ANALISA KERUSAKAN KOMPONEN PEMANAS ATAS KEGAGALAN UJI COBA TUNGKU SUHU TINGGI

Transkripsi

1 12 ISSN Tunjung Indrati Y., dkk ANALISA KERUSAKAN KOMPONEN PEMANAS ATAS KEGAGALAN UJI COBA TUNGKU SUHU TINGGI Tundjung Indrati Y, Sunaryo, Triyono, Parimun Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN ABSTRAK ANALISA KERUSAKAN KOMPONEN PEMANAS ATAS KEGAGALAN UJI COBA TUNGKU SUHU TINGGI. Kegagalan suatu uji coba tungku suhu tinggi perlu dianalisa guna memperoleh data sebab dan akibat. Tujuan dari analisa tersebut adalah untuk mengetahui sebab dan akibat kegagalan kemudian akan diperoleh suatu cara untuk pencegahan sehingga tidak akan terjadi kegagalan yang sama. Metoda yang digunakan untuk menganalisa kegagalan tersebut adalah observasi visual dan observasi secara metalografy dari kerusakan komponen pemanas. Berdasarkan analisa dapat disimpulkan bahwa kerusakan komponen pada bagian pemanas dari tungku suhu tinggi terdapat pada crucible dan shock furnace, yang disebabkan oleh pengkonsentrasian suhu tinggi pada satu titik dioven bagian atas. Sebab utamanya karena laju pemanasan yang terlalu cepat akibat perubahan voltage yang mendadak dan sistem pendinginnya tidak bekerja dengan optimal. Untuk pencegahan kegagalan tersebut kondisi pengoperasian yang diijinkan adalah tegangan tidak boleh diatas 10 V dan suhu air pendingin keluar dari sistem 40 o C. ABSTRACT OVEN COMPONENT BREAKING ANALYSIS OF THE HIGH TEMPERATURE FURNACE PERFORMANCE TEST FAILURE. The failure of high temperature furnace performance test have been analyzed for getting cause and effect data. The purpose of the analysis, beside to get the cause and effect data, is also to get methode for preventing the failure. The analysis method user was by visual and metalography observation of the oven component breaking. Based on the analysis can be concluded, the failure was identified at the crucible and shock furnace. It was caused by high temperature concentration at the one point of upper part of the oven so the crucible was oxidized and the shock furnace was melted. The main cause was fast heating rate, due to the sudden voltage change and the cooling system was not in the optimal condition. For preventing the operating failure of the furnace it is recommended that the maximum operating voltage is not greater than 10 V and temperature out of cooling system 40 o C PENDAHULUAN M ulai abad 20 beberapa tipe tungku dapat diklasifikasikan seperti crucible furnace, bell tipe furnace, box furnace, tube furnace, contnous production furnace, vertical furnace, carbon short circuiting furnace, high frequency induction furnace, sinter bell jar. Type tungku tersebut diatas tergantung pada suhu opersinya dan tentunya elemen pemanasnya pun akan berbeda. Beberapa istilahpun dapat juga mengklasifikasikan tungku tersebut dengan istilah tungku suhu rendah, tungku suhu sedang dan tungku suhu tinggi. Tipe tungku yang termasuk tungku suhu rendah adalah crucible furnace, bell tipe furnace, box furnace, tube furnace. Tungku suhu sedang adalah tube furnace, continues production furnace, vertical furnace. Tungku suhu tinggi adalah carbon short circuiting furnace, high frequency induction furnace dan sinter bell jar. Tungku suhu sedang digunakan untuk pemanggangan calcine coke (bahan dasar untuk membuat grafit), sintering bearing, sintering bahan bahan magnit lunak, permanen magnit, komposit dari logam, logam berat. Tungku suhu sedang digunakan untuk grafitisasi tingkat satu bahan grafit, sintering untuk bahan non ferrous. Tungku suhu tinggi digunakan untuk grafitisasi tingkat dua, sintering logam berat, komposit metal, dan bahan refractory misalnya ZrO 2 (1,2,3). Ketersediaan tungku dengan berbagai tingkat suhu operasi sangat menguntungkan untuk kegiatan penelitian. Untuk hal tersebut maka perlu dilakukan perawatan, perbaikan pada setiap komponen pendukung dari system tungku tersebut. Tungku suhu tinggi yang berkemampuan sampai 3000 o C tersedia di P3TM - BATAN Yogyakarta. Tungku tersebut terdiri dari unit tungkunya atau disebut oven dan transformer aggregate (Gambar 1). Konstruksi transformer aggregate terdiri dari

