OPTIMASI PARAMETER PENGHILANGAN SCALE PADA BAJA LEMBARAN PANAS I. Diponegoro, Iwan, H. Ahmad, Y. Bindar Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No.10, Bandung Telp. (0) 500989, E-Mail : yazid@che.itb.ac.id Abstrak Scaling adalah proses pembentukan kerak di permukaan baja lembaran. Proses ini dapat berlangsung pada temperatur rendah maupun tinggi. Adanya scale atau kerak pada permukaan baja akan menurunkan kualitas dan nilai jualnya. Ada beberapa cara untuk menghilangkan kerak, salah satunya adalah proses pickling. Pickling adalah proses penghilangan kerak dengan menggunakan asam anorganik. Pada penelitan ini digunakan HCl dan proses berlangsung secara batch. Permasalahan yang muncul dalam proses pickling adalah terjadinya overpickled dan underpickled. Overpickled adalah suatu kondisi dimana baja yang dibersihkan terlalu lama kontak dengan cairan asam sehingga baja bereaksi dengan asam. Underpickled adalah keadaan dimana baja yang dibersihkan belum sempurna karena masih ada kerak dipermukaannya. Overpickled dan underpickled merupakan keadaan yang tidak diinginkan, sehingga perlu dilakukan proses optimasi. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan optimasi parameter proses pickling. Parameter yang terlibat pada proses ini adalah waktu kontak, konsentrasi asam, dan temperatur. Rentang konsentrasi asam yang digunakan adalah,4 M 3,6 M.. Temperatur percobaan adalah 5 o C, 40 o C, dan 70 o C. Berdasarkan model persamaan optimasi yang diturunkan dan dengan menggunakan metode regresi linier dapat diperoleh persamaan matematis yang menyatakan hubungan kosentrasi asam, waktu kontak, dan temperatur. Pendahuluan Hot rolled coil atau baja lembaran panas dihasilkan secara langsung melalui proses hot-rolling di pabrik HSM (Hot Strip Mill) dari bahan baku berupa slab baja. Proses ini berlangsung pada temperatur di atas 1000 o C. Pada proses ini, ketika baja kontak dengan udara terjadi reaksi oksidasi antara besi dengan oksigen. Reaksi ini membentuk lapisan oksida-besi di permukaan baja yang disebut scale atau kerak yang berwarna kehitaman. Pembentukan kerak dimulai ketika terjadi reaksi kimia (redoks) antara permukaan baja lembaran dengan oksigen di udara bebas. Reaksi tersebut bisa berlangsung pada temperatur kamar dan laju reaksinya akan semakin cepat jika temperaturnya tinggi. Hot Rolled Coil merupakan bahan baku di pabrik CRM (Cold Rolling Mill). Karena itu kerak yang menempel dipermukaannya harus dibersihkan terlebih dahulu agar tidak menimbulkan cacat jika strip (baja lembaran) diolah lebih lanjut di unit-unit lain di pabrik CRM. Selain itu, adanya kerak seringkali akan menurunkan kualitas dan nilai jual baja lembaran yang dihasilkan. Tinjauan Pustaka Karakteristik Besi dan Oksida Besi Kerak yang terdapat pada permukaan strip (baja lembaran) tersusun atas tiga senyawa oksida logam yaitu wustite, magnetit, dan hematit dengan komposisi sebagai berikut : Tabel 1. Komposisi Senyawa Oksida Logam dalam Kerak [Roberts William L., 1988] Senyawa oksida logam Komposisi (% berat) Wustite (FeO) 85 Magnetit (Fe 3O 4) 10 15 Hematit (Fe O 3) 0.5
Secara kimia dapat dijelaskan bahwa proses pembentukan kerak atau lapisan oksida ini merupakan peristiwa elektrokimia, dimana untuk logam M divalent dapat dinyatakan dengan mekanisme reaksi sebagai berikut : M + ½ O MO Reaksi ini terjadi di antara permukaan kerak dengan udara. Secara umum logam-logam terlarut dengan mudah di dalam asam-asam mineral. Besi dapat larut dalam asam klorida encer atau pekat dan asam sulfat encer, sehingga dihasilkan garam-garam besi (II) dan gas hidrogen. