TUGAS 2 – KUIS ARTIKEL PEMBUATAN BAJA

KULIAH MATERIAL TEKNIK

PROSES EKSTRAKSI BESI DAN

PEMBUATAN BAJA

ZUL FAUZI FACHRI ABIDIN

( 07525008 )

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA

YOGYAKARTA

2011

1. Proses Ekstraksi Besi Dan Pembuatan Baja

Besi dan tembaga termasuk logam transisi yang sangat luas penggunaannya di

industri. Keberadaannya di alam dalam bentuk senyawanya sehingga untuk memperoleh

kedua logam tersebut, diperlukan proses ekstraksi. Terdapat dua proses, yakni: proses ekstrasi

besi dan pembuatan baja. Secara umum, proses ekstrasi besi dapat dilihat pada diagram alur

di bawah ini.

1.1. Alur Proses Ekstrasi Besi

Besi gubal dapat dicetak langsung menjadi besi tuang (cast iron) atau diproses lebih lanjut menjadi baja,

tergantung dari penggunaan.

Jadilah yang dinamakan pig iron

atau besi gubal

Lelehan terak kemudian akan

mengalir ke bagian bawah tanur.

CaO yang terbentuk akan bereaksi dengan pengotor yang bersifat

asam yang ada dalam bijih besi, seperti pasir silika. Reaksi ini

menghasilkan senyawa dengan titik didih rendah yang disebut terak

(slag).

Sementara itu, CaCO3 dalam tanur

akan terurai menjadi CaO

Udara panas ditiupkan ke bagian bawah tungku agar C

bereaksi dengan OZ membentuk CO2

Bahan baku seperti : bijih besi, batu

kapur (CaCO3), dan kokas masuk

dari atas tungku

1.2. Penjabaran Proses Ekstrasi Besi

Penjabaran secara luas dapat dilihat di segmen bawah ini.

Besi diekstraksi dari bijih besi yang mengandung senyawa besi seperti hematit

(Fe2O3), limonit (2Fe2O3 3H2O), magnetit (Fe3O4), dan siderit (FeCO3). Proses ekstraksi

dilakukan dalam tungku yang disebut tanur tiup (blast furnace) dengan menggunakan metode

reduksi. Simak proses ekstraksinya berikut ini. Berikut tahapan ekstraksi Fe dari bijih besi:

Bijih besi, batu kapur (CaCO3), dan kokas (C) dimasukkan dari bagian atas tanur.

Kemudian, udara panas ditiupkan ke bagian bawah tungku agar C bereaksi dengan

OZ membentuk

CO2.

C(s) +O2(S) CO2(S)

Gas CO2 yang terbentuk selanjutnya akan bergerak ke atas dar lebih lanjut dengan C untuk

membentuk CO. Reaksi ini bersifi endotermik, sehingga terjadi sedikit penurunan suhu

proses.

CO2(g) + C(s) 2CO(S)

Produk reaksi yakni gas CO kemudian bergerak naik dan mulai mereduksi senyawa-senyawa

besi pada bijih besi.

3Fe2O3(5) + CO(g) 4 2Fe3O4(s) + CO2(g)

Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(6) + CO2(g)

FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)

Reaksi keseluruhannya dapat ditulis sebagai berikut:

Fe2O3(s) + 3CO(s) 2Fe(l) + 3CO2(g)

Fe yang terbentuk akan mengalir dan berkumpul di bawah. Karena suhu di bawah tinggi

sekitar 2 000°C, Fe akan berada dalam bentuk lelehannya.

Sementara itu, CaCO3 dalam tanur akan terurai menjadi CaO.

CaCO3(s)—> CaO(s) + CO2(g)

CaO yang terbentuk akan bereaksi dengan pengotor yang bersifat asam yang ada

dalam bijih besi, seperti pasir silika. Reaksi ini menghasilkan senyawa dengan titik

didih rendah yang disebut terak (slag).

