BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sejarah Peleburan Logam Sejarah pengecoran logam dimulai ketika orang mengetahui hal bagaimana mencairkan logam dan bagaimana membuat cetakan. Hal ini berlangsung kira-kira tahun 2000 SM dan dalam zaman cina kuno semasa YIN, kira-kira 1000-1500 SM. Teknik pengecoran Mesopotamia diteruskan juga ke Eropa 1400 1500 SM. Barang-barang seperti mata baja dan mata tombak dibuat di Spanyol, Swiss, Jerman, Australia, Norwegia, serta Denmark, Swedia, Inggris Perancis. Sedangkan teknik pengecoran India dan Cina diteruskan ke Jepang dan Asia Tenggara, sehingga di Jepang banyak arca Budha yang dibuat antara 600 800 SM. Penggunaan besi dimulai dengan jalan penempaan, sama dengan tembaga. Orang-orang Mesir dan Asiria menggunakan perkakas besi antara tahun 2700 2800 SM. Kemudian di Cina antara tahun 800 900 SM. Menurut sejarah, meriam pertama dibuat tahun 1313 dari perunggu dengan proses pengecoran oleh pendeta dari kota Ghent. Benda-benda seni dan patung telah dibuat di Itali oleh Bevenoutu Cellcini dengan gabungan cetakan tanah dan lilin. Leonardo da vinci juga menggunakan cara ini untuk membuat beberapa bagian karya seninya. Vannocio B iringuccio (1480 1539) adalah seorang tukang cor yang bisa disebut sebagai bapak industri pengecoran. Ia adalah orang yang menulis praktek pengecoran secara detail, analisa secara bersamaan dengan pendekatan di lapangan
karya Biringoccio meliputi semua hal yang disebut metallurgy pada abad ke 16. Hingga kini pernyataan tiga hal penting masih berlaku. a. Membuat dan merencanakan dengan baik b. Melebur dan mencairkan logam dengan baik c. Mengatur komposisi dan hubungan hasil yang baik Tahun 1730 di Inggris, Abraham Darby, mengambil inisiatif penggunaan batu bara untuk bahan bakar untuk pengecoran. Sejak itu besi dapat diproduksi dengan biaya sepertiga dari biaya semula. Itu sebabnya batu bara menjadi bahan penting dalam pengecoran logam (Besi). (www.scribd.com/doc/3024023/sejarahbaja) 2.2 Proses Peleburan Dengan menggunakan Electric Arc furnance 2.2.1 Pengertian Electric Arc furnance (EAF) Tanur Busur Listrik (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. 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 electroda graphite. 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. 2.2.2 Struktur dari Tanur Busur Listrik (EAF) Gambar 2.1 Potongan Tanur Busur Listrik Struktur dari Tanur busur listrik adalah Tungku oval (bagian bawah), dinding tanur yang berbentuk selinder, dan tutup tanur 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 sebagai isolator panas 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.
2.2.3 Proses Kimia dan Fisika pada Tanur Busur Listrik 2.2.3.1 Proses Pencairan (Melting Process) Proses pencairan terjadi pada voltase rendah (short arc) antara elektroda grafit dengan besi scrap. Busur listrik pada periode ini tidak stabil. Sehingga untuk menstabilkan busur listrik tersebut beberapa buah besi scrap diletakkan pada lapisan bagian atas dari muatan tanur. Elektroda akan bergerak turun untuk mencairkan secara perlahan lahan dan melakukan penetrasi ke kumpulan scrap dan membentuk lubang. Sedangkan cairan baja yang sudah melebur akan bergerak kebawah (dasar tanur).ketika elektroda telah mencapai permukaan cairan baja tersebut, maka busur listrik dari elektroda akan segera stabil dan voltase listrik akan meningkat (long arc). Pada proses pencairan pertama biasanya akan mencairkan baja 85% dan meningkat sampai 100% ketika pada pencairan ke tiga. Temperatur dari busur listrik mencapai 6300 o F (3500 o C) 2.2.3.2 Proses oksidasi Pada proses ini kadar karbon, fosfor,silicon dan mangan akan teroksidasi, dan prosesnya sama dengan proses yang terjadi pada Basic Oxygen Furnance. Proses oksidasi slag terdiri dari kapur (CaO) dan ion dari biji logam (FeO) digunakan selama periode oksidasi. Gas yang mengadung oksigen mungkin akan terhisap kedalam cairan baja untuk penambahan oksidasi. Oksidasi besi akan meningkatkan jumlah oksigen pada cairan baja sesuai dengan reaksi dibawah. (FeO) = [Fe] + [O] oksigen dilarutkan dalam oksidasi karbon cair, fosfor,silikon dan mangan.
