KE DAFTAR ISI 268
ISSN 0216 - 3128
Tunjung Indrati Y., dkk
ANALISA KERUSAKAN KOMPONEN PEMANAS KEGAGALAN UJI COBA TUNGKU SUHU TINGGI
AT AS
Tundjung Indrati Y, Sunaryo, Triyono, Parimun Pusat Tekn%gi Akse/erator dan Proses Bahan - BATAN
ABSTRAK ANAL/SA KERUSAKAN KOMPONEN PEMANAS ATAS KEGAGALAN UJI COBA TUNGKU SUHU TINGGI. Kegaga/an suatu uji coba tungku suhu tinggi per/u dianalisa guna mempero/eh data sebab dan akibat. Tujuan dari analisa tersebut ada/ah untuk mengetahui sebab dan akibat kegaga/an kemudian akan dipero/eh suatu cara untuk pencegahan sehingga tidak akan terjadi kegaga/an yang sama. Metoda yang digunakan untuk menganalisa kegaga/an tersebut ada/ah observasi visual dan observasi secara metalografj' dari kerusakan komponen pemanas. Berdasarkan analisa dapat disimpulkan bahwa kerusakan komponen pada bagian pemanas dari tungku suhu tinggi terdapat pada crucible dan shock furnace, yang disebabkan o/eh pengkonsentrasian suhu tinggi pada satu titik dioven bagian atas. Sebab utamanya karena laju pemanasan yang ter/a/u cepat akibat perubahan voltage yang mendadak dan sistem pendinginnya tidak bekerja dengan optimal. Untuk pencegahan kegagalan tersebut kondisi pengoperasian yang diijinkan adalah tegangan tidak boleh diatas 10 V dan suhu air pendingin ke/uar dari sistem 40 "c.
S
ABSTRACT OVEN COMPONENT BREAKING ANALYSIS OF THE HIGH TEMPERATURE FURNACE PERFORMANCE TEST FAILURE. Thefailure of high temperature furnace performance test have been analyzed for getting cause and effect data. The purpose of the analysis, beside to get the cause and effect data, is a/so to get methode for preventing the failure. The analysis method user was by visual and meta/ography observation of the oven component breaking. Based on the analysis can be concluded. the failure was identified at the crucible and shockfurnace. It was caused by high temperature concentration at the one point of upper part of the oven so the crucible was oxidized and the shock fi/rnace was melted. The main cause was fast heating rate, due to the sudden voltage change and the cooling system was not in the optimal condition. For preventing the operating failure of the furnace it is recommended that the maximum operating voltage is not greater than 10 Vand temperature out of cooling system 40 "c
S
J>ENDAHULUAN
Mu,ai abad 20 diklasifikasikan
beberapa tipe tungku dapat seperti cruciblefurnace, bell tipe furnace, box furnace, tube ji/rnace, contnow' production furnace, vertical furnace, carbon short - circuiting furnace, high frequency induction furnace, sinter bell jar. Type tungku tersebut diatas tergantung pada suhu opersinya dan tentunya elemen pemanasnya pun akan berbeda. Beberapa istilahpun dapat juga mengklasifikasikan tungku tersebut dengan istilah tungku suhu rendah, tungku suhu sedang dan tungku suhu tinggi. Tipe tungku yang termasuk tungku suhu rendah adalah crucible furnace, bell tipe furnace, box furnace, tube furnace. Tungku suhu sedang adalah tube furnace, continues production furnace, vertical furnace. Tungku suhu tinggi adalah carbon short circuiting furnace, high frequency induction furnace dan sinter bell jar. Tungku suhu sedang
digunakan untuk pcmanggangan caldne coke (bahan dasar untuk mcmbuat grafit), sintcring hearing, sintering bahan bahan magnit lunak. pcrmancn magnit, komposit dari logam, logalll bcrat. Tungku suhu scdang digunakan untuk grafitisasi tingkat satu bahan grafit, sintering untuk bahan non ferrous. Tungku suhu tinggi digunakall untuk grafitisasi tingkat dua, sintering logam benH. komposit metal, dan bahan refractOfY misalnya zr02 (1,2,3). Ketersediaan tungku dengan berbagai tingkat suhu operasi sangat menguntungkan untllk kegiatan penelitian. Untuk hal terse but maka perlu dilakukan perawatan, perbaikan pada setiap komponen pendukung dari system tungkll tersebllt. Tungku suhu tinggi yang berkemampuan sampai 3000 °C tersedia di P3TM - BAT AN Y ogyakarta. Tungku tersebut terdiri dari unit tungkunya atau disebut oven dan tran.~rormer aggregate (Gambar I). Konstruksi transformer aggregate tcrdiri dari
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Tu"ju"g ["drat; Y.,dkk.
