-faktor ekonomis yang utama pada operasi Open-hearth furnace adalah :
Pemakaian bahan bakar setiap ton berat baja yang dihasilkan. Produksi baja dalam ton berat, setiap m2 luas tungku dalam tiap 24 jam. Pemakaian bahan bakar setiap berat baja cair tergantung pada banyak faktor, antara lain :

a. Komposisi bahan isian (charge)

b. Thermal capacity dari dapur.

Pada prakteknya diperlukan panas 700 - 1400 Kcal untuk setiap kg baja. Untuk keperluan ini biasa digunakan bahan bakar + 10 -25 % dari berat baja yang dihasilkan. Untuk bahan isian cair akan memerlukan bahan bakar yang sedikit dibandingkan dengan bila bahan isian padat. Produksi baja dalam ton tiap m2 luasan tungku dihitung berdasarkan produksi out put dapur dalam ton berat dibagi luasan tungku Q/m2.

Cara untuk menaikkan efisiensi ekonomis adalah dengan cara menggunakan udara yang banyak mengandung Oksigen untuk membakar bahan bakar. Dengan cara ini, temperatur nyala api (flame) dapat naik sehingga radiasi dari nyala api dapat bertambah dan pembakaran dapat lebih sempurna.

Dengan penambah Oksigen ini akan dapat pula mengurangi kadar Carbon ( C ) dalam baja. Dengan cara ini produksi dapat naik + 25 - 30 %. Dengan memakai “Auotmatic control”, akan menaikan efisiensi bb (5%); output (8%); umur lapisan dalam (9%).

4.3  Proses Basic Oxygen Furnace (BOF)

Proses tanur oksigen basa ( Basix Oxygen Furnace, BOF) 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 Bessemer 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 didinginkan dengan air dimasukkan  kedalam bejana 1 sampai 3 m diatas permukaan logam cair. Unsur-unsur karbon, mangan dan silicon akan teroksidasi. Batu kapur dan kalsium fluor ditambahkan untuk mengikat kotoran-kotoran seperti fosfor dan belerang dan membentuk terak. Jenis Baja yang dihasilkan oleh proses ini adalah Baja karbon & Baja paduan 0,1 % < c < 2,0 %

Keuntungan dari BOF adalah:

• BOF menggunakan O₂ murni tanpa Nitrogen
• Proses hanya lebih-kurang 50 menit.
• Tidak perlu tuyer di bagian bawah
• Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon
• Biaya operasi murah

4.4    Proses Dapur Listrik

Proses dapur listrik adalah temperatur tinggi dengan menggunakan busur cahaya electrode dan induksi listrik. Tanur Busur Listrik (EAF) adalah peralatan / alat yang digunakan untuk proses pembuatan logam / peleburan logam, dimana besi bekas dipanaskan dan dicairkan dengan busur listrik yang berasal dari elektroda ke besi bekas di dalam tanur.

Ada dua macam arus listrik yang bisa digunakan dalam proses peleburan dengan EAF, yaitu arus searah (direct current ) dan arus bolak – balik ( alternating current). Dan yang biasa digunakan dalam proses peleburan adalah arus bolak-balik dengan 3 fase menggunakan electroda graphite.

Salah satu kelebihan EAF dari basic oxygen furnance adalah kemampuan EAF untuk mengolah scrap menjadi 100 % baja cair. Menurut survei sebanyak 33% dari produksi baja kasar (crude steel) diproduksi menggunakan Tanur busur listrik (EAF). Sedangkan kapasitas porduksi dari EAF bisa mencapai 400 ton. Kelebihan lain dari EAF ini adalah energi yang dikeluarkan busur listrik terhadap logam bahan baku sangant besar, menyebabkan terjadinya okisdasi besar pada logam cair. Hal ini menyebabkan karbon yang terkandung di dalam logam bahan baku teroksidasi sehingga kadar karbon dalam logam tersebut menjadi berkurang.

Bentuk fisik dari dapur (EAF) ini cukup rendah sehingga dalam hal pengisian bahan bakunya pun sangat mudah. Dalam hal pengoperasiannya pun EAF juga tidak terlalu sulit karena hanya memerlukan beberapa orang operator yang memantau proses peleburan dan penggunaan listrik pada dapur tersebut.

Gambaran Umun

Struktur dari Tanur busur listrik adalah Tungku oval (bagian bawah), dinding tanur yang berbentuk selinder, dan tutup tanur yang bisa bergerak menutup dan membuka untuk proses pengisian. Pada tutup tanur terdapat 3 buah lubang yang merupakan dudukan elektroda grafit, yang terdiri dari mekanisme penjepit elektroda. Sedangkan elektroda tidak bertopang pada tutup tanur melainkan bertopang pada rangka tersendiri dan rangka tersebut memiliki mekanisme pengangkat dan untuk menurunkan elektroda pada posisi – posisi yang dapat diatur pada waktu pengoperasian. Untuk mengurangi rugi kalor (heat loses) pada tutup tanur, maka tutup tanur dilapis dengan isolator panas.

Pada dinding pelindung tanur terdapat batu tahan api sebagai isolator panas bagian dalam yang dihasilkan tanur tersbut. Pada dinding tanur ini tidak diperlukan lagi lining karena

pada bagian ini tidak lagi bersentuhan dengan cairan. Sedangkan kotruksi luar dari dinding di tutupi oleh pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada dinding bagian luar ini juga terdapat sistem pendingin yang menggunakan fluida air sebagai media pendinginan.

