analisis korosi pada refraktori tungku pembakar kapur - Digilib

Analisis Korosi pada Refraktori Tungku Pembakar Kapur
ANALISIS KOROSI PADA REFRAKTORI
TUNGKU PEMBAKAR KAPUR
Titik Lestariningsih dan Erfin Y. Febrianto
Pusat Penelitian Fisika (P2F)-LIPI
Kawasan Puspiptek Serpong 15314, Tangerang Selatan
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
ANALISIS KOROSI PADA REFRAKTORI TUNGKU PEMBAKAR KAPUR. Refraktori atau bata
tahan api merupakan salah satu jenis bahan keramik yang memiliki kemampuan untuk mempertahankan
kondisinya baik secara fisik maupun secara kimia pada kondisi suhu operasi yang relatif tinggi. Komposisi
kimia dari oksida penyusun refraktori ini sangat menentukan jenis dan kualitasnya karena komposisi kimia ini
mempengarui baik sifat fisik, kimia maupun mekanis dari refraktori selama proses pemakaian. Di Pusat Penelitian
Fisika-LIPI telah dilakukan penelitian tentang penyebab korosi pada jenis refraktori (Magnesium refraktori)
setelah digunakan pada suhu operasi sekitar 1.000 oC. Penelitian ini meliputi analisis kimia dari oksida penyusun
refraktori sebelum dan sesudah digunakan, analisis struktur kristal dengan menggunakan difraksi sinar-X serta
analisis sifat fisik lainnya seperti analisa densitas, porositas dan kuat tekan. Hasil penelitian menunjukkan
bahwa telah terjadi korosi pada tungku pembakaran kapur yang ditengarai dengan adanya penurunan kadar Fe,
Al, Si, Mg, Ca, Na, dan K yang diikuti dengan penurunan porositas, kenaikan densitas dan penurunan kuat
tekan.
Kata kunci: Refraktori, Korosi, Analisis struktur kristal, Densitas, Porositas
ABSTRACT
ANALYSIS OF CORROSION ON REFRACTORY OF FURNACE LIMESTONE. Refractory or
refractory brick is one type of ceramic material which has the ability to maintain a good condition physically
and chemically under conditions of relatively high operating temperature. The chemical composition of refractory
oxide constituent is crucial once the type and quality as well an impact on the chemical composition of these
physical properties, chemical and mechanical processes of refractory during use. Research Center for
Physics-LIPI has done research on the causes of corrosion on the type of refractoriy (refractory magnesium)
was used at operating temperatures of about 1,000 oC. This study includes the analysis of the chemical
constituent of refractory oxides before and after use, analysis of crystal structures using X-ray diffraction
analysis and other physical properties such as density analysis, porosity and compressive strength. Research
results indicate that there has been corrosion of furnace limestone characterized by a decrease in levels of Fe,
Al, Si, Mg, Ca, Na, and K is followed by a decrease in porosity, density increase and decrease in compressive
strength.
Keywords: Refractories, Corrosion, Analysis of the crystal structure, Density, Porosity
PENDAHULUAN
Korosi adalah perusakan atau penurunan mutu
dari material akibat bereaksi dengan lingkungan dalam
hal ini adalah interaksi secara kimiawi. Sedangkan
penurunan mutu yang diakibatkan interaksi secara fisik
bukan disebut korosi, namun biasa dikenal sebagai erosi
dan keausan. Menurut jenis reaksinya korosi dibagi
menjadi dua yaitu korosi kimia atau biasa disebut korosi
kering (Dry Corrosion) dan korosi elektrokimia biasa
disebut koros basah (Aqueous Corrosion) [1].
Korosi kimia atau korosi kering atau korosi suhu
tinggi adalah proses korosi yang terjadi melalui reaksi
kimia secara murni yang terjadi tanpa adanya elektrolit
atau bisa dikatakan tidak melibatkan air dengan segala
bentuknya. Korosi kimia biasanya terjadi pada kondisi
suhu tinggi atau dalam keadaan kering yang melibatkan
logam (M) dengan oksigen, nitrogen, sulfida. Adapun
Penyebab terjadinya korosi suhu tinggi adalah oksidasi,
karburasi, nitridasi, sulfidasi, penyerapan senyawa
halogen, logam cair dll. Sedangkan korosi elektrokimia
atau korosi basah terjadi bila reaksinya berlangsung
dalam suatu elektrolit dan terjadi perpindahan elektron
antara bahan-bahan yang bersangkutan. Reaksi inilah
yang banyak terjadi pada proses korosi [1].