269
steplessly variable transformer dan stepdown transformer. Tungku ini beroperasi dengan tegangan rendah dan arus tinggi untuk pengoperasian tungku yang terkoleksi di transfonner secara khusus. Secara skematis blok diagram sistim elektronik tungku suhu tinggi dapat dicennati pada Gambar 2. Setelah pendingin tungku dihidupkan kemudian dengan cara menekan on maka motor penggerak akan bergerak perlahan naik dan pada saat itulah tegangan secara perlahan berkurang sementara arus akan naik. Pada pengoperasian awal digunakan kapasitas rendah dan diperkirakan Y4 dari keseluruhan kapasitas. Untuk segi keamanannya maka pada pengoperasiannya tegangan diset pad a tegangan tcrtcntu Apabila dirasa laju pemanasannya kurang maka maka tegangan dapat dinaikan tetapi tidak bolch melebihi batas tertentu yaitu 10 V -15 V. Sistem pengaman elektronik ini sebetulnya pada blok diagram ada satu lagi yaitu pada D217164 tctapi pcnguasaan fungsi ini dirasa oleh pengguna cukup dengan manual yaitu membatasi tegangan sampai 10 V. Alasanya karena fungsinya sarna saja. Konstruksi tungku (oven) yang dilengkapi dengan pendingin tcrtera pad a Gambar 3. Oven tersebut secara garis besar terdiri dari pipa grafit tempat sample, system pengaman tennasuk isolasi serta shock furnace dan system pendingin (4).
'I K.\
vo SIOI' !lO\\'
Gambar 2. Blok Diagram Sistem Tungku Suilu Tinggi
Elektrollik
Keterangan :
Gambar J. Tungku Suilu Berbagai SisL
Tinggi Diliilat
Dari
a. cone; b.cooling jaw; c.pipa pemanas ; d.pipa pelilldulIg ; e.crucible ; f.water cooled jacket ; g.selubung karbon ; h.carbon plug; i.plate of sintered clay; j.carboll grallulat ; k.filling material; Linsulating granulate; m. pressure ring; n. insulating plate
Gambar 3. Konstruksi Tungku (Oven)
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
270
ISSN 0216 - 3128
Pad a awalnya kerusakan yang terjadi pada tungku tersebut adalah kedua bagian Transformer Aggregate dan hasi! kinerjanya telah teruji (5) . Ketika uji cobanya sampai tahap ujicoba keseluruhan sampai suhu 1500 °c terjadi kegagalan pengoperasian. Kegagalan tersebut terjadi pada suhu 1200 °c dan terlihat adanya semburan gas argon disertai grafit penutup sampel keluar dari sistemnya dan untuk keamanannya tungku suhu tinggi segera dimatikan. Kejadian tersebut dipastikan adanya kesalahan dalam penekanan tombol less untuk menurunkan posisi transformer lebih rendah dari saat semula, akibatnya kenaikan voltage yang tanpa sengaja tidak terkendali sehingga laju pemanasan terlalu cepat. Pengkonsentrasian panas dapat saja terjadi pada komponen penyusun pemanas. Adanya pengkonsentrasian panas tersebut juga didukung dengan sistem pendingin yang tidak optimal bekerjanya. Ini perlu dipastikan dengan analisis kerusakan komponen secara deti! dengan metoda visual dan metoda metaliografY. Jadi tujuan analisa kegagalan ini adalah untuk menentukan sebab akibat terjadinya kegagalan sekaligus langkah perbaikan dan tindakan preventif yang perlu dilakukan agar tidak terjadi kegagalan.
TAT A KERJA Pad a kegiatan analisa kegagalan diperlukan langkah identifikasi awal secara visual komponen yang rusak dari bagian oven tungku suhu tinggi tersebut secara visual dengan cara membongkar komponen penyusun oven dan pengambilan gambar. Inventarisasi kerusakan perlu dicatat guna identifikasi selanjutnya. Identifikasi selanjutnya adalah identifikasi mikro hal ini dilakukan untuk mencari kepastian terjadinya jenis kerusakan dan akibat dari apa yang menyebabkan. Oleh sebab itu perlu dikaji stuktur mikro dan struktur kristalnya. Peralatan yang digunakan untuk mengidentifikasi lanjut ini adalah Scanning Electron Microscope dan X ray Dt!Jractometer (6,7).