CaO(S) + SiO2(s) CaSiO3(l)

Lelehan terak kemudian akan mengalir ke bagian bawah tanur. Karena kerapatan

lelehan terak yang lebih rendah dibandingkan lelehan besi, maka lelehan terak berada

di atas lelehan besi sehingga keduanya dapat dikeluarkan secara terpisah. (Secara

tidak langsung, lelehan terak ini melindungi lelehan besi dari teroksidasi kembali)

Besi yang terbentuk di dalam tanur tiup masih mengandung pengotor dan bersifat cukup

rapuh. Besi ini disebut juga besi gubal (pig iron). Besi gubal mengandung sekitar 3 – 4% C,

2% Si, dan sejumlah pengotor lain seperti P dan S. Besi gubal dapat dicetak langsung

menjadi besi tuang (cast iron) atau diproses lebih lanjut menjadi baja, tergantung dari

aplikasinya.

2. Pembuatan Baja

Tahapan kedua, yakni pembuatan baja, secara umum, proses pembuatan dari besi ke baja

dapat dilihat pada diagram alur berikut ini.

2.1, Alur Tahapan Pembuatan Baja

Kandungan C pada baja yang

dihasilkan bervariasi dari ~0,2%

sampai 1,5%

Logam baja telah jadi

Senyawa-senyawa oksida ini

kemudian direaksikan dengan CaO,

yang berasal dari peruraian batu

kapur (CaCO3), membentuk terak,

seperti CaSiO3 dan Ca3(PO4)2.

O2 akan bereaksi dengan karbon

(C) di dalam besi dan juga zat

pengotor lainnya seperti Si dan P,

dan membentuk senyawa-senyawa

oksida

Selanjutnya, O2 murni dilewatkan

melalui campuran lelehan logam

Sekitar 70% lelehan besi gubal dari

tanur tiup dan 30% besi/baja bekas

dimasukkan ke dalam tungku,

bersama dengan batu kapur

(CaCO3).

2.2. Penjabaran Tahapan Pembuatan Baja

-Sekitar 70% lelehan besi gubal dari tanur tiup dan 30% besi/baja bekas dimasukkan ke

dalam tungku, bersama dengan batu kapur (CaCO3).

- Selanjutnya, O2 murni dilewatkan melalui campuran lelehan logam. O2 akan bereaksi

dengan karbon (C) di dalam besi dan juga zat pengotor lainnya seperti Si dan P, dan

membentuk senyawa-senyawa oksida. Senyawa-senyawa oksida ini kemudian direaksikan

dengan CaO, yang berasal dari peruraian batu kapur (CaCO3), membentuk terak, seperti

CaSiO3 dan Ca3(PO4)2.

Kandungan C pada baja yang dihasilkan bervariasi dari ~0,2% sampai 1,5%. Berdasarkan

kadar C ini, kita mengenal tiga macam baja seperti yang ditunjukkan tabel berikut.

3. Proses Pembuatan Pipa

Berbagai macam proses berbeda yang digunakan dalam pemanufakturan (pembuatan)

pipa, dimana proses-proses tersebut dikelompokkan dalam empat klasifikasi yaitu: 1. Pipa tanpa kelim dengan proses tempa (Wrought seamless pipe); 2. Pipa tempa (Forged pipe); 3. Pipa las (Welded pipe); 4. Pipa cor (Cast pipe) Sebagai contoh dari proses yang digunakan dalam proses pembuatan pipa yaitu pipa yang

dicor (cast) secara sentrifugal dan dilakukan pengerjaan dingin melalui ekspansi hidrolik yang akan mengubah struktur metalurgi dari coran tersebut. Pipa las juga dilakukan peng-ekspansian dingin (pemuaian dingin) atau cold-reduced melalui beberapa manufaktur untuk menghasilkan keseragaman daya tahan panas material. Pemuaian dingin juga akan meningkatkan garis kekuatan luluh. Pada setiap klasifikasi, sejumlah proses khusus dilakukan.

3.1.Pipa tanpa kelim dengan proses tempa (Wrought seamless pipe) 3.1.1.Pipa dengan unsur Ferrous

Pipa baja biasanya terbuat dari baja yang dihasilkan dari tungku perapian terbuka (open-hearth), tungku perapian oksigen murni, pengubah bassemer, atau tungku perapian dengan listrik. Seperti dalam pengecoran pada pipa baja dengan komposisi khusus digunakan tungku perapian dengan induksi listrik, untuk menghasilkan cairan baja tersebut.

