Raw Mill merupakan alat yang berfungsi untuk size reduction dari material bahan baku semen agar dihasilkan rawmix yang lebih halus. Raw Mill pada PT. Semen Padang menggunakan tipe duodan mill yang terdiri dari 3 ruangan yaitu, drying chamber, kompartmen I, dan kompartmen II. Terjadi kegagalan pada baut pengunci lifting liner kompartmen 1 akibat ketidakesesuaian material. Kegagalan yang terjadi adalah patah pada batang baut. Untuk mengetahui lebih lanjut tentang penyebab kegagalan, maka dilakukan analisis kegagalan dalam aspek metalurgi berupa uji pengamatan makro dan mikro, uji kekerasan, SEM, dan uji komposisi kimia. Dari hasil analisa penelitian diketahui bahwa baut mengalami kegagalan fatigue akibat pengaruh perlakuan panas yang kurang baik sehingga menyebabkan permukaan baut menjadi lebih getas dan mempermudah terjadinya crack yang mengakibatkan baut mengalami kegagalan.
Kata Kunci : baut, rawmill, kegagalan fatigue.
I. PENDAHULUAN
Semen merupakan salah satu kebutuhan yang pokok dalam bidang pembangunan dalam suatu negara. Permintaan akan semen terus meningkat seiring makin pesatnya pembangunan. Dalam pembuatan semen dibutuhkan bahan baku yang terdiri dari bahan baku utama, bahan korektif, dan bahan aditif. Raw Mill merupakan alat yang berfungsi untuk size reduction (pengurangan dimensi) dari material bahan baku berupa campuran lime stone, silica stone, clay dan iron sand agar dihasilkan rawmix yang lebih halus. Di departemen produksi IIIB PT. Semen Padang penggilingan bahan baku (raw meal) menggunakan tube mill dengan tipe duodan mill yang berkapasitas 180 ton/jam. Tube mill untuk raw mill ini terdiri dari 3 ruangan, yaitu drying chamber, kompartmen I, dan kompartmen II. Di dalam kompartmen I terdapat liftinng liner berjenis step liner. Liner jenis ini berfungsi untuk mengangkat dan menjatuhkan grinding media sehingga dihasilkan gaya tumbukan terhadap material yang akan digiling. Lifting liner ini diikat dengan baut pengunci yang berbentuk batang pada dinding mill.
Baut pengunci tipe 3111020050 yang terdapat di area kerja Raw Mill III B Indarung IV digunakan untuk menghubungkan dan mengunci silinder liner dengan shield pada dinding kerja kompartmen I. Baut pengunci Tipe 3111020050 yang digunakan dalam mesin Raw Mill IIIB Indarung IV PT. Semen Padang mengalami kegagalan/patah pada badan baut. Biasanya baut tipe 3111020050 ini berumur lebih dari 3
tahun, tetapi setelah penggantian liner yang baru baut hanya mempunyai umur 20-40 hari. Hal ini menjadi kendala bagi PT. Semen Padang terutama dari segi biaya dan penggantian baut juga memerlukan waktu mengingat Raw Mill IIIB terus beroperasi selama material dari penambangan tersedia dan hal ini akan sangat merugikan karena mesin tidak dapat beroperasi. Dari informasi kegagalan dan pengumpulan data mengenai mesin Raw Mill dilakukan penelitian untuk mengetahui penyebab kegagalan baut tipe 3111020050 ini. Metode analisa yang dilakukan meliputi, uji komposisi, uji kekerasan, pengamatan makro, dan mikro untuk baut pengunci tipe 3111020050. Hasil akhir dari analisa kegagalan baut pengunci tipe 3111020050 diharapkan dapat menjadi dasar dalam pemilihan komponen serta meminimalisir terjadinya kegagalan yang sama di kemudian hari.
II. URAIANPENELITIAN
ASTM Handbook 2004 A 193 sebagai standart dalam pemilihan material baut yang umum digunakan pada kondisi kerja raw mill adalah grade B7. Baut jenis ini biasa digunakan pada alat dalam kondisi kerja dengan temperatur tinggi seperti compressor, pressure vessels, dan raw mill. Berdasarkan investigasi yang disarankan pada Gambar 1 tahap analisa kegagalan dimulai dengan analisa unsur kimia (Spectrolab luam 11 meter germany untuk memastikan komposisi material yang digunakan) dan metallography untuk mengevaluasi mikrostruktur baut 3111020050 sedangkan untuk menunjukkan sifat mekanik baut digunakan uji kekerasan vicker. Selanjutnya analisa kegagalan ditunjukkan fotografi baut dan titik-titik dibutuhkan untuk mempermudah analisa material yang diuji (Gambar 2) pengamatan visual dengan kamera untuk mengidentifikasi tipe kegagalan, fractography menggunakan SEM untuk menentukan morfologi permukaan patahan.