HASIL DAN PEMBAHASAN Identifikasi
awal
Tabel I merupakan hasil identifikasi awal dari analisa kegagalan yang berisi dari komponen penyusun oven dan sekaligus data kerusakan dan analisa singkat. Komponen yang rusak paling parah adalah shock furnace meleleh dan tabung grafit retak . Kedua komponen ini yang memerlukan. identifikasi Icbih lanjut.
Tunjung Im/rati Y., flU
Analisa ini dimulai dengan adanya catatan pada uji coba tungku suhu tinggi mencapai 1200 0c. Pada saat tercapainya suhu tersebut terjadi perlambatan laju kenaikan suhu sehingga tegangan yang tadinya masih di bawah 9V pelan pclan dinaikan menjadi 10 V. Tegangan 10 V ini adalah tegangan maksimum yang diperbolehkan ketika tungku suhu tinggi beroperasi. Ketika tegangan 10 V seharusnya laju kenaikan pemanasan stabil lagi sampai tercapai suhu sekitar 1400 °c, tetapi pad a kenyataannya malah terjadi semburan graftt penutup sample tanpa melihat perubahan tegangan pada voltmeter, tetapi dapat dipastikan laju kenaikan pemanasan sudah tidak terkcndali. Akibat adanya kenaikan suhu secara cepat dengan tidak ada keseimbangan pendinginan maka terjadi pengkonsentrasian panas pada titik tertentu yaitu pada shock furnace (Gambar 4). Pada Gambar 4 adalah gambar suku cadang shock furnace yang tidak rusak tetapi pernah digunakan. Gambar kerusakan shock fiirnace nampak pada Gambar 4. Pada Gambar 4 terlihat jelas kerusakan berupa lelehan logam shock furnace sepanjang lingkarannya dan terlihat juga interaksi bahan shock furnace dengan grafit penutup sampel. Akibat kerusakan shock furnace ini berdampak pada pressure hood (Gambar 5). Isolator pada pressure hood perlu diganti walaupun tidak rusak tetapi sebagian telah berinteraksi dengan lelehan logam dari shock fiirnace. Hal ini menghindari kcbocoran yang tidak diinginkan sekaligus untuk membersihkan komponen tersebut. Kerusakan shock furnace ini akibat dari naiknya suhu secara mendadak mencapai titik leleh dari bahan shock furnace tadi. Ini diperkirakan mencapai diatas 1500 °c. Oleh karena meleleh maka kenampakan shock furnace seperti pada Gambar 4. Kenaikan suhu yang mendadak ini dikarenakan adanya kenaikan tegangan yang tidak terkendali pada saat laju pemanasan pelan berubah menjadi laju pemanasan yang tinggi (diperkirakan lebih dari 10 °C/menit). Identifikasi lebih lanjut dapat dicermati pad a gambar struktur mikro pada Gambar 6. Mengacu pada Gambar 2 dengan tegangan dari PLN 380 V dirubah menjadi 10- 15V system Transformer Aggregate bek(~rja cukup berat Apalagi untuk pengoperasian awal dipasang mulai 4 V dan dinaikkan secara manual sampai I OV. Tegangan makin tinggi dari 5 V maka daya akan bertambah dan ini menyebabkan laju pemanasan yang bertambah. Untuk menghindari hal itu tegangan dibatasi 10 V.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
TUl/jul/g
Tabell.
