Pembuatan Baja dengan Dapur Listrik

Pembuatan baja dalam dapur listrik merupakan cara yang paling baik dan menguntungkan dibandiangkan dengan cara-cara lainnya. Prinsip kerja dapur listrik: Energi listrik diubah dengan bermacam-macam cara menjadi energi panas untuk memanaskan dan mencairkan logam. Dapur listrik yang digunakan untuk pembuatan baja ada dua macam yaitu :

1. Electric are-furnace
2. Induction furnace

Pembuatan baja dalam dapur listrik mempunyai banyak kelebihan yaitu:

• Temperatur yang dicapai cukup tinggi (dapat mencapai 2000oC) sehingga mampu untuk mencairkan logam-logam paduan yang titik cairnya tinggi, misal : paduan chrom, molybdenum, nikel, tungsten dan lain-lain.
• Bekerja dengan menghasilkan terak yang banyak (sampai 55 - 60% CaO), lagi pula dapat menghilangkan unsur-unsur yang merugikan terhadap sifat-sifat baja seperti Phosfor (P) dan Sulfur (S).
• Terutama pada induction furnace akan diperoleh deoksidasi dan degasifikasi dari pada baja.
• Menghasilkan cairan dengan kualitas tinggi dan efisiensi yang tinggi dengan material yang hilang terbakar yang minimum serta kemudahan dalam pengendalian temperatur cairan logam
Harga yang mahal (investasi yang besar) baik dari pengadaan tanur itu sendiri dan dari biaya energi yang tinggi merupakan kekurangan dalam penggunaan tanur listrik.
Tanur listrik saat ini digunakan untuk proses peleburan seluruh jenis baja, termasuk stainless steel, tool steel dan baja paduan lainnya. Berikut ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai kedua tanur tersebut.

1. Tanur Busur Api (Arc Furnace)

Tanur ini digunakan untuk proses peleburan, pemurnian dan untuk proses penahanan cairan logam pada temperatur tertentu (holding furnace). Tanur ini biasanya memiliki kapasitas untuk menampung cairan logam sebanyak 5 – 25 ton. Keuntungan dari penggunaan tanur busur api adalah:
• busur api yang terbentuk merupakan sumber panas tanpa resiko terkena kontaminasi, sehingga kemurnian cairan logam dapat terjaga.
• penggunan panas dapat dikendalikan dengan mudah
• efisiensi panas sangat baik sekitar 70%, disamping muncul biaya yang tinggi akibat kebutuhan listrik merupakan kerugian dari penggunaan tanur jenis ini.
• lapisan udara diatas cairan logam mudah untuk dikendalikan
• kehilangan (losses) bahan paduan seperti crom, nikel, dan tungsten yang rendah.

Material logam dapat mencair karena adanya elektroda yang dihubungkan dengan rangkaian listrik (electrical circuit) yang akan membentuk suatu busur api yang akan mencairkan logam. Electric arc-furnace menggunakan tiga buah elektrode yaitu sesuai dengan jumlah phase dari aliran listrik yang digunakan. Arus yang digunakan adalah arus bolak-balik 3 phase ( 3 alternating current). Pada electric arc-furnace ini bahan isian akan dipanaskan dan dicairkan oleh adanya radiasi dari busur listrik (electric arc) yang terjadi antara electrode-electrode yang digunakan. Pada instalasi electric arc furnace ini digunakan step-down transformer yang berguna menurunkan tegangan (voltage) aliran listrik yang tinggi yang akan digunakan memanaskan dan mencairkan bahan isian.

Tanur busur api memiliki lapisan baja berbentuk silinder dengan landasan berbentuk lengkung atau datar yang ditopang rol penahan yang memungkinkan tanur untuk dimiringkan. Sebagai gambaran, tanur busur api yang memiliki kapasitas 10 ton memiliki diameter luar sebesar 3 meter, diameter dalam bahan tahan api sebesar 2,4 meter, tinggi 2,25 meter dan memiliki lapisan baja setebal 25 mm , sedangkan power input sebesar 850 kva sampai dengan 30.000 kva.

