BAJA

I. Pembuatan Baja Menggunakan Proses “Basic Oxygen Steel-Making” (BOS)

Pembuatan baja dasarnya adalah proses pemurnian besi kasar dari pengotor dengan cara mengoksidasi pengotor secara selektif dan terkontrol. Baja dengan sifat yang sesuai diperoleh dengan menghilangan pengotor sampai batas yang diperbolehkan dan menambahkan bahan pencampur untuk mendapatkan komposisi akhir yang diinginkan. Penggunaan proses oksidasi pada proses pembuatan baja sangat berbeda dengan proses pembuatan besi kasar yang menggunakan proses reduksi. Sebagai oksidan adalah O₂.

Tiga bahan utama yang lain adalah:

1. Besi kasar cair dari tanur tinggi,

2. Sisa-sisa baja, dengan kualitas yang bagus seperti baja sisa potongan, baja yang rusak pada saat diproduksi dan barang dari baja yang lain (bodi mobil dan kontainer),

3. Fluks, berupa batu kapur yang dikalsinasi dan dolomit. Fluks akan bereaksi dengan pengotor yang teroksidasi membentuk ampas/kerak.

Unsur pencampur ditambahkan untuk mendapatkan tipe/jenis baja dengan sifat yang sesuai. Penambahannya dapat dilakukan dengan penambahan unsur (contohnya Al, Ni) atau dalam bentuk persenyawaan besi (contohnya ferokhrom, feromangan, ferosilikon, dan ferovanadium). Tanur yang digunakan merupakan tungku/bejana reaksi yang besar, berbantuk tong dari bahan baja yang dilapisi dengan bata tahan panas. Tungku/bejana yang besar dapat memproduksi 400 ton dalam satu kali proses pembuatan.

Penggunaan kata “Basic” pada nama proses ini karena lapisan tungku/bejana dan fluks terdiri dari material dasar (basic material). Lapisan pada tungku/bejana berguna untuk menahan peningkatan temperatur (sampai dengan 1700° C), sifat korosif dari ampas/kerak dan serta mencegah kemungkinan tergores yang dapat terjadi selama proses pembuatan baja. Lapisan ini tetap diperbaharui setiap 2 minggu sekali dengan cara menyemprotkan magnesit.

Sisa-sisa baja dan fluks yang harus ditambahkan, dihitung dari jumlah dan temperatur dari besi kasar cair yang digunakan. Jumlah sisa-sisa baja yang digunakan bergantung pada kadar karbon, silikon dan phospor yang ada pada besi cair. Setelah ditentukan temperatur yang dihasilkan dari proses oksidasi, sisa-sisa baja dimasukkan ke dalam tungku/bejana. Selanjutnya besi kasar cair dimasukkan, kemudian O₂ ditiupkan dengan kecepatan yang sangat tinggi ke permukaan logam cair. Tahap selanjutnya ditambahkan fluks berupa CaO.

Selama proses pembuatan baja, tidak diperlukan pemanasan dari luar karena di dalam tungku/bejana berlangsung proses reaksi eksotermik. Gas O₂ yang ditambahkan harus yang murni untuk menghindari masuknya nitrogen ke dalam baja, masuk ke dalam cairan dan menghasilkan awan dari debu Fe₂O₃. Fe₂O₃ ini kemudian dikumpulkan, dibentuk menjadi pelet dan diproses lagi pada preparasi besi dengan tanur tinggi. Gas O₂ akan mengoksidasi pengotor (selain karbon) yang ada dan dikeluarkan sebagai ampas/kerak. Sebagian besar panas yang dihasilkan pada tungku BOS dihasilkan dari reaksi perubahan karbon menjadi karbon monoksida. Reaksi-reaksi yang terjadi:

C (s) + O₂ (g) ---------> CO₂ (g)

CO₂ (g) + C (s) ---------> 2 CO (g)

2 CO (g) + O₂ (g) ---------> 2 CO₂ (g)

Gas O₂ mengoksidasi Si menjadi SiO₂ dan P menjadi P₄O₁₀. Oksida ini bersifat asam yang kemudian bereaksi dengan CaO (oksida basa) membentuk ampas/kerak berbentuk kalsium silikat dan phospat. Reaksi-reaksi yang terjadi:

Si (s) + O₂ (g) ---------> SiO₂ (l)

CaO (s) + SiO₂ (l) ---------> CaSiO₃ (l)

4 P (s) + 5 O₂ (g) ---------> P₄O₁₀ (g)

6 CaO (s) + P₄O₁₀ (g) ---------> 2 Ca₃(PO₄)₂ (l)

Sulfur juga ada dapat dihilangkan melalui ampas/kerak, tapi sedikit mangan dapat dihilangkan dari besi.