Refraktori atau yang biasa disebut sebagai
bata tahan api merupakan suatu material yang sesuai
dengan namanya adalah material yang tahan api,
133
Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2012
Serpong, 3 Oktober 2012
atau yang pada penggunaannya, digunakan pada
tungku (furnace), perlengkapan tungku (kiln furniture)
atau yang berhubungan langsung dengan panas yang
tinggi. Oleh sebab itu, suatu refraktori harus tahan
terhadap pengaruh korosi yang disebabkan oleh aliran
gas buang dari suatu furnace ataupun slags, disamping
itu juga harus tahan terhadap perubahan suhu yang
mendadak [2].
Korosi refraktori adalah keausan refraktori pada
permukaan refraktori sehingga ketebalan dan masanya
berkurang sebagai akibat dari serangan kimia oleh ciran
korosi pada proses reaksi kimia antara refraktori dan
cairan korosi [2].
Refraktori dapat digolongkan berdasarkan
komposisi kimianya. Refraktori magnesit merupakan
bahan baku kimia, yang mengandung paling sedikit
85 persen Magnesium oksida. Tersusun dari magnesit
alami (MgCO3). Sifat-sifat refraktori magnesit tergantung
pada konsentrasi ikatan silikat pada suhu operasi.
Magnesit kualitas bagus biasanya dihasilkan dari
perbandingan CaO-SiO2 yang kurang dari dua dengan
konsentrasi ferrit yang minimum, terutama jika
tungku yang dilapisi refraktori beroperasi pada
kondisi oksidasi dan reduksi. Perlawanan terak sangat
tinggi terutama terhadap kapur dan terak yang kaya
dengan besi [3].
Beberapa sifat refraktori yang harus diperhatikan
baik oleh penghasil refraktori dan oleh pemakai refraktori
[2,4]. Melihat dari sifat kimia ini, refraktori dikelompokkan
menjadi tiga jenis refraktori yaitu : refraktori asam,
refraktori basa dan refraktori netral. Refraktori asam, tidak
direkomendasikan untuk digunakan pada material yang
bersifat basa, karena refraktori jenis ini lebih tahan
terhadap asam.
Refraktori netral digunakan untuk material
yang bersifat netral. Penyimpangan dari pemakaian
ini akan menyebabkan terjadinya korosi pada
refraktori. Refraktori sebaiknya adalah material yang
poros, hal ini disebabkan untuk menjaga serangan kimia
dari pelelehan fluks dan gas buang. Penurunan porositas
dari refraktori dapat menaikkan kekuatan dari refraktori
tersebut, juga dengan konduktivitas panas, akan naik
dengan penurunan porositas. Fusion point merupakan
suhu refraktori mulai meleleh sehingga fusion point dapat
diperkirakan sampai suhu refraktori tersebut dapat
digunakan.
Spalling merupakan gejala fracture atau
flaking dari refraktori yaitu saat refraktori mulai timbulnya
gejala-gejala retak. Merupakan ketahanan refraktori
terhadap beban kompresive, tegangan dan tarik pada
suhu dingin dan suhu tinggi dalam kondisi operasi. Tahan
terhadap perubahan suhu yang mendadak.
Dari sifat refraktori yang disebutkan diatas,
timbul suatu pemikiran untuk menyelidiki atau
menganalisis penyebab terjadinya korosi pada satu jenis
refraktori yang dipakai pada industri. Pada percobaan
ini dianalisis terjadinya korosi dari contoh refraktori dari
134
ISSN 1411-2213
jenis refraktori yang biasa dipakai pada industri
pembakaran kapur.
METODE PERCOBAAN
Bahan yang dipakai dalam penelitian ini adalah
refraktori sebelum proses dan sesudah proses dan pelarut
kimia HNO3, HF, HClO4 dan larutan standar. Penelitian
ini meliputi analisis kimia (untuk mengetahui komposisi
kimia) dan analisis fisika (untuk mengetahui densitas dan
porositas) serta analisis difraksi sinar-X untuk
mengetahui struktur kristal yang ada dalam refraktori dan
analisis mekanik dari refraktori. Semua analisis dan
pengukuran dilakukan untuk refraktori sebelum dan
sesudah digunakan. Analisis kimia dilakukan dengan
metode Spektroskopi Serapan Atom (SSA), jenis
AA-690-AAS.