Meskipun pembuatan pipa dari baja dicairkan dalam bassemer dikurangi secara subtansi, pada tahun saat terjadi perang dunia II suatu penemuan tentang oksigen dan udara-oksigen dalam peubah secara subtansi akan meningkatkan kegunaan dari peralatan ini, terutama untuk baja karbon. Ada empat metode yang digunakan yaitu

1. Penembusan secara rotari (Hot rotary piercing) Metode ini adalah metode yang paling sering digunakan, yaitu penembusan satu

atau dua piercing mills yang dipanaskan, dimana piercing mills tersebut terdiri dari sepasang roller silinder yang berputar pada arah yang sama dengan sumbu yang ditandukkan dari masing-masing roller. Metode ini terdiri dari 4 proses yaitu piercing mill, plug rolling mill, reeling mill, dan sizing mill, yang dapat dilihat pada gambar 1.

Billet baja, pada temperatur forging 2200-2400F, didorong ke dalam piercing mill, dimana billet tersebut dicekam oleh 2 roller yang berputar dan membawa billet ke titik penembus untuk membentuk lubang sepanjang billet tersebut. Untuk pipa yang besar, dilakukan operasi kedua yang serupa untuk mengurangi ketebalan dinding dan meningkatkan diameter dan panjang billet yang telah dipiercing.

Billet hasil piercing masih berupa tube yang kasar dan masih perlu dilakukan pengerjaan finishing untuk menghasilkan pipa. Untuk pengurangan diameter dan ketebalan dinding yang lebih jauh lagi serta meningkatkan ukuran panjang dilakukan dengan memutar billet ke mandrel pada plug-rolling mill. Fungsi dari reeling mill, yaitu untuk memoles bagian dalam dan luar permukaan tube serta untuk menempatkan tube, yang mana bentuk oval masih terbentuk dan terlewatkan pada waktu proses di plug-rolling mill.

Pipa jika diperlukan dilakukan reheated untuk dilakukan penyesuaian ukuran diameter pipa yang diinginkan. Ukuran diameter roller pada sizing mill ini lebih kecil dari pipa yang datang dari reeling mill.

2. Proses Pilger-mill

Pada proses ini, mandrel dengan panjang 10ft dan diameter yang mendekati

diameter bagian dalam pipa kemudian ditekan ke ingot atau billet dengan penumbur

hidrolik. Mandrel yang dibungkus di dalam ingot diletakkan diantara roll dari pilger

mill. Roll ini mempunyai bentuk kontur yang bubungan (Cam) dan berputar

berlawanan arah yang mana ingot ditekan oleh penumbur hidrolik dan mekanisme air-

cylinder. Perputaran dari roll menghasilkan efek yang ekivalen dari pukulan hammer

yang akan mengurangi/mereduksi dinding ingot melaui forging melawan mandrel dan

membawa ingot dan madrel melawan kembali penumbur dan karena alasan inilah

proses ini dinamakan proses rotary-forged. Proses pilger mill dapat dilihat pada

gambar 2 berikut.

3. Proses Push-bench (cupping)

Pada beberapa penggilingan pipa, ingot baja dipanaskan hingga temperatur

2300 F. Kemudian diletakkan pada container melingkar dan dihantam hingga

berbentuk cup. Hantaman harus terukur hingga tekanan material mengikuti kontur

dari container dan, mengisi cekungan diantara dinding dan ingot. Ujung silinder yang

tertutup (Cup) di reheated dan ditekan, dengan ujung tertutup melalui rangkaian 3

sampai 12 die, dari berturut-turut pengurangan diameter, mounted pada horizontal

bench. Proses reheating diantara operasi penarikan mungkin diperlukan, mesin

mandrel-extracting kemudian mengendurkan mandrel dan menarik mandrel keluar

dari tube. Cup dipotong dengan gergaji melingkar. Pengerjaan akhir yaitu cold-rolling

atau meluruskan dari tube. Proses ini secara khusus cocok untuk diameter kecil

(hingga 4 in). proses ini dapat dilihat pada gambar 3 berikut ini.

