Proses Peleburan Logam

Peleburan logam merupakan aspek terpenting dalam operasi-operasi pengecoran karena berpengaruh langsung pada kualitas produk cor. Pada proses peleburan, mula-mula muatan yang terdiri dari logam, unsur-unsur paduan dan material lainnya seperti fluks dan unsur pembentuk terak dimasukkan kedalam tungku. Fluks adalah senyawa inorganic yang dapat “membersihkan” logam cair dengan menghilangkan gas-gas yang ikut terlarut dan juga unsur-unsur pengotor (impurities). Fluks memiliki beberpa kegunaan yang tergantung pada logam yang dicairkan, seperti pada paduan alumunium terdapat cover fluxes (yang menghalangi oksidasi dipermukaan alumunium cair),. Cleaning fluxes, drossing fluxes, refining fluxes, dan wall cleaning fluxes
Tungku-tungku peleburan yang biasa digunakan dalam industri pengecoran logam adalah tungku busur listrik, tungku induksi, tungku krusibel, dan tungku kupola. Karakteristik masing-masing tungku peleburan adalah :
1. Tungku busur listrik
 laju peleburan tinggi  laju produksi tinggi
 polusi lebih rendah dibandingkan tungku-tungku lain
 memiliki kemampuan menahan logam cair pada temperatur tertentu untuk jangka waktu lama untuk tujuan pemaduan
Tanur berlapis basa dengan alas dari magnesit, biasanya digunakan untuk membuat berbagai jenis baja dan baja paduan. Dapur ini dapat mengendalikan kadar fosfor dengan baik, sekaligus mereduksi jumlah belerang, sekaligus mengendalikan suhu, sehingga hasil nya mempunyai komposisi yand baik. Ke-unggulan lain nya adalah: dapat ditambah kan unsur lain, ketika proses peleburan sedang berlangsung, sehingga dihasil kan komposisi baja seperti yang di inginkan. Di bawah ini, dapat dilihat gambar penampang sebuah Tanur Listrik, baik yang berlapis bata tahan api dari jenis basa, maupun dari jenis asam.


Salah satu dari elektroda yang menyentu logam-lagam (bahan baku) tersebut akan mengalirkan arus listrik 3-fasa dan kembali ke elektroda lain nya, sehingga membentuk busur listrik.
Biasanya digunakam elektroda jenis grafit dengan panjang 24 m, Ø  760 mm, kuat arus listrik bisa 12.000 Ampere. Sementara itu, kapasitas dapur bervariasi, antara 50 kg sampai dengan 270 ton dalam sekali ber operasi. Sebagai contoh; untuk yang berkapasitas 115 ton, diperlukan waktu untuk peleburan, sekitar 3 jam, dengan energi listrik sebesar = 50.000 kWh.
2. Tungku induksi

 Khususnya digunakan pada industri pengecoran kecil
 Mampu mengatur komposisi kimia pada skala peleburan kecil
 Terdapat dua jenis tungku yaitu Coreless (frekuensi tinggi) dan core atau channel (frekuensi rendah, sekitar 60 Hz)
 Biasanya digunakan pada industri pengecoran logam-logam non-ferro
 Secara khusus dapat digunakan untuk keperluan superheating (memanaskan logam cair diatas temperatur cair normal untuk memperbaiki mampu alir), penahanan temperatur (menjaga logam cair pada temperatur konstan untuk jangka waktu lama, sehingga sangat cocok untuk aplikasi proses die-casting), dan duplexing/tungku parallel (menggunakan dua tungku seperti pada operasi pencairan logam dalam satu tungku dan memindahkannya ke tungku lain)


3. Tungku krusibel

 Telah digunakan secara luas disepanjang sejarah peleburan logam. Proses pemanasan dibantu oleh pemakaian berbagai jenis bahan bakar.
 Tungku ini bias dalam keadaan diam, dimiringkan atau juga dapat dipindah-pindahkan
 Dapat diaplikasikan pada logam-logam ferro dan non-ferro

4. Tungku kupola

 Tungku ini terdiri dari suatu saluran/bejana baja vertical yang didalamnya terdapat susunan bata tahan api
 Muatan terdiri dari susunan atau lapisan logam, kokas dan fluks
 Kupola dapat beroperasi secara kontinu, menghasilkan logam cair dalam jumlah besar dan laju peleburan tinggi