Pada bagian tungku oval (spherical hearth) terdapat 3 lapisan yaitu lapisan lining kemudian lapisan batu tahan api dan sebagai kontruksi bagian luar digunakan pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada bagian ini juga terdapat tapping spout atau yang lebih dikenal dengan istilah saluran penuangan, yang digunakan untuk proses penungan cairan yang akan di cetak atau diatur komposisinya di ladle furnance. Pada bagian yang berhadapan dengan tapping spout adalah slaging door atau yang lebih dikenal dengan pintu slag, yang digunakan untuk mengeluarkan slag. Untuk mengatur posisi penuangan dan pengeluaran slag, terdapat mekanisme pada dasar bagian luar tanur yang berbentuk roda gigi berpasangan yang digerakkan oleh screw bar. Banyak tipe dapur listrik yang digunakan, tetapi secara praktek hanya tipe berikut yang digunakan dalam industry pembuatan baja :

1. AC direct-arc electric furnace (dapur busur listrik – arus bolak balik)
2. DC direct-arc electric furnace (dapur busur listrik – arus searah )
3. Induction electric furnace (dapur induksi)

Pada dapur busur listrik – arus bolak balik, arus melewati suatu elektroda turun ke bahan logam melalui suatu busur listrik, kemudian arus tersebut dari bahan logam mengalir keatas melalui busur listrik melalui busur listrik menuju elektroda lainnya. Untuk peleburan baja dapat dilakukan arus satu, dua atau tiga fasa. Umumnya digunakan arus 3 fasa.

Dalam dapur listrik – arus searah, arus listrik melewati satu elektroda turun kebahan yang akan dilebur melelui busur listrik, yang kemudian mengalir menuju elektroda pasangannya yang berada dibawah dapur.

Dapur listrik ini dikembangkan oleh Dr. Paul Heroult ( USA ). Dapur busur listrik Heroult yang pertama dibuat untuk memproduksi baja, dibangun oleh Halcomb steel company di Syracuse, New York pada tahun 1906.

Skema penampang dapur busur listrik – arus bolak balik.

 Pada dapur induksi, arus listrik diinduksikan kedalam baja dengan osilasi medan magnet. Berdasarkan frekwensinya, dapur induksi dikelompokkan sebagai berikut:

1. Dapur induksi frekuensi rendah. Menggunakan prinsip trafo, dimana bahan logam yang akan dilebur bertindak sebagai kumparan sekunder, sedang gulungan dengan inti besi bertindak sebagai kumparan primer.
2. Dapur induksi frekwensi medium atau tinggi. Arus dengan frekwensi mediumatau tinggi dilewatkan kumparan yang meliliti bejana ( crucible ) yang berisi bahan logam yang akan dilebur.

Dapur listrik dapat digunakan untuk pembuatan baja, baik dengan proses asam maupun basa. Hampir semua dapur listrik yang digunakan untuk melayani produksi ingot baja, baja cetak kontinya dan industry pengecoran saat ini menggunakan pelapis bata tahan api basa.

Dapur listrik dapat digunakan untuk memproduksi hampir semua jenis baja. Untuk kapasitas dibawah 1.500.000 ton/tahun, dapur listrik lebih ekonomis digunakan daripada kombinasi blast furnace dan proses oxygen steel making basa. Hal tersebut khususnya berlaku pada daerah dimana tersedia banyak scrap dan harga tenaga listrik yang murah. Dapur listrik lebuh fleksibel untuk melayani operasi produksi yang intermittent ( misal, akibat permintaan pasar yang fluktuatif ). Dapur listrik mempunyai keterbatasan antara lain sebagai berikut  :

1. Tidak mampu memproduksi baja dengan kandungan unsure residual rendah dari scrap yang mempunyai unsure residual yang tinggi.
2. Satu dapur listrik tidak dapat melayani secara kontinyu dan berurutan satu mesin cetak kontinyu ( minimum diperlukan 2 dapur listrik )
3. Dapur listrik tidak ekonomis digunakan untuk produksi melebihi 1.500.000 ton baja/tahun, pada satu daerah.

Kandungan nitrogen dalam baja biasanya dua kali lebih tinggi daripada baja yang dihasilkan oleh proses oxygen steel making, baik basa maupun asam.

Keuntungan :

• Mudah mencapai temperatur tinggi dalam waktu singkat
• Temperatur dapat diatur
• Efisiensi termis dapur tinggi
• Cairan besi terlindungi dari kotoran dan pengaruh lingkungan sehingga kualitasnya baik
• Kerugian akibat penguapan sangat kecil

4.5   Proses Dapur Kopel

Mengolah besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang.

Proses :

• Pemanasan pendahuluan agar bebas dari uap cair.
• Bahan bakar (arang kayu dan kokas) dinyalakan selama ± 15 jam.
• Kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah hingga kokas mencapai 700 – 800 mm dari dasar tungku.
• Besi kasar dan baja bekas kira-kira 10 – 15 % ton/jam dimasukkan.
• 15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.

Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar P dan S ditambahkan batu kapur (CaCO3) dan akan terurai bereaksi dengan karbon: Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.

4.6         Proses Dapur Cawan

• Proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan,
• Kemudian dapur ditutup rapat.
• Kemudian dimasukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling cawan dan muatan dalam cawan akan mencair.
• Baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan.

Proses dapur cawan