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 PENCARIAN
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
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).