Pengetahuan Bahan - Baja Karbon

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1  Tujuan

Pembuatan makalah ini bertujuan untuk memenuhi tugas Pengantar Bahan Teknik. Selain itu, untuk menjelaskan tentang baja karbon. Makalah ini juga berguna membantu teman-teman yang kurang mengenal lebih jauh tentang baja karbon.

1.2  Langkah Kerja

Berikut merupakan langkah kerja penyusunan makalah ini adalah sebagai berikut :

1.      Pengumpulan data

Selama penyusunan berlangsung, kita akan mengumpulkan data dari berbagai sumber  yang kita ketahui.

2.      Analisa data

Setelah hasil pencarian dikumpulkan, maka kita akan menganalisa data-data tersebut agar memperoleh suatu kesimpulan.

3.      Penyusunan laporan

Membuat kerangka data-data dalam bentuk sebuah makalah dengan menggunakan format yang baik dan benar.

4.      Rangkuman

Membuat penyajian singkat dari hasil percobaan.

5.      Uji kecukupan data

Dengan menggunakan data dari hasil percobaan eksternal maka akan diperoleh sampel minimun yang selanjutnya dapat diolah untuk proses perhitungan selanjutnya. Uji kecukupan data ini dimaksudkan untuk menentukan apakah sampel data yang dikumpulkan sudah cukup atau belum.

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1 Kandungan Atom atau Unsur Ikatannya

Baja pada dasarnya ialah besi (Fe) dengan tambahan unsur karbon ( C ) sampai dengan 1.67% (maksimal). Bila kadar unsur karbon ( C) lebih dari 1.67%, maka material tersebut biasanya disebut sebagai besi cor (Cast Iron).

 Makin tinggi kadar karbon dalam baja, maka akan mengakibatkan hal- hal sbb:

• Kuat leleh dan kuat tarik baja kan naik,
• Keliatan / elongasi baja berkurang,
• Semakin sukar dilas.

Oleh karena itu adalah penting agar kita dapat menekan kandungan karbon pada kadar serendah mungkin untuk dapat mengantisipasi berkurangnya keliatan dan sifat sulit dilas diatas, tetapi sifat kuat leleh dan kuat tariknya tetap tinggi.

Penambahan unsur – unsusr ini dikombinasikan dengan proses heat treatment akan menghasilkan kuat tekan yang lebih tinggi, tetapi keuletan dan keliatan, dan kemampuan khusus lainnya tetap baik. Unsur – unsur tersebut antara lain: Mangaan (Mn), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Nikel (Ni) dan tembaga (Cu). Tetapi proporsional pertambahan kekuatannya tidak sebesar karbon. Pertambahan kekuatannya semata –mata karena unsur tersebut memperbaiki struktur mikro baja.

Untuk memahami pengaruh komposisi kimia dan heat treat terhadap sifat akhir baja, maka kita perlu menganal factor – factor sebagai berikut :

• Struktur mikro,
• Ukuran butiran,
• Kandungan nonlogam.
• Endapan dipermukaan antar butiran.
• Keberadaan gas – gas yang terserap atau terlarut

            Baja karbon rendah atau sangat rendah, banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk badan dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya. Baja jenis ini dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Ferrite adalah salah satu fasa penting di dalam baja yang bersifat lunak dan ulet.

Baja karbon rendah umumnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi eutectoid dan memiliki struktur mikro hampir seluruhnya ferrite. Pada lembaran baja kadar karbon sangat rendah atau ultra rendah, jumlah atom karbon-nya bahkan masih berada dalam batas kelarutannya pada larutan padat sehingga struktur mikronya adalah ferrite seluruhnya.

Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe₃C) yang dikenal sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat alpha-ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase penting lainnya, yaitu delta-ferrite dan gamma-austenite. Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910^oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400^oC gamma-austenite akan kembali berubah menjadi delta-ferrite. (Alpha dan Delta) Ferrite dalam hal ini memiliki struktur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite memiliki struktur kristal FCC.

Pada kadar karbon lebih tinggi akan mulai terbentuk endapan cementite atau fase pearlite pada batas butirnya. Sifat cementite atau carbide yang keras dan getas berperan penting di dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik baja. Salah satu parameter penting yang menunjukkan hal tersebut, sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya adalah a mean ferrite path. A mean ferrite path menunjukkan jarak antar cementite, baik pada pearlite maupun sphreodite. Jarak antar carbide di dalam pearlite secara khusus dikenal sebagai interlamellar spacing atau spasi antar lamel atau lembaran.