Prinsip Dasar Pemanasan Material Pada Tanur Busur Api

Prinsip timbulnya panas pada tanur busur api adalah panas timbul akibat adanya tahanan (resistansi) saat arus listrik mengalir. Dalam hal ini, logam yang dimuatkan dalam tanur yang akan memberikan tahanan terhadap arus listrik. Saat logam mencair, terak akan memberikan tahanan pada aliran arus listrik. Untuk mempertahankan pemberian panas saat logam telah mencair, elektroda harus diangkat sehinnga elektroda tersebut hanya menyentuh permukaan lapisan terak.

Panas dihasilkan oleh loncatan electron (busur api) dengan aliran listrik dengan adanya aliran listrik ini maka, akan menimbulkan aliran induksi dalam cairan yang akan menyebabkan terjadinya gerak cairan,sehingga homogenisasi cairan dapat terjadi.

Elektroda

Elektodenya dibuat dari bahan Carbon atau grafit dimana elektrode dari bahan grafit lebih menguntungkan sebab lebih tahan terhadap temperatur tinggi. Ketiga elektrode yang digunakan, semakin lama akan semakin pendek di bagian ujung bawahnya disebabkan panas yang terjadi pada ujung tersebut. Pada saat operasi/bekerja, ketiga elektrode diturunkan secara bersama-sama hingga menyinggung bahan isian.

Agar terbentuk busur api, tiga elektroda dipasang secara vertical dalam formasi segitiga. Elektroda dikelilingi pendingin dan penutup untuk mendinginkan dan mengurangi gas yang keluar lewat elektroda. Ketiga elektroda yang digunakan dapat dinaikan atau diturunkan secara otomatis dengan menggunakan perangkat pengendali listrik atau hidrolik. Sistem kendali manual dan otomatis digunakan untuk menaikkan, menurunkan, dan menggeser elektroda saat proses peleburan berlangsung. Jika elektrode tersebut sudah pendek, perlu diganti yang baru.

Proses Pemuatan

Saat proses pemuatan penutup tanur dibuka, dan setelah material dimuatkan kedalam tanur, kemudian penutup ditutup kembali, elektroda diturunkan , dan aliran listrik diberikan. Elektroda diturunkan sampai dasar sampai cairan logam mulai terkumpul dan mulai naik. Elektroda kemudian dinaikan secara bertahap seiring dengan kenaikan permukaan cairan logam.

Untuk mendapatkan hasil yang optimal dari proses peleburan dengan menggunakan tanur busur api dapat dicapai dengan melakukan proses perencanaan dan pengendalian pemuatan yang baik. Secara umum komposisi pemuatan adalah sebagai berikut :
• bahan baku dengan ukuran besar/tebal sebanyak 40%
• bahan baku dengan ukuran medium sebanyak 40%
• bahan baku dengan ukuran kecil sebanyak 20%

Penggunaan sistem saluran dengan ukuran yang besar ( tebal ) akan mengakibatkan proses peleburan menjadi semakin lama. Pemuatan bahan baku dilakukan dengan cara sebagai berikut :
• distribusikan bahan baku pada seluruh permukaan tanur
• hindari bahan baku yang terkumpul dibawah elektroda
• akan lebih mudah apabila bahan baku dengan ukuran kecil diletakan diatas bahan baku yang besar/tebal.

Proses Peleburan

Proses peleburan baja dengan tanur busur api terbagi menjadi dua proses, yaitu :
• Proses terak asam
• Proses terak basa

Terak asam pada dasarnya mengandung Silika yang terdapat dalam ikatan ikatan kimia FeMnS (iron manganese silicate).Terak ini terbentuk akibat reaksi oksidasi. Pada tahapan ini terjadi proses pemurnian dari cairan logam yang dilakukan dengan pengendalian dalam penghilangan (reduksi) beberapa unsur seperti carbon, mangan dan silicon melalui proses oksidasi.

Proses penghilangan phosphor dan sulfur sulit dilakukan. Pengontrolan kandungan kedua unsur tersebut hanya dapat dilakukan dengan pemilihan secara ketat bahan yang dimuat, dimana bahan yang dimuat harus memiliki kandungan rendah dari kedua unsur tersebut.

Pada proses terak basa, perhatian pada kandungan sulfur dan phosphor tidak perlu dilakukan selama kedua unsur tersebut dapat dikurangi/dihilangkan dengan pemilihan material yang tepat. Pada peleburan baja paduan, dapat dilakukan dengan melakukan pemuatan menggunakan bahan baku dengan kandungan karbon yang rendah, dan untuk mencapai kandungan kimia akhir dilakukan dengan menambahkan bahan paduan.