Muatan Kupola
a. Besi kasar (20 % - 30 %)
b. Skrap baja (30 % - 40 %)
Kadar karbon dan siliko yang rendah adalah menguntungkan untuk mendapat coran dengan prosentase Carbon dan Si yang terbatas. Untuk besi cor kekuatan tinggi ditambahkan dalam jumlah yang banyak.
c. Skrap balik
Yang dimaksud skrap balik adalah coran yang cacat, bekas penambah, saluran turun, saluran masuk atau skrap balik yang dibeli dari pabrik pengecoran.
d. Paduan besi
Paduan besi seperti Fe-Si, Fe-Mn ditambahkan untuk mengatur komposisi. Prosentase karbon berkurang karena oksidasi logam cair dalam cerobong dan pengarbonan yang disebabkan oleh reaksi antar logam cair dengan kokas. Prosentase karbon terutama diatur oleh perbandingan besi kasar dan skrap baja. Tambahan harus dimasukkan dalam perhitungan untuk mengimbangi kehilangan pada saat peleburan. Penambahan dimasukkan 10 sampai 20 % untuk Si dan 15 sampai 30 % untuk Mn. Prosentase steel bertambah karena pengambilan steel dari kokas. Peningkatan kadar belerang (steel) yang diperbolehkan biasanya 0,1 %

4. Tanur Tinggi
Proses pembakaran yang terjadi pada tanur tinggi ini disebabkan karena adanya perpaduan antara bahan bakar batubara dengan udara atau oksigen yang betekanan tinggi dimana batubara yang digunakan adalah batubara yang telah dihaluskan hingga berbentuk seperti tepung yang dapat menghasilkan semburan api hingga suhu C 1500 . Tanur memiliki dua lapisan yaitu lapisan luar dan lapisan dalam dimana pada lapisan luar dilapisi dengan baja st 400 sedangkan pada lapisan dalam menggunakan bata tahan api jenis CAST-15ES yang berfungsi sebagai isolasi untuk menahan panas yang terjadi pada saat proses pembakaran terjadi untuk menahan panas hingga suhu C 1500 dimana bata ini memiliki kemampuan tahan panas dan air yang baik. Dalam proses pembakaran di tanur terjadilah proses perpindahan panas secara alamiah baik secara konduksi, konveksi dan radiasi. Dalam perpindahan panas ini mambahas perpindahan panas secara konduksi, dimana panas yang terjadi antara didalam dan diluar tanur itu berbeda. Dalam hal ini membahas perpindahan yang terjadi dari dalam hingga ke luar tanur dengan suhu bagian dalam C 1500 yang dalam prosesnya melewati beberapa hambatan baik dari material yang di panaskan hingga dinding isolasi bata tahan api dan baja ST 400 kemudian barulah kita bisa mengetahui panas akhir setelah melewati hambatan-hanbatan tadi menggunakan perhitungan perpindahan panas secara konduksi.
Tanur tinggi juga merupakan tungku besar yang bentuknya seperti terowongan. Bahan yang harus dipanaskan dimasukan pada bagian atas tungku. Dibagian bawah tungku ditiup udara yang sebelumnya telah dipanaskan terlebih dahulu. Suhunya naik sampai 20000C. Pada suhu yang setinggi itu bijih-bijih meleleh dan menetes pada dasar tungku. Berbagai batuan lain yang terikut didalam bijih-bijih tadi ikut meleleh juga. Bijih beserta bebatuan yang meleleh tadi membentuk terak tanur tinggi.
Bahan utama besi dan paduannya adalah besi kasar, yang dihasilkan dalam tanur tinggi. Bijih besi yang dicampur dengan kokas dan batu gamping (batu kapur) dilebur dalam tanur ini. Komposisi kimia besi yang dihasilkan bergantung pada jenis bijih yang digunakan. Jenis bijih besi yang lazim digunakan adalah hematit, magnetit, siderit dan himosit.
Hematit (Fe2O3) adalah bijih besi yang paling banyak dimanfaatkan karena kadar besinya tinggi, sedangkan kadar kotorannya relatif rendah. Meskipun pirit (FeS2) banyak ditemukan, jenis bijih ini tidak digunakan karena kadar sulfur yang tinggi sehingga diperlukan tahap pemurnian tambahan.

