BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dapur Peleburan
Dalam proses pengecoran logam tahapan peleburan untuk mendapatkan
logam cair pasti akan dilakukan dengan menggunakan suatu tungku peleburan di mana material bahan baku dan jenis tungku yang akan digunakan harus
disesuaikan dengan material yang akan dilebur.
Pemilihan tungku peleburan yang akan digunakan untuk mencairkan logam harus sesuai dengan bahan baku yang akan dilebur. Paduan Aluminium,
paduan tembaga, paduan timah hitam, dan paduan ringan lainnya biasanya dilebur dengan menggunakan tungku peleburan jenis krusibel, sedangkan untuk besi cor
menggunakan tungku induksi frekwensi rendah atau kupola. Tungku induksi frekwensi tinggi biasanya digunakan untuk melebur baja dan material tahan
temperatur tinggi Abrianto Akuan, 2009. Tungku yang paling banyak digunakan dalam pengecoran logam antara
lain ada lima jenis yaitu; Tungku jenis kupola, tungku pengapian langsung, tungku krusibel, tungku busur listrik, dan tungku induksi. Dalam memproduksi
besi cor tungku yang paling banyak digunakan industri pengecoran adalah krusibel dan tungku induksi, jenis kupola sudah mulai jarang digunakan karena
pertimbangan tertentu. Berikut ini uraian tentang tungku peleburan. Pada unit ini memperkenalkan tungku dan refraktori dan menjelaskan berbagai aspek
perancangan dan operasinya Abrianto Akuan, 2009.
Pemilihan dapur tergantung pada beberapa faktor Mikell P.Groover, 2000, seperti :
1. Paduan logam yang akan dicor
2. Iemperatur lebur dan temperatur penuangan
Universitas Sumatera Utara
3. Kapasitas dapur yang dibutuhkan
4. Biaya operasi
5. Pengoperasian
6. Pemeliharaan
7. Polusi terhadap lingkungan.
2.2 Klasifikasi Tungku
Tungku adalah sebuah peralatan yang digunakan untuk mencairkan logam pada proses pengecoran casting atau untuk memanaskan bahan dalam proses
perlakuan panas heat Treatmet. Karena gas buang dari bahan bakar berkontak langsung dengan bahan baku, maka jenis bahan bakar yang dipilih menjadi
penting. Sebagai contoh, beberapa bahan tidak akan mentolelir sulfur dalam bahan bakar. Bahan bakar padat akan menghasilkan bahan partikulat yang akan
mengganggu bahan baku yang ditempatkan didalam tungku Abrianto Akuan, 2009.
Idealnya tungku harus memanaskan bahan sebanyak mungkin sampai mencapai suhu yang seragam dengan bahan bakar dan tenaga kerja sesedikit
mungkin. Kunci dari operasi tungku yang efisien terletak pada pembakaran bahan bakar yang sempurna dengan udara berlebih yang minimum. Tungku beroperasi
dengan efisiensi yang relatif rendah dibawah 70 dibandingkan dengan peralatan pembakaran lainnya seperti boiler dengan efisiensi lebih dari 90 .
Hal ini disebabkan oleh suhu operasi yang tinggi didalam tungku. Sebagai contoh, sebuah tungku yang memanaskan bahan sampai suhu 1200
o
C akan mengemisikan gas buang pada suhu 1200
C atau lebih yang mengakibatkan kehilangan panas yang cukup signifikan Abrianto Akuan, 2009.
2.2.1 Dapur Crucible
Universitas Sumatera Utara
Dapur ini melebur logam tanpa berhubungan langsung dengan bahan
pembakaran indirect fuel-fired furnance.
Sumber: Mikell P.Groover, 2000
Gambar 2.1 Tiga jenis dapur krusibel
Dalam gambar 2.1 ditunjukkan 3 jenis dapur krusibel yang biasa digunakan :
a. Krusibel angkat lift-out crucible,
b. Pot tetap stationary pot,
c. Dapur tukik tilting-pot furnance.