[C]+[O]={CO} [Si]+{O 2 }=(SiO 2 ) [Mn]+1/2{O 2 }=(MnO) 2[P] + 5/2{O 2 } = (P 2 O 5 ) karbon monooksida secara parsial akan terbakar di atmosfer {CO} + {O 2 } = {CO 2 } K P P CO 2 O2. a C dimana: ln K : - G o /RT P CO2 : Tekananan Parsial Gas CO 2 P o2 : Tekanan parsial gas O 2 a C T R : Aktivitas Carbon dalam zat cair : Temperatur, K : Ketetapan Gas. G o : Enenrgi Bebas Standard 2.2.3.3 Thermodinamika Pembuatan Baja Parameter thermodinamika Enthalpi (H) : Energi yang terlibat dalam suatu proses, secara praktis digunakan perubahan Entalpi ( H). Jika suatu reaksi H negatif maka reaksi akan menghasilkan panas, begitu sebaliknya. Jika H positif maka reaksi akan menyerap panas Energi Bebas Gibbs (G) : secara defenisi G adalah H dikurang entropi (s), yaitu suatu besaran termodinamika definisi perubahan energi bebas Gibbs
( G) yang merupakan ukuran kemudahan suatu proses terjadi, G negatif maka proses atau reaksi semakin mudah terjadi. H o REAKSI = H o (PRODUK) - H o (REAKTAN) G o = 0 G o < 0 G o > 0 : Reaksi dalam kesetimbangan : Reaksi Spontan ke kanan : Reaksi berjalan kekiri 2.2.3.4 Porses Reduksi Slag yang baru terbentuk secara umum terdiri dari kapur (CaO), CaF 2 (sebagai fluidizer slag) yang ditambahkan pada proses ini formasi kondisi reduksi stadart (basic reducing conditions) Fungsi dari slag ini adalah menjaga baja cair dari sulfur dan penyerapan oksidasi, yang terbentuk sebagai hasil dari deoksidasi Okisgen sisa dilarutkan di didalam cairan baja selama periode oksidasi dipindahkan oleh metallic deoxidizer Mn,Si,Al: [Mn]+[O]=(MnO) [Si]+2[O]=(SiO 2 ) 2[Al] + 3[O] = (Al 2 O 3 ) [S] + (CaO) = (CaS) + [O] oksida dan sulfida non-metalik yang termasuk di serap oleh slag, 2.2.4 Pengoperasian Tanur Busur Listrik Berikut adalah tahapan-tahapan pengoperasian Elektric arc furnance (EAF); 1. Pemasukkan / pengisian Scrap
2. Proses Pleburan pertama 3. Pemasukan /pengisian Scrap 4. Proses peleburan ke dua 5. Pemasuan / pengisian Scrap 6. Proses peleburan terakhir 7. Pengambilan sample, analisa kimi cairan baja. 8. Formasi oksidasi Slag, 9. Oksidasi dari C,P,Mn,Si,Al, 10. Pengambilan Sample dan pengukuran temperatur. 11. De slaging. 12. Formasi slag basa. 13. De-oksidasi 14. Penambahan Alloy. 15. Proses penuangan pada ladle 16. Perawatan dan pemeriksaan lapisan tahan panas pada tanur 2.3 Hasil Dari Porses Peleburan Dengan Tanur Busur Listrik Agar proses peleburan menghasilkan output yang baik yang pada akhirnya akan menghasilkan produk coran yang berkualitas baik, maka pada proses peleburan harus memenuhi tuntutan sebagai berikut : 1. Cairan logam yang bersih 2. Pencapaian temperatur dan homogenisasi 3. Metoda dan tatanan kerja yang baik 4. Harga yang murah