2.2 Klasifikasi Material

Baja karbon dibagi menjadi 3 bagian yaitu :

1.      Baja karbon rendah

·         kandungan karbonnya < 0,25%C

·         tidak responsif terhadap perlakuan panas yang bertujuan membentuk martensit

·         metode penguatannya dengan “Cold Working” ìstruktur mikronya terdiri ferit dan perlit

·         relatif lunak dan lemah ìulet dan tangguh

·         mampu mesin dan mampu lasnya baik

·         murah

·         aplikasi : bodi mobil,bentuk struktur (profil I, L, C, H), pipa saluran

2.      Baja karbon sedang

·         kandungan karbonnya: 0,25 – 0,6%C

·         dapat dinaikkan sifat mekaniknya melalui perlakuan panas austenitizing, quenching, dan tempering

·         banyak dipakai dalam kondisi hasil tempering sehingga struktur mikronya martensit

·         lebih kuat dari baja karbon rendah

·         aplikasi :poros, roda gigi, crankshaft

3.      Baja karbon tinggi

·         kandungan karbonnya: 0,6 < % C ≤ 1,7

·         dapat dinaikkan sifat mekaniknya melalui perlakuan panas austenitizing, quenching, dan tempering

·         banyak dipakai dalam kondisi hasil tempering sehingga struktur mikronya martensit

·         paling keras, paling kuat, paling getas di antara baja karbon lainnya

·         tahan aus

·         aplikasi :pegas, pisau cukur, kawat kekuatan tinggi, rel kereta api,perkakas potong, dies

2.3 Sifat Mekanis

            Sifat mekanis adalah kemampuan bahan tersebut memberikan perlawanan apabila diberikan beban pada bahan tersebut. Berikut adalah sifat mekanis pada baja karbon :

·         Regangan (e) : besar deformasi perpanjang awal (tanpa satuan)

• Tegangan (s) : gaya per satuan luas dalam satuan Mpa. 
• Elongation : pertambahan panjang pada pengujian tarik (%). 
• Kekuatan tarik (tensile strength) : besar tegangan (gaya) yang diperlukan unutk mematahkan atau memutuskan benda uji.
• Kekuatan leleh (yield strength) : besar tegangan yang diperlukan untuk mencapai regangan plastis 0.2%.
• Keliatan (ductility) : besar regangan maksimal yang dapat terjadi pada saat benda uji patah atau putus dalam satuan persen (%).
• Kekerasan (hardness) : ketahanan bahan terhadap penetrasi dipermukaannya, yang dinyatakan dalam Bilangan kekerasan Brinell (BHN), Vickers (DPH) dan atau kekerasan Rockwell (R). BKB dihitung berdasarkan luas daerah lekukan yang ditimbulkan, sedangkan R dihitung berdasarkan dalamnya lekukan.
• Keuletan (toughness) : daya tahan bahan terhadap lenturan dan puntiran – puntiran berulang – ulang yang diukur dari besarnya energi yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda uji yang dinyatakan dalam satuan joule. Penilaian keuletan dilakukan dengan tes Charpy atau Izod.

2.4 Sifat Fisik

            Sifat fisik adalah segala aspek dari suatu objek atau zat yang dapat diukur atau dipersepsikan tanpa mengubah identitasnya. Berikut adalah sifat fisik pada baja karbon :

·         Titik didih : 1550^OC

·         Titik lebur : 2900^OC

Hal ini dapat dilihat pada diagram Fasa dibawah ini:

Gambar 1. Diagram Fasa

2.5 Proses Ekstraksi

            Baja diproduksi didalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas ( Skrap ) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembuatan baja antara lain :

2.5.1 Proses Konventer

Terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap kesamping.

Proses pembuatan baja dimulai dengan proses ekstraksi bijih besi. Proses reduksi umumnya terjadi di dalam tanur tiup (blast furnace). Tanur tiup adalah suatu bangunan yang tingginya sekitar 30 meter dan punya diameter sekitar 8 meter yang terbuat dari baja tahan karat yang dilapisi dengan bata tahan panas. Bahan yang dimasukkan dalam tanur ada 3 macam :

·         Karbon (kokas) sebagai zat pereduksi

·         Batu kapur (CaCo3) untuk mengikat kotoran pasir (fluks)

·         Bijih besi (iron ore) dan batu gamping (limestone) di dalam tanur yang telah men galami pemanggangan (sintering) di proses bersama-sama dengan kokas (cokes) yang berasal dari batubara. Serangkaian reaksi terjadi di dalam tanur pada waktu dan lokasi yang berbeda-beda, tetapi reaksi penting yang mereduksi bijih besi menjadi logam besi adalah sebagai berikut:

Fe₂O₃ + 3CO               2Fe + 3CO₂

Suhu yang berada dalam reaksi tersebut sangat tinggi ± 1500^oC sehingga besi mencair dan disebut besi global (pig iron). Luaran utama dari proses ini adalah lelehan besi mentah (molten pig iron) dengan kandungan karbon yang cukup tinggi (3-4%C) beserta pengotor-pengotor lain seperti silkon, mangan, sulfur, dan fosfor. Besi mentah ini belum dapat dimanfaatkan secara langsung untuk aplikasi rekayasa karena sifat-sifat (mekanis)-nya belum sesuai dengan yang dibutuhkan karena pengotor-pengotor tersebut. Besi mentah berupa lelehan atau coran selanjutnya dikirim menuju converter yang akan mengkonversinya menjadi baja. Proses pembuatan baja umumnya berlangsung di tungku oksigen-basa (basic-oxygen furnace). Di dalam tungku ini besi mentah cair dicampur dengan 30% besi tua (scrap) yang terlebih dahulu dimasukkan ke dalam tanur. Selanjutnya, oksigen murni ditiupkan dengan udara bertekanan 1.5-2 atm dari bagian atas ke dalam leburan, bereaksi dengan Fe membentuk oksida besi FeO. Beberapa saat sebelum reaksi dengan oksigen mulai berlangsung, fluks yaitu unsure untuk mengikat pengotor yang bersifat asam, seperti SiO₂ pembentuk slag dimasukkan dalam jumlah tertentu. Reaksi pembentukan terak adalah sebagai berikut.

Mula mula batu kapur terurai membentuk kalsium oksida (CaO) dan karbondioksida (CO₂).

CaCO₃(s)                     CaO(s) + CO₂(g)

Kalsium oksida kemudian bereaksi dengan pasir membentuk kalsium silikat, komponen utama dalam terak.

CaO(s) + Si O₂(s) CaSiO₃(l)

Terak ini mengapung di atas besi cair dan harus dikeluarkan dalam selang waktu tertentu. Proses selanjutnya dengan menurunkan kadar karbon dari besi global dari kadar karbon 3-4% menjadi 0-1,5%. Oksida besi atau FeO selanjutnya akan bereaksi dengan karbon di dalam besimentah sehingga diperoleh Fe dengan kadar karbon lebih rendah dan gas karbon monoksida. Reaksi penting yang terjadi di dalam tungku adalah sebagai berikut:

FeO + C                      Fe + CO

Selama proses berlangsung (sekitar 22 menit), terjadi penurunan kadar karbon dan unsur-unsur pengotor lain seperti P, S, Mn, dalam jumlah yang signifikan.

Sistem kerja

• Dipanaskan dengan kokas sampai ± 1500 ⁰C,
• Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja. (± 1/8 dari volume konvertor)
• Kembali ditegakkan.
• Udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dihembuskan dari kompresor.
• Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk mengelaurkan hasilnya.

• Proses Bassemer (asam)

lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO₂), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO_2, SiO₂ + CaO                 CaSiO₃

• Proses Thomas (basa)

Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [ kalsium karbonat dan magnesium (CaCO₃ + MgCO₃)], besi yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 – 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O₅), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO),

3 CaO + P₂O₅ Ca₃(PO₄)₂ (terak cair)

2.5.2 Proses Siemens Martin

Menggunakan sistem regenerator (± 3000 ⁰C.) fungsi dari regenerator adalah:

1. memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur
2. sebagai Fundamen/ landasan dapur
3. menghemat pemakaian tempat

Bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih,

• Besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO₂),
• besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO₃ + 60 % CaCO₃)

2.5.3 Proses Basic Oxygen Furnace

                        Proses tanur oksigen basa ( Basix Oxygen Furnace, BOF) menggunakan besi kasar (65 – 85 %) yang dihasilkan oleh tanur tinggi sebagai bahan dasar utama dicampur dengan besi bekas dan batu kapur. Panas ditimbulkan oleh reaksi dengan oksigen. Gagasan ini dicetuskan oleh Bessemer sekitar tahun 1800.

