Tugas Proses Pembuatan Besi dan Baja(PPBB)

Heat Resistant Steel

Nama : Helena SeptianNPM : 1206239182

Dapartemen Teknik Metalurgi dan MaterialUniversitas IndonesiaDepokMei 2014

ABSTRAK

Baja adalah logam paduan dimana logam besi sebagai unsur dasar dengan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan unsur karbondalam baja berkisar antara 0.2% -2% berat sesuai dengan gradenya. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah dislokasi bergeser pada kisi kristal atom besi. Unsur paduan lain yang biasa ditambahkan selain karbon adalah chromium, nikel, tungsten dan lainnya. Baja tahan panas atau heat resistant steel adalah senyawa besi yang mengandung setidaknya 20-22% Cr dan 20-24% Nikel untuk meningkatkan strength dan ketahanan creep. Baja jenis ini biasanya digunakan untuk aplikasi Furnace Equipment maupun untuk Aircraft serta Power Plant.

Pada dasarnya, sifat properties dari logam baja termasuk kekuatan luluhnya akan menurun seiring dengan penyerapan panas oleh baja ketika diapplikasikan di lingkungan yang terekspos temperatur tinggi. Maksud dari heat resistance (tahan panas) adalah jenis baja dimana baja tersebut akan tahan (tidak mengalami penurunan kualitas) ketika digunakan/diaplikasikan pada temperatur diatas 500oC. Heat resistance steel itu sendiri memang pada dasarnya dibuat untuk pengaplikasian ditas 500oC, hal ini dikarenakan baja jenis ini mempunyai kekuatan yang baik terhadap temperatur dan sangat tahan terhadap pemaparan jangka pendek ataupun panjang kepada gas panas atau hasil produk kombusi diatas temperature 500oC. Baja jenis ini merupakan baja yang dibentuk melalui proses solid solution strengthening dengan cara alloying.

Karena baja ini ketika pada saat pengaplikasiannya, akan digunakan pada temperature yang berfluktuasi skalanya, maka baja ini pada biasanya akan melalui mekanisme pengerasan seperti heat treatment, solid solution dan precipitation hardening. Semua baja tahan panas mempunyai komposisi yang berbeda-beda elemen alloyingnya, hal ini bertujuan untuk mencapai properties yang diinginkan dan supaya bisa menahan kualitas dan propertiesnya agar tidak menurun ketika temperature meningkat sampai titik kritis.

Tingkat ketahanan panas dari baja ini tergantung pada kondisi lingkungan di mana mereka beroperasi dan tidak dapat diketahui dengan metode pengujian tunggal. Suhu pengoperasian untuk heat resistant steel yang maksimal biasanya sampai dengan 1150 oC tergantung pada konten paduan yang dimana dapat berkurang secara bertahap apabila terdapat compound yang lain seperti sulfur dan uap air ataupun debu.

Dalam heat resistant steels, dua elemen yang paling penting adalah kromium untuk ketahanan oksidasi dan nikel untuk kekuatan dan daktilitas. Unsur-unsur lain ditambahkan untuk meningkatkan sifat-sifat suhu tinggi.Berikut adalah elemen elemen yang terdapat pada heat resistant steels:1. Chromium : 20 - 22% Kromium adalah salah satu elemen yang hadir dalam semua baja tahan panas. Selain menyampaikan ketahanan oksidasi, kromium menambah kekuatan suhu tinggi dan ketahanan karburisasi. Kromium adalah elemen yang membuat struktur mikro menjadi feritik. Ketahanan terhadap okisadi (scaling) seiring dengan bertambahnya temperature Tahan terhadap kondisi sulfur (korosif) Adanya CrC pada matriks : high temperature creep & high rupture strength Cenderung membentuk ferrit (alpha) Dipadu dengan carbon: UTS Temperature TinggiBerikut akan dipaparkan gambar:Dapat dilihat pada gambar disamping bahwa semakin tinggi kandungan Cr maka akan lebih susah untuk teroksidasi terlihat bahwa steel biasa dan chromium steel akan lebih banyak mengalami weight loss (teroksidasi) adalah material steel yang hanya mengandung sedikit chromium