Karena di alam ini besi berbentuk oksida dan karbonat, atau sulfida sehingga hampir semua proses produksinya diawali dengan reduksi dengan gas reduktor H2 atau CO.proses reduksi ini di bedakan menjadi dua, yaitu reduksi langsung dan tidak langsung. Gambaran dari proses reduksitersebut di jelaskan di bawah ini:
1. Proses Reduksi Tidak Langsung (Indirect Reduction)
Pada proses ini menggunakan tungku tanur tinggi (blast furnace) dengan porsi 80% diproduksi dunia.
Besi kasar dihasilkan dalam tanur tinggi. Diameter tanur tinggi sekitar 8m dan tingginya mencapai 60 m. Kapasitas perhari dari tanur tinggi berkisar antara 700 – 1600 Megagram besi kasar. Bahan baku yang terdiri dari campuran bijih, kokas, dan batu kapur, dinaikkan ke puncak tanur dengan pemuat otomatis, kemudian dimasukkan ke dalam hopper. Untuk menghasilkan 100 Megagram besi kasar diperlukan sekitar 2000 Megagram bijih besi, 800 Megagram kokas, 500 Megagram batu kapur dan 4000 Megagram udara panas. Bahan baku tersebut disusun secara berlapis-lapis.Udara panas dihembuskan melalui tuyer sehingga memungkinkan kokas terbakar secara efektif dan untuk mendorong terbentuknya karbon monoksida (CO) yang bereaksi dengan bijih besi dan kemudian menghasilkan besi dan gas karbon dioksida (CO2). Dengan digunakannya udara panas, dapat dihemat penggunaan kokas sebesar 30% lebih. Udara dipanaskan dalam pemanas mula yang berbentuk menara silindris, sampai sekitar 500*C. Kalor yang diperlukan berasal dari reaksi pembakaran gas karbon monoksida yang keluar dari tanur. Udara panas tersebut memasuki tanur melalui tuyer yang terletak tepat di atas pusat pengumpulan besi cair.Batu kapur digunakan sebagai fluks yang mengikat kotoran-kotoran yang terdapat dalam bijih-bijih, dan membentuk terak cair. Terak cair ini lebih ringan dari besi cair dna terapung diatasnya dan secara berkala disadap. Besi cair yang telah bebas dari kotoran-kotoran dialirkan kedalam cetakan setiap 5 – 6 jam. Disamping setiap Megagram besi dihasilkan pula 0,5 Megagram terak dan 6 Megagram gas panas. Terak dapat dimanfaatkan sebagai bahan bangunan (campuran beton) atau sebagai bahan isolasi panas. Gas panas dibersihkan dan digunakan untuk pemanas mula udara, untuk membangkitkan energi atau sebagai media pembakar dapur-dapur lainnya. Komposisi besi kasar dapat dikendalikan melalui pengaturan kondisi operasi dan pemilihan susunan campuran bahan baku.
2. Proses Reduksi Langsung (Direct Reduction)
Pada proses reduksi langsung bijih besi bereaksi dengan gas atau bahan padat reduksi membentuk sponge iron. Proses ini diterapkan di PT Krakatau Steel, CIlegon. Disini bijih besi / pellet direaksikan dengan gas alam dalam dua unit pembuat sponge iron, yang masing-masing berkapasitas 1juta ton pertahun.
Sponge iron yang dihasilkan PT Krakatau Steel memiliki komposisi kimia :
Fe : 88 – 91 %; C : 1,5 – 2,5%; SiO2 : 1,25 – 3,43%; Al2O3 : 0,61 – 1,63%; CaO : 0,2 – 2,1%; MgO : 0,31 – 1,62%; P : 0,014 – 0,027%; Cu : 0,001 – 0,004 %; Kotoran (oksida lainnya) : 0,1 – 0,5 %
Tingkat metalisasi : 86 – 90 %
Sponge Iron yang berbentuk butiran kemudian diolah lebih lanjut dalam dapur listrik. Disini sponge iron bersama-sama besi tua (scrap), dan paduan ferro dilebur dan diolah menjadi billet baja.
Untuk menghasilkan 63 megagram sponge iron diperlukan sekitar 100 megagram besi pellet. Proses ini sangat efektif untuk mereduksi oksida-oksida dan belerang sehingga dapat dimanfaatkan bijih besi berkadar rendah.
Terak yang di hasilkan akan ditampung secara terpisah dan diolah menjadi berbagai bahan bangunan jalan. Dengan menambahkan kapur yang diberikan pada biji besi dan kokas maka terdapat terak yang bermutu baik.
Besi yang cair disebut besi yang kasar yang terkumpul pada bagian terbawah tanur tinggi tersebut dan ditampung pad waktu-waktu tertentu. Besi kasar itu mengandung cukup banyak karbon (± 4 %) dan pencemaran yang lain sesudah massa pendinginan menyebabkan besi kasar itu menjadi rapuh. Oleh karena itu, besi kasar itu belum dapat ditempa atau digiling.
Besi yang mengandung karbon ± 2%, dinamakan baja. Sebagian besar besi kasar yang dihasilkan dari tungku tanur tinggi diubah menjadi baja dipabrik baja dengan cara menurunkan kadar karbonnya. Perubahan ini, dimana kelebihan kadar karbon dibakar dan terlepas menjadi karbon monoksida, erjadi didalam sebuah tabung reaksi atau didalam tungku. Didalam tabung reaksi (converter) kadar dari karbon itu diturunkan tanpa diberikan pemanasan dari luar. Muatannya dibentuk dari cairan besi kasar. Kadang-kadang ditambahkan besi tua dan bijih besi supaya suhu dapat dikendalikan
Pada proses pengolahan yang kurang modern, seperti pada proses Bessemer dan proses Thomas, udara ditiupkan pada besi kasar tadi. Proses oxy baja yang modern hanya menggunakan oksigen murni, oleh sebab ini terdapatlah baja yang berkualitas lebih baik. Untuk mengurangi kadar karbon, juga dipakai dengan metode meniupkan panas dari luar tungku. Dengan cara ini bias diolah lebih banyak lagi baja bekas (besi tua) dan besi mentah yang padat ; proses ini lebih mudah dikendalikan karena lebih lamban kerjanya. Pada proses Siemens-Martin digunakan minyak atau gas sebagai bahan bakar ; pada pemakaian tungku listrik, maka listriklah yang memanaskan. Dengan menggunakan tungku listrik, komposisi baja dapat diatur dengan teliti. Oleh sebab itu tungku ini biasa dipakai untuk pembuatan baja yang khusus.
Proses pengolahan bijih besi untuk menghasilkan logam besi dilakukan dalam tanur sembur (blast furnace). Tanur sembur berbentuk menara silinder dari besi atau baja dengan tinggi sekitar 30 meter dan diameter bagian perut sekitar delapan meter. Karena tingginya alat tersebut, alat ini sering juga disebut sebagai tanur tinggi. Bagian – bagian dari tanur tinggi adalah sebagai berikut:
a. Bagian puncak yang disebut dengan Hopper, dirancang sedemikian rupa sehingga bahan – bahan yang akan diolah dapat dimasukkan dan ditambahkan setiap saat.
b. Bagian bawah puncak, mempunyai lubang untuk mengeluarkan hasil – hasil yang berupa gas.
c. Bagian atas dari dasar (kurang lebih 3 meter dari dasar), terdapat pipa – pipa yang dihubungkan dengan empat buah tungku dimana udara dipanaskan (sampai suhunya kurang lebih 1.100o C). udara panas ini disemburkan ke dalam tanur melalui pipa – pipa tersebut.
d. Bagian dasar tanur, mempunyai dua lubang yang masing – masing digunakan untuk mengeluarkan besi cair sebagai hasil utama dan terak (slag) sebagai hasil samping.