Analisis Kimia
Bahan baku (refraktori) dibersihkan kemudian
dikeringkan. Setelah dikeringkan refraktori tersebut
digerus kemudian diayak sampai 325 mesh. Hasil ayakan
tersebut ditimbang sebanyak 0,1 gram dan dilarutkan
dalam HNO3, HF, HClO4 kemudian dimasukkan dalam
microwave. Sampel yang dilarutkan tersebut kemudian
diencerkan dalam labu ukur 100 mL. Larutan ini siap
dianalisis dengan AAS dan didapatkan hasil
pada Tabel 1.
Analisis Fisika
Analisis fisika digunakan untuk menentukan
densitas dan porositas. Pengukuran densitas dan
porositas menggunakan prinsip Archimedes sesuai
Persamaan (1):
Dn 
ma
mc  m' a
………................…..........….. (1)
Dimana :
ma = Masa kering contoh
mc = Masa jenuh contoh (dididihkan dalam air
selama ± 3 jam sampai jenuh)
m’a = Masa contoh dalam air
Tabel 1. Klasifikasi Refraktori berdasarkan komposisi
kimianya (Diambil dari Gilchrist)
Metoda klasifikasi
Contoh
Komposisi kimia
ASAM, yang siap bergabung
dengan basa
BASA, terutama yang
mengandung oksida logam
yang tahan terhadap basa
NETRAL, yang tidak
bergabung dengan asam
ataupun basa
Khusus
Silika, Semisilika,
Aluminosilikat
Magnesit, Khrommagnesit, Magnesitchromit, Dolomit
Batu bata tahan api,
Khrom, Alumina Murni
Karbon, Silikon Karbid,
Zirkon
Analisis Korosi pada Refraktori Tungku Pembakar Kapur
Untuk mengukur % porositas (%P) menggunakan
Persamaan (2) dibawah ini :
%P = 1 – DB / DA …………..............……… (2)
Analisis Difraksi Sinar X
Analisis difraksi sinar-X dilakukan dengan
menggunakan X-Ray Difraktometer, Shimadsu Jepang.
Untuk mengetahui struktur kristal dari refraktori (sebelum
dan sesudah digunakan) agar perbedaan dari kedua
refraktori tersebut bisa dibedakan.
Analisis Mekanik
Analisis mekanik dilakukan untuk pengukuran
kuat tekan (compressive strength) untuk kedua contoh
dengan menggunakan alat Universal Testing Machine
(UTM).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sampel Refraktori Sebelum Digunakan
Berdasarkan dari hasil analisis kimia untuk sampel
refraktori sebelum dan sesudah dipakai untuk
pembakaran pada (Tabel 2 dan Tabel 3) dengan
menggunakan alat Atomic Absorbtion Spektro (AAS)
terlihat bahwa kandungan senyawa untuk masing-masing
sampel terdapat perbedaan, dimana perbedaan yang
nyata adalah pada jumlah kandungan senyawanya.
Pada contoh refraktori yang belum dibakar, jumlah
senyawa hasil analisis hampir 100% (99,56 %). Hal ini
menunjukkan tidak ada senyawa lain yang terdapat pada
contoh refraktori tersebut selain senyawa-senyawa
yang sudah diperiksa. Sedangkan untuk contoh yang
sudah dibakar/digunakan jumlah senyawa hasil analisis
adalah 86,07 % (untuk senyawa-senyawa yang sama
dengan contoh yang belum dibakar). Dari hasil
pemeriksaan komposisi kimia ini, terdapat penurunan
jumlah senyawa sekitar 13,49 %. Penurunan jumlah
senyawa (dari contoh refraktori sebelum dipakai dengan
contoh refraktori sesudah dipakai) ini menunjukkan telah
terjadinya reaksi kimia antara senyawa oksida tersebut
diatas dengan senyawa lain yang berasal dari bahan yang
dibakar sehingga terbentuk senyawa baru selain dari
senyawa yang telah diperiksa tersebut diatas atau
adanya unsur/senyawa lain yang masuk pada waktu
proses pembakaran dan inilah yang menyebabkan
terjadinya korosi.
Dari hasil analisis X-Ray Difraksi (XRD) tidak
menunjukkan adanya terbentuk unsur atau senyawa baru
karena mungkin jumlah senyawa baru yang terbentuk
sangat sedikit. Hasil analisis XRD untuk kedua contoh
tersebut memperlihatkan hasil analisis yang sama,
bahwa senyawa yang dominan adalah dalam bentuk
senyawa magnesium sedangkan untuk senyawasenyawa yang lainnya tidak teridentifikasi. Hal ini
ditunjukkan dari hasil analisis XRD yang ditunjukkan
pada Gambar 1 dan Gambar 2.