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : Fe + H + Fe + + H Fe + HCl Fe + + Cl - + H Kerak yang menempel pada permukaan baja lembaran dapat dihilangkan secara kimia dengan proses pickling. Yang dimaksudkan dengan pickling adalah proses penghilangan kerak dari permukaan logam dengan menggunakan asam anorganik HCl atau H SO 4. Reaksi antara asam dengan oksida logam menghasilkan garam logam yang larut dalam air (water soluble salt), seperti besi (II) sulfat dan besi (II) klorida. Biasanya dalam reaksi ini, ferit oksida mempunyai laju reaksi yang paling tinggi dibandingkan dua oksida lain. Untuk mencegah lapisan baja dasar terkikis oleh asam (overpickled) dapat digunakan inhibitor untuk membatasi serangan asam pada baja dasar setelah penghilangan kerak. Jika pelarut yang digunakan dalam proses pickling adalah HCl, maka reaksi-reaksi kimia yang dapat terjadi di dalam pickling bath, antara lain : Reaksi primer : Fe O 3 + 6HCl FeCl 3 + 3H O Fe 3O 4 + 8HCl FeCl + FeCl 3 + 4H O FeO + HCl FeCl + H O Reaksi sekunder : FeCl 3 + Fe 3FeCl Fe + HCl FeCl + H Dalam proses pickling, reaksi-reaksi primer adalah reaksi yang menghilangkan kerak pada baja lembaran (strip) sedangkan reaksi-reaksi sekunder adalah reaksi oksidasi lanjut asam terhadap baja dasar yang tidak dikehendaki. Tabel. Data-data kondisi Operasi Pickling dengan HCl [William G. Wood, 198] Variabel Operasi Batch Continuous Konsentrasi HCl, %-berat 8 1 6 14 Temperatur, o C 38 40 77 93 Immersion Time 5 15 menit 1 0 sekon Konsentrasi Besi Max, %-berat 13 13 Penggunaan asam HCl di dalam proses pickling menawarkan keuntungan-keuntungan, yaitu : 1. Permukaan baja tampak terang seragam sekalipun pada high carbon steel,. Kemungkinan overpickling jauh lebih kecil dibandingkan asam-asam lain, 3. Pickling yang efektif tetap berlangsung sampai konsentrasi besi di atas 13 %, 4. Pembilasan lebih mudah karena kelarutan klorida yang tinggi dalam air, 5. Lebih aman untuk ditangani dibandingkan dengan asam sulfat, 6. Biaya operasi untuk pemanasan lebih rendah karena proses pickling dapat berlangsung pada temperatur yang lebih rendah. Laju penghilangan kerak (descaling time) dengan menggunakan HCl tidak dipengaruhi oleh besi yang terlarut dalam larutan asam tersebut, kecuali jika konsentrasinya sampai melampaui 34 g FeCl /100 ml dan tidak ada inhibitor untuk menambah waktu penghilangan kerak. Waktu ini berkurang dengan bertambahnya konsentrasi HCl dan temperatur. Logaritma waktu penghilangan kerak (descaling time) merupakan fungsi linier
dari logaritma konsentrasi HCl dan kebalikan dari temperatur larutan pickling. Bentuk persamaan umunya adalah sebagai berikut : D log t A B logc HCl (1) 459 Metodologi Penelitian Operasi pickling pada penelitian ini dilakukan secara batch dan menggunakan peralatan dan bahan yang sudah disediakan sebelumnya. Dalam operasi ini, pertama-tama strip dicuci (precleaning) dan ditimbang lalu dimasukkan ke dalam bejana pickling. Proses ini dilakukan berulang-ulang pada berbagai macam variasi temperatur, konsentrasi, dan waktu kontak (immersion time). Tabel 3. Data Ukuran Parameter-parameter Operasi Pickling dalam Penelitian Proses Batch Konsentrasi HCl 8 1 %-wt;,4 3,6 M Temperatur 5 o C, 40 o C, 80 o C Waktu kontak 5 10 menit Kons. Besi max. 13 %-wt; 1,13 M Untuk mendapatkan tampilan permukaan strip yang bersih (clean), strip dicelupkan ke dalam larutan asam dengan konsentrasi dan temperatur tertentu. Percobaan ini dimulai dari rentang waktu pencelupan yang paling singkat dan diulang kembali dengan rentang waktu yang paling lama sampai didapatkan tampilan permukaan strip yang bersih. Dengan demikian untuk setiap temperatur dan konsentrasi tertentu diperoleh data dengan waktu kontak yang optimum. Waktu ini disebut waktu penghilangan kerak (descaling time). 7 6 4 3 5 1 Gambar 1. Alat untuk Proses Batch Pickling Keterangan : 1. Media Pemanas 4. Pemegang Stip 7 Penutup Media Pemanas. Larutan HCl 5. Sampel Strip 3. Pengaduk 6. Termometer
