Dapur Peleburan Logam 2

Pendahuluan

Latar Belakang

Kebutuhan logam ternyata tidak hanya sebatas benda dengan permukaan rata. Kebutuhan akan logam juga berkembang pesat seiring dengan teknologi yang mendukungnya. Sekarang kita bisa menghasilkan benda logam dalam bentuk apaun tanpa harus mengalami proses penenmpaan.

Pada zaman dahulu untuk menhasilkan logam yang berbentuk rumit maka benda haruslah di panaskan dan dipukul sebagaimana proses penempaan pada umumnya. Namun seiring kemajuan zaman tuntutan akan kebutuhan logam semakin meningkat dan atas tuntutan itulah kini telah tercipta tungku-tungku pelebur besi yang menhasilkan suhu diatas 1500 °C.

Penggunaan dapur induksi di industri pengecoran logam dewasa ini telah semakin berkembang. Hal ini terutama karena tanur induksi menjanjikan beberapa kelebihan antara lain:

• Hasil peleburan bersih.
• Mudah dalam mengatur/mengendalikan temperatur.
• Komposisi cairan homogen.
• Efisiensi penggunaan energi panas tinggi.
• Dapat digunakan untuk melebur berbagai jenis material.

Namun demikian terdapat pula hambatan/kendala yang perlu diperhatikan yaitu:

·      Infestasi biaya beban tetap yang cukup besar menuntut loading yang tinggi.

·      Biaya operasi yang besar menuntut tingkat kegagalan yang rendah.

·      Dibutuhkan operator maupun teknisi berpengalaman dalam mengoperasikannya.

·      Tingkat bahaya besar, mengingat tanur ini menggunakan enerji listrik yang sangat besar.

·      Biaya perawatan besar.

Dengan demikian walaupun tanur induksi menjanjikan banyak keuntungan namun menuntut perlakuan dan pengoperasian yang benar, meliputi:

·         Keterampilan operator.

·         Penggunaan bahan baku dengan spesifikasi jelas.

·         Preventive maintenance yang intensiv.

Sejarah Singkat

Sejarah peleburan logam telah dimulai kurang lebih sejak 4000 SM, yaitu sejak manusia mengenal cara mencairkan logam dan membuat cetakan perhiasan dari emas atau perak tempaan yang berkembang untuk pembuatan senjata atau peralatan pertania.

            Dengan ditemukannya teknik peleburan dan cetakan tembaga cair maka mulailah terjadi perkembangan teknik peleburan logam campuran seperti perunggu.

            Sejalan dengan ditemukannya teknik tanur datar dan tuntutan kebutuhan peralatan sesuai dengan kondisi jaman saat itu, peleburan logam mulai banyak digunakan oleh bangs-bangsa di sekitar laut tengah, dari Yunani hingga ke India. Walaupun demikian baru pada abad 14 teknik peleburan dilakukan secara besar-besaran oleh Jerman dan Italia menemukan tanur tiup berbentuk silinder sebagai pengganti tanur datar. Teknik peleburan ini dilakukan dengan meletakkan biji besi dan arang batu secara bergantian kemudain dituangkan secara langsung logam cair yang didapat dari bii besi ke dalam cetakan. Produksi yang dihasilkan adalah tungku, pipa, meriam dan pelurunya.

            Peleburan ini semakin pesat dengan ditemukannya kokas di Inggris pada abad ke 18, kemudaian oleh Prancis kokas ini dikembangkan untuk dapat mencairkan kembali besi kasar dalam tanut kecil seperti tanur cupola yang saat ini banyak digunakan.Dengan penemuan tanur ini, produk-produk logam lain juga telah dihasilkan seperti produk baja dari besi kasar pada abad ke 19.

Prinsip proses peleburan dengan dapur induksi.