2. Carbon : 0.2 0.75%Karbon adalah elemen yang paling penting dalam unsur penguatan. Kadar karbon dikendalikan dalam batas-batas tertentu dalam baja tahan panas. Sebagian besar baja tahan panas mengandung 0,05% sampai 0,10% karbon. Baja tahan panas cor memiliki biasanya 0,35% menjadi 0,75% karbon. Karbon hadir dalam bentuk partikel yang kecil dan keras yang disebut sebagai karbida. Mengakibatkan dispersi strengthening dengan terbentuknya karbida dalam struktur Meningkatnya karbon : high temperature strength bertambah, creep resistance bertambah tinggi namun ductility menurun3. Nickel : s/d 20-24%Nikel ketika ditambahkan ke baja tahan panas akan meningkatkan keuletan, kekuatan pada suhu tinggi dan ketahanan terhadap carburizing dan nitriding. Nikel cenderung membuat struktur baja menjadi austenitic. Nickel juga mengurangi kelarutan kedua karbon dan nitrogen dalam austenit. Memberikan kekuatan dan ketangguhan dalam matriks Mempromote austenisasi yang lebih kuat dan stabil pada temperature tinggi Tahan: karburisasi, nitridasi, oksidasi & thermal fatigue Kekuatan tensile temp tinggi menurun

4. Silikon: dibatasi 1.5 %Silikon menurunkan kelarutan karbon dalam logam, yang merupakan variabel penting dalam proses pembuatan baja. Silikon sendiri adalah unsur penguatan yang biasanya kadarnya di atas 0,04%. Silikon meningkatkan oksidasi dan ketahanan karburisasi, serta resistensi terhadap menyerap nitrogen untuk baja tahan panas pada Tahan high temperature corrosion dan carburisasi Cenderung untuk membentuk ferrite UTS pada temp tinggi menurun5. Molibden: memperbaiki sifat creep dan rupture strength dengan membentuk karbida stabil6. Mangan: tidak ada efek terhadap sifat mekanis dan korosi7. W, Zr, Ti dan N: untuk meningkatkan creep dan stress rupture pada pemakaian komponen sampai dengan 650oC dengan struktur ferrit-austenit. Pada suhu aplikasi kurang dari 650oC, paduan memiliki struktur austenit secara menyeluruh. Adanya ferit dapat menurunkan ketahanancreeppada temperatur tinggi. Selain itu, ferit juga dapat membentuk fasa sigma yang berakibat menurunnya keuletan dan bersifat getas8. Sulfur dan Posphor: Sulfur biasanya dianggap sebagai pengotor didalam baja sehingga kadarnya harus dibatasi dalam heat resistant steel. Sulfur merugikan kemampuan mampu las tetapi meningkatkan machinability. Fosfor juga biasanya merupakan elemen yang tidak diinginkan pada baja tahan panas karena memiliki efek brittle dengan cara mensegregasikan. Biasanya, ditetapkan batas fosfor yang maksimal ada di sebagian besar baja tahan panas.I. RAW MATERIAL Sehingga apabila kita ingin membentuk suatu baja heat resistant steel maka material yang dibutuhkan adalah:1. Hot Metal (Pig Iron) Hasil dari Blast Furnace atau Corex Process (Smelting Reduction)2. Sponge Iron (Besi Spons) Hasil dari Direct Reduction3. Scrap (Besi Tua)4. Lime (CaO = Batu Kapur), B = SiO2/CaO5. Flux (CaF2)6. Bahan Paduan (Alloy Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Ni, Fe-V, Fe-W etc) sesuai dengan persen kadar yang telah disebutkan diatas

II. FLOW SHEET & DESKRIPSI PROSES

Secara garis besar proses dari pengolahan baja heat resistant steel ini akan digambarkan pada flowchart dibawah:

Billet (continous casting)

Scrap & AlloysEAF

AOD/VOD

Charge Induction Furnace

LF

Ingot

Dapat dilihat pertama tama sebelum masuk kedalam EAF bijih besi diolah terlebih dahulu (dari Blast Furnace atau Corex Process (Smelting Reduction)) sampai menghasilkan Hot Metal atau Pig Iron.

Diagram alir singkat mengenai proses Blast Furnace, Corex dan Direct Reduction.

Kemudian Hot Metal atau Pig Iron ini, akan digabung dengan Besi Spons (hasil dari Direct Reduction) dan Besi Tua yang kemudian baru akan masuk kedalam Charging Laddle yang berbentuk seperti sebuah bucket. Setelah itu baru akan dimasukkan kedalam EAF

PADA PROSES CHARGING, terdapat beberapa tahap yaitu: Charging I : Diberikan Cao (Kapur Bakar) Pada Dasar Bucket Charging II : Jangan Tunggu cair 100 % Charging, Sebab: Effisiensi Panas Rendah Logam Cair muncrat : Berbahaya Sebaiknya 75 % Cair Refraktori akan terkikis (mekanis & thermal) Minimum Charging: 2X Biasanya : 3 X, Jangan lebih dari 3 X

