Pengembangan dari baja dapat ditelusuri kembali 4000 tahun ke awal Zaman Besi. Terbukti lebih keras dan kuat dari perunggu, yang sebelumnya merupakan logam yang paling banyak digunakan, besi mulai menggantikan perunggu dalam persenjataan dan peralatan.
Namun, selama beberapa ribu tahun berikutnya, kualitas besi yang dihasilkan akan sangat bergantung pada bijih yang tersedia maupun pada metode produksi.
Pada abad ke-17, sifat-sifat besi telah dipahami dengan baik, tetapi urbanisasi yang meningkat di Eropa menuntut logam struktural yang lebih serbaguna. Dan pada abad ke-19, jumlah besi yang dikonsumsi dengan memperluas jalur kereta api disediakan ahli metalurgi dengan insentif finansial untuk menemukan solusi atas kerapuhan besi dan proses produksi yang tidak efisien.
Tidak diragukan lagi, terobosan terbesar dalam sejarah baja terjadi pada tahun 1856 ketika Henry Bessemer berkembang cara yang efektif menggunakan oksigen untuk mengurangi kandungan karbon dalam besi: Industri baja modern dulu 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). Perkembangan tanur sembur, pertama kali digunakan oleh orang Tionghoa pada abad ke-6 SM tetapi lebih banyak digunakan di Eropa selama Abad Pertengahan, meningkatkan produksi besi tuang.
Pig iron adalah besi cair yang dikeluarkan dari tanur sembur dan didinginkan di saluran utama dan cetakan yang berdampingan. Batang kecil yang besar, di tengah, dan di sebelahnya menyerupai anak babi betina yang sedang menyusui.
Besi tuang kuat tetapi mengalami kerapuhan karena kandungan karbonnya, sehingga kurang ideal untuk bekerja dan membentuk. Ketika para ahli metalurgi menyadari bahwa kandungan karbon yang tinggi dalam besi merupakan pusat masalah kerapuhan, mereka bereksperimen dengan metode baru untuk mengurangi kandungan karbon untuk membuat besi lebih banyak bisa diterapkan.
Pada akhir abad ke-18, para pembuat besi belajar bagaimana mengubah besi cor menjadi besi tempa dengan kandungan karbon rendah menggunakan tungku pelumasan (dikembangkan oleh Henry Cort pada 1784). Tungku memanaskan besi cair, yang harus diaduk dengan genangan air menggunakan alat panjang berbentuk dayung, memungkinkan oksigen untuk bergabung dan perlahan menghilangkan karbon.
Saat kandungan karbon berkurang, titik leleh besi meningkat, sehingga massa besi akan menggumpal di tungku. Massa ini akan dilepas dan dikerjakan dengan palu tempa oleh puddler sebelum digulung menjadi lembaran atau rel. Pada tahun 1860, ada lebih dari 3000 tungku genangan air di Inggris, tetapi prosesnya tetap terhambat oleh tenaga kerja dan bahan bakar yang intensif.
Salah satu bentuk baja paling awal, baja blister, mulai diproduksi di Jerman dan Inggris pada tanggal 17 abad dan diproduksi dengan meningkatkan kandungan karbon dalam pig iron cair menggunakan proses yang dikenal sebagai penyemenan. Dalam proses ini, batangan besi tempa dilapisi dengan bubuk arang dalam kotak batu dan dipanaskan.
Setelah sekitar satu minggu, besi akan menyerap karbon di dalam arang. Pemanasan berulang akan mendistribusikan karbon lebih merata dan hasilnya, setelah pendinginan, baja melepuh. Kandungan karbon yang lebih tinggi membuat baja blister jauh lebih bisa diterapkan daripada besi kasar, memungkinkannya untuk ditekan atau digulung.
Produksi baja blister maju pada 1740-an ketika pembuat jam Inggris Benjamin Huntsman ketika mencoba mengembangkan baja berkualitas tinggi untuk jamnya mata air, ditemukan bahwa logam dapat dilebur dalam cawan lebur tanah liat dan dimurnikan dengan fluks khusus untuk menghilangkan terak yang tersisa dari proses sementasi. dibelakang. Hasilnya adalah sebuah wadah, atau besi cor. Namun karena biaya produksi, baja tuang dan blister hanya digunakan untuk aplikasi khusus.
Akibatnya, besi tuang yang dibuat dalam tungku pelumasan tetap menjadi logam struktural utama dalam 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 yang sangat besar pada industri besi, yang masih berjuang dengan proses produksi yang tidak efisien. Baja masih belum terbukti sebagai logam struktural dan produksi produk lambat dan mahal. Sampai tahun 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, yang disebut sebagai 'pengubah' di mana besi dapat dipanaskan sementara oksigen dapat dihembuskan melalui logam cair. Saat 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 tetapi menderita karena terlalu sukses. Terlalu banyak karbon yang dihilangkan, dan terlalu banyak oksigen yang tersisa di produk akhir. Bessemer akhirnya harus membayar kembali investornya sampai dia dapat menemukan metode untuk meningkatkan kandungan karbon dan menghilangkan oksigen yang tidak diinginkan.
