Laporan Kerja Praktik

PT. Jakarta Cakratunggal Steel Mills

BAB III

TINJAUAN PUSTAKA

III.1 Tanur Busur Listrik (Electric Arc Furnace)

III.1.1 Definisi Tanur Busur ListrikatauElectric Arc furnance (EAF) Adalah peralatan / alat yang digunakan untuk proses pembuatan logam / peleburan logam, dimana besi bekas dipanaskan dan dicairkan dengan busur listrik yang berasal dari elektroda ke besi bekas di dalam tanur.

Gambar 3.1. Tanur Busur Listrik

(sumber: http://www.indsolint.com/images/electric-arc.jpg)

III.1.2. Pendahuluan

Ada dua macam arus listrik yang bisa digunakan dalam proses peleburan dengan EAF, yaitu arus searah (direct current) dan arus bolak balik (alternating current). Dan yang biasa digunakan dalam proses peleburan adalah arus bolak-balik dengan 3 fase menggunakan elektroda grafit.

Salah satu kelebihan EAF dari basic oxygen furnance adalah kemampuan EAF untuk mengolah scrap menjadi 100% baja cair. Menurut survei sebanyak 33% dari produksi baja kasar (crude steel) diproduksi menggunakan Tanur Busur Listrik (EAF). Sedangkan kapasitas porduksi dari EAF bisa mencapai 400 ton. Kelebihan lain dari EAF ini adalah energi yang dikeluarkan busur listrik terhadap logam bahan baku sangant besar, menyebabkan terjadinya okisdasi besar pada logam cair. Hal ini menyebabkan karbon yang terkandung di dalam logam bahan baku teroksidasi sehingga kadar karbon dalam logam tersebut menjadi berkurang. Bentuk fisik dari dapur (EAF) ini cukup rendah sehingga dalam hal pengisian bahan bakunya pun sangat mudah. Dalam hal pengoperasiannya pun EAF juga tidak terlalu sulit karena hanya memerlukan beberapa orang operator yang memantau proses peleburan dan penggunaan listrik pada dapur tersebut.

III.1.3. Deskripsi

Struktur dari Tanur busur listrik adalah Tungku oval (bagian bawah), dinding tanur yang berbentuk selinder, dantutuptanur yang bisa bergerak menutup dan membuka untuk proses pengisian. Pada tutup tanur terdapat 3 buah lubang yang merupakan dudukan elektroda grafit, yang terdiri dari mekanisme penjepit elektroda. Sedangkan elektroda tidak bertopang pada tutup tanur melainkan bertopang pada rangka tersendiri dan rangka tersebut memiliki mekanisme pengangkat dan untuk menurunkan elektroda pada posisi posisi yang dapat diatur pada waktu pengoperasian. Untuk mengurangi rugi kalor (heat loses) pada tutup tanur, maka tutup tanur dilapis dengan isolator panas.

Pada dinding pelindung tanur terdapat batu tahan api sebagaiisolatorpanas bagian dalam yang dihasilkan tanur tersbut. Pada dinding tanur ini tidak diperlukan lagi lining karena pada bagian ini tidak lagi bersentuhan dengan cairan. Sedangkan kotruksi luar dari dinding di tutupi oleh pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada dinding bagian luar ini juga terdapat sistem pendingin yang menggunakan fluida air sebagai media pendinginan.

Pada bagian tungku oval (spherical hearth) terdapat 3 lapisan yaitu lapisan lining kemudian lapisan batu tahan api dan sebagai kontruksi bagian luar digunakan pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada bagian ini juga terdapat tapping spout atau yang lebih dikenal dengan istilah saluran penuangan, yang digunakan untuk proses penungan cairan yang akan di cetak atau diatur komposisinya di ladle furnance. Pada bagian yang berhadapan dengan tapping spout adalah slaging door atau yang lebih dikenal dengan pintu slag, yang digunakan untuk mengeluarkan slag. Untuk mengatur posisi penuangan dan pengeluaran slag, terdapat mekanisme pada dasar bagian luar tanur yang berbentuk roda gigi berpasangan yang digerakkan oleh screw bar.

