Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

DISTRIBUSI MANGAN DAN DELERANG PADA DESI CAlK DAN SLAGDALAM SISTEM CaOjenuh -SiOz -FetO I

I Ketut Nuraga Pata 2, Nobuo Sa no 3 dan Kazuki Morita 3

ABSTRAKDISTRIBUSI MANGAN DAN BELERANG PADA BESI c.'AIR DAN SLAG DALAM SISTEM CaO~ -S102 -FeIO.

Untuk meningkatkan kualitas besi baja, kandungan mangan dalam baja perlu ditingkatkan,sedangkan kandungan belerang dalam bajaharus ditekan serendah mungkin. Mangan diperlukan untuk memperbaiki sifat-sifat pengerasan baja dan mencegah penggetasan olehbelerang. Sedangkan belerang bersifat racun dalam baja, karena menyebabkan penggetasan pada baja. Salah satu fakor penting untukmengontrol kandungan mangan dan belerang, adalah niiai perbandingan distribusi mangan dan belerang pada besi cair dan slag.Penelitian ini dilakukan untuk mengukur perbandingan kesetimbangan mangan dan belerang pada besi cair dan slag, dalam tahapproses pemumian baja. Kandungan mangan akan meningkat dan kandungan belerang akan menurun dengan penambahan CaD dalamslag. Pengukuran distribusi mangan dan belerang dilakukan pada suhu 1873 K dengan kesetimbangan kimia. Oari hasil percobandiperoleh, koefisien aktivitas MnO, FeO, FeOlS sedikit meningkat. Perhitungan untuk kapasitas belerang menunjukan nilai tetap yangcukup besar, 6x1O.2 pada suhu 1873 K dalam komposisi slag yang diteliti. Penambahan CaO pada slag mengakibatkan perbandingandistribusi mangan menurun dari 112 sampai 75 dan perbandingan distribusi belerang tetap sebesar II

ABSTRACTTHE MANGANESE AND SULFUR DISTRIBUTION BETWEEN 'fELT IRON AND CaOsat. -SI02 -Fe,O SLAG. It is

necessary to increase the manganese content in steel, whereas the sulfur content in steel must be decreasing as low as possible, in order tomake high-quality steel. Mangan is required for improving steel hardness and for preventing steel from sulfur embriUelment. Sulfurwhich is hannful element must be eliminated because it is a potent embritter of steel. The ratio of manganese and sulfur distributionbecome one of the most important factors in order to control manganese and sulfur content in steel. This research aim is to measuremanganese and sulfur distribution between melt iron and slag at steel refining process. Manganese content will increase, while sulfurcontent will decrease with CaO doping in slag. The measurement of the manganese and sulfur distribution was carried out by chemicalequilibrium at 1873 K In the composition range studied, the activity coefficient of MnO, FeO.. FeOI5 were found slightly increase withthe increasing CaD content of the slag. At 1873 K the calculation of sulfide capacity, which is constant value, exhibited large enough to6x I 0.2 under the composition of slag by this research. CaD doping in slag resulted in decreasing the ratio of manganese dib-tribution from112 to 75. while the ratio of sulfur distribution was constant at II.

PENDAHULUAN

Mangan (Mn) adalah salah satu unsuryang penting dalam baja. Merupakan unsurpeng-deoksidasi yang sangat dibutuhkan didalam proses pemurnian baja. Telah diketahuipula ballwa mangan diperlukan untukmemperbaiki sifat-sifat pengerasan baja,mencegah penggetasan oleh belerang dansebagainya. Karena sifat yang menguntungkanini, pengontrolan kandungan mangan selamaproses pembuatan baja adalah hal yang sangatpenting. Pengaturan kandungan mangan didalam baja umumnya digunakan ferromanganyang ditambahkan pacta proses di tungkukonverter [1]. Penggunaan biji mangan yangberhubungan dengan usaha menekan biayaproduksi mulai banyak perhatikan. Disampingitu, pacta proses pemurnian baja di tungkukonverter, mangan sangat mudah teroksidasi,menyebabkan kehilangan mangan di dalamlogam (baja) daD berpindah ke slag. Salah satufaktor penting untuk mengendalikankehilangan mangan di dalam baja adalah nilaiperbandingan distribusi mangan diantaralogam dan slag. Akan tetapi data

tennodinamika MnO dalam slag konverterpada kondisi CaO jenuh. belum cukup banyakdiketahui.