Terjadinya korosi ini akan menyebabkan
perubahan sifat fisika/kimia dan mekanis dari sampel
refraktori tersebut. Perubahan sifat fisika atau kimia yang
dimaksud adalah bahwa terjadinya penurunan titik leleh
dari contoh refraktori sehingga pada saat pembakaran
Tabel 2. Hasil Analisa Kimia untuk Refraktori sebelum digunakan.
No
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Senyawa
Fe2O3
Al2O3
Si2O
MgO
CaO
Na2O
K2O
Jumlah
Hasil %
0,54168
1,3379
6,8668
88,6571
1,9325
0,0669
0,0104
Gambar 1. Difraksi Sinar-X untuk Refraktori sebelum
digunakan.
99,47 %
Tabel 3. Hasil Analisa Kimia untuk Refraktori setelah digunakan.
No
Senyawa
Hasil %
1.
Fe2O3
0,3166
2.
Al2O3
0,8363
3.
Si2O
3,2111
4.
MgO
81,6280
5.
CaO
1,0971
6.
Na2O
0,0393
7.
K2O
0,0038
Jumlah
86,13 %
Gambar 2. Difraksi Sinar-X untuk Refraktori setelah
digunakan
135
Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2012
Serpong, 3 Oktober 2012
Tabel 3. Hasil Analisa Pengujian Fisika dan Mekanik
untuk Refraktori sebelum digunakan.
No
Jenis Pengujian
Hasil
Hal ini akan menyebabkan refraktori menjadi mudah
patah. Hal ini ditunjukkan dari hasil pemeriksaan kuat
tekan yang ditunjukkan pada Tabel 4 dan Tabel 5.
1
Porositas
15,4866 %
KESIMPULAN
2
Densitas
2,9604 g/cm3
3
Kuat Tekan
252,406 kg/cm2
4
Analisa XRD
Gambar 1.
Dari hasil percobaan yang dilakukan, diperoleh
beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Hasil analisis kimia pada refraktori sebelum dan
sesudah di pakai untuk pembakaran menunjukkan
bahwa Jenis Refraktori yang dipakai adalah jenis
Magnesium.
2. Terjadinya penurunan kadar Fe, Al, Si, Mg, Ca, Na,
dan K ini menunjukkan bahwa telah terjadi reaksi
antara senyawa oksida tersebut diatas dengan
senyawa lain yang berasal dari bahan yang dibakar,
yang menyebabkan terjadinya korosi.
3. Berkurangnya kandungan senyawa tersebut di atas
menunjukkan telah terjadi senyawa baru yang
jumlahnya banyak sehingga tidak dapat terdeteksi
ke dalam data X-Ray Diffraction.
4. Kejadian seperti disebutkan di atas
mengidentifikasikan telah terjadi korosi yang
memberikan efek pada kenaikan densitas, penurunan
porositas dan kuat tekan.
Tabel 5. Hasil Analisa Pengujian Fisika dan
Mekanik untuk Refraktori sebelum digunakan.
No
Jenis Pengujian
Hasil
1
Porositas
13,5575 %
2
Densitas
3,0098 g/cm3
3
Kuat Tekan
82,78 kg/cm2
4
Analisa XRD
Gambar 2.
sedang berlangsung sebagian dari contoh akan meleleh.
Contoh yang meleleh ini akan menutupi sebagian dari
pori yang ada sehingga menyebabkan pori menjadi lebih
kecil. Hal ini dibuktikan dari hasil pengujian porositas
dimana terjadi penurunan nilai porositas dari 15,4866 %
menjadi 13,5575%.
Pada saat terjadi penurunan porositas ini, pada
waktu yang bersamaan menyebabkan terjadinya
pergeseran dari struktur pembentuk/ penyusun refraktori
yang pada akhirnya menjadi retak dan seterusnya patah.
Selain itu efek samping pelelehan tersebut adalah
terjadinya kenaikan densitas dari refraktori. Hal ini akan
dibuktikan pada hasil pemeriksaan densitas dimana
densitasnya naik dari 2,9604 gr/cm3 (untuk refraktori
sebelum dibakar) menjadi 3,0098 gr/cm3 (untuk refraktori
sesudah dibakar) atau naik sekitar 1,7 % .
Berdasarkan dari data literatur bahwa refraktori
jenis MgO ini densitas maksimum yang diperbolehkan
adalah 2,93 