2 13 ISSN Tunjung Indrati Y., dkk steplessly variable transformer dan stepdown transformer. Tungku ini beroperasi dengan tegangan rendah dan arus tinggi untuk pengoperasian tungku yang terkoleksi di transformer secara khusus. Secara skematis blok diagram sistim elektronik tungku suhu tinggi dapat dicermati pada Gambar 2. Setelah pendingin tungku dihidupkan kemudian dengan cara menekan on maka motor penggerak akan bergerak perlahan naik dan pada saat itulah tegangan secara perlahan berkurang sementara arus akan naik. Pada pengoperasian awal digunakan kapasitas rendah dan diperkirakan ¼ dari keseluruhan kapasitas. Untuk segi keamanannya maka pada pengoperasiannya tegangan diset pada tegangan tertentu Apabila dirasa laju pemanasannya kurang maka maka tegangan dapat dinaikan tetapi tidak boleh melebihi batas tertentu yaitu 10 V 15 V. Sistem pengaman elektronik ini sebetulnya pada blok diagram ada satu lagi yaitu pada D tetapi penguasaan fungsi ini dirasa oleh pengguna cukup dengan manual yaitu membatasi tegangan sampai 10 V. Alasanya karena fungsinya sama saja. Konstruksi tungku (oven) yang dilengkapi dengan pendingin tertera pada Gambar 3. Oven tersebut secara garis besar terdiri dari pipa grafit tempat sample, system pengaman termasuk isolasi serta shock furnace dan system pendingin (4). Gambar 2. Blok Diagram Sistem Elektronik Tungku Suhu Tinggi Gambar 1. Tungku Suhu Tinggi Dilihat Dari Berbagai Sisi. Keterangan : a. cone ; b.cooling jaw ; c.pipa pemanas ; d.pipa pelindung ; e.crucible ; f.water cooled jacket ; g.selubung karbon ; h.carbon plug ; i.plate of sintered clay ; j.carbon granulat ; k.filling material ; l.insulating granulate ; m. pressure ring ; n. insulating plate Gambar 3. Konstruksi Tungku (Oven) Oven

3 Tunjung Indrati Y., dkk. ISSN Pada awalnya kerusakan yang terjadi pada tungku tersebut adalah kedua bagian Transformer Aggregate dan hasil kinerjanya telah teruji (5). Ketika uji cobanya sampai tahap ujicoba keseluruhan sampai suhu 1500 o C terjadi kegagalan pengoperasian. Kegagalan tersebut terjadi pada suhu 1200 o C dan terlihat adanya semburan gas argon disertai grafit penutup sampel keluar dari sistemnya dan untuk keamanannya tungku suhu tinggi segera dimatikan. Kejadian tersebut dipastikan adanya kesalahan dalam penekanan tombol less untuk menurunkan posisi transformer lebih rendah dari saat semula, akibatnya kenaikan voltage yang tanpa sengaja tidak terkendali sehingga laju pemanasan terlalu cepat. Pengkonsentrasian panas dapat saja terjadi pada komponen penyusun pemanas. Adanya pengkonsentrasian panas tersebut juga didukung dengan sistem pendingin yang tidak optimal bekerjanya. Ini perlu dipastikan dengan analisis kerusakan komponen secara detil dengan metoda visual dan metoda metallografy. Jadi tujuan analisa kegagalan ini adalah untuk menentukan sebab akibat terjadinya kegagalan sekaligus langkah perbaikan dan tindakan preventif yang perlu dilakukan agar tidak terjadi kegagalan. TATA KERJA Pada kegiatan analisa kegagalan diperlukan langkah identifikasi awal secara visual komponen yang rusak dari bagian oven tungku suhu tinggi tersebut secara visual dengan cara membongkar komponen penyusun oven dan pengambilan gambar. Inventarisasi kerusakan perlu dicatat guna identifikasi selanjutnya. Identifikasi selanjutnya adalah identifikasi mikro