ABSTRAK

STUDI ANTIOKSIDASI PADA REFRAKTORI MgO-C

MONOLITIK DENGAN BAHAN PENGIKAT TAR-RESIN

Oleh :

Hady EfendyNIM : 30504001

Kebutuhan bahan refraktori dalam industri pengolahan bijih besi dan logam semakin meningkat seiring perkembangan teknologi. Refraktori monolitik memiliki prospek pasar yang baik di masa akan datang untuk itu diperlukan penelitian lebih lanjut dalam perkembangannya. Masalah yang dihadapi refraktori jenis monolitik saat ini adalah bagaimana mencari refraktori monolitik yang memiliki sifat mekanik yang sama atau mendekati sifat refraktori jenis bata. Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan monolitik tidak berbeda dengan yang digunakan dalam proses pembuatan refraktori jenis bata. Penelitian dan pengembangan terhadap proses dan penentuan komposisi bahan refraktori monolitik untuk memperoleh sifat refraktori monolitik yang lebih baik. Refraktori MgO-C banyak digunakan dalam industri pengolahan logam, seperti pada lapisan dinding Basic Oxygen Furnace (BOF), Tungku Busur Listrik (Electric Arc Furnace/EAF), maupun Tanur Pemurni (Converter). MgO-C memiliki ketahanan baik terhadap korosi yang disebabkan oleh slag dan juga terhadap tegangan termal. Kontak langsung antara MgO-C dengan logam cair menurunkan kandungan karbon karena oksidasi karbon menghasilkan gas CO2. Pembentukan lapisan padat MgO di permukaan refraktori mencegah reduksi karbon selanjutnya dan penetrasi slag dan logam cair. Kompetisi antara pembentukan MgO dan oksidasi karbon meningkatkan pembentukan pori dan sangat menurunkan kekuatan mekanik refraktori.

Dalam penelitian ini dibuat refraktori monolitik dari bahan castable yang terdiri dari oksida (MgO = 86% berat), grafit dan 3-7 % berat (terhadap castable) antioksidan yang terdiri dari berbagai jenis logam (Al, Mg, Si, Al-Mg dan Al-Si). Minyak tar batubara, resin fenolik dan kombinasinya digunakan sebagai pengikat. Semua sampel refraktori MgO-C monolitik dipanaskan hingga temperatur 1400oC dalam kondisi atmosferik sebelum dilakukan penentuan densitas, porositas, Cold Crushing Strength (CCS), Modulus of Rupture (MOR) dan Hot Modulus of Rupture (HMOR) yang mengacu pada standar pengujian ASTM. Penentuan struktur bahan dilakukan dengan menggunakan peralatan X-Ray Difractometer

ii

(XRD), Fourier Transporm Infrared (FT-IR), Scanning Electron Microscope/Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (SEM/EDS), Differential Thermal Analysis (DTA) dan Thermogravimetri Analysis (TGA). Dari penelitian ini didapatkan bahwa sifat mekanik bahan refraktori yang lebih baik dihasilkan dengan menggunakan kombinasi bahan pengikat tar-resin. Dengan demikian penggunaan resin formaldehid dapat dikurangi sampai ke tingkat yang ramah lingkungan. Perbandingan sampel dilakukan dengan bahan pengikat, tar, resin dan tar-resin setelah diberikan perlakuan panas pada temperatur operasi 800oC. Bahan refraktori MgO-C monolitik dengan menggunakan bahan pengikat tar-resin akan mengalami proses grafitisasi pada 457,79oC dalam fasa cair. Kondisi ini berperan penting dalam proses penyebaran grafit ke seluruh bagian dari bahan sehingga memberikan ketahanan terhadap oksidasi dan korosi yang disebabkan oleh slag pada saat aplikasinya. Penjelasan fenomena selanjutnya didiskusikan secara lebih rinci dalam disertasi ini.

Peningkatan sifat mekanik refraktori MgO-C monolitik selanjutnya diperoleh dengan penambahan logam sebagai antioksidan. Penambahan 5% Al mengurangi porositas hingga 49,91%, 5% Al-Mg meningkatkan HMOR hingga 67,09%; 5% Al-Si meningkatkan MOR hingga 71,71% dan 7% Al-Mg menurunkan CCS hingga 10,25%. Tanpa adanya antioksidan, hasil dekomposisi dalam fasa gas tersebut menyebabkan pori terbuka pada bahan yang mengakibatkan oksidasi karbon. Pori yang terbentuk sekitar 15-20% pada temperatur di atas 800oC. Adanya antioksidan logam berfungsi sebagai media oksidasi untuk membentuk oksida logam, seperti MgO, Al2O3), spinel (MgAl2O4), forsterite (Mg2SiO4) dalam matrik bahan refraktori. Di samping itu, aluminium karbida (Al4C3) juga terbentuk, sehingga semua senyawa tersebut menghambat pembentukan pori dan oksidasi karbon selanjutnya. Dengan demikian ketahanan korosi bahan refraktori monolitik meningkat.