Pada tahap ini untuk pengikatan terak dilakukan dengan penambahan bijih besi dan batu kapur yang ditambahkan pada saat pemuatan awal atau pada saat bahan baku telah mencair. Penambahan bijih besi dan batu kapur saat awal proses peleburan dapat mengakibatkan hilangnya unsur phosphor. Yang harus diperhatikan pada pemberian bijih besi dan batu kapur adalah :

• kedua bahan tersebut dapat memperlambat proses peleburan
• hindari saat pemasukan kedua bahan tersebut dibawah busur api yang juga akan merusak elektroda.
• pemberian bijih besi tergantung dari kebersihan skrap yang digunakan
• pemberian batu kapur bervariasi, berkisar antara 2% - 5 % dari total bahan baku yang digunakan, tergantung dari kandungan sulphur dan phosphor yang akan dihilangkan.

Komposisi aktual dari terak yang terbentuk pada saat pendidihan tergantung dari kandungan carbon pada cairan logam serta proses desulphurisasi dan dephosporisasi.

1) Tahap pencairan

Yaitu tahap pertama peleburan dimana bahan baku pada diubah menjadi material cai hingga temperature 15500C – 16000C. Disini reaksi-reaksi dalam terhadap elemen-elemen yang dikandungnya (C, Mn, S, Si, P, Cr) mulai berlangsung dengan pembubuhan besi oksid , sebagai pereaksi.
Fe3O4 -----------> 4 FeO
Fe2O3 -----------> 3 FeO
Perhatikan persamaan-persamaan reaksi berikut ini :
• C + FeO -----------> Fe + CO ( belum terjadi pendidihan )
• Si + 2 FeO -----------> SiO2 + 2 Fe
• Mn + FeO -----------> MnO + Fe ( terjadi pada temperatur relative rendah )
• 2 P + 5 FeO -----------> 5 Fe + P2O5
• 2 Cr + 3 FeO -----------> Cr2O3 + 3 Fe
Tahap ini berlangsung selama 1,5 jam dan diakhiri dengan pembuangan terak.

2) Tahap Pembersihan

Dilakukan dengan pembubuhan bahan pembawa CaO dan FeO sebanyak 3% - 4% dari seluruh berat bahan baku. Pada temperatur tinggi, reaksi C + FeO ----> Fe + CO akan mengakibatkan terjadi pendidihan. Penambahan CaO akan terjadi pengikatan elemen Cr, V, Ni, W, Al, Zn dan B menjadi terak. Lama dari tahap ini sekitar 30 menit setelah pembersihan ini akan menghasilkan :C turun sampai 0,5%, Si < 0,1%, Mn < 0,1%, P = 0,02 %, S = 0,04 %, Cairan mengandung O2 yang tidak mengambil kotoran ( tidak ada yang dioksidasi ).

3) Tahap Penyelesaian

Tujuan tahap ini adalah untuk :
• Menyingkirkan O2 dari cairan
• Penataan susunan komposisi
• Desulfurisasi akhir
• Pencapaian temperature ideal untuk penuangan
• Penyingkiran sisa-sisa deoksidasi
• Deoksidasi akhir

Pada tahap ini temperature dinaikan hingga 16500C – 17000C, dan membutuhkan waktu sekitar 30 menit.

Peralatan Pendukung Pada Tanur Busur Api

1) Pendingin air, digunakan pada tanur busur api untuk mendinginkan bagian-bagian penting dari tanur, yaitu: pemegang, lengan dan penjepit elektroda, bagian penutup tanur, aerah sekitar pintu
2) Peralatan preheating (pemanasan awal) material yang akan dilebur, dilakukan dengan menggunakan gas alam atau bahan bakan cair lainnya, akan mengurangi penggunaan energi listrik saat proses peleburan. Dengan dilakukan pemanasan awal akan mengurangi waktu peleburan serta akan mengurangi oksida – oksida dari bahan baku yang kemudian akan memperpanjang usia bahan pelapis tanur dan elektroda.
3) Penghisap debu dan asap, sebagai peralatan pendukung pada tanur busur api:
a) Ventilasi (saluran udara) digunakan untuk memisahkan debu dan asap
b) Pengisap debu dan asap yang di pasang langsung diatas tanur
c) Penghisap debu dan asap yang menutupi permukaan tanur
d) Penghisap debu dan asap berbentuk canopy