Dapur induksi bekerja dengan prinsip transformator dengan kumparan primer dialiri arus AC dari sumber tenaga dan kumparan sekunder. Kumparan sekunder yang diletakkan didalam medan mahnit kumparan primer akan menghasilkan arus induksi. Berbeda dengan transformator, kumparan sekunder digantikan oleh bahan baku peleburan serta dirancang sedemikian rupa agar arus induksi tersebut berubah menjadi panas yang sanggup mencairkannya.

Dapur induksi mempunyai prinsip transformator yaitu arus bolak-balik dapat ditransformatorkan atau dapat mengubah tenaga arus bolak-balik dari tekanan yang tinggi ke tekanan yang rendah dengan arus yang tinggi. Dapur induksi mempergunakan tiga kumparan dengan mempergunakan arus berputar. Inti tidak dipergunakan pada dapur ini dan sebagai ganti inti dipergunakan cairan baja. Dapur ini mengunakan arus liar yang kuat yang dialirkan ke dalam cairan baja untuk dirubah menjadi panas, sehingga panas yang dihasilkan dapat digunakan untuk melebur baja. Kesukaran yang timbul dalam menggunakan dapur adalah merubah frekuensi tinggi menjadi frekuensi terbatas atau rendah. Lilitan primer terbuat dari tembaga yang dibuat berlubang untuk aliran air pendingin.

Sesuai dengan frekuensi kerja yang digunakan, tanur induksi dikatagorikan sebagai tanur induksi frekuensi jala-jala (50 Hz – 60 Hz) dengan kapasitas lebur diatas 1 ton/jam dan tanur induksi frekuensi menengah (150 Hz – 10000 Hz) untuk tanur dengan kapasitas lebur rendah.

Frekuensi jala-jala pada tanur induksi frekuensi menengah diubah terlebih dahulu dengan menggunakan thyristor menjadi freukensi yang lebih tinggi sebelum dialirkan kekumparan primer.

Skema tanur induksi frekuensi menengah^.

Secara umum dapur induksi terdiri dari 2 jenis yaitu:

• dapur induksi jenis saluran, yang digunakan sebagai holding furnace (hanya berfungsi untuk menahan temperatur cairan agar tidak turun).
• dapur induksi jenis krus, yang digunakan sebagai tanur peleburan.

Prinsip pemanasan tanur induksi jenis saluran².

Pemanasan hanya dilakukan pada bagian saluran cairan. Bahan cair yang panas akan bergerak keatas, sedangkan bahan cair yang dinggin bergerak kebawah mengisi saluran. Dengan demikian cairan didalam tanur akan mengalami sirkulasi.

Potongan melintang tanur induksi jenis saluran².

Prinsip pemanasan dapur induksi jenis krus².

Potongan melintang tanur induksi jenis krus².

Tanur induksi jenis krus dikonstruksi sedemikian rupa disesuaikan dengan ukuran dan jenis bahan yang dilebur, sehingga terdapat tanur induksi frekuensi jala-jala, tanur induksi frekuensi menengah dan tanur induksi frekuensi tinggi.

Daerah kerja frekuensi terhadap kapasitas muat tanur².

Hal penting yang harus diperhatikan dalam memilih frekuensi kerja tanur induksi adalah hubungannya dengan ukuran minimum bahan baku yang dapat ditembus oleh frekuensi tersebut, sebagai berikut:

dimana:

δ = kedalaman penetrasi elektromagnetik [m].

K = Konstanta bahan baku.

f = Frekuensi kerja [Hz].

Ukuran minimum bahan baku yang dapat dilebur tanpa bantuan cairan adalah:

D = 3,5 x δ

Oleh Brown Bovery Co. ditabelkan sebagai berikut.

Dimensi minimum bahan baku [mm]

Dengan demikian bahan baku peleburan pada tanur induksi dengan frekuensi kerja terpasang yang memiliki dimensi lebih kecil dari harga yang tertulis pada tabel diatas, harus dilebur dengan bantuan sisa cairan didalam tanur.