Kata Kunci : Antioksidan, Binder, Tar-Resin, Monolitik, MgO-C, Refraktori.

iii

ABSTRACT

STUDY OF ANTIOXIDATIONS IN REFRACTORIES MgO-C MONOLITH WITH TAR-RESIN BINDER

By :

Hady EfendyNIM : 30504001

Technological advancement demands large consumption of refractory materials in the steelmaking industries. Monolithic refractory materials have future market prospect due to their simplicity in production process than that of conventional firebrick. Unfortunately, monolithic refractory materials have inferior mechanical properties compared to firebrick, although they were developed from similar raw materials. Thus, advanced researches on improving material properties are imperatively needed. Immediate challenge is to obtain a new process method and correct composition for fabricating better properties of monolithic refractory materials.

MgO-C refractories are commonly used in steelmaking industry, as a cover-wall in Basic Oxygen Furnace (BOF), Electric Arc Furnace (EAF), and Converter, due to their corrosion resistance to both slag and thermal stresses. Direct contact of liquid metal with MgO-C reduces the carbon content, because of carbon oxidation producing CO2 gases. On the other hand, solid MgO forms on the surface which prevents further carbon reduction, as well as penetration of slag and metal liquid into refractory. However, there is a competition between MgO formation and carbon oxidation which enhances pores formation, and then reduces significantly the mechanical strength of materials.

In this research monolithic refractory samples were prepared using 86% weight of MgO, graphite, and 3-7% weight of various antioxidant metals (Al, Mg, Si, Al-Mg, Al-Si). Coal tar oil, phenolic resin, and their combination were used as binders. The samples were heat treated up to 1400oC in the ambient environment prior to the characterization of sample density, porosity Cold Crushing Strength (CCS), Modulus of Rupture (MOR) and Hot Modulus of Rupture (HMOR), according to ASTM standard measurement. Structural properties were examined using X-Ray Diffractometer (XRD), Fourier Transform Infrared (FT-IR), Scanning Electron Microscope/Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (SEM/EDS), Differentian Thermal Analysis (DTA) and Thermogravimetri Analysis (TGA).

iv

It was found that better mechanical properties of monolithic refractory material can be produced using the combination of tar-resin binder. In this case, the use of formaldehyde resin has been reduced to the health environmentally acceptable level. The comparison was made among samples produced, using tar, resin, and tar-resin binders after heat treated at the operation temperature of 1200oC. It is important to note that graphitization and pyrolysis process have taken place at temperature as low as 457.79oC and in liquid phase, respectively. This condition mediated graphite distribution in the monolithic refractory matrix, which in turn prevented corrosion and enhanced the oxidation resistances. Further phenomena were discussed in detail.

Further improvement of mechanical properties was obtained by addition of metal antioxidant. Adding 5% Al suppressed the porosity to 49.91%, 5% Al-Mg increased the HMOR to 67.09%, 5% Al-Si enhanced MOR to 71.71%, and 7% Al-Mg reduced CCS to 10.25%. Without metal-antioxidant the decomposition of binder to form H2, H2O, CO and CO2 gases took place at 200oC. These gaseous products released through and opened up the pores which caused the carbon oxidation. The formed pores were about 15-20% at temperature higher than 800oC. The spreading metal-antioxidant within the matrix acted as an immediate oxidation media to form metal-oxides, such as MgO, Al2O3, spinel (MgAl2O4), and forsterite (Mg2SiO4) through out the matrix. In addition, aluminum-carbide (Al4C3) was also formed, so that all of them prevented further pores formation and carbon oxidation, and therefore enhanced corrosion strength of monolithic refractory.

Key Words : Antioksidant, Binder, Tar-Resin, Monolithic, MgO-C, Refraktori.

v

STUDI ANTIOKSIDASI PADA REFRAKTORI MgO-C

MONOLITIK DENGAN BAHAN PENGIKAT TAR-RESIN

Oleh :

Hady Efendy

NIM : 30504001

Institut Teknologi Bandung

Menyetujui

Tim Pembimbing

Tanggal, 28 Juni 2008

Ketua

(Dr. Cynthia Linaya Radiman)

Anggota Anggota

(Dr. Ir. Aditianto Ramelan) (Dr. Ir. Ahmad Nuruddin)

vi

Dengan penuh rasa hormat dan ucapan terima kasih yang setulus-tulusnya kepada DR-Ing Cynthia Linaya Radiman, DR.Ir. Aditianto Ramelan, DR.Ir. Ahmad Nuruddin dan DR. Bambang Ariwahjoedi, MSc.Tech atas bimbingan yang diberikannya

Kupersembahkan bagi Istriku tercinta Dwi Yani Amiruddin serta Putriku Widya Fathimah Ramadanti.

vii

PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI

Disertasi Doktor yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan

Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa

hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HAKI yang berlaku di

Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi

pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus

disertai dengan kebiasaan ilmiah