Peningkatan temperatur juga dihasilkan dari penggunaan gas O₂ dapat meningkatkan kecepatan proses perubahan. Selama proses berlangsung diusahakan agar area kontak antar reaktan yang besar, karena melibatkan tiga wujud yang berbeda, yaitu padat, cair dan gas. Pada kondisi ini proses secara keseluruhan dapat berlangsung dengan cepat. Setelah proses berlangsung sekitar 20 menit, diambil sampel untuk menentukan kadar unsur C, P, Mn, Si, S, Ni dan Cr.

Jika dibutuhkan, penurunan temperatur dapat dilakukan sebelum proses penuangan/pengeluaran dari tungku/bejana. Penurunan temperatur dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu penambahan sisa-sisa baja atau dengan cara peniupan singkat gas O₂. Penurunan temperatur ini juga berguna untuk menyesuaikan komposisi dari baja yang dihasilkan. Jika kadar karbon dan unsur-unsur lain sudah sesuai, aliran oksigen dihentikan. Tungku/bejana kemudian dimiringkan untuk mengeluarkan baja cair. Sedangkan ampas/kerak dikeluarkan dengan memiringkan tungku/bejana ke arah yang sebaliknya. Reaksi secara keseluruhan membutuhkan waktu kurang dari 1 jam.

II. Jenis-Jenis Baja

Karena baja merupakan campuran, secara sederhana baja dapat digolongkan sebagai baja karbon ataupun baja aloi. Baja karbon mengandung bahan karbon sebagai unsur pencampur utama. Sedikit mangan dan silikon juga ditambahkan untuk mengatasi kerapuhan yang disebabkan adanya kandungan sulfur dan oksigen. Sedangkan baja aloi mengandung unsur-unsur pencampur penting lainnya selain karbon, dengan kadar yang sesuai.

Baja Karbon

Karbon adalah unsur pencampur untuk pembuatan baja yang terpenting. Kandungan karbon tertinggi sekitar 1,5 % untuk menghasilkan kekerasan dan baja yang tahan lama yang digunakan untuk pembuat alat kikir, kapak dan gunting, sedangkan kadar terendah sekitar 0,04 % untuk pembuatan baja berbentuk lembaran. Sedangkan baja dengan kadar karbon antara 0,15 – 0,25 % merupakan baja yang paling banyak dihasilkan. Karena bersifat murah, halus, mudah dibentuk dan dilas/disambung, baja banyak digunakan untuk pembuatan perahu/kapal, bodi mobil, jembatan, dan kerangka gedung. Dengan penambahan karbon dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja karena dengan penambahan karbon terjadi perubahan pengaturan atom. Terbentuk besi karbida, Fe₃C yang dapat meningkatkan kekerasan, tetapi dengan penambahan karbon dapat mengurangi sifat kemudahan dibentuk pada baja.

Baja Aloi

Komposisi unsur-unsur tambahan pada baja aloi dikontrol secara cermat untuk dapat memberikan kombinasi sifat yang diinginkan. Baja sangat banyak digunakan, karena adanya keseimbangan antara sifat-sifatnya, yaitu kekerasan, tahan lama, dapat ditempa, tahan korosi.

Unsur-unsur tambahan yang dapat digunakan untuk pembuatan baja yaitu: mangan, nikel, kromium, molibdenum, tungsten dan silikon. Berikut ini contoh beberapa baja aloi:

Unsur Tambahan	Penggunaan	Sifat-Sifat Khusus
Mangan	Alat bor batuan, alat-alat pertambangan, rel kereta api dan rel dari tram	Kuat, keras, tahan terhadap lecet, tahan korosi dan tidak rapuh
Nikel	Struktur baja yang kuat	Keras, tahan goncangan, tahan korosi
Kromium	Baja konstruksi, baja berbentuk pegas	Sangat tidak rapuh, tahan terhadap peregangan, stabil pada temperatur tinggi, tahan korosi
Kromium/nikel (stainless steel)	Bahan pesawat, mata pisau pada turbin, katup regulator	Tahan terhadap panas dan penggunaan yang tinggi, tahan korosi dan bahan kimia
Molibdenum	Baja pada alat-alat dengan kecepatan tinggi	Keras, tahan regangan
Tungsten	Perkakas dari baja	Keras, tahan pada temperatur tinggi
Silikon	Baja untuk struktur, baja berbentuk pegas, generator, baja tahan korosi, baja untuk elektronik	Tahan terhadap regangan, gaya pegas meningkat, tahan terhadap listrik