Dilain pihak, belerang (S) adalah unsur

yang dapat mengakibatkan penurunan(degradasi) sifat -sifat baja. Antara lain,penggetasan pada suhu tinggi pada saatpengerjaan panas dan mempercepat prosespengkaratan. Salah satu yang perlu diwaspadaipada belerang adalah sifat racunnya, makatuntutan baja berkadar belerang rendahsemakin meningkat. Untuk menurunkankandungan belerang lebih rendah lagi, padatahap proses pembuatan pig iron, digunakanfluks CaO dan Na2CO3 untuk menyerap danmembuang belerang, dan akhir-akhir inidesu/furisasi banyak dilakukan denganmenggunakan logam Ca dan Mg. Perilaku

belerang sampai pada proses pembuatan pigiron telah banyak diteliti (1 J, tetapi pada prosespemumian baja belum banyak publikasi hasilpenelitian untuk itu.

Penelitian ini bertujuan untuk mengukurkesetimbangan distribusi mangan dan belerangdalam tahap proses pemumian baja dengansistim slag CaOjenuJ1 -SiC" -F~O, dan juga

I Dipresentasikan pada Pertemuan llmiah Sains Materi, Serpong 22-23 Oktober 1996

2PPSM, BAT AN, SERPONG3Dept.of Metallurgy, Fac.of Engineering, University of Tokyo

."7

menganalisa data termodinamika mangan danbelerang dalam slag.

-0%SiO2 -60%FetO -0.46%CaS serta besirnurni dipanaskan pada suhu 1873 K selarna 30-120 rnenit. Setelah percobaan selesai,ditentukan nilai kesetirnbangan distribusi yangtidak berubah terhadap waktu. Dilain pihakslag dengan kornposisi sarna dengan diatas,bersarna -sarna dengan besi yang rnengandung0.2%Mn atau 0.02%S dipanaskan selarnawaktu daD suhu yang sarna. Setelah percobaanselesai, ditentukan nilai kesetirnbangandistribusinya yang tidak berubah terhadapwaktu.

PERCOBAAN

Slag (CaO, SiO2, Fe203, MnO atau CaS)dengan komposisi yang ditetapkan dimasukkanke dalam cawan CaO bersama logam besimumi masing-masing sebanyak 5 gram.Campuran kemudian dilelehkan dengan tanurlistrik pada suhu 1873 K selama 45 sampaidengan 90 menit dalam kondisi gas Argon.Setelah itu dilakukan pendinginan cepatdengan gas Argon. Kemudian logam daD slagdipisahkan untuk dianalisis. Analisis mangandilakukan dengan teknik spektroskopi serapanatom (SSA), sementara analisis belerangdilakukan dengan cara pengukuran penyerapansinar inframerah pada pembakaran induksi.Tampang lintang alai yang digunakanditunjukkan pada Gambar I.

BASIL DAN PEMBABASAN

Gambar 1. Penampang lintang alat percobaan

1. Penentuan pencapaian waktukesetimbangan

Waktu pencapaian kesetimbangandistribusi mangan diantara slag daD besi (besimurni), didapatkan setelah 30 menit dengannilai perbandingan distribusi tetap 100.Sementara itu perbandingan distribusi mangandiantara slag daD besi yang mengandung 0.2%Mn untuk nilai tetap 100 juga dicapai setelah30 menit. Sedangkan perbandingan distribusibelerang diantara slag daD besi murni atauyang mengandung 0.02% S, mendapatkan nilaitetap 11 setelah 60 menit. Dengan demikianwaktu percobaan untuk pengukuranperbandingan distribusi mangan daD belerangmasing-masing ditetapkan selama 30 daD 60menit.