Pada tanur induksi frekuensi jala-jala (50 Hz), mengingat dimensi bahan baku minimumnya sedemikian besar, maka peleburan pertama selalu dimulai dengan bahan berukuran besar sebagai starting-block serta selalu disisakan sekurang-kurangnya 1/3 cairan didalam tanur untuk membantu proses peleburan berikutnya.

Akibat dari adanya arus induksi yang terus menerus mengalir didalam cairan maka akan terjadi pergerakan cairan yang disebut sebagai stirring. Kualitas dan kuantitas stirring ditentukan oleh tinggi atau rendahnya frekuensi kerja dan jumlah fasa listrik yang digunakan.

Stirring pada 1 fasa (a) dan 3 fasa (b).

Sedangkan frekuensi kerja yang semakin rendah akan mengakibatkan stirring secara kualitatif menjadi semakin besar namun kuantitatif sedikit sehingga akan muncull sebagai gejolak cairan. Frekuensi kerja yang semakin tinggi akan mengakibatkan stirring yang terjadi kecil namun merata disetiap bagian dari cairan, sehingga cairan akan tampak lebih tenang.

Cara kerja dapur induksi sebagai berikut.

Pertama sekali dilakukan pengisian dapur dengan baja rongsokan setelah terlebih dahulu dipilih dan diketahui campuran unsur-unsurnya karena pada waktu proses berlangsung sangat sukar untuk mengadakan analisa kimianya disebabkan proses didalam dapur waktunya sangat pendek  20 menit. Setelah bahan-bahan dimasukkan arus listrik frekuensi tinggi mengalir ke lililtan primer sehingga didapat arus liar yang kuat dan seterusnya dialirkan kemuatan/ bahan yang akan menimbulkan panas karena tahanan di dalam dapur. Panas yang timbul di dalam dapur digunakan untuk melebur logam dan setelah terjadi pencairan di dalam dapur, pemanasan tetap dilakukan sampai pada temperatur yang diinginkan untuk pengeluaran baja yang diproses yang digunakan untuk dioksida cairan baja. Sewaktu pencairan baja terjadi terak cair dan bahan-bahan non metal berada disebelah atas (timbul ke bagian atas cairan) dan terak cair dan non metal cair yang timbul ke atas dikeluarkan dari dalam dapur. Di dalam dapur ini terak cair tidak dapat diyakini (tidak sempurna) menutupi cairan sehingga kemungkinan dapat timbul oksidasi pada cairan. Untuk mencegah terjadinya oksidasi pada cairan baja didalam dapur, maka pada permukaan cairan dimasukkan gas reduksi. Setelah proses di dalam dapur selesai, maka baja cair dikeluarkan dari dalam dapur yang ditampung oleh ladel untuk dibawa ke tempat penyelesaian selanjutnya.

Penuangan Logam Cair

Cairan logam yang dikeluarkan dari tanur diterima dalam ladel dan dituangkan ke dalam cetakan. Ladel mempunyai irisan berupa lingkaran dimana diameternya hampir sama dengan tingginya. Untuk coran besar dipergunakan ladel jenis penyumbat seperti pada gambar, sedangkan untuk coran kecil dipergunakan jenis ladel yang dapat dimiringkan.

Ladel dilapisi oleh bata samot atau bata tahan api agalmatolit yang mempunyai pori pori kecil, penyusutan kecil dan homogen. Nozel dibuat cukup panjang agar membentuk tumpahan yang halus tanpa cipratan. Ladel harus dikeringkan lebih dahulu oleh burner minyak residu sebelum dipakai.

Dalam proses penuangan diperlukan pengaturan temperatur penuangan, kecepatan penuangan dan cara-cara penuangan. Temperatur penuangan berubah menurut kadar karbon dalam cairan baja . Kecepatan penuangan yang rendah menyebabkan ke cairan yang buruk, kandungan gas, oksidasi karena udara, dan ketelitian permukaan yang buruk.