Pembuatan Baja dengan Tanur Oksigen Basa (BOF)

Besi bekas sebanyak ± 30% dimasukkan kedalam bejana yang dilapisi batu tahan api basa. Logam panas dituangkan kedalam bejana tersebut. Suatu pipa aliran oksigen yang didinginkan dengan air dimasukkan  kedalam bejana 1 sampai 3 m diatas permukaan logam cair. Unsur-unsur karbon, mangan dan silicon akan teroksidasi. Batu kapur dan kalsium fluor ditambahkan untuk mengikat kotoran-kotoran seperti fosfor dan belerang dan membentuk terak. Jenis Baja yang dihasilkan oleh proses ini adalah Baja karbon & Baja paduan 0,1 % < c < 2,0 %

Keuntungan dari Basic Oxygen Furnace adalah:

·                     Basic Oxygen Furnace menggunakan O₂ murni tanpa Nitrogen

·                     Proses hanya lebih-kurang 50 menit.

·                     Tidak perlu tuyer di bagian bawah

·                     Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon

·                     Biaya operasi murah

2.5.4 Proses Dapur Listrik

         Pembuatan baja dalam dapur listrik merupakan cara yang paling baik dan menguntungkan dibandiangkan dengan cara-cara lainnya. Prinsip kerja dapur listrik: Energi listrik diubah dengan bermacam-macam cara menjadi energi panas untuk memanaskan dan mencairkan logam. Dapur listrik yang digunakan untuk pembuatan baja ada dua macam yaitu :

1. Electric are-furnace
2. Induction furnace

Pembuatan baja dalam dapur listrik mempunyai banyak kelebihan yaitu:

• Temperatur yang dicapai cukup tinggi (dapat mencapai 2000oC) sehingga mampu untuk mencairkan logam-logam paduan yang titik cairnya tinggi, misal : paduan chrom, molybdenum, nikel, tungsten dan lain-lain.
• Bekerja dengan menghasilkan terak yang banyak (sampai 55 - 60% CaO), lagi pula dapat menghilangkan unsur-unsur yang merugikan terhadap sifat-sifat baja seperti Phosfor (P) dan Sulfur (S).
• Terutama pada induction furnace akan diperoleh deoksidasi dan degasifikasi dari pada baja.
• Menghasilkan cairan dengan kualitas tinggi dan efisiensi yang tinggi dengan material yang hilang terbakar yang minimum serta kemudahan dalam pengendalian temperatur cairan logam
Harga yang mahal (investasi yang besar) baik dari pengadaan tanur itu sendiri dan dari biaya energi yang tinggi merupakan kekurangan dalam penggunaan tanur listrik.
Tanur listrik saat ini digunakan untuk proses peleburan seluruh jenis baja, termasuk stainless steel, tool steel dan baja paduan lainnya. Berikut ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai kedua tanur tersebut.

1. Tanur Busur Api (Arc Furnace)

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 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 -----------> 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

2. Tanur Induksi

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).

2.5.5 Proses Dapur Kopel

                        Mengolah besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang.

Proses :

·         pemanasan pendahuluan agar bebas dari uap cair.

·         Bahan bakar(arang kayu dan kokas) dinyalakan selama ± 15 jam.

·         kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah hingga kokas mencapai 700 – 800 mm dari dasar tungku.

·         besi kasar dan baja bekas kira-kira 10 – 15 % ton/jam dimasukkan.

·         15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.

Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar P dan S ditambahkan batu kapur (CaCO3) dan akan terurai menjadi:

akan bereaksi dengan karbon : Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan untuk pembangkit mesin-mesin lain.

2.5.6. Proses Dapur Cawan

  Proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan

  kemudian dapur ditutup rapat.

  Kemudian dimasukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling cawan dan muatan dalam cawan akan mencair.

  Baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan

2.6 Jenis Kompenen yang Terkait Dengan Bidang Teknik Industri / Aplikasinya

      Penggunaan baja karbon dalam bidang industri mempunyai banyak manfaat,baik dalam bahan pertanian,konstruksi,rumah tangga,dll.

Baja karbon rendah (kandungan C = 0,1 – 0,2 % )

      Digunakan untuk bahan konstruksi,seperti : besi plat, besi strip, besi siku, besi beton.

Baja karbon sedang (kandungan C = 0,2 – 0,3 % )

      Digunakan untuk bahan konstruksi,seperti : per ( pegas),tambang baja,kepala martil.

Baja karbon tinggi (kandungan C = 0,7 – 0,9 % ) : per (pegas),mata pahat kayu,mata gergaji

Kayu,mata serutan kayu.

(kandungan C = 0,9 – 1,1 % ) : mata pahat besi,pelubang,tap,snei

(kandungan C = 1,1 – 1,4 % ) : silet,gergaji besi,kikir