2. Tanur Induksi

Secara umum tanur induksi digolongkan sebagai tanur peleburan (melting furnace) dengan frekuensi kerja jala-jala (50 Hz) sampai frekuensi tinggi (10000 Hz) dan tanur penahan panas (holding furnace) yang bekerja pada frekuensi jala-jala. Prinsip kerja induction furnace hampir sama dengan kerja transformator, dimana ada lilitan litsrik berfrekuensi tinggi, maka akan didapatkan/timbul arus induksi dalam lilitan sekunder yang terdiri dari crucible dan isian logam cair.

Arus induksi (arus Eddy) memanaskan dan mencairkan bahan isian. Pemilihan frekuensi kerja tanur peleburan sangat erat hubungannya dengan material yang dilebur maupun kapasitas peleburan, mengingat frekuensi kerja tersebut akan mengakibatkan terjadinya gejolak cairan (stirring) selama proses peleburan dengan tinggi puncak yang berbeda-beda. Sedangkan semakin tinggi frekuensi kerja maka akan naik pula kapasitas peleburan. Dengan demikian kompromi antara kebutuhan kapasitas dengan akibat yang akan ditimbulkan oleh gejolak cairan terhadap material perlu dilakukan.

Tanur penahan panas berfungsi sebagai tempat penyimpanan cairan, sehingga memerlukan daya yang relative kecil namun memiliki kapasitas yang sangat besar. Proses peleburan dengan menggunakan tanur jenis ini dapat dilakukan, namun harus selalu diawali dengan bahan cair dan pemasukan bahan padat yang dihitung sedemikian rupa agar tidak terjadi pembekuan didalam tanur.

Prinsip Dasar Pemanasan Dengan Induksi

Prinsip pemanasan pada benda yang diletakkan diantara medan electromagnetic arus bolak-balik akan ditembus oleh medan listrik induksi mengakibatkan naiknya temperature bahan. Laju kenaikkan temperature akan berbeda-beda untuk setiap jenis maupun ukuran bahan sebab resistansi dari setiap bahan tersebut berbeda.


Sebatang silinder logam diletakan pada sebuah kumparan yang dialiri arus bolak-balik, maka medan magnet yang terbentuk oleh kumparan akan menimbulkan arus induksi pada silinder logam. Silinder logam menjadi panas oleh energi panas joule yang timbul akibat lompatan electron dari arus induksi yang terhambat oleh resistansi dari logam.

Pada pemanasan dengan induksi gelombang magnetis dipancarkan dari kumparan kepermukaan benda serta menembus benda tersebut hingga kedalaman tertentu, maka sepanjang penampang medan magnit ini akan timbul arus induksi.

Dilihat dari prinsip kerjanya maka tanur induksi dikategorikan menjadi :
• Tanur induksi saluran
• Tanur induksi krus

Pada umumnya tanur induksi saluran digunakan sebagai alat penahan panas cairan (holding furnace), sedangkan untuk keperluan peleburan tanur induksi yang digunakan adalah jenis krus. Krus terbuat dari bahan refractory yang dipadatkan dan disinter didalam tanur tersebut.

Diameter krus yang terlalu besar mengakibatkan panas akan terserap terlalu banyak oleh bagian cairan yang tidak terjangkau induksi. Sehingga laju pemanasan cairan akan menjadi terlalu lambat. Sebaliknya bila diameter krus terlalu kecil, akan terjadi overheat pada cairan karena laju pemanasannya terlalu tinggi.

Efisiensi Peleburan Dengan Tanur Induksi

Pemanasan tanur induksi efisiensi akan semakin tinggi pada bahan baku yang lebih besar tanpa dipengaruhi oleh frekuensi kerjanya. Pada awal proses peleburan selalu dipilih bahan baku dengan dimensi mendekati diameter dalam krus. Muatan awal ini minimum harus dapat mengisi 20% dari kapasitas tanur.