Pada waktu yang hampir bersamaan, ahli metalurgi Inggris Robert Mushet memperoleh dan mulai menguji senyawa besi, karbon, dan mangan, dikenal sebagai spiegeleisen. Mangan diketahui dapat 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 konversi dengan sukses besar.
Satu masalah tetap ada. Bessemer gagal menemukan cara untuk menghilangkan fosfor, pengotor merusak 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 dasar kimiawi, batu kapur, ke proses Bessemer. Batu kapur menarik fosfor dari besi kasar ke dalam terak, memungkinkan elemen yang tidak diinginkan dibuang.
Inovasi ini berarti bahwa, akhirnya, bijih besi dari mana saja di dunia dapat digunakan untuk membuat baja. Tak heran, biaya produksi baja pun mulai turun secara signifikan. Harga rel baja turun lebih dari 80% antara tahun 1867 dan 1884, sebagai akibat dari teknik produksi baja baru, yang memulai pertumbuhan industri baja dunia.
Proses Pos Gizi Terbuka
Pada tahun 1860-an, insinyur Jerman Karl Wilhelm Siemens meningkatkan produksi baja lebih lanjut melalui kreasi proses perapian terbuka. Proses perapian terbuka menghasilkan baja dari pig iron di tungku dangkal besar.
Prosesnya, menggunakan suhu tinggi untuk membakar karbon berlebih dan kotoran lainnya, mengandalkan ruang bata yang dipanaskan di bawah perapian. Tungku regeneratif kemudian menggunakan gas buang dari tungku untuk mempertahankan suhu tinggi di ruang bata di bawahnya.
Metode ini memungkinkan produksi dalam jumlah yang jauh lebih besar (50-100 metrik ton dapat diproduksi dalam satu tungku), secara berkala pengujian baja leleh agar dapat dibuat memenuhi spesifikasi tertentu dan penggunaan baja skrap sebagai bahan bakunya bahan. Meskipun prosesnya sendiri jauh lebih lambat, pada tahun 1900, proses perapian terbuka telah menggantikan proses Bessemer.
Lahirnya Industri Baja
Revolusi dalam produksi baja yang menyediakan bahan yang lebih murah dan berkualitas, diakui oleh banyak pengusaha pada masa itu sebagai peluang investasi. Para kapitalis di akhir abad ke-19, termasuk Andrew Carnegie dan Charles Schwab, menginvestasikan dan menghasilkan jutaan (milyaran dalam kasus Carnegie) di industri baja. Perusahaan Baja AS Carnegie, didirikan pada tahun 1901, adalah perusahaan pertama yang diluncurkan dengan nilai lebih dari satu miliar dolar.
Pembuatan Baja Tungku Busur Listrik
Tepat setelah pergantian abad, perkembangan lain terjadi yang akan memiliki pengaruh kuat pada evolusi produksi baja. Tungku busur listrik (EAF) Paul Heroult dirancang untuk melewatkan arus listrik melalui bahan bermuatan, menghasilkan oksidasi eksotermik dan suhu hingga 3272°F (1800°C), lebih dari cukup untuk memanaskan produksi baja.
Awalnya digunakan untuk baja khusus, EAF semakin banyak digunakan dan, pada Perang Dunia II, digunakan untuk pembuatan paduan baja. Rendahnya biaya investasi yang diperlukan untuk mendirikan pabrik EAF memungkinkan mereka bersaing dengan produsen utama AS seperti US Steel Corp. dan Betlehem Steel, terutama pada baja karbon, atau produk panjang.
Karena EAF dapat memproduksi baja dari 100% scrap, atau cold ferrous, feed, maka diperlukan lebih sedikit energi per unit produksi. Berbeda dengan tungku oksigen dasar, operasi juga dapat dihentikan dan dimulai dengan biaya yang tidak terlalu mahal. Untuk 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 di tahun 1960-an memungkinkan kemajuan besar dalam pengembangan oksigen dasar tungku.
Tungku oksigen dasar menghembuskan oksigen ke besi cair dan besi tua dalam jumlah besar dan dapat menyelesaikan pengisian jauh lebih cepat daripada metode perapian terbuka. Kapal besar yang menampung 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 pembuatan baja oksigen pada tahun 1960-an, operasi perapian terbuka mulai ditutup. Fasilitas perapian terbuka terakhir di AS ditutup pada tahun 1992 dan Cina pada tahun 2001.