ISSN 0216 - 3128
II/drati Y., dkk. Hasilldentifikasi
Awal
Analisa
Kegagalan
Uji Coba
271 Tungku
Suhu Tinggi
Pada
Bagian
Oven
maka -Gambar disatu dan Plate sintered Tidak ada Tidak meleleh tekanan dan Kerusakan Protective Insert Carbon crucible tube \Ill Ada kerusakan. ada. T idak ada Cone diawali kenaikan karena grafit tercampur penutup suhu grafit. sample masuk kedalam bagian isolator. Pressure hood retak dan (tube tidak jadi jelas termonitor. diatas 10 Vkeretakan karena tegangan Analisa kerusakan kerusakan titik Coolin)!;aw Pressure shock rin)! Komponen Filling material maka yang !-Ieatin)! No tercatat 5.Akibat Perlu dibersihkan dan diganti isolatomya sekaligus Shock Carbon Insulatinf? furnace plug plate berupa akibatnya Sehingga Carbonjacke Insulating gas adanya Diperkirakan nya granulate adanya tekanan keboco-ran gas yang shock argon digunakan furnace maka leleh beberapa sebagai maka isolator ada suhu crucible kebocoran patah dan erusakall Akibat berupa sehingga pada dengan tegangan seperempat panas pengkonsentrasian Kecuali bagian hal atas tersebut terl (Gambar ihat terjadi pada 4). Hal ini terpasang 10 V) maka terjadi kenaikan yang cepat Adanya mendadak kenaikan sehingga tegangan terjadi yang tidak pengkonsentrasian terkendali dan panas Kerusakan ]4 Kerusakan shock disalah satu titik. Akibat dari hal ini crucible retak 12 teroksidasi retakan crucible teroksidasi.. 6 granulate tercampur pendingin tercatat 50°C. Kerusakan argon mengakibatkan an. lebih grafit maka data struktur mikro dari 1100 0c. Kecuali shock hal furnace. Adanya udara crucihle masuk yang kesystem terbuat dari terjadi kebocoran dan panas merambat sampai maka ke Untuk memastikan tersebut pendingin tidak representatif. Air keluar
II
Kerusakan shock furnace sebetulnya tidak akan terjadi bila crucible tidak retak terlebih dahulu. Pemahamannya sebagai berikut , panas yang didapat dari sumber listrik akan diterima langsung ke heating tube baru ke crucible . Jadi pressure hood ini yang berfungsi sebagai katoda dan anoda. Walaupun heating tube yang langsung rnenerima panas tetapi tidak mengalami kerusakan
karena kualitas bahan lebih bagus. Oleh sebab itu yang mengalami keretakan adalah crucible, apalagi crucible yang digunakan adalah crucible yang telah berulang kali digunakan. Adanya crucible yang retak maka gas argon mengalir tidak pada tempatnya dan mengakibatkan terhamburnya serbuk grafit yang digunakan menutup sample pada crucible terdorong keatas dan mengakibatkan
Prosiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
272
ISSN 0216 - 3128
tekanan besar serta terjadi pengkonsentrasian panas dititik tertentu. Akibat hal ini maka panas akan menjalar tidak hanya pada heating tube dan crucible tetapi sampai ke shock furnace. Akibat panas sampai ke shock furnace sampai suhu tinggi maka terjadi kebocoran. Oksigen masuk sementara argon mendorong keatas sehingga serbuk gratit terhambur keluar. Adanya oksigen masuk dalam crucible maka kerusakan crucible semakin parah kecuali teroksidasi maka crucible menjadi patah.
Tunjung [m[rat; Y.• tlkl.
Pad a peristiwa terjadinya kegagalan ujicoba ini oksidasinya belum sempurna karena pemanasan segera dihentikan. Terlihat pada Gambar 6a dan 6b oksidasi sebagian terjadi pada bagian yang retakJpatah. Crucible yang mengalami oksidasi butirannya melempuh seperti gambar kapas ini menunjukkan terbakarnya elemen C oleh oksigen dan akhirnya hilang menjadi CO2• Hal ini sangat berbeda dengan bagian crucible yang tidak teroksidasi. Pada Gambar 6a tidak ada butiran yang menggelembung seperti halnya pada Gambar 7a.
Shock furnace Gambar 4. Foto kerusakan pada bagian Slwck furnace dan Crucible pasca kegagalan ujicoha
Identifikasi
Gambar 5. Kondisi Pressure kegagalan ujicoba
Hood
pasca
lanjut
Untuk membuktikan fenomena yang terjadi pada setiap kerusakan maka diperlukan data pendukung berupa gambar struktur mikro dan struktur kristal. Data tersebut tertera pad a Gambar 6 dan Gambar 7 Akibat shock furnace mengalami pelelehan maka truktur m ikro dari bahan tersebut bataa butirnya tidak beraturan. Dengan menggunakan SEM dan perbcsaran 2100 X, terlihat scbagian bertumpuk dan sebagian berlubang. Ini akibat pelelehan tersebut dengan pendinginan yang tidak dikendalikan. Oleh karena shock furnace mengalami rusak total maka komponen ini perlu diganti dengan yang baru.
Gambar 6. Struktur mikro slwck jiimace yang mengalami pelelehan. (perbesaran 2100 X)
Kerusakan yang dialami crucible adalah retak, teroksidasi dan akhirnya patah. Untuk membuktikan adanya oksidasi terjadi pada crucible adalah terjadi perubahan struktur mikro dan struktur kristal. Apabila oksidasi sempurna maka bahan pembentuk crucible dari grafit akan habis.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
7/1IIjUIIg Illdrati Y., dkk.