Banyak tipe dapur listrik yang digunakan, tetapi secara praktek hanya tipe berikut yang digunakan dalam industry pembuatan baja:

AC direct-arc electricfurnace(dapur busur listrik arus bolak balik)

DC direct-arc electric furnace (dapur busur listrik arus searah )

Induction electricfurnace (dapur induksi)

Pada dapur busur listrik arus bolak balik, arus melewati suatu elektroda turun ke bahan logam melalui suatu busur listrik, kemudian arus tersebut dari bahan logam mengalir keatas melalui busur listrik melalui busur listrik menuju elektroda lainnya. Untuk peleburan baja dapat dilakukan arus satu, dua atau tiga fasa. Umumnya digunakan arus 3 fasa. Dalam dapur listrik arus searah, arus listrik melewati satu elektroda turun kebahan yang akan dilebur melelui busur listrik, yang kemudian mengalir menuju elektroda pasangannya yang berada dibawah dapur.

Dapur listrik ini dikembangkan oleh Dr. Paul Heroult ( USA ). Dapur busur listrik Heroult yang pertama dibuat untuk memproduksi baja, dibangun oleh Halcomb steelcompanydi Syracuse,New Yorkpada tahun 1906.

Pada dapur induksi, arus listrik diinduksikan kedalam baja dengan osilasi medan magnet. Berdasarkan frekwensinya, dapur induksi dikelompokkan sebagai berikut:

Dapur induksi frekwensi rendah. Menggunakan prinsip trafo, dimana bahan logam yang akan dilebur bertindak sebagai kumparan sekunder, sedang gulungan dengan inti besi bertindak sebagai kumparan primer.

Dapur induksi frekwensi medium atau tinggi. Arus dengan frekwensi mediumatau tinggi dilewatkan kumparan yang meliliti bejana ( crucible ) yang berisi bahan logam yang akan dilebur.

Dapur listrik dapat digunakan untuk pembuatan baja, baik dengan proses asam maupun basa. Hampir semua dapur listrik yang digunakan untuk melayani produksi ingot baja, baja cetak kontinya dan industry pengecoran saat ini menggunakan pelapis bata tahan api basa. Dapur listrik dapat digunakan untuk memproduksi hampir semua jenis baja. Untuk kapasitas dibawah 1.500.000 ton/tahun, dapur listrik lebih ekonomis digunakan daripada kombinasiblast furnacedan proses oxygensteel makingbasa. Hal tersebut khususnya berlaku pada daerah dimana tersedia banyak scrap dan harga tenaga listrik yang murah. Dapur listrik lebih fleksibel untuk melayani operasi produksi yang intermittent (misal, akibat permintaan pasar yang fluktuatif). Dapur listrik mempunyai keterbatasan antara lain sebagai berikut :

Tidak mampu memproduksi baja dengan kandungan unsureresidualrendah dari scrap yang mempunyai unsure residual yang tinggi.

Satu dapur listrik tidak dapat melayani secara kontinyu dan berurutan satu mesin cetak kontinyu ( minimum diperlukan 2 dapur listrik )

Dapur listrik tidak ekonomis digunakan untuk produksi melebihi 1.500.000 ton baja/tahun, pada satu daerah.

Kandungan nitrogen dalam baja biasanya dua kali lebih tinggi daripada baja yang dihasilkan oleh proses oxygen steel making, baik basa maupun asam.

III.1.4. Tanur Busur Api

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.

III.1.5. 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, aliran induksi akan ditimbulkan di dalam cairan yang akan menyebabkan terjadinya gerak cairan sehingga homogenisasi cairan dapat terjadi.

III.1.6. 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.

III.1.7. 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.

III.1.8. 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.

III.1.9. 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 -----------> 4FeO

Fe2O3 -----------> 3FeO

Perhatikan persamaan-persamaan reaksi berikut ini:

C + FeO -----------> Fe + CO ( belum terjadi pendidihan )

Si + 2FeO -----------> SiO2 + 2Fe

Mn + FeO -----------> MnO + Fe ( terjadi pada temperatur relative rendah )

2P + 5FeO -----------> 5Fe + P2O5

2Cr + 3FeO -----------> Cr2O3 + 3Fe

Tahap ini berlangsung selama 1,5 jam dan diakhiri dengan pembuangan terak.

III.1.10. 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 ).

III.1.11. 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.

III.1.12. Peralatan Pendukung Pada Tanur Busur Api

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

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.

Penghisap debu dan asap, sebagai peralatan pendukung pada tanur busur api:

Ventilasi (saluran udara) digunakan untuk memisahkan debu dan asap

Pengisap debu dan asap yang di pasang langsung diatas tanur

Penghisap debu dan asap yang menutupi permukaan tanur

Penghisap debu dan asap berbentuk canopy

(Jones, dkk. 1998)

Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember, SurabayaPage 51