Tanur busur listrik

Tanur busur listrik atau dapur listrik busur cahaya adalah tanur listrik yang menggunakan busur listrik sebagai pemanasnya. Busur listrik diperoleh dari reaksi elektrode dengan elektrode atau elektrode dengan cairan besi. Elektrode menghasilkan busur listrik dengan suhu peleburan sekitar 3.000 ^oC. Elektrode yang digunakan terbuat dari karbon murni dan diambil dari pipa-pipa pembangkit gas karbon monoksida pada tekanan 250–300 atmosfer. Pada penggunaan tanur busur listrik tidak terjadi percampuran karbon ke dalam cairan baja sehingga menghasilkan baja dengan kualitas tinggi. Peralatan yang digunakan untuk proses pembuatan logam atau peleburan logam, dimana besi bekas dipanaskan dan dicairkan dengan busur listrik yang berasal dari elektrode ke besi bekas di dalam tanur.

Rendering of exterior and interior of an electric arc furnace.

A schematic cross-section through an tanur busur listrik. Three electrodes (yellow), molten bath (gold), tapping spout at left, refractory brick movable roof, brick shell, and a refractory-lined bowl-shaped hearth.

Sejarah

Bentuk dasar dari tanur busur listrik dapat mulai dirancang setelah V.V. Petrov menemukan penggunaan pengaruh busur listrik untuk melebur logam. Penemuan ini merupakan hasil penelitiannya selama tahun 1802–1803. Setelah konsep ini ditemukan, tanur busur listrik pertama berhasil dibuat 50 tahun kemudian. Energi listrik yang dihasilkannya masih sangat kecil sehingga masih diuji-coba di dalam laboratorium. Pembuatan tanur dalam skala industri baru berhasil dilakukan pada akhir abad ke-19 Masehi. Tanur busur listrik ini memanfaatkan pembakaran tidak langsung dan pembakaran langsung dengan bantuan busur listrik. Pembakaran terjadi di antara elektrode yang serenjang dengan permukaan logam dan slag. Pada desain klasik, cairan logam mengalir sambil membawa arus listrik melalui saluran bawah dan menyebaban cairan logam tercampur. Pembakaran tidak langsung tidak digunakan lagi pada desain yang lebih modern. Sistem saluran bawah juga teah digantikan dengan merancang tanur yang lebih sederhana. Tanur busur listrik modern kini mampu mencapai kapasitas kerja seberat 360 ton dalam sekali peleburan logam.

Arus listrik

Ada dua macam arus listrik yang bisa digunakan dalam proses peleburan dengan tanur busur listrik, yaitu arus searah dan arus bolak-balik. Dalam proses peleburan, jenis arus listrik yang paling umum digunakan adalah arus bolak-balik dengan 3 fase menggunakan elektroda grafit.

Salah satu kelebihan tanur busur listrik dari tanur oksigen dasar adalah kemampuan tanur busur listrik untuk mengolah baja bekas menjadi 100% baja cair. Menurut survei sebanyak 33% dari produksi baja kasar diproduksi menggunakan tanur busur listrik. Sedangkan kapasitas produksi dari tanur busur listrik bisa mencapai 400 ton. Kelebihan lain dari tanur busur listrik ini adalah energi yang dikeluarkan busur listrik terhadap logam bahan baku sangat besar, menyebabkan terjadinya oksidasi besar pada logam cair. Hal ini menyebabkan karbon yang terkandung di dalam logam yang menjadi bahan baku teroksidasi sehingga kadar karbon dalam logam tersebut menjadi berkurang. Bentuk fisik dari tanur busur listrik ini cukup rendah sehingga dalam hal pengisian bahan bakunya pun sangat mudah. Dalam hal pengoperasiannya pun tanur busur listrik juga tidak terlalu sulit karena hanya memerlukan beberapa orang operator yang memantau proses peleburan dan penggunaan listrik pada dapur tersebut.

