ANALISA KERUSAKAN KOMPONEN PEMANAS AT AS KEGAGALAN UJI COBA TUNGKU SUHU TINGGI

268 _{ISSN 0216 - 3128}

Tunjung Indrati Y., dkk

ANALISA

KERUSAKAN

KOMPONEN

PEMANAS

AT AS

KEGAGALAN

UJI COBA TUNGKU SUHU TINGGI

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

S

40"c.

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

S

40

"c

J>ENDAHULUAN

Mu,ai

_{diklasifikasikan}abad 20 beberapa_{seperti cruciblefurnace,}tipe tungku dapat_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

Tu"ju"g ["drat; Y.,dkk. ISSN 0216 - 3128 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).

Gambar J. Tungku Suilu Tinggi Diliilat Dari Berbagai SisL

'I K.\voSIOI'

!lO\\'

Gambar2. Blok Diagram Sistem Elektrollik Tungku Suilu Tinggi

Keterangan :

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

270

-

ISSN 0216 - 3128 _{Tunjung Im/rati Y., flU}

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.

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 IOV. Tegangan makin tinggi dari 5 V maka daya akan bertambah dan ini menyebabkan laju pemanasan yang bertambah. Untuk menghindari hal itu tegangan dibatasi 10V.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

TUl/jul/g II/drati Y., dkk. ISSN 0216 - 3128 271

Tabell. Hasilldentifikasi Awal Analisa Kegagalan Uji Coba Tungku Suhu Tinggi Pada Bagian Oven No Komponen Kerusakan Analisa kerusakan

I

Kerusakan Shock furnacekerusakan Adanya kenaikanAda tegangan yang tidak terkendali dan

\Ill

tercatat ( jadi jelas diatas 10 V karena tegangan mengakibatkan

terpasang 10 V) maka terjadi kenaikan suhu yang cepat

shock

furnace

dan tidak termonitor._{Kecuali hal tersebut terjadi} meleleh pengkonsentrasian panas disatutitik maka shock furnace retak dan

meleleh Diperkirakansuhu

dibagian ini mencapai lebih dari 1100 0c. Kecualitersebutpendinginhal pendingintercatat tidak50°C.representatif.Kerusakan Air keluar dari terl ihat pada Gambar 4.

2

Cone Tidak- ada

3 Coolin)!;aw

Tidak

-

ada

4 !-Ieatin)! tube Tidak ada

-5 Protective tubeTidak ada

6

Insert crucibleAda kerusakan._{erusakall berupa keretakan sehingga crucible patah} Kerusakan

berupa

pada seperempat bagian atas (Gambar 4). Hal ini retakan

akibatnyakarena diawali_dengankenaikan_teganganyang

crucible patah

mendadak sehingga terjadi pengkonsentrasian panas disalah satu titik. Akibat dari hal ini crucible retak

terjadi kebocoran dan panas merambat sampai ke

shock furnace.crucible teroksidasi..Untuk memastikanAdanya udaracrucihlemasukyangkesystemterbuat makadari grafit teroksidasi maka data struktur mikro

dan struktur kristal diperlukan.

7

Carbonjacke Tidak

-

ada

8

Pressure hoodTidak_Gambarada _{5. Perlu dibersihkan dan diganti isolatomya} 9

Carbon plug Tidak

-

ada

10 PlatesinteredTidak ada

-cl1}Y

II

Carbon Tidak

-

ada

granulate ₁₂

Filling materialTidak- ada

13 Insulating

Tidak_Akibatada._{shock furnace}Akibat _{leleh maka ada kebocoran dan}

granulate

adanyasekaliguskeboco-ran

adanya tekanan gas argon maka beberapa dan

tekanan_gas

grafit penutup sample masuk kedalam bagian isolator. argon

maka

Sehingga granulate yang digunakan sebagai isolator

granulate

nya tercampur grafit. tercampur

]4

Pressure rin)!Tidak

-

ada

]5 Insulatinf? plate

Tidak ada

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

272

ISSN 0216 - 3128 _{Tunjung [m[rat; Y.•tlkl.} 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.

Shock furnace

Gambar 4. Foto kerusakan pada bagian Slwck furnace dan Crucible pasca

kegagalan ujicoha

Identifikasi 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.

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.

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.

Gambar 5. Kondisi Pressure Hood pasca kegagalan ujicoba

Gambar 6. Struktur mikro

slwck jiimace

yang mengalami pelelehan. (perbesaran 2100 X)

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

7/1IIjUIIg Illdrati Y., dkk. ISSN 0216 - 3128 273

Gambar 7. Struktur mikro crucible (a) sebelum teroksidasi ; (b) sesudah terok.••idasi (perbesaran 3/00 X)

KESIMPULAN

Kesimpulan dari analisa kegagalan ujicoba tungku suhu tinggi pada bagian oven pasca perbaikan adalah sebagai berikut:

I . 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.

2. Komponen ynng perlu diganti lainnya adalah isolator pada insulating plate, filling material

dan insulating granulate.

3. Pengoperasian tungku suhu tinggi harus pada tegangan dibawah 10 V dengan peningkatan yang perlahan karena tegangan yang terlalu tinggi mengakibatkan laju pemanasan tidak terkendali.

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).

4. 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, Pergamon Pers, Oxford, ( 1985 ).

TANYAJAWAB

Sunardjo

Apakah tujuan dari analisa kerusakan komponen pemanas suhu tinggi ini ?

Bagaimana hubungannya dengan pemanasan yang terlalu cepat

?

Tunjung Indrati Y.

Tujuannya mencari sebab-akibat terjadinya kegagalan sehingga kegagalan tidak terulang lagi.

Hubungannya dengan pemanasan yang terlalu cepat yang disebabkan adanya daya

274

-

ISSN 0216-3128 _{Tunjung Indrali Y., dkk}

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 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 ?

o Saya kira tungku tersebut sudah lama sekali

mengalami kerusakan, karena hampir tiap tahun masalahnya tungku, kira-kira berapa lama lagi bisa diperbaiki ?

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 .1'11/111

800°C - f200°C.

Purwanto A.

o Apakah sistem tegangan listrik sudah

memenuhi sistem penggerak/pembangkit tungku, berapa kisaran tegangannya ?

Tunjung Indrati Y.

o Kisaran tegangannya

10-

f

5

V.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006