Gambar 1: Metodologi penelitian
PT. Semen Padang
Alfredo Ibrahim dan Rochman Rochiem
Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
Gambar 2: Material baut patah yang diuji
III. HASILDANDISKUSI
3.1 Hasil Pengujian Komposisi Kimia
Pengujian komposisi dilakukan pada baut tipe 3111020050 dengan komposisi yang terlihat pada tabel 1
Tabel 1 Hasil komposisi kimia baut dengan menggunakan SPEKTROLAB Luam 11 Germany
Dari hasil uji komposisi tabel 1 dapat terlihat bahwa baut 3111020050 terbuat dari material baja paduan dengan klasifikasi sebagai ferritik steel dan sesuai dengan standar ASTM A193 Grade B7 yang unsur paduannya meliputi unsur chrom (Cr) antara 0,75 % - 1,2 %, unsur mangan (Mn) antara 0,65 % - 1,1 % dan unsur molybdenum (Mo) antara 0,15 % - 0,25 %.
3.2 Hasil Pengujian Metallografi
Pengamatan mikro untuk memperoleh informasi yang lebih detail tentang struktur mikro yang ada pada material awal maupun yang telah mengalami proses normalizing. Proses normalizing dilakukan pada temperatur austenitisasi menurut ASM Handbook Vol 4 di temperatur 870oC dan dilakukan pendinginan udara sampai temperatur kamar.
Gambar 3: Struktur mikro baut yang mengalami proses normalizing dengan perbesaran 100x
Gambar 4: Struktur mikro baut 3111020050 yang mengalami kegagalan, dengan (A) perbesaran 100x (B) 200x.
Struktur mikro baut 3111020050 pada Gambar 3 yang mengalami proses normalizing berupa pearlite dan ferrite seperti yang ditunjukkan diagram terner pada Gambar 5. Sementara struktur mikro baut 3111020050 yang mengalami kegagalan menunjukkan bahwa baut mengalami perlakuan panas quenching dan tempering sehingga strukturnya berupa martensite temper dan pada lokasi tertentu ditemukan adanya inklusi berupa mangan sulfide (MnS) yang berwarna hitam, akibat gaya yang dialami oleh baut tersebut, maka nampak inklusi ini memanjang mengikuti arah datangnya gaya. Inklusi semacam ini dapat meningkatkan terjadinya penggetasan.
Gambar 6: Hasil Uji SEM baut 3111020050 yang mengalami kegagalan, dengan (A) perbesaran 150x (B) perbesaran 200x
(C) perbesaran 100x.
Dari hasil uji SEM tampak crack initiation dari baut terjadi di ujung permukaan, crack seperti rongga ini menyebabkan crack propagation sepanjang 500 µm sehingga akhirnya retakan sepanjang 1mm menjalar sampai ke tengah baut.
Gambar 7: Hasil maping tiap unsur EDX dengan perbesaran 200x, dimana:
A. Hasil maping unsur C B. Hasil maping unsur O C. Hasil maping unsur Al D. Hasil maping unsur Si E. Hasil maping unsur S F. Hasil maping unsur Cr G. Hasil maping unsur Mn H. Hasil maping unsur Fe
Jika dilihat dari hasil uji EDX terlihat bahwa persebaran unsur utama Fe dan Mn yang merata di seluruh permukaan patahan. Namun dapat terlihat juga persebaran unsur O dan S yang juga merata di seluruh permukaan mengakibatkan baut dapat mengalami penggetasan. Unsur penggetas yang merata menyebabkan ketahanan baut terhadap fatigue akan menurun. Pada tabel 2 ditunjukkan nilai komposisi unsur pada permukaan patahan. Dari ketujuh unsur tersebut yang memiliki kandungan paling banyak adalah O, yang dapat membentuk senyawa oksida. Senyawa ini dapat menyebabkan cavities yang nantinya akan mempercepat penggetasan. Tabel 2 Nilai komposisi unsur pada permukaan baut yang mengalami kegagalan
3.4 Hasil Pengujian Kekerasan
Nilai kekerasan pada baut 3111020050 ditentukan melalui pengujian kekerasan VHN sesuai standart ASTM E92-82 RO3 dengan pembebanan 30 Kgf. Pengujian dilakukan pada lima titik indentasi seperti yang ditunjukkan pada gambar 8. Hasil pengujian kekerasan bisa dilihat pada gambar 9.