Hasil dan Pembahasan Dari percobaan-percobaan yang telah dilakukan, terlihat bahwa waktu penghilangan kerak semakin berkurang sejalan dengan peningkatan konsentrasi dan temperatur cairan pickling (lihat gambar.). Hal ini menunjukkan bahwa reaksi oksidasi lapisan oksida besi oleh asam dipengaruhi oleh konsentrasi asam. Secara elektrokimia diketahui bahwa dalam larutan asam ion H + bertindak sebagai oksidator yang kuat. Semakin tinggi konsentrasi asam, semakin tinggi pula konsentrasi ion H +. Selanjutnya sesuai dengan tujuan dari penelitan ini, yaitu untuk melakukan optimasi terhadap parameterparameter yang terlibat dalam operasi penghilangan kerak, maka berdasarkan data-data percobaan dapat diperoleh sebuah persamaan yang menyatakan hubungan antara temperatur, konsentrasi asam, dan waktu penghilangan kerak. Model persamaan optimasi ini diturunkan dari persamaan laju reaksi kimia (r.v = k.c n ) dengan asumsi bahwa reaksi oksidasi yang terjadi di dalam proses pickling ini merupakan reaksi kimia biasa. Adapun model persamaan yang diperoleh adalah sebagai berikut : log t n 1 1 n A log log CHCl log ko ().3RT HCl Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi : dimana : A = log(n-1) log k o B = 1-n D = Ea/.3R D log t A B log CHCl (3) T Setelah dilakukan pengolahan secara statistik menggunakan metode regresi linier untuk dua variabel terhadap data-data hasil percobaan, maka didapatkan nilai-nilai dari konstanta-konstanta persamaan di atas sebagai berikut : A = 1,70 0,03 B = -1,46 0,03 D = 500 10 Jadi persamaan optimasi yang diperoleh adalah : HCl E
500 log t 1,70 1,46 log CHCl......(4) dimana t adalah waktu penghilangan kerak dalam detik, C HCl adalah konsentrasi asam dalam molar, dan T adalah temperatur larutan dalam K. t (menit) 13 1 11 10 9 8 7 6 5 4 3,,4,6,8 3 3, 3,4 3,6 3,8 C HCl (M) 5 C 40 C 70 C model 5 C model 40 C model 70 C Gambar 3. Grafik Pengaruh Kosentrasi Asam terhadap Waktu Penghilangan Kerak Log t (detik),90,80,70,60,50 model 5 C model 40 C model 70 C data 5 C data 40 C data 70 C,40,30 Log C HCl (M) 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Gambar 4. Grafik Pengaruh Kosentrasi Asam terhadap Waktu Penghilangan Kerak Dalam Bentuk Logaritmik.5 log t (detik) 1.5 80 1 60 40 Temperatur (K) Gambar 5. Grafik Pengaruh Kosentrasi Asam terhadap Waktu Penghilangan Kerak Dalam Bentuk Logaritmik 0 0 1 1.5.5 Log C (molar) 3
Jika diasumsikan bahwa reaksi oksidasi yang terjadi merupakan reaksi kimia biasa dimana dc n r. V k C HCl dt dan k = k oexp (-Ea/RT), maka persamaan optimasi yang diperoleh di atas dapat dikembalikan kepada model persamaan semula sehingga diperoleh nilai dari variabel-variabel persamaan laju reaksi sebagai berikut : n (orde reaksi) =,5 Ea (energi aktivasi) = 9594 Joule/mol k o (faktor frekuensi) = 0,09 Hasil percobaan pickling secara batch yang dilakukan di dalam penelitian ini memiliki kemiripan dengan proses pickling secara kontinyu yang dilakukan di dalam industri. Pada data-data kondisi operasi pickling yang standar (Tabel ), umumnya waktu rata-rata penghilangan kerak untuk proses batch adalah 39 kali lebih lambat dari pada waktu penghilangan rata-rata kerak untuk proses kontinyu (t b = 39t k). Oleh karena itu, persamaan optimasi proses pickling secara batch yang diperoleh dalam penelitian ini dapat diturunkan lebih lanjut ke dalam bentuk persamaan optimasi untuk proses kontinyu, yaitu : 500 log 39t k 1,70 1,46 log CHCl (5) 500 log tk 1,11 1,46 log CHCl (6) Bentuk persamaan yang terakhir merupakan model persamaan optimasi yang dapat diterapkan di industri yang menggunakan proses pickling secara kontinyu. Keterangan Notasi t = waktu kontak,,detik C = konsentrasi HCl, molar T = temperatur, Kelvin n = orde reaksi R = konstanta gas, Joule/mol.K Daftar Pustaka [1] Roberts, L. William., Flat Processing of Steel, Marcel Dekker, Inc. New York, 1988. [] Callister, William D. Jr., Material Science and Engineering, Third Edition, John Willey and Sons. Inc., Canada, 1994. [3] Day, R.A. Jr., dan Underwood A.L, Analisis Kimia Kuantitatif, Edisi Kelima, Penerbit Erlangga, 1996. [4] Moeller, Therald, Inorganic Chemistry, John Willey and Sons Inc., New York, 195. [5] Remy H., Treatise on Organic Chemistry, Volume II, Elseiver Publishing Company, New York, 1956. [6] Wood, William G, Metals Handbook, Surface Cleaning, Finishing, and Coating, Vol. 5, Ninth Edition. American Society for Metals, Ohio, 198. [7] Levenspiel, Octave, Chemical Reaction Engineering, Second Edition, John Willey and Sons Inc., Singapore, 1995. [8] Bird, R. Byron Stewart, Warren E. et.al, Transport Phenomena, John Willey and Sons Inc., Singapore, 1994.