Cara penuangan secara kasar digolongkan menjadi dua yaitu penuangan atas dan penuangan bawah. Penuangan bawah memberikan kecepatan naik yang kecil dari cairan baja dengan aliran yang tenang. Penuangan atas menyebabkan kecepatan tuang yang tinggi dan menghasilkan permukaan kasar karena cipratan. Daripada itu dalam hal penuangan atas, laju penuangan harus rendah pada permulaan dan kemudian dinaikkan secara perlahan-lahan. Dalam penempatan nozel harus diusahakan agar tidak boleh menyentuh cetakan.

Proses peleburan dengan tanur induksi akan semakin efisien bila menggunakan bahan baku yang masif (berukuran besar) dan kompak. Keuntungan yang diperoleh dari bahan masif adalah:

1.      Bahan yang dilewati oleh medan induksi lebih banyak sehingga menghasilkan enerji panas yang lebih besar.

2.      Permukaan bahan yang bersentuhan dengan udara sedikit sehingga mengurangi efek oksidasi.

3.      Bahan homogen dengan komposisi yang serupa sehingga mengurangi faktor kesalahan peramuan.

4.      Mengurangi kemungkinan bahan asing dan kotoran ikut terbawa pada saat pemuatan sehingga lebih dapat menjamin pencapaian komposisi yang dikehendaki serta mengurangi terak ataupun bahaya-bahaya lain yang ditimbulkannya.

Ketersediaan cairan didalam tanur juga akan dapat meningkatkan kecepatan peleburan. Maka dalam hal pemuatan bahan kedalam tanur indsuksi berlaku urutan sebagai berikut:

Tanur induksi frekuensi jala-jala:

1.      Sarting blok untuk awal peleburan.

2.      Sisa cairan, yaitu 1/3 dari kapasitas tanur untuk peleburan lanjutan.

3.      Besi kasar.

4.      Bahan daur ulang.

5.      Besi bekas.

6.      Baja bekas.

7.      Carburisher (bersama baja bekas).

8.      Bahan paduan, dimana padfuan dengan kehilangan terbakar (melting loss) tinggi dimuatkan paling akhir.

Poin 1 merupakan tuntutan wajib bagi tanur induksi frekuensi jaringan, sebab tanpa starting block proses peleburan tidak dapat berlangsung. Sedangkan poin 2 adalah upaya untuk meningkatkan efisiensi enerji peleburan. Poin 3 sampai 8 merupakan urutan prioritas bila bahan-bahan tersebut digunakan.

Tanur induksi frekuensi menengah dan tinggi:

1.      Sarting blok untuk awal peleburan (bila tersedia).

2.      Besi kasar.

3.      Bahan daur ulang.

4.      Besi bekas.

5.      Baja bekas.

6.      Carburisher (bersama baja bekas).

7.      Bahan paduan, dimana padfuan dengan kehilangan terbakar (melting loss) tinggi dimuatkan paling akhir.

Poin 1 lebih baik dilakukan walaupun tanpa sarting blok proses peleburan dengan tanur induksi frekuensi menengah sampai tinggi tetap dapat dilakukan. Sedangkan poin 2 sampai 7 merupakan urutan prioritas bila bahan-bahan tersebut digunakan.

Kesimpulan

1.      Tanur induksi digunakan pada proses peleburan besi, baja cor dan sedikit nonferro.

2.      Enerji peleburan diperoleh dari bahan bakar listrik.

3.      Tanur induksi terdiri dari dua jenis yaitu jenis saluran (untuk proses penahanan temperatur) dan jenis krus (untuk proses peleburan).

4.      Ukuran bahan baku sangat ditentukan oleh frekuensi kerja tanur induksi.

5.      Kualitas peleburan sangat ditentukan oleh lining tanur induksi.

6.      Efisiensi peleburan akan naik bila bahan baku yang digunakan berukuran besar dan masif (kompak).