Deskripsi

Struktur dari tanur busur listrik adalah tungku oval (bagian bawah), dinding tanur yang berbentuk silinder, dan tutup tanur yang bisa bergerak menutup dan membuka untuk proses pengisian. Pada tutup tanur terdapat 3 buah lubang yang merupakan dudukan elektrode grafit, yang terdiri dari mekanisme penjepit elektrode. Sedangkan elektrode tidak bertopang pada tutup tanur melainkan bertopang pada rangka tersendiri dan rangka tersebut memiliki mekanisme pengangkat dan untuk menurunkan elektrode pada posisi-posisi yang dapat diatur pada waktu pengoperasian. Untuk mengurangi rugi kalor pada tutup tanur, maka tutup tanur dilapis dengan isolator panas.

Pada dinding pelindung tanur terdapat batu tahan api sebagai isolator panas bagian dalam yang dihasilkan tanur tersbut. Pada dinding tanur ini tidak diperlukan lagi lining karena pada bagian ini tidak lagi bersentuhan dengan cairan. Sedangkan kotruksi luar dari dinding di tutupi oleh pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada dinding bagian luar ini juga terdapat sistem pendingin yang menggunakan fluida air sebagai media pendinginan.

Pada bagian tungku oval terdapat 3 lapisan yaitu lapisan lining kemudian lapisan batu tahan api dan sebagai konstruksi bagian luar digunakan pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada bagian ini juga terdapat saluran penuangan, yang digunakan untuk proses penuangan cairan yang akan dicetak atau diatur komposisinya di tanur ladel. Pada bagian yang berhadapan dengan saluran penuangan adalah pintu slag, yang digunakan untuk mengeluarkan slag. Untuk mengatur posisi penuangan dan pengeluaran slag, terdapat mekanisme pada dasar bagian luar tanur yang berbentuk roda gigi berpasangan yang digerakkan oleh sekrup.

Banyak tipe dapur listrik yang digunakan, tetapi secara praktik hanya tipe berikut yang digunakan dalam industry pembuatan baja:

• Tanur busur listrik – arus bolak-balik
• Tanur busur listrik – arus searah
• Tanur induksi

Pada tanur busur listrik – arus bolak balik, arus melewati suatu elektrode turun ke bahan logam melalui suatu busur listrik, kemudian arus tersebut dari bahan logam mengalir keatas melalui busur listrik melalui busur listrik menuju elektrode lainnya. Untuk peleburan baja dapat dilakukan arus satu, dua atau tiga fasa. Umumnya digunakan arus 3 fasa.

Dalam tanur listrik – arus searah, arus listrik melewati satu elektrode turun ke bahan yang akan dilebur melelui busur listrik, yang kemudian mengalir menuju elektrode pasangannya yang berada di bawah dapur. Tanur listrik ini dikembangkan oleh ilmuwan Amerika Serikat yang bernama Paul Heroult. Tanur busur listrik Heroult yang pertama dibuat untuk memproduksi baja, dibangun oleh Halcomb steel company di Syracuse, New York pada tahun 1906.

Pada tanur induksi, arus listrik diinduksikan kedalam baja dengan osilasi medan magnet. Berdasarkan frekuensinya, tanur induksi dikelompokkan sebagai berikut:

• Tanur induksi frekuensi rendah. Menggunakan prinsip tranformator, dimana bahan logam yang akan dilebur bertindak sebagai kumparan sekunder, sedang gulungan dengan inti besi bertindak sebagai kumparan primer.
• Tanur induksi frekuensi medium atau tinggi. Arus dengan frekuensi mediumatau tinggi dilewatkan kumparan yang meliliti bejana yang berisi bahan logam yang akan dilebur.

Tanurlistrik dapat digunakan untuk pembuatan baja, baik dengan proses asam maupun basa. Hampir semua tanur listrik yang digunakan untuk melayani produksi ingot baja, baja cetak kontinu dan industripengecoran saat ini menggunakan pelapis bata tahan api basa.

Dapur listrik dapat digunakan untuk memproduksi hampir semua jenis baja. Untuk kapasitas dibawah 1.500.000 ton/tahun, dapur listrik lebih ekonomis digunakan daripada kombinasi tanur tiup dan proses pembuatan baja oksigen basa. Hal tersebut khususnya berlaku pada daerah dimana tersedia banyak baja bekas dan harga tenaga listrik yang murah. Tanur listrik lebih fleksibel untuk melayani operasi produksi yang memiliki jeda waktu produksi (misal, akibat permintaan pasar yang fluktuatif).