2.3.1 Cairan Logam Yang Bersih Yang dimaksud dengan cairan logam yang bersih adalah bersih secara metalurgi, yaitu bebas dari kotoran-kotoran. Kotoran di sini berupa oksida-oksida dan terak (slag), sedangkan elemen lain yang memiliki afinitas tinggi terhadap Oksigen, terdapat hanya dalam jumlah tertentu saja. Cairan semacam ini dapat dikenali dari permukaannya yang bersih. Cairan yang kotor secara metalurgi akan segera membentuk kulit oksidasi yang mewarnai permukaan cairan. Penyebab dari kotoran ini terutama berasal dari bahan baku, yaitu: Karat Kotoran Elemen yang mudah teroksidasi Pencegahan terhadap kontaminasi kotoran pada saat peleburan dapat dilakukan dengan pengawasan dan pengendalian peleburan yang seksama, meliputi : Pengendalian temperatur peleburan yang akurat Perhatian terhadap perubahan komposisi Pencapaian komposisi terak Cacat yang sangat mungkin muncul akibat kotornya cairan adalah terak terjebak,keropos, gas pada permukaan benda tuang, lubang jarum serta cacat-cacat yang timbul karena pembekuan yang tidak terduga. Cacat-cacat ini menjadi sangat merugikan karena sebagian besar baru akan diketahui pada saat baja tersebut mengalami proses permesinan. Langkah awal dalam menghasilkan cairan logam yang bersih adalah pada pemilihan bahan baku, dimana ditujukan pada : Kualitas yang terpercaya. Yang dimaksud dengan kualitas yang terpercaya disini adalah terutama komposisi kimia dari setiap bahan baku
yang akan digunakan dapat dipertanggung jawabkan, sehingga memudahkan saat proses peleburan. Tingkat kemurnian bahan yang mencukupi (sesuai standar). Adanya unsur-unsur asing pada bahan baku yang akan dilebur akan berakibat terhadap kualitas cairan yang dihasilkan. Unsur-unsur asing tersebut ada kalanya akan meningkatkan jumlah kotoran pada proses peleburan. Bersih dari karat. Karat merupakan lapisan oksida logam yang menempel pada bahan baku logam ferro. Dengan adanya karat pada bahan baku selain akan menimbulkan terak (slag) pada cairan logam, juga akan menimbulkan percikan-percikan cairan logam saat bahan baku logam tersebut akan dimasukan pada cairan logam dalam tanur yang akan berbahaya bagi operator yang bekerja disekitar tanur. Bentuk seragam dan masif. Bentuk bahan baku yang akan dilebur erat kaitannya dengan kualitas cairan yang dihasilkan. Penggunaan bahan baku yang seragam dan yang massif (pejal) akan memudahkan proses pemuatan dalam tanur sehingga kepadatan pemuatan dapat tercapai. Apabila kepadatan pemuatan telah tercapai dengan maksimal maka proses peleburan akan menjadi lebih mudah dan lebih cepat, sehingga reaksi antara cairan logam dan bahan pelapis tanur (lining tanur) dapat diminimalisasi, begitu pula reaksi antara cairan logam dengan udara sekitar, yang pada akhirnya akan berakibat pada cairan logam yang dihasilkan menjadi bersih dan umur pakai lining tanur menjadi lebih panjang.
2.3.2 Pencapaian Temperatur dan Homogenisasi Tahapan pencapaian temperatur cairan saat proses peleburan dan saat cairan akan dituang harus dicapai dengan tepat karena akan berpengaruh terhadap kemampuan cairan mengisi seluruh rongga cetak dan penyusutan yang terjadi pada mould tube CCM. Homogenisasi cairan harus tercapai agar pembentukan struktur dasar yang direncanakan dapat terbentuk secara merata diseluruh bagian mould tube CCM.