5. Tanur Terbuka
             Tanur ini, termasuk salah satu tipe tanur berkapasitas besar, yang mampu berproduksi sampai dengan ratusan ribu ton per tahun nya.
Dibawah ini terlihat gambar penampang sebuah Tanur Terbuka.
Atap dapur yang rendah, dapat memantulkan panas langsung ke tumpukan logam (bahan baku), dimana panas bisa berasal dari gas atau pun nyala minyak. Dapur jenis ini mempunyai efisiensi pem- bakaran yang tinggi, sebab: ruangan pemanas di ke-2 sisi dapur dapat memanaskan udara dan bahan bakar yang masuk kedalam dapur, itu juga makanya, dapur jenis ini disebut tanur regenerasi.
Keunggulan lain dari tanur ini adalah dapat menurunkan kadar fosfor, belerang, silikon, mangan dan karbon, sampai pada persentase yang diharapkan untuk membuat baja dan paduan nya.
Bahan baku utamanya: scrap, besi kasar cair (hasil Tanur Tinggi), baja bekas atau campuran dari besi kasar dan baja bekas. Dua atau tiga jam setelah besi kasar dan baja bekas tersebut melebur, dimasuk kan besi cair dan di biarkan selama 6 atau 7 jam, sambil ditambahkan fluks, biasanya setelah 10 jam, isi tanur siap untuk dituang kedalam cetakan. Untuk mempercepat proses peleburan (sekitar 25 %), maka sering ditambahkan Oksigen, sehingga reaksi kimia berlangsung lebih cepat.