Gambar 8: Skema indentasi pembebanan kekerasan.
Gambar 9: Perbandingan angka kekerasan baut 3111020050 dengan baut yang mengalami normalizing 870OC.
Dapat dilihat bahwa baut yang mengalami proses normalizing untuk menghilangkan pengaruh perlakuan panas sebelumnya memiliki variasi angka kekerasan yang merata di setiap titik yaitu sekitar 213 HVN. Sedangkan pada baut 3111020050 yang mengalami kegagalan memiliki variasi kekerasan yang tidak merata akibat adanya proses perlakuan panas (heat treatment) yang tidak cukup baik. Pada baut 3111020050 terlihat bahwa kekerasan pada bagian tengah sedikit lebih lunak dari bagian yang lain, hal ini terjadi karena pendinginan saat perlakuan panas atau mechanical treatment, efeknya nilai kekerasan berkurang pada bagian tengah penampang. Pada gambar 10 ditunjukkan nilai kekerasan dari titik patah menuju tidak patah, mengindikasikan bahawa titik kekerasan tertinggi baut rentan terhadap beban impact akibat terlampau getas sehingga menyebabkan adanya crack initiation hingga akhirnya mengalami kegagalan fatigue.
Gambar 10: Perbadingan kekerasan titik patah menuju tidak patah.
3.5 Hasil Pengamatan Makro
Pengamatan makroskopi dilakukan untuk mendapatkan data berupa gambar mengenai pola permukaan patahan yang terjadi secara visual menggunakan kamera digital. Dari gambar 11 dapat dilihat bahwa patahan baut merupakan patah lelah yang ditunjukkan dengan adanya beachmark pada permukaan baut. Dapat dilihat juga crack initiation patahan pada baut yang ditunjukkan pada gambar panah 12.
Gambar 11: Permukaan patahan baut
Gambar 12: Crack initiation patahan baut
Dari pola beachmark pada permukaan baut dapat dikatakan baut mengalami reversed bending (ASM Handbook vol 19). Awal terjadinya crack atau cacat pada baut terjadi pada permukaan batang baut. Beban dinamis yang diakibatkan oleh gerakan rotasi milling dan tumbukan dari ball mill dapat menyebabkan retakan menjalar perlahan-lahan, membentuk jejak seperti beach mark (garis-garis pantai) yang merupakan
IV. KESIMPULAN
1. Faktor yang menyebabkan terjadinya kegagalan material baut 3111020050 adalah fatigue fracture.
2. Kekerasan yang tinggi pada batang permukaan baut menyebabkan baut menjadi getas sehingga menimbulkan crack dan retakan akibat dari beban impact. Retakan ini menyebabkan material baut tidak sanggup menahan beban cyclic sehingga akhirnya mengalami kegagalan lelah.
DAFTARPUSTAKA
[1] Karl-Erik Thelning. 1984. Steel and Heat Treatment. Research and development smedjebacken-boxholm stal AB, Sweden.
[2] Suherman, Wahid. 1999. Metalurgi 1. Departemen Teknik Mesin ITS, Surabaya.
[3] Nishida, Shin-ichi.1992. Failure Analysis in Engineering Application. Jordan Hil. Oxford.
Butterworth Heinemann Ltd.
[4] R. Brooks, Charlie and Choudhury, Ashok. 2002. Failure
Analysis of Engineering Materials. New York :
McGraw-Hill.
[5] Akuan, Abrianto. 2007. Kelelahan Logam. Departemen Teknik Metalurgi Universitas Jenderal Ahmad Yani, Bandung.
[6] ____. 2002. ASM Handbook Volume 11 Failure
Analysis and Prevention. Material park. Ohio. USA.
ASM International.
[7] ____. 2002. ASM Handbook Volume 1 Properties and
Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys.
Material park. Ohio. USA. ASM International.
[8] ____. 2002. ASM Handbook Volume 12 Fractography. Material park. Ohio. USA. ASM International.
[9] ____. 2002. ASM Handbook Volume 3 Phase
Diagram. Material park. Ohio. USA. ASM International.
[10] ____. 2002. ASM Handbook Volume 9
Metallographic and Microstructure. Material park.
Ohio. USA. ASM International.
[11] ____. 2002. ASM Handbook Volume 19 Fatigue and
Fracture. Material park. Ohio. USA. ASM International. [12] Chandra, Devi. 2010. Analisis Tegangan Baut
Pengunci Girth-Gear Kiln. Jurusan Teknik Mesin,
Universitas Andalas, Padang.
[13] Callister, William. 2007. Material Science and
Engineering an introduction. New York: John Wiley &