Hasil percobaan penentuan kesetimbangandistribusi rnangan daD belerang ditarnpilkanpada Tabell daD Tabel2.2. Ketergantungan kelarutan CaO terhadapkomposisi slag

Pada percobaan ini digunakan cawan CaDdengan tujuan agar selarna daD setelahpercobaan, kandungan CaD tetap jenuh. Hasilpercobaan untuk liquidus dalam sistem ternaryCaD -SiOz -F~O pada suhu 1873 Kditampilkan dengan titik hitam pada Garnbar 2daD Garnbar 3. Sedangkan garis putus -putusrnenunjukan hasil yang didapatkan oleh Osbornet al [2]. Terlihat bahwa pada slag tanpapenarnbahan MnO, kelarutan CaD adalahsebesar 39% (Osborn et al.). Pada percobaanyang dilakukan dengan penarnbahan 2% MnO,kelarutan CaD rnenurun rnenjadi 36%, sesuaidengan basil dari Fischer et al [3].

Penarnbahan CaS ke dalam slag,rnenunjukan kelarutan CaD sarna besar denganyang didapatkan oleh Osborn et al., akan tetapidengan bertambahnya kandungan SiOz,kelarutan CaD rnenjadi turun.

Untuk mengetahui nilai kesetimbangandistribusi maRgan daD belerang diantara logamdaD slag CaOjenuJ1 -SiO2 -F~O, terlebih dahuluhams ditetapkan waktu tercapainyakesetimbangan distribusi tersebut, dengantujuan untuk menetapkan lalnanya waktupercobaan. Adapun langkah untuk menentukanlamanya waktu pencapaian waktukesetimbangan distribusi tersebut adalahsebagai berikut.

Slag dengan komposisi 46%CaO -

8.3%SiO2 -41.7%FetO -4%MnO dan 34%CaO

168

Gambar 2. Diagram rasa CaO -SiO2 -Fe,O padasuhu 1873 K dengan penambahan MnO. Gambar 4.Hubungan antara kesirnbangan distribusi

rnangan ( Lmn ) dengan kandungan CaD dalamslag CaD jenub -SiO2 -Fe,O pada suhu 1873 K

60 --0""""".% be~t """'-.~."'ob_- ,at SiC>,

-"'"

.;.~ CaO 0 20 40 60 80 F..O

% berat FqO

Gambar 3. Diagram rasa CaO -SiO2 -FetO padasuhu 1873 K dengan penambahan CaS

3. Hubungan kesetimbangan distribusimangan dengan kandungan CaO

Hubungan antara kesetimbangan distribusimangan (LMn) dengan kandungan CaO dapatdilihat pada Gambar 4. Terlihat bahwa seiringdengan penambahan kandungan CaO dalamslag, LMn juga mengalami penurunan.Penambahan CaO, salah satu komponen slagyang bersifat basa kuat, mengakibatkankoefisien aktivitas senyawa basa lainnyabertambah tinggi. Hal ini terjadi karena CaOyang tereduksi, membuat aktivitas 02-bertambah tinggi. F~O, merupakan senyawabersifat basa, koefisien aktivitasnya bertaIribahtinggi dengan penambahan CaO. Hal inimengakibatkan jumlah total Fe dalam slag(T.Fe) berkurang, (Tabel I). Reaksikesetimbangan distribusi mangan ditunjukandengan reaksi berikut

Mn + (F~O) ~ (MoO) + tFe (I)Dari reaksi kesetimbangan diatas, bilakandungan total besi dalam slag (T.Fe)berkurang, maka kandungan (MoO) juga akanberkurang, sebaliknya kandungan [Mn)bertambah. Sehingga perbandingan distribusimangan, LMn = (Mn)/[Mn), mengaJamipenurunan. Untuk menekan kehilanganmangan daTi logam ke slag agar rendah, dapatdilakukan dengan menambah kandungan CaOdalam slag.