4. Prose ekstruksi Proses ekstruksi terdiri dari dua peralatan yaitu penekanan vertikal (vertical

presses) dan penekanan horizontal (Horizontal presses). Lihat gambar 4 dan 5. Pada

horizontal presses penembusan dilakukan pertama kali sebagai langkah yang terpisah

atau cekungan digunakan dengan mandrel dan die. Tungsten-chromium-carbon dan

chromium-tunsten-molbdenum-alloy steels dengan kekerasan mendekati 46 Rockwell

C digunakan untuk mandrels dan die serta peralatan lainnya. Glass merupakan

pelumas yang paling efektif. Billet di lapisi dengan lapisan dari bubuk glass yang

menyebar ke selimut asbes dari parasut yang mana mengirim billet dari tungku ke

press. Pada proses tubing dimana operasi extruding selesai dalam beberapa detik, tube

secara umum ditransferkan ke reducing mill ketika masih pada temperatur hot forging. Baja karbon, paduan baja dan stainless stell untuk tubing diproduksi dengan metode ini dengan diamter dari 3/8 hingga 4 in dan dengan panjang pipa 30-60 ft, ukuran pipa dari 8-24 in dan ketebalan dinding dari 0.5-3 in.

3.1.2. Pipa dengan unsur aluminium dan paduannya Pipa dengan unsur aluminium dan paduan dibuat dengan die dan proses ekstruksi

mandrel pada ukuran 1 in dan lebih besar lagi. Cekungan sekitar ingot digunakan dengan pengecoran cekungan atau dibuat dengan pengeboran ingot padat. Setelah ingot di preheated pada temperatur tertentu (tergantung paduan), ingot di ektruksi pada silinder ekstruksi. Mandrel memanjang melalui ingot dan melalui die ekstruksi dan hal itu menyediakan ruang anular untuk aliran aluminium ketika ingot ditekan.

Beberapa paduan memerlukan heat treatment untuk mendapatkan sifat mekanis yang diinginkan. Ini dapat seperti quenching atau pemisahan tungku heat treating.

3.1.3. Pipa dengan unsur tembaga dan paduannya Dalam produksi pipa tanpa kelim dengan material tembaga atau paduannya

karena tembaga sejauh ini merupakan material yang tonase. Tembaga dan paduan

diproduksi dengan proses yang sama dan peralatan yang sama, yaitu pengerjaan

panas dan pengerjaan dingin. Pipa tanpa kelim di buat dengan salah satu prinsip

proses dibawah ini:

1. Proses penembusan panas; kebanyakan pipa dibuat dengan mesin Mannesmann.

3-12 ukuran diameter tembaga padat atau billet paduan dipanaskan hingga 800-

900C dan dilewatkan pada dua roll.

2. Proses ekstruksi; billet dipanaskan dari temperatur 700-900 C tergantung

paduannya. Dan diletakkan pada container atau silinder baja yang membatasi

billet panas ketika tekanan tinggi yang digunakan untuk menekan logam melalui

die.

3. Proses Cup-and-Draw;

4. Proses penarikan (Drawing Process);

5. Proses tube-rolling

3.1.4. Pipa dengan unsur Nikel dan paduannya

Pipa dengan unsur nikel dan paduannya biasanya dibuat dengan ekstruksi dan

cold-drawing. Hasil dari proses ekstruksi ditekan atau shell diubah ke pipa atau tubing

dengan cold-drawing dan proses tambahan. Proses Ekstruksi; proses ini sama dengan yang ditunjukkan pada gambar 5, dan

paling banyak digunakan. Extruded tubing dibuat dengan diamter luar 2.5 hingga 9 ¼ in; ketebalan dinding 0.25 hingga 1 in, panjang maksimum antara 3 hingga 30 ft, tergantung parameter lainnya. Pada penambahan ke tube silinder hal ini praktis untuk menekan bentuk tubular dari geometri yang relatif dan simetris.