hal ini dilakukan untuk mencari kepastian terjadinya jenis kerusakan dan akibat dari apa yang menyebabkan. Oleh sebab itu perlu dikaji stuktur mikro dan struktur kristalnya. Peralatan yang digunakan untuk mengidentifikasi lanjut ini adalah Scanning Electron Microscope dan X ray Diffractometer (6,7). HASIL DAN PEMBAHASAN Identifikasi awal Tabel 1 merupakan hasil identifikasi awal dari analisa kegagalan yang berisi dari komponen penyusun oven dan sekaligus data kerusakan dan analisa singkat. Komponen yang rusak paling parah adalah shock furnace meleleh dan tabung grafit retak. Kedua komponen ini yang memerlukan identifikasi lebih lanjut. Analisa ini dimulai dengan adanya catatan pada uji coba tungku suhu tinggi mencapai 1200 o C. Pada saat tercapainya suhu tersebut terjadi perlambatan laju kenaikan suhu sehingga tegangan yang tadinya masih di bawah 9V pelan pelan dinaikan menjadi 10 V. Tegangan 10 V ini adalah tegangan maksimum yang diperbolehkan ketika tungku suhu tinggi beroperasi. Ketika tegangan 10 V seharusnya laju kenaikan pemanasan stabil lagi sampai tercapai suhu sekitar 1400 o C, tetapi pada kenyataannya malah terjadi semburan grafit penutup sample tanpa melihat perubahan tegangan pada voltmeter, tetapi dapat dipastikan laju kenaikan pemanasan sudah tidak terkendali. Akibat adanya kenaikan suhu secara cepat dengan tidak ada keseimbangan pendinginan maka terjadi pengkonsentrasian panas pada titik tertentu yaitu pada shock furnace (Gambar 4). Pada Gambar 4 adalah gambar suku cadang shock furnace yang tidak rusak tetapi pernah digunakan. Gambar kerusakan shock furnace nampak pada Gambar 4. Pada Gambar 4 terlihat jelas kerusakan berupa lelehan logam shock furnace sepanjang lingkarannya dan terlihat juga interaksi bahan shock furnace dengan grafit penutup sampel. Akibat kerusakan shock furnace ini berdampak pada pressure hood (Gambar 5). Isolator pada pressure hood perlu diganti walaupun tidak rusak tetapi sebagian telah berinteraksi dengan lelehan logam dari shock furnace. Hal ini menghindari kebocoran yang tidak diinginkan sekaligus untuk membersihkan komponen tersebut. Kerusakan shock furnace ini akibat dari naiknya suhu secara mendadak mencapai titik leleh dari bahan shock furnace tadi. Ini diperkirakan mencapai diatas 1500 o C. Oleh karena meleleh maka kenampakan shock furnace seperti pada Gambar 4. Kenaikan suhu yang mendadak ini dikarenakan adanya kenaikan tegangan yang tidak terkendali pada saat laju pemanasan pelan berubah menjadi laju pemanasan yang tinggi (diperkirakan lebih dari 10 o C/menit). Identifikasi lebih lanjut dapat dicermati pada gambar struktur mikro pada Gambar 6. Mengacu pada Gambar 2 dengan tegangan dari PLN 380 V dirubah menjadi 10 15V system Transformer Aggregate bekerja cukup berat Apalagi untuk pengoperasian awal dipasang mulai 4 V dan dinaikkan secara manual sampai 10V. Tegangan makin tinggi dari 5 V maka daya akan bertambah dan ini menyebabkan laju pemanasan yang bertambah. Untuk menghindari hal itu tegangan dibatasi 10 V. Tabel 1.Hasil Identifikasi Awal Analisa Kegagalan Uji Coba Tungku Suhu Tinggi Pada Bagian Oven

4 15 ISSN Tunjung Indrati Y., dkk No Komponen Kerusakan Analisa kerusakan 1 Shock furnace Ada kerusakan. Kerusakan ini mengakibatkan shock furnace meleleh 2 Cone Tidak ada - 3 Cooling jaw Tidak ada - 4 Heating tube Tidak ada - 5 Protective tube Tidak ada 6 Insert crucible Ada kerusakan. Kerusakan berupa retakan akibatnya crucible patah 7 Carbon jacke Tidak ada - Adanya kenaikan tegangan yang tidak terkendali dan tercatat ( jadi jelas diatas 10 V karena tegangan terpasang 10 V) maka terjadi kenaikan suhu yang cepat dan tidak termonitor. Kecuali hal tersebut terjadi pengkonsentrasian panas disatu titik maka shock furnace retak dan meleleh. Diperkirakan suhu dibagian ini mencapai lebih dari 1100 o C. Kecuali hal tersebut pendingin tidak representatif. Air keluar dari pendingin tercatat 50 o C. Kerusakan terlihat pada Gambar 4. 