Penggunaan tanur induksi frekuensi jala-jala, untuk peleburan dari bahan padat hanya dapat dimulai dengan muatan awal yang dibuat sebagai balok yang massif (starting block). Untuk menghindari pemakaian starting block harus disisakan sebanyak 1/3 dari kapasitas tanur sebagai muatan awal. Hal ini disebabkan oleh besarnya kedalaman penetrasi sehingga membutuhkan bahan baku berukuran besar.

Tanur dengan frekuensi lebih tinggi (frekuensi medium) diawali dengan bahan baku berukuran kecil. Selama bahan belum mencair, setiap potongan bahan akan terjadi arus induksi yang mengakibatkan naiknya temperature potongan bahan tersebut. Laju kenaikan temperature lebih tinggi pada potongan bahan yang paling dekat dengan kumparan.

Bahan baku yang telah mencair dipanaskan terus hingga mencapai temperature ideal proses peleburan. Pada saat ini akan terjadi gejolak cairan (steering) akibat adanya gaya yang timbul dari medan induksi dan bergerak secara pheryperal.

Gejolak cairan ini pada proses peleburan menjadi hal yang menguntungkan, dimana akan terjadi distribusi temperature maupun homogenisasi paduan yang baik didalam cairan terutama pada saat dilakukan rekarburisasi. Namun demikian gejolak yang besar juga akan meningkatkan laju oksidasi serta erosi pada lining. Oleh karena itu rancangan tanur induksi untuk peleburan bahan tertentu harus memperhatikan fenomena tersebut.

Langkah Operasi Peleburan Tanur Induksi

Berikut diuraikan langkah operasi peleburan induksi beserta ilustrasinya :

1. Memasukan bahan dasar
2. Pemanasan awal kurang lebih selama 15 menit dengan pemberian beban 10 kW.
3. Pemberian beban 60 – 120 kW
4. Setelah bahan mulai mencair, masukan bahan selanjutnya
5. Penambahan beban 120 – 190 kW (full power), hingga seluruh bahan mencair.
6. Masukan bahan paduan
7. Ukur temperatur cairan sebelum pengambilan sampel
8. Pengambilan sampel pada temperatur kesetimbangan (lihat tabel), kemudian periksa komposisi dari sampel ke laboratorium.
9. Penahanan temperatur sedikit diatas temperatur didih dengan pembebanan 60 kW.
10. Lakukan koreksi, bila komposisi belum mencapai target yang diinginkan
11. Naikan temperatur sampai temperatur taping yang diinginkan, periksa temperatur
12. Tapping

Keuntungan-keuntungan Induction furnace dibandingkan Electric arc furnace

1. Tidak menggunakan elektrode sehingga mengurangi karburasi yaitu masuknya karbon ke dalam baja.
2. Pengontrolan selama operasi lebih mudah.
3. Terjadi sirkulasi logam cair sehingga mempercepat reaksi kimia yang etrjadi.
4. Baja yang dihasilkan lebih homogen.

Daya yang diperlukan dari frekuensi arus yang disediakan pada kumparan induktor tergantung pada kapasitas crucible (diameternya) dan jenis bahan isiannya. Inductioan furnace biasanya beroperasi pada arus dengan frekuensi 500 - 2500 Cps (dapur kapaitas besar beroperasi pada fkrekuensi rendah). Rating generator yang digunakan bervariasi dari 0,4 - 1 KW/kg bahan isian.

Crucible dapur ini dapat bersifat asam atau basa, dengan lapisan asam dibuat dari tanah quarsite dengan bahan pengikat bubuk asamboric sampai 1,5%, dan lapisan basa dibuat dari bubuk magnesite (MgO) dengan bahan pengikat asam boric sampai 3%. Dapur Induction furnace banyak digunakan dalam pembuatan baja paduan tinggi (high alloy stell) dan paduan khusus (special purpose alloy).

Pengetapan Dan Penuangan Baja. (Tapping and Pouring the Steel)

Baja cair yang dihasilkan dari dapur-dapur seperti telah diterangkan di atas kemudian ditap dalam ladle yang dipanaskan terlebih dahulu. Pemanasan ladle perlu dilakukan untuk menjaga temperatur baja cair tidak banyak berkurang kapasitas lodle harus sesuai dengan keperluan. Dari ladle tersebut baja cair dituangkan ke dalam cetakan logam (metal mould) untuk menghasilkan ingot atau ke dalam cetakan pasir (sand mould) untuk menghasilkan baja tuang (steel casting).