3.1.5. Pipa dengan unsur titanium dan paduannya Proses ekstruksi merupakan teknik yang biasa digunakan untuk memproduksi

pipa titanium. Meskipun metode lainnya dapat digunakan, sebagian volume dari pipa

titanium dibuat dalam satu ukuran pada satu kali tidak membenarkan setting-up

volume dari mill yang tinggi. Proses ekstruksi ini sangat cocok untuk banyak die

merubah yang dibuthkan oleh titanium, proses ekstruksi didominasi secara hidrolik,

dengan operasi penumbur dalam bidang horizontal. Billet titanium ditembus atau

dibor terlebih dahulu sebelum di ekstruksi. Billet dipanaskan mendekati 1800 F dan

ditekan melalui die ke mandrel.

3.2. Forged Pipe

Pembuatan Pipa yang ditempa diutamakan dalam ukuran pipa yang lebih besar dan

ketebalan dinding pipa yang lebih berat. Terdapat dua tipe dari forged pipe ini yang

terdapat dalam spesifikasi ASTM untuk testing dan material yaitu Forged and bored

pipe dan Hollow forged pipe. Pada forged and bored pipe, billet baja atau ingot

pertama kali dipanaskan pada temperatur hingga 2300 F dan kemudian diteruskan

dengan proses forging dengan menggunakan pemukul forging atau penekanan berat

untuk mendapatkan pendekatan diameter 1 inci lebih besar dari diameter yang

diinginkan. Billet lalu di bubut untuk membuang kelebihan baja dan menghasilkan

diameter luar yang actual. Bagian dalam pipa dibor dengan pengeboran khusus atau

trepanning tool. Dengan proses ini banyak diproduksi pipa dengan diameter 10-30 in

dan ketebalan dinding 1.5- 4 in. Proses permesinan yang telah dilakukan juga

mengijinkan ketebalan pipa rata-rata untuk ditahan hingga mendekati batas minimum

dari dinding yang dibutuhkan oleh perancang dalam sistem perpipaan.

Pada hollow forged pipe, dimana pipa ini diproduksi secara langsung dari cairan

ingot baja dengan pembakaran dengan listrik. Ingot dilakukan proses piercing panas

hingga 2000-2200 F secara penekanan vertical. Dan ingot kemudian ditransfer untuk

ditarik (draw) secara horizontal dimana hasil dari piercing di letakkan ke mandrel dan

dikerjakan melaui rangkaian ring die untuk menghasilkan ukuran yang diinginkan.

Pipa dengan ukuran 10-30 in dan ketebalan dinding sekitar 1.5 –4 secara normal

diproduksi secara komersial. Produk di lakukan proses permesinan pada diameter

dalam dan luar.

3.3. Welded Pipe

Pengelasan dari piringan, skelp, atau koil kepipa dilakukan dengan pemanasan

dan pengelasan tempa untuk pipa las butt (butt-weld pipe) atau dengan pengelasan

penyatuan mengerjakan resistansi listrik, flash, pengelasan submerged-arc, gas inert

tungsten-arc welding, atau gas-shielded yang dapat digunakan pada pengelasan metal-

arc. Kelim yang dilas bisa secara kelim longitudinal pararel terhadap sumbu dari pipa

atau las spiral. Untuk material yang mengandung unsur ferrous dilakukan furnace

welded pipe dan fusion welded pipe. 3.3.1. Furnace welded pipe

Atau yang dikenal dengan continuous-welded atau butt-welded pipe hanya

cocok untuk grade baja karbon. Pipa secara umum dibuat dari tungku-perapian

terbuka dan oksigen murni baja bassemer.. Pipa FWD normalnya dipertimbangkan

biaya yang terendah pipa baja. Pipa ini digunakan perpipaan gas tekanan rendah,

perpipaan untuk air, udara, sistem uap air tekanan rendah dan hal-hal yang serupa.