1.Kerusakan berupa keretakan sehingga crucible patah pada seperempat bagian atas (Gambar 4). Hal ini karena diawali dengan kenaikan tegangan yang mendadak sehingga terjadi pengkonsentrasian panas disalah satu titik. Akibat dari hal ini crucible retak terjadi kebocoran dan panas merambat sampai ke shock furnace. Adanya udara masuk kesystem maka crucible teroksidasi.. 1. Untuk memastikan crucible yang terbuat dari grafit teroksidasi maka data struktur mikro struktur kristal diperlukan. dan 8 Pressure hood Tidak ada Gambar 5. Perlu dibersihkan dan diganti isolatornya 9 Carbon plug Tidak ada - 10 Plate sintered Tidak ada - clay 11 Carbon Tidak ada - granulate 12 Filling material Tidak ada - 13 Insulating granulate Tidak ada. Akibat adanya keboco-ran dan tekanan gas argon maka granulate nya tercampur 14 Pressure ring Tidak ada - 15 Insulating plate Tidak ada Akibat shock furnace leleh maka ada kebocoran dan sekaligus adanya tekanan gas argon maka beberapa grafit penutup sample masuk kedalam bagian isolator. Sehingga granulate yang digunakan sebagai isolator tercampur grafit. Kerusakan shock furnace sebetulnya tidak akan terjadi bila crucible tidak retak terlebih dahulu. Pemahamannya sebagai berikut, panas yang didapat dari sumber listrik akan diterima langsung ke heating tube baru ke crucible. Jadi pressure hood ini yang berfungsi sebagai katoda dan anoda. Walaupun heating tube yang langsung menerima panas tetapi tidak mengalami kerusakan karena kualitas bahan lebih bagus. Oleh sebab itu yang mengalami keretakan adalah crucible, apalagi crucible yang digunakan adalah crucible yang telah berulang kali digunakan. Adanya crucible yang retak maka gas argon mengalir tidak pada tempatnya dan mengakibatkan terhamburnya serbuk grafit yang digunakan menutup sample pada crucible terdorong keatas dan mengakibatkan tekanan besar serta terjadi pengkonsentrasian panas dititik tertentu. Akibat hal ini maka panas akan

5 Tunjung Indrati Y., dkk. ISSN menjalar tidak hanya pada heating tube dan crucible tetapi sampai ke shock furnace. Akibat panas sampai ke shock furnace sampai suhu tinggi maka terjadi kebocoran. Oksigen masuk sementara argon mendorong keatas sehingga serbuk grafit terhambur keluar. Adanya oksigen masuk dalam crucible maka kerusakan crucible semakin parah kecuali teroksidasi maka crucible menjadi patah. habis. Pada peristiwa terjadinya kegagalan ujicoba ini oksidasinya belum sempurna karena pemanasan segera dihentikan. Terlihat pada Gambar 6a dan 6b oksidasi sebagian terjadi pada bagian yang retak/patah. Crucible yang mengalami oksidasi butirannya melempuh seperti gambar kapas ini menunjukkan terbakarnya elemen C oleh oksigen dan akhirnya hilang menjadi CO 2. Hal ini sangat berbeda dengan bagian crucible yang tidak teroksidasi. Pada Gambar 6a tidak ada butiran yang menggelembung seperti halnya pada Gambar 7a. Gambar 4. Foto kerusakan pada bagian Shock furnace dan Crucible pasca kegagalan ujicoba Identifikasi lanjut Untuk membuktikan fenomena yang terjadi pada setiap kerusakan maka diperlukan data pendukung berupa gambar struktur mikro dan struktur kristal. Data tersebut tertera pada Gambar 6 dan Gambar 7 Akibat shock furnace mengalami pelelehan maka truktur mikro dari bahan tersebut bataa butirnya tidak beraturan. Dengan menggunakan SEM dan perbesaran 2100 X, terlihat sebagian bertumpuk dan sebagian berlubang. Ini akibat pelelehan tersebut dengan pendinginan yang tidak dikendalikan. Oleh karena shock furnace mengalami rusak total maka komponen ini perlu diganti dengan yang baru. Kerusakan yang dialami crucible adalah retak, teroksidasi dan akhirnya patah. Untuk membuktikan adanya oksidasi terjadi pada crucible adalah terjadi perubahan struktur mikro dan struktur kristal. Apabila oksidasi sempurna maka bahan pembentuk crucible dari grafit akan Gambar 5. Kondisi Pressure Hood pasca kegagalan ujicoba Gambar 6. Struktur mikro shock furnace yang mengalami pelelehan. (perbesaran 2100 X)