4. Hubungan antara koefisien aktivitas MnO

dengan komposisi slagKoefisien aktivitas MnO dapat dihitung

dengan cara sebagai berikut.M!!- + Q ~ MnO(I) (2)

AGo = -224,300 + 107.6 T ~ol [4] (3)

a Y .XK2 = MnO = MnO MnO (4)

aMn .ao fMn .[%Mn].fo .[%0]persamaan (4) dapat disusun kembali menjadi

persamaan (5)logYMno = logf Mn +logfo +log[%Mn]

+log[%O]-log,,'( MnO +logK2 (5)Dengan memperhatikan faktor kandunganoksigen dalam besi, koefisien aktivitas besi bisadihitung dengan persamaan (6) dibawah ini.

Ilogf Mn = e~~[%Mn] + eftn [%0] (6)

eftn =- 0.083 [4]

ekJ~ = -0.00 [4]

dimanaKI : konstanta reaksi,aj : aktivitas komponen i

Xi: fraksi mol untuk komponen i

Yi : koefisien aktivitas komponen.i.I; : koefisien aktivitas komponen i yang

dinyatakan dengan persen berat

ei : tetapan pengaruh timbal balik tingkat 1J

komponen I terhadap komponen jKarena percobaan ini dilakukan dalam kondisi

argon, maka tekanan parsial oksigen dapatdihitung dari kandungan oksigen dalam besi

dengan cara sebagai berikut.

t02(g) ~ Q(inFe) (7)

AGo =-117,110-3.39T ~Iol [4] (8)

169

fQ[%O]--, I I (9)

PO21 PO21logK7 = logfo +log[%O]-tlogPo2 (10)

Sedangkan koefisien aktivitas oksigen yang adadalam besi dapat dihitung dengan memasukanfaktor pengaruh mangan dalam besi melalui

persamaan (11)

logfo =eg[%O]+e~"[%Mn] (11)1750-+0.76 [4]

[4]dimasukkan kelalu disusun

K_=~::::

0eO =-T

e~n = -0.021

Persamaan (II) dalampersamaan (10) menjadipersamaan (12)

logPo =2(eg[%O]+e~n[%Mn]2

+log[%O] -logK6) (12)Dari persamaan (I2) diketahui bahwa

tekanan parsial oksigen dapat dihitung denganmengetahui kandungan oksigen clan kandunganmangan dalam besi yang didapat dari basilanalisis.

Hubungan antara koefisien aktivitasmangan dengan kandungan CaO ditunjukkanpada Gambar 5. Terlihat bahwa koefisienaktivitas mangan semakin tinggi dengansemakin banyaknya kandungan CaO.

Untuk menghitung nilai koefisien aktivitasMnO dalam persamaan (5), dapat dilakukandengan memasukkan nilai kandungan oksigenclan mangan dalam besi, kandungan MnOdalam slag, daD nilai yang diperoleh danperhitungan untuk koefisien aktivitas mangandaD oksigen. Dari persamaan (5), (6), (II),faktor yang mempengaruhi nilai koefisienaktivitas MnO adalah, kandungan oksigendalam besi, clan kandungan mangan dalambesi. Karena percobaan ini dilakukan dalamkondisi gas argon, tekanan parsial oksigendalam besi .adalah tetap, dan. kandunganoksigen dalam besi adalah tetap. Telahdiketahui, dengan penambahan CaO dalamslag, kandungan mangan dalam besi bertambahbesar. Bertambah besarnya kandungan mangandalam besi, nilai K] clan kandungan oksigendalam besi adalah tetap, maka nilai koefisienaktivitas MnO bertambah tinggi.