Pipa FWD ini biasanya dibatasi ke ukuran 4 in atau lebih kecil 3.3.2. Fusion welded pipe

Pengelasan penyatuan dari pipa dilakuakan dengan metode Resistance

welding, induction welding atau arc-welding. Metode resistance welding terdiri dari

empat metode yaitu: 1. Flash welding 2. low-frequency resistance welding

3. High frequency induction welding 4. High-frequency resistance welding

Proses Arc-welding, dikerjakan secara komersil melalui proses submerged-

arc-welding, gas inert dari proses tungsten-arc-welding, dan gas-shielded yang

dikomsumsi pada proses metal-arc-welding. Submerged-arc-welding diaplikasikan

untuk karbon, paduan baja, stainless steel, dan high-nickel alloy pipe, biasanya

diameter 8 inci dan lebih.

3.3.3. Pipa dengan unsur Non ferrous

Proses fussion-welding dapat dikerjakan untuk pipa dengan unsure non

ferrous. Secara ekstensif digunakan proses arc-welding. Di atas dinding pipa, gas

inert- gas tungsten-arc process secara luas digunakan. Aluminium dan alloys, sistem piping dengan material ini dimanufaktur dengan salah

satu proses resistance welding atau proses arc-welding. Prosedur yang sama juga diberlakukan untuk pengerjaan pada pipa bermaterial aluminium. Kecuali high-frequency induction welding tidak boleh dikerjakan untuk piping kurang dari ¾ in diameter.

Untuk material tembaga dan paduannya, paduan nikel, dan titanium dan paduannya proses pengelasan tidak cocok digunakan.

3.4. Cast pipe

Pipa cor dibuat dengan pengecoran statis atau pengecoran sentrifugal. Pada

pipa pengecoran statis secara umum dibatasi untuk pipa dengan ukuran panjang yang

relatif pedek. Katup, fitting dan komponen lain diproduksi dengan pengecoran dengan

pasir (sand casting).

Pipa cor sentrifugal, diproduksi melalui baja yang dicairkan melalui busur

listrik atau perapian induksi ke dalam cetakan memutar dan membiarkan logam

memadat dibawah tekanan dari gaya sentrifugal. Cetakan biasanya diputar diputar

pada sumbu horizontal degan kecepatan 50-200 kali dari gravitasi. Pipa cor sentrifugal diproduksi dengan diameter luar 4-54 in dan panjang hingga 30 ft. keuntungan ekonomi meningkat dengan diameter yang lebih besar dan ketebalan dinding pipa. Aplikasi dari pipa ini digunakan untuk paper mill rolls, gun barrel dan lain-lain. Namun pipa ini tidak dianjurkan untuk aplikasi pada temperatur tinggi(>1050 F), dan tekanan tinggi (800psi). Beberapa material non ferrous juga diproduksi dengan metode pengecoran statis dan sentrifugal.

Cast-Iron pipe

Pipa besi cor memiliki umur yang relatif lama karena dinding yang berat dan

ketahanan yang baik terhadap korosi baik internal ataupun eksternal. Pipa ini

digunakan untuk sistem distribusi air dan gas dan jalur limbah dalam kota, khususnya

dibawah jalan aspal dimana sangat penting menggunakan material yang mempunyai

umur panjang untuk menghindari penggantian pipa.

Pipa besi cor dibuat dengan 4 proses berbeda yaitu

1. Vertical Pit Process

2. Horizontal Process

3. Centrifugal Casting in Sand Molds

4. Centrifugal Casting in Metal Molds

Sampai saat ini lebih 75 persen dari pembuatan pipa besi cor ini diproduksi

dengan proses pengecoran secara sentrifugal atau horizontal. Pipa dapat digunakan

untuk instalasi penyuplai air bawah tanah,, dan kontruksi gas bawah tanah.

DAFTAR PUSTAKA

Logam Transisi Blog. ( 2009 ). Proses Ekstraksi Besi dan Pembuatan Baja . [ cited 2011 Des 7 ]. Available from : URL

http://metaltransition.wordpress.com/2009/11/30/proses-ekstraksi-besi-dan-pembuatan

baja/

Andy Sembiring Zone. ( 2011 ). PROSES PEMBUATAN PIPA .[ cited 2011 Des 7]. Available

from URL : http://andysembiring.blogspot.com/2011/06/proses-pembuatan-pipa.html