Tanur listrik mempunyai keterbatasan antara lain sebagai berikut:

• Tidak mampu memproduksi baja dengan kandungan unsur residual rendah dari baja bekas yang mempunyai unsur residual yang tinggi.
• Satu tanur listrik tidak dapat melayani secara kontinu dan berurutan satu mesin cetak kontinu ( minimum diperlukan 2 tanur listrik )
• Tanur listrik tidak ekonomis digunakan untuk produksi melebihi 1.500.000 ton baja/tahun, pada satu daerah.

Kandungan nitrogen dalam baja biasanya dua kali lebih tinggi daripada baja yang dihasilkan oleh proses pembuatan baja oksigen dalam keadaan basa maupun asam.

Tanur Busur Api

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 risiko 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 elektrode 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

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, elektrode harus diangkat sehinnga elektrode 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.

Elektrode

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 elektrode dipasang secara vertical dalam formasi segitiga. Elektrode dikelilingi pendingin dan penutup untuk mendinginkan dan mengurangi gas yang keluar lewat elektrode. Ketiga elektrode yang digunakan dapat dinaikan atau diturunkan secara otomatis dengan menggunakan perangkat pengendali listrik atau hidraulis. Sistem kendali manual dan otomatis digunakan untuk menaikkan, menurunkan, dan menggeser elektrode 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, elektrode diturunkan, dan aliran listrik diberikan. Elektrode diturunkan sampai dasar sampai cairan logam mulai terkumpul dan mulai naik. Elektrode 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 elektrode
• 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 elektrode.
• 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.

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.

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 ).

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

• Pendingin air, digunakan pada tanur busur api untuk mendinginkan bagian-bagian penting dari tanur, yaitu: pemegang, lengan dan penjepit elektrode, bagian penutup tanur, aerah sekitar pintu
• 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 elektrode.
• Penghisap debu dan asap, sebagai peralatan pendukung pada tanur busur listrik:
  • Ventilasi (saluran udara) digunakan untuk memisahkan debu dan asap
  • Pengisap debu dan asap yang di pasang langsung diatas tanur
  • Penghisap debu dan asap yang menutupi permukaan tanur
  • Penghisap debu dan asap berbentuk canopy

Dampak pemakaian

Penggunaan tanur busur listrik menyebabkan terjadinya fluktuasi tegangan listrik pada sistem tenaga listrik. Bagian dari sistem yang terkena pengaruh langsung ialah bagian distribusi tenaga listrik dan transmisi tenaga listrik. Fluktuasi tegangan mengakibatkan terjadinya kedip cahaya pada penerangan listrik. Cahaya yang dihasilkan secara kedap-kedip ini dapat mengganggu mata manusia dengan sensitivitas yang tinggi.

Lihat pula

• Tungku pembakaran
• Tungku induksi
• Fabrikasi logam
• Pengecoran
• Logam paduan
• Logam
• Peleburan (metalurgi)
• Pemurnian

Bacaan lanjutan

• J.A.T. Jones, B. Bowman, P.A. Lefrank, "Electric Furnace Steelmaking", in The Making, Shaping and Treating of Steel, R.J. Fruehan, Editor. 1998, The AISE Steel Foundation: Pittsburgh. p. 525–660.
• Thomas Commerford Martin and Stephen Leidy Coles, The Story of Electricity, New York 1919, no ISBN, Chapter 13 "The Electric Furnace", available on the Internet Archive

Pranala luar

• Recognition of first foundry as historical site Diarsipkan 2004-12-08 di Wayback Machine.
• Home made small scale arc furnace using a welder (Caution with experiments!) Diarsipkan 2004-02-12 di Wayback Machine.
• Electric Arc Furnace module at steeluniversity.org Diarsipkan 2006-10-06 di Wayback Machine., including a fully interactive simulation
• Process models demonstrate the EAF operation and control (MPC)
• YouTube video of a small EAF in New Zealand