5. Hubungan antara kesetimbangandistribusi belerang daD kapasitas belerang

dengan komposisi slag.Kesetimbangan distribusi belerang (Ls)

diantara logam (besi) dan slag CaDjenuh -SiD2 -

F~D digambarkan pada Gambar 6. Terlihatbahwa nilai Ls adalah tetap sebesar 11 dantidak berubah terhadap penambahankandungan CaD.

'"..J

Gambar 6. HubungaIl antara kesetimbangandistribusi belerang dengan kandungan CaD dalamslag CaD jenuh -SiO2 -Fep pada suhu 1873 K

15)

170

6xlO-2 dan tidak tergantung dari pertambahankandungan CaO.

Kemampuan slag untuk menyerap belerangdinyatakan sebagai kapasitas beferang olehRichardson [5] dengan definisi sebagai berikut.

(massD/oS2-). Po:! KI4.aOZ-Csz- = 1 = (16)Ps 2 f sZ-

zPada suhu daD komposisi slag yang tetap, K14,

ao2-, f sZ- dalam persarnaan (16) adalah tetap,

sehingga kapasitas belerang merupakan tetapaneigen untuk suatu slag. Untuk itu denganmernakai besaran kapasitas belerang, kita bisamembandingkan kemampuan desulfurisasiuntuk bermacamjenis slag.

Reaksi larutnya be1erang ke dalam bajaadalah sebagai berikut.

tS2(g) ~ ~ (17)

AGo = -125,100+18.5T ~ol [4] (18)

Dengan konstanta kesetimbangan

_~_h~K17 I

Ps "2 Ps "22 2

Koefisien aktivitas belerang dalam besi (f.)dituiiskan dalam persamaan berikutlog! s = e%[%S] +ef[%O] (20)

0 s 120es = -0.27 [8], es = --+0.018 [4]T

Dengan menggabungkan persamaan (16) dan(19), daD dengan mengetahui nilai kandunganbelerang dalam logam dan slag dari basilanalisis. nilai koefisian aktivitas belerang padapersamaan (20), rnaka kita dapat menghitungkapasitas belerang.

(19)

6. Hubungan antara koefisien aktivitas FeOdaD FeOl.5 dengan komposisi slag

Reaksi pernbentukan FeO dapatditunjukan pada persamaan reaksi (21)FeCI) +Q ~ FeOCI) (21)

AGo=-139,OOO+57.1T ~ol [4J[6J (22)Konstanta kesetirnbangan persamaan reaksi(21) dapat ditulis sebagai

aFeOK21 = (23)aFe .aQ

Karena nilai aktivitas Fe adalah sarna dengansatu (a Fe = 1), koefisien aktivitas FeO dapat

ditulis sebagailogYFeO =logao -logXFeO+logK21

= logfo +log[%O] -log X FeO +logK21

(24)Dari persamaan (24) kita dapat rnenghitungnilai koefisien aktivitas FeO.

Persarnaan reaksi pernbentukan FeOI5dapat ditulis sebagaiFeCI)+tQ ~ FeOl5 (25)

AGo =-240,OOO+135T ~ol [4J[6J (26)

dengan konstanta kesetirnbangan

aFea.,K25 = 1. (27)aFe' aQ2

Karena nilai aktivitas Fe adalah sama dengansatu( a Fe = I), maka koefisien aktivitas FeO15

dapat dituliskan rnenjadi persamaan (28).logy FeO.., = tlogaQ -logX Fea., + logK25

= t(logfo + log[O/oO])-logXFeOl,

+logK25 (28)Sehingga kita dapat rnenghitung nilai

koefisien aktivitas FeO15 daTi persamaan (28)di alas. Hubungan koefisien aktivitas FeO(y FeO) dengan kandungan CaO dalarn slag

CaOjenuh -Siaz -F~O dengan penarnbahanMnO (titik hitarn) atau CaS (titik putih) dapatdilihat pada Garnbar 8. Garis putus -putusadalah basil percobaan yang dilakukan olehNakamura [7J dengan rnenggunakan slag yangsarna dengan percobaan ini. Hasil yangdiperoleh rnenunjukan bahwa pertambahankandungan CaO akan rnengakibatkan nilaikoefisien aktivitas FeO bertambah besar.