Gambar
7.
ISSN 0216 - 3128
273
Struktur mikro crucible (a) sebelum teroksidasi ; (b) sesudah terok.••idasi (perbesaran 3/00 X)
KESIMPULAN
4.
Kesimpulan dari analisa kegagalan ujicoba tungku suhu tinggi pada bagian oven pasca perbaikan adalah sebagai berikut:
ANONIM, Manual of High Temperature Furnace Units, Ruhstrat, D3406 Bovenden Orsteil Lenglern, Western Germany, (1982 ).
5.
TRIYONO, Modifikasi Sistem Kontrol Operasi Pada Furnace Induksi Rushtrat Tipe DT A, Makalah tidak dipublikasikan (2005).
6.
HEARLE J.W.S, SPARROW,J.T, CROSS,P.M, The Use of The Scanning Electron Microscope, Pergamon Pers, Oxford ( 1973).
7.
CULLlTY, Xray Diffractometer, Pers, Oxford, ( 1985 ).
I.
2.
3.
Komponen penyusun oven yang rusak adalah crucible karena teroksidasi dan akhirnya patah dan shock furnace karena mengalami pelelehan sehingga perlu diganti. Kerusakan ini didukung dengan gambar visual dan data struktur mikro serta struktur kristalnya. Komponen ynng perlu diganti lainnya adalah isolator pada insulating plate, filling material dan insulating granulate. Pengoperasian tungku suhu tinggi harus pada tegangan dibawah 10 V dengan peningkatan yang perlahan karena tegangan yang terlalu tinggi mengakibatkan laju pemanasan tidak terkendali.
Pergamon
TANYAJAWAB Sunardjo Apakah tujuan dari analisa kerusakan komponen pemanas suhu tinggi ini ?
DAFT AR PUST AKA I.
GOETZEL, Treatise on Powder Metallurgy, vol I, Interscience Publishers, Inc, New York, (1969 ).
2.
GEORGE GRANGER BROWN, Unit Operations, John Willey and Sons, New York, ( 1978).
J.
PERRY, Chemical Engineering Hand Book, John Willey and Sons, New York, (1998).
Bagaimana hubungannya yang terlalu cepat ? Tunjung
dengan pemanasan
Indrati Y.
Tujuannya mencari sebab-akibat terjadinya kegagalan sehingga kegagalan tidak terulang lagi. Hubungannya dengan pemanasan yang terlalu cepat yang disebabkan adanya daya
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
-
274
ISSN 0216-3128 yang terlalu besar (berasal dari P = V2/R). Apabila tegangan (V) terlalu tinggi maka P besar pula, sementara R dipengaruhi tahanan jenis (p) bahan komponen penyusun tungku (R = pUA). Tahananjenis dipengaruhi suhu (p = Po (I + Y(,1T). Akibat hal tersebut bila V terlalu besar laju panas tak terkendali akibatnya ada pengkonsentrasian panas di suatu titik dan ini menyebabkan gagal.
Hidayati o
o
Tunjung Indrali Y., dkk
Tunjung
Indrati Y.
o
Desain konstruksi tungku memang .I'lldah bagus tetapi karena ada kenaikan tegangan yang tidak terkendali maka terjadi kenaikan suhu sangat cepat sementara pendingin tidak dapat menahan perpindahan panas. Adanya hal tersebut maka terjadi pengkon.l'entra.l'ian panas di titik tertentu sehingga ada udara yang menempel mengalahkan aliran argon sebagai pengaman.
o
Sudah diperbaiki dan belum teruji pada 800°C - f 200°C.
Tungku tersebut sudah berapa lama digunakan kok bisa teroksidasi pada suhu tinggi? pada alatnya mestinya sudah didesain agar bisa tahan lama apalagi kalau bahannya dari graftt mestinya lebih tahan terhadap oksidasi suhu tinggi ?
Purwanto
Saya kira tungku tersebut sudah lama sekali mengalami kerusakan, karena hampir tiap tahun masalahnya tungku, kira-kira berapa lama lagi bisa diperbaiki ?
Tunjung
o
o
.1'11/111
A.
Apakah sistem tegangan listrik sudah memenuhi sistem penggerak/pembangkit tungku, berapa kisaran tegangannya ? Indrati Y.
Kisaran tegangannya
10- f 5 V.
KE DAFTAR ISI
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