Setelah melalui proses charging, kemudian akan melalui proses EAF (Electrical Arc Furnace)

Waktu Proses: 90 150 menit

Material material yang telah di charge ke dalam charging laddle mengandung:

1. Pig Iron : C ~ 4,2 10 % maxsebagai Supply C2. Sponge Iron C ~ 1,7 % 70-80 %Peningkatan mutu Pada dasarnya, mutu baja tergantung pada jumlah sponge ironnya, biasanya kriteria sponge iron yang diinginkan adalah tidak mengandung kotoran, S, P rendah ataupun unsur pengotor baja lainnya seperti Cu, Sn, Pb hampir tidak ada.3. Scrap C ~ Tak menentu20 100 %Kualitas biasa 4. Bahan Tambahan seperti CaO : Kapur Bakar CaF2 : Fluorspar Fe-Si FeMn FeCrSi (lowC) FeCr (low C) -Terdapat 3 macam Proses Utama pada EAF yaitu: Oksidasi Melting Reduksi : P & S (Dephosforisasi & Desulfurisasi) Refining Alloying (Pengaturan Komposisi)

1. OKSIDASI MELTINGa. Usahakan sesingkat mungkin karena Power yang digunakan disini akan maksimum sehingga apabila prosesnya lama akan menghasilkan cost yang mahal untuk energib. Gunakan Oxygen sebagai Cutting Scrap pada saat Scrap sudah merah

2. REFINING

Setelah melalui proses oksidasi diatas kemudian baja akan masuk kedalam proses refining yang dimana bertujuan untuk menurunkan kadar karbon.Proses refining ini dicapai atau dilakukan dengan cara oxygen blowing menggunakan pipa baja yang bertekanan tidak tinggi. Posisi penyemprotan itu sendiri diletakkan diantara slag cairan baja

Selain daripada menggunakan pipa baja biasa, proses ini juga dapat dilakukan dengan menggunakan pipa khusus dimana terdapat air pendingin pada pipa yang dimana terletak pada permukaan.

Seperti yang kita ketahui, oxygen blowing itu sendiri mempunyai tujuan untuk menurunkan kadar karbon dari baja yang dimana dibutuhkan dalam proses pembuatan heat resistant steel dikarenakan pada steel jenis ini kadar karbon yang dibolehkan hanya sekitar 0.2 0.75%

Berikut akan digambarkan proses refining:

3. REDUKSI : P & S (setelah blowing oksigen selesai) merupakan proses; DESULFURISASIDesulfurisasi dapat dilakukan pada :Runer TTTransport carLadle furnace

Desulfurisasi sendiri merupakan termasuk proses sekunder metalurgi dimana akan menghasilkan produk dengan S ~ 0,005 % (impurities rendah)

Metode yang digunakan : Menggunakan desulfurisasi agent bentuk powder Proses difusi menjadi slag cepat

Powder (reaction agent) dimasukkan baja cair bersama-sama gas, keuntungan: Ukuran kecil, luas permukaan kontak besar Reaksi cepat krn gas membuat mixing Kehilangan powder kecil

Metode pemberian Powder: Lance Injection (yang digunakan pada proses) dimana menggunakan TN process Wire Injection Nozzle Injection

Contoh Powder untuk desulfurisasi:

CaO CaO Al2O3CaO-CaF2 CaO-CaF2-CaSi SlagCaO-CaF2-AlCaO-Al2O3-CaF2CaO-CaF2-Mg CaO-Mg

DEFOSFORISASI

Dephosporisasi biasanya dilakukan dengan memasukkan agen dephosporisasi yang mengandung lime, iron oxide, fluorspar, ke dalam hot metal pada transfer ladle atau torpedo car bersamaan dengan gas.

Kandungan Pospor setelah proses defosporisasi pada hot metal sekitar kurang dari 0,012%.

FeO (iron oxide) sebagai agen dephosporisasi akan bereaksi dengan phospor membentuk P2O5 secara eksotermik, reaksinya :

2P + 5FeO P2O5 + 5Fe

P2O5 merupakan oksida yang tidak stabil, perlu ditambahkan lime agar P2O5 dapat stabil, reaksinya :

3CaO + P2O5 3CaO.P2O5

Sehingga overall reaction adalah :

2P + 5FeO + 3CaO 3CaO.P2O5 + 5Fe

4. ALLOYING DEGASSING

Setelah melalui ketiga proses diatas, kemudian baja yang telah di desulfurisasi dan di defosforisasi akan masuk kedalam tahapan degassing yang dimana merupakan satu tahap yang sama dengan alloying.