171

lr-r-0

"0~

;1;'-0

~

O/., ""rat CaO

Gambar 8. Hubungan antara koefisien aktivitasFeO dengan kandungan CaO dalam slagCaO jenuh -SiO2 -FetO pada suhu 1873 K

Gambar 10. HubWlgan antara perbandinganFe" I dengan kandWlgan CaO dalam slag

IFe"CaO jenuh -SiO2 -FetO pada suhu 1873 K

Sedangkan untuk FeO]s dapat dilihat padaGambar 9. Terlihat bahwa penambahankandungan CaO tidak mengakibatkanperubahan terhadap nilai koefisien aktivitasFeO1S.

KESIMPULAN1. Perbandingan kesetimbangan distribusi

mangan di dalam slag CaOjenuh -SiO2 -F~O pada suhu 1873 K, mengecil dari 112menjadi 75, sejalan dengan pertambahankandungan CaD. Sedangkan perbandingandistribusi belerang tetap sebesar 11. Untukkemampuan penyerapan belerang(kapasitas belerang) didapat nilai tetapsebesar 6xl0-2.

2. Nilai koefisien aktivitas MnO daD FeD,bertambah besar sebanding denganpenambahan kandungan CaO.

UCAPAN TERIMAKASmPenulis mengucapkan terimakasih kepada

Prof. Nobuo Sano dari Universtas TokyoFakultas Teknik Jurusan Teknik Logam yangtelah banyak membantu sehingga tulisan inidapat diselesaikan. Kepada Kazuki Morita,PhD dan Shigeko Nakamura serta KichiaSuzuki dari Universitas Tokyo yang telahbanyak memberikan dorongan moral dalammenyelesaikan tulisan ini, penulismenyampaikan ucapan terimakasih.

Gambar 9. Hubtmgan antara koefisien aktivitasFeO15 dengan kandtmgan CaO dalam slag

CaO jenuh -SiO2 -FetO pada suhu 1873 K

7. Hubungan perbandingan Fe he 2+

terhadap komposisi slagHubungan antara perbandingan Feh~2+

dengan kandungan CaO dalam slag CaOjenuh -Si02 -FetO dengan penambahan MnO atauCaS ditunjukan pada Gambar 10.Bertambahnya kandungan CaO dalam slagmengakibatkan sedikit penambahan nilaiperbandinganFe3he2+ .

Hal ini diperkirakan terjadi reaksi.l 31- 0 2- -1- r;o

O C2n-3)-

282 Fe + n ~ 2 FeCI) + re n ()

Dan persamaan reaksi (28) dapat diperkirakan,bahwa Fe3+ mengikat 02- dan berada sebagaiion negatifFeO;2n-3)-.

DAFTAR PUSTAKA1 Y.WATANABE et.al, Logam Trans., 24B,

339 -347 ( 1993 )2 E.F.OSBORN and A.MUAN, Phase

Equilibrium Diagram of Ox.ide System,Am.Ceram. Soc., Plate 7 ( 1960 )

3 W.A.FISCHER and H.J.FLEISCHER,Arch.Eisenhuettenw., 32[5] 305 -13( 1961 )

4 Nihon Gakujitusinkoukai Seikou Dai 19Iinkai, Seikou Hannouno SuisyouHeikouronchi, NikkeikougyouShinbunkaisya 33,114,279 (1984)

172

5 FD.RICHARDSON, Physical Chemistry ofMelts in Metallurgy, Academic Press, 291( 1974 )

6 E.T.TURKDOGAN, Phisycal Chemistry ofHigh Temperature Technology, AcademicPress, New York, 11 ( 1980 )'7 S. NAKAMURA et.al, ISIJ International,33, 53-58 ( 1993 )

g H.TAKAYOSHI, Seitetsu Seikou, 13.1( 1967 )

173