Krusibel angkat yaitu Krusibel ditempatkan didalam dapur dan dipanaskan hingga logam mencair. Sebagai bahan bakar digunakan minyak, gas, dan serbuk
batubaru. Bila logam telah melebur, krusibel diangkat dari dapur dan digunakan
sebagai label penuangan. Dapur pot tetap Dapur tidak dapat dipindah, logam cair
diambil dari kontainer dengan ladel. Dapur tukik Dapat ditukik untuk menuangkan logam cair Mikell P.Groover, 2000.
Dapur krusibel digunakan untuk peleburan logam non-besi seperti perunggu, kuningan, paduan seng dan aluminium. Kapasitas dapur umumnya
Universitas Sumatera Utara
terbatas hanya beberapa ratus pound saja. Dapur Crucible adalah dapur yang paling tua yang digunakan dalam peleburan logam. Dapur ini mempunyai
konstruksi paling sederhana. Dapur ini ada yang menggunakan kedudukan tetap dimana penmgambilan logam cair dengan memakai gayung. Dapur ini sangat
fleksibel dan serba guna untuk peleburan yang skala kecil dan sedang. Bahan bakar dapur Crucible ini adalah gas atau bahan bakar minyak karena akan mudah
mengawasi operasinya. Ada pula dapur yang dapat dimiringkan sehingga pengambilan logam dengan menampung dibawahnya. Dapur ini biasanya dipakai
untuk skala sedang dan skala besar. Dapur Crucible jenis ini ada yang dioperasikan dengan tenaga listrik sebagai alat pemanasnya yaitu dengan induksi
listrik frekuensi rendah dan juga dapat dengan bahan bakar gas atau minyak, sedangkan dapur Crucible yang memakai burner sebagai alat pemanas dengan
kedudukan tetap terlihat seperti gambar dibawah Mikell P.Groover, 2000.
Sumber: Mikell P.Groover, 2000
Gambar 2.2 Dapur kedudukan tetap Tanur udara terbuka adalah tanur yang bentuknya seperti tungku yang
agak rendah dan logam cair akan akan melebur dan dangkal. Pada bagian bawah tanur dipasang 4 buah ruang pemanas regenerator . Tanur juga disangga oleh
dua buah rol yang memungkinkan untuk dimiringkan pada saat pengeluaran terak
Universitas Sumatera Utara
atau logam cair. Burner diletakkan pada kedua sisi tanur dan dioperasikan secara periodik untuk mendapatkan panas yang merata. Bahan bakar yang digunakan
adalah gas atau minyak. Udara pembakaran dan bahan bakar biasanya dipanaskan mula dengan melewatkan pada ruang pemanas dibawah tanur. Pemanasan ini
bertujuan untuk mempeercepat terjadinya pembakaran dan menjaga agar tidak terjadi perubahan suhu yang mencolok didalam tanur. Pintu pengisian terletak di
sisi depannya. Tanur udara terbuka biasanya digunakan untuk peleburan baja Abrianto Akuan, 2009.
Tanur udara adalah bentuk yang dimodifikasi dari tanur udara terbuka. Bentuknya hampir sama dengan tanur udara terbuka, penampang tempat logam
cair berbentuk lebar dan dangkal. Tanur dipanaskan dengan alat pemanas dengan bahan bakar minyak . Burner dan udara pembakaran ditempatkan pada salah satu
ujung tanur dan udara sisa pembakaran akan keluar dari ujung yang lain. Komposisi kimia dapat dikontrol lebih baik pada dapur ini dibanding dengan
dapur kupola. Bila ingin melakukan penambahan dilakukan dengan membuka tutup tanur dan menuangkannya dari atas Abrianto Akuan, 2009.
Tanur ini biasanya digunakan untuk melebur besi cor putih dan besi cor mampu tempa, dan kadang juga digunakan untuk peleburan logam non besi. Biaya
operasi tanur ini lebih tinggi dibandingkan dengan kupola . Sering juga tanur ini dikombinasikan dengan kupola dalam operasinya. Mula-mula peleburan
dilakukan dengan kupola kemudian cairan dipindahkan ke tanur udara untuk diatur komposisinya Mikell P.Groover, 2000.