Dapat dilihat bahwa setelah proses EAF kandungan H dan N pada baja menjadi tinggi, berikut datanya;

Sehingga degassing diperlukan untuk : Menghilangkan unsur unsur gas seperti H, N, O yang larut dalam baja (menyebabkan kualitas menurun)

Untuk menghilangkan unsur H, N, O maka atom atom tersebut harus dinaikkan, dimana untuk menaikkan atom H & N dari melting ke atmosfer :

1. Atom-atom tsb. dibawa ke permukaan bath, injection atau induktiv2. Proses difusi di lap. Transisi3. Transport ke atmosfer

Proses degassing yang akan digunakan pada heat resistant metal adalah VAD (Vacuum Arc Degassing)

Keuntungan dari proses VAD:

Fleksibilitas Applikasi penggunaan Dapat melakukan berbagai proses dalam 1 tahap pemanasanMetallurgy yaitu ; - degassing slag treatment alloying dll.

Oleh karena VAD bisa dilakukan berbagai macam proses sekaligus, oleh karena itu, proses Alloying pada heat resistance steel yang telah disebutkan komposisinya sebelumnya (Cr 20-22% , Ni 20-24% dll) dapat dilakukan di sini juga.

Berikut akan digambarkan proses VAD:

Pada VAD, cairan akan masuk ke dalam chamber terlebih dahuluKemudian, akan di buat vacuum yang kemudian akan dimasukan unsur unsur alloying dan setelah itu dilakukan proses degassing.

Berikut flow pada VAD:

Cairan baja pada laddle masuk dalam dapur vacuum dengan menggunakan gas Argon atau induksi memberikan efek mixing sehingga menyebabkan [H] [N] naik keatas

Pada VAD: sumber panas dari arc berasal dari grafit

Waktu Proses : 22 menit sebelum kehilangan temp.

Karena cepat kehilangan temperature (tidak ada pemanasan didalam) menyebabkan penambahan alloy menjadi terbatas. Proses VAD pada kenyataannya banyak digunakan karena sederhana dan terutama untuk mengurangi [H]

Setelah proses dari VAD selesai, baja kemudian akan masuk ke dalam proses pembuatan billet ataupun ingot dengan menggunakan proses casting.

5.CONTINOUS CASTING

Tahapan dalam continous casting :1. Input2. Proses penuangan material cair dari ladle ke tundish kemudian dilanjutkan dari tundish ke dalam mold3. ProsesDilakukan secondary cooling denganspray water agar pembekuansempurna dan kemudian di roll4. Umpan dari tundish kemudian dicetak dengan kecepatan roll yang telah ditentukan.5. Output6. Produk berupa billet, slab, bloom.

Pada proses continous casting ini, terdapat 3 macam tahap yaitu;

INPUT Baja cair dengan High purity Tidak ada slag Kadar pengotor sangat rendah Tidak ada reaksi kimia Reaksi logam cair dengan refraktori selama proses input dapat terjadi.

METAL FORMING (PROSES) Cooling, Rolling, Cutting

OUTPUT Slab, Billet, Bloom

Berikut akan digambarkan proses continous casting:

Setelah melalui proses continous casting, hasil produk berupa HRM/HSM.

6.APLIKASI heat resistant steel

Setelah mengetahui proses pembuatan heat resistant steel, kita perlu mengetahui aplikasi aplikasi dari heat resistant steel.

Karena heat resistant steel merupakan baja yang tahan panas dan bisa diaplikasikan pada suhu tinggi, baja ini sering dipakai untuk;

1. Metal Treatment Furnace2. Gas Turbines3. Aircraft Engines4. Military Equipment5. Oil Refinery Furnace6. Cement Mill Equipment7. Petrochemicals Furnaces8. Chemical Process Equipment9. Steel Mill Equipment10. Power Plant Equipment11. Equipment in manufacturing glass & synthetic rubber

DAFTAR PUSTAKA

PPT Proses Pembentukan Besi dan Baja. 2014. Prof. Dr.-Ing. Bambang Suharno

http://ispatguru.com/heat-resistant-steels/ diakses 20 Mei 2014

http://www.perkor.hu/en/useful-info/all-about-stainless-and-heat-resistant-steel-1.html diakses 20 Mei 2014

http://steelindonesia.com/article/01-komposisi_kimia_baja.htm diakses 20 Mei 2014

http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=262 diakses 19 Mei 2014

http://yudiprasetyo53.wordpress.com/2012/06/30/pemilihan-material-tahan-panas/ diakses 20 Mei 2014