6 17 ISSN Tunjung Indrati Y., dkk Gambar 7. Struktur mikro crucible (a) sebelum teroksidasi ; (b) sesudah teroksidasi (perbesaran 3100 X) KESIMPULAN Kesimpulan dari analisa kegagalan ujicoba tungku suhu tinggi pada bagian oven pasca perbaikan adalah sebagai berikut: 1. Komponen penyusun oven yang rusak adalah crucible karena teroksidasi dan akhirnya patah dan shock furnace karena mengalami pelelehan sehingga perlu diganti. Kerusakan ini didukung dengan gambar visual dan data struktur mikro serta struktur kristalnya. 2. Komponen ynng perlu diganti lainnya adalah isolator pada insulating plate, filling material dan insulating granulate. 3. Pengoperasian tungku suhu tinggi harus pada tegangan dibawah 10 V dengan peningkatan yang perlahan karena tegangan yang terlalu tinggi mengakibatkan laju pemanasan tidak terkendali. DAFTAR PUSTAKA 1. GOETZEL, Treatise on Powder Metallurgy, vol 1, Interscience Publishers, Inc, New York, (1969 ). 1. GEORGE GRANGER BROWN, Unit Operations, John Willey and Sons, New York, (1978). 2. PERRY, Chemical Engineering Hand Book, John Willey and Sons, New York, (1998). 3. ANONIM, Manual of High Temperature Furnace Units, Ruhstrat, D3406 Bovenden Orsteil Lenglern, Western Germany, (1982 ). 4. TRIYONO, Modifikasi Sistem Kontrol Operasi Pada Furnace Induksi Rushtrat Tipe DTA, Makalah tidak dipublikasikan (2005). 5. HEARLE J.W.S, SPARROW,J.T, CROSS,P.M, The Use of The Scanning Electron Microscope, Pergamon Pers, Oxford (1973). 6. CULLITY, Xray Diffractometer, Pergamon Pers, Oxford, ( 1985 ). TANYA JAWAB Sunardjo Apakah tujuan dari analisa kerusakan komponen pemanas suhu tinggi ini? Bagaimana hubungannya dengan pemanasan yang terlalu cepat? Tunjung Indrati Y. Tujuannya mencari sebab-akibat terjadinya kegagalan sehingga kegagalan tidak terulang lagi. Hubungannya dengan pemanasan yang terlalu cepat yang disebabkan adanya daya

7 Tunjung Indrati Y., dkk. ISSN yang terlalu besar (berasal dari P = V 2 /R). Apabila tegangan (V) terlalu tinggi maka P besar pula, sementara R dipengaruhi tahanan jenis (ρ) bahan komponen penyusun tungku (R = ρ.l/a). Tahanan jenis dipengaruhi suhu (ρ = ρ 0 (1+Y( T). Akibat hal tersebut bila V terlalu besar laju panas tak terkendali akibatnya ada pengkonsentrasian panas di suatu titik dan ini menyebabkan gagal. Hidayati Tungku tersebut sudah berapa lama digunakan kok bisa teroksidasi pada suhu tinggi? pada alatnya mestinya sudah didesain agar bisa tahan lama apalagi kalau bahannya dari grafit mestinya lebih tahan terhadap oksidasi suhu tinggi? Saya kira tungku tersebut sudah lama sekali mengalami kerusakan, karena hampir tiap tahun masalahnya tungku, kira-kira berapa lama lagi bisa diperbaiki? Tunjung Indrati Y. Desain konstruksi tungku memang sudah bagus tetapi karena ada kenaikan tegangan yang tidak terkendali maka terjadi kenaikan suhu sangat cepat sementara pendingin tidak dapat menahan perpindahan panas. Adanya hal tersebut maka terjadi pengkonsentrasian panas di titik tertentu sehingga ada udara yang menempel mengalahkan aliran argon sebagai pengaman. Sudah diperbaiki dan belum teruji pada suhu C C. Purwanto A. Apakah sistem tegangan listrik sudah memenuhi sistem penggerak/pembangkit tungku, berapa kisaran tegangannya? Tunjung Indrati Y. Kisaran tegangannya V.