Universitas Sumatera Utara
Tanur induksi listrik adalah tanur yang melebur logam dengan medan elektromagnet yang dihasilkan oleh induksi listrik, baik yang berfrekuensi rendah
maupun yang berfrekuensi tinggi. Tanur induksi biasanya berbentuk Crucible yang dapat dimiringkan. Tanur ini dipakai untuk melebur baja paduan tinggi, baja
perkakas, baja untuk cetakan, baja tahan karat,dan baja tahan panas yang tinggi Abrianto Akuan,2009.
Tanur ini bekerja berdasarkan arus induksi yang timbul dalam muatan yang menimbulkan panas sehingga memanasi crucible dan mencairkan logam di
dalam Crucible. Bentuk dari tanur induksi listrik dapat dilihat pada Gambar 2.3 di bawah ini Abrianto Akuan, 2009.
Universitas Sumatera Utara
Sumber: Abrianto Akuan, 2009
Gambar 2.3. Potongan melintang tanur induksi jenis saluran 2
2.2.2 Tungku Kupola
Kupola merupakan tungku yang memiliki bentuk silinder vertikal yang memiliki kapasitas besar. Tungku ini diisi dengan material pengisi antara lain
besi, kokas, flux atau batu kapur, dan elemen paduan yang memungkinkan. Tungku ini memiliki sumber energi panas dari kokas dan gas untuk meningkatkan
temperatur pembakaran. Hasil peleburan dari tungku ini akan ditapping secara periodik untuk mengeluarkan besi cor yang telah mencair Mikell P.Groover,
2000.
Universitas Sumatera Utara
Sumber: Mikell P.Groover, 2000
Gambar 2.4. Kupola untuk peleburan besi tuang
2.2.3. Tungku Busur Listrik
Peleburan logam menggunakan tungku ini dilakukan dengan
menggunakan energi yang berasal dari listrik berupa arc atau busur yang dapat mencairkan logam. Tungku jenis busur listrik ini biasanya digunakan untuk proses
pengecoran baja Abrianto Akuan, 2009.
Sumber: Abrianto Akuan, 2009
Gambar 2.5 Electric furnace indirect system
Universitas Sumatera Utara
Sumber: Abrianto Akuan, 2009
Gambar 2.6 Electric furnace direct system
2.2.4 Tungku Induksi
Tungku induksi adalah tungku yang menggunakan energi listrik sebagai sumber energi panasnya, arus listrik bolak-balik alternating current yang
melewati koil tembaga akan menghasilkan medan magnetik pada logam pengisi charging material didalamnya. Medan magnet ini juga akan melakukan mixing
pada logam cair akibat adanya gaya magnet antara koil dan logam cair yang akan menimbulkan efek pengadukan stiring effect untuk menghomogenkan komposisi
pada logam cair Abrianto Akuan, 2009. Logam cair didalam tungku harus dihindarkan dari kontak langsung
terhadap koil. Oleh karena itu material tahan temperatur tinggi sebagai lining tungku harus memiliki ketebalan yang cukup untuk menahan beban logam cair
didalamnya. Pada gambar dibawah ini ditunjukan beberapa komponen utama dari suatu tungku induksi Abrianto Akuan, 2009.
Universitas Sumatera Utara
Sumber: Abrianto Akuan, 2009
Gambar. 2.7 Tungku induksi listrik Setelah logam pengisi telah mengalami pencairan maka tungku induksi ini
telah dilengkapi dengan suatu pengendali untuk melakukan penuangan titling kedalam suatu ladle yang lebih kecil yang dibawa hook crane atau ladle yang
dibawa oleh dua operator pouring ke cetakan.
2.2.5 Tungku Converter
Converter ialah sebuah tabung baja dengan dinding berlapis dan tahan terhadap temperatur tinggi serta ditempatkan pada sebuah dudukan yang dibentuk
sedemikian rupa agar posisinya dapat diubah secara vertikal mapun secara horizontal dengan posisi mulut berada disamping atau diatas bahkan dibawah.
Posisiposisi ini diperlukan untuk pengisian, penghembusan karbon dioksida dan
penuangan hasil pemurnian Abrianto Akuan, 2009.
Universitas Sumatera Utara
Sumber: Abrianto Akuan, 2009
Gambar 2.8 Tungku Converter Bessemer
Proses pemurnian ini dilakukan dengan terlebih dahulu mencairkan besi mentah ke dalam converter yang berada pada posisi horizontal kemudian
converter diubah posisinya pada posisi vertikal dan pada posisi ini udara bertekanan 140 KNm
2
dihembuskan melalui dasar converter ke dalam besi mentah cair, dengan demikian maka unsur karbon akan bersenyawa dengan
oksigen menjadi karbon dioxida CO2 dan mengikat unsur-unsur lainnya Abrianto Akuan, 2009.
Dengan tekanan udara 140 KNm
2
unsur-unsur tersebut akan terbawa keluar dari converter, proses ini dilakukan dalam waktu 20 menit, dari proses ini
besi mentah memiliki unsur-unsur paduan tidak lebih dari 0,05 dan 0,006 diantaranya adalah unsur karbon dan dianggap sebagai besi murni atau Ferrite
Universitas Sumatera Utara
Fe, selanjutnya ditambahkan unsur karbon ke dalam converter ini dengan jumlah tertentu sesuai dengan jenis baja yang dikehendaki hingga 2,06, coverter ini
berkapasitas antara 25 ton sampai 60 ton. Pada dasarnya berbagai metoda dalam proses pembuatan baja ini ialah proses pemurnian unsur besi dari berbagai unsur
yang merugikan sebagaimana telah dikemukakan terdahulu, oleh karena itu dalam proses pembuatan baja dengan menggunakan sistem converter ini ialah salah satu
proses pemurnian atau pemisahan besi dengan menggunakan bejana sebagai alat pemanasan peleburan besi kasar tersebut Abrianto Akuan, 2009.
Sumber: Abrianto Akuan, 2009
Gambar 2.9 Proses oxigen pada dapur basa untuk pemurnian besi kasar
2.2.6 Tungku Thomas dan Bessemer
Thomas dan Bessemer melakukan proses pemurnian besi kasar dalam pembuatan baja ini pada prinsipnya sama yakni menggunakan Converter, namun
Bessemer menggunakan Converter dengan dinding yang dilapisi dengan Flourite dan Kwarsa sehingga dinding Converter menjadi sangat keras kuat dan tahan
terhadap temperature tinggi, akan tetapi dinding converter ini menjadi bersifat asam sehingga tidak dapat mereduksi unsur Posphor, oleh karena itu dapur
Universitas Sumatera Utara
Bessemer hanya cocok digunakan dalam proses pemurnian besi kasar dari bijih besi yang rendah Posphor Low-Posphorus Iron Ores Abrianto Akuan, 2009..
Sedangkan Thomas menyempurnakannya dengan memberikan lapisan batu kapur limestone atau Dolomite sehingga dinding converter menjadi basa
dan mampumereduksi kelebihan unsur Posphor dengan mengeluarkannya bersama terak. Salah satu proses pemurnian besi dengan sistem converter ini pertama
dikembangkan di austria, proses dengan hembusan udara bertekanan hingga 12 bar di atas convertor dengan posisi vertical, setelah besi mentah pig iron
bersama dengan sekrap dimasukan yang kemudian dibakar, udara yang dihembuskan menghasilkan pembakaran dengan unsur karbon, belerang dan
phosphor yang terkandung didalam besi mentah tersebut, hal ini terjadi pada saat converter dalam posisi miring Abrianto Akuan, 2009.
Sumber: Abrianto Akuan, 2009
Gambar 2.10 LD Top Blown Converter
2.3 Batu Tahan Api
Universitas Sumatera Utara
Batu tahan api yang umum digunakan untuk dapur peleburan jenis crucible
adalah batu tahan api yang memiliki sifat-sifat Bambang Suharno, 2008 :
1. Tidak melebur pada suhu yang relatif tinggi
2. Sanggup menahan lanjutan panas yang tiba-tiba ketika terjadi pembebanan
suhu 3.
Tidak hancur di bawah pengaruh tekanan yang tinggi ketika digunakan pada suhu yang tinggi
4. Mempunyai koefisien thermal yang rendah sehingga dapat memperkecil
panas yang terbuang 5.
Memiliki tekanan listrik tinggi jika digunakan untuk dapur listrik
Bahan tahan api diklasifikasikan dalam beberapa jenis, yaitu golongan basa, asam, dan netral. Pemilihin ini tergantung pada jenis dapur apa yang akan
digunakan Hardi Sudjana, 2008. Adapun bahan-bahan dari batu tahan api ini adalah Hardi Sudjana, 2008 :
1. bahan tahan api jenis asam
biasanya terdiri dari pasir silika dan tanah liat tahan api fire clay. Silika adalah bentuk murni melebur pada suhu 1710
C. bahan tahan api ini terdiri dari hidrat alumunia silika Al
2
O
3
, 2SiO
2
, 2H
2
O. 2.
bahan tahan api jenis basa biasanya terdiri dari magnesia, clionie magnesia, dan dolomite magnesia.
Bahan ini mempunyai titki lebur tinggi dan baik untuk mencegah korosi, bahan-bahan ini terdiri dari 20-30 MgO dan 70-80 Cliromite dolomite
yang terdiri dari kalsium karbonat dan magnesia CaCO
3
, MgCO
3
, Dolomite stabil yang terdiri dari CaCO
3
, SiO
3
, dan MgO adalah batu tahan
api yang lebih baik dari pada dolomite biasa sehingga lebih tidak mudah retak.
Universitas Sumatera Utara
3. bahan tahan api jenis netral
terdiri dari karbon, grafit, cliromite, dan silimanite. Bahan tahan api ini tidak membentuk phasa cair pada pemanasan penyimpanan kekutan pada
suhu tinggi. jenis cliromite terbuat dari biji cliromite yang komposisinya terdiri dari 32 FeO dan 68 CrO
3
dan mempunyai titik cair sekitar 2189
C, dan silimite terdiri dari 63 Al
2
O
3
dan 37 SiO
2
dan memiliki titik cair sekitar 1900
C.
Batu bata silika merupakan suatu refraktori yang mengandung paling sedikit 93 SiO2. Bahan bakunya merupakan batu yang berkualitas. Batu bata
silika berbagai kelas memiliki penggunaan yang luas dalam tungku pelelehan besi dan baja dan industri kaca. Sebagai tambahan terhadap refraktori jenis multi
dengan titik fusi yang tinggi, sifat penting lainnya adalah ketahanannya yang tinggi terhadap kejutan panas spalling dan kerefraktoriannya. Sifat batu bata
silika yang terkemuka adalah bahwa bahan ini tidak melunak pada beban tinggi sampai titik fusi terdekati. Sifat ini sangat berlawanan dengan beberapa refraktori
lainnya, contohnya bahan silikat alumina, yang mulai berfusi dan retak pada suhu jauh lebih rendah dari suhu fusinya. Keuntungan lainnya adalah tahanan flux dan
stag, stabilitas volum dan tahanan spalling tinggi Abrianto Akuan, 2009.
Tabel 2.1 Sifat-sifat batu bata tahan api Jenis batu bata
SiO
2
Al
2
O
3
Kandungan lain PCE
C Super Duty
High Duty Menengah
Low Duty 49-53
50-80 60-70
60-70 40-44
35-40 26-36
23-33 5-7
5-9 5-9
6-10 1745-1760
1690-1745 1640-1680
1520-1595
Sumber : Abrianto Akuan , 2009
Universitas Sumatera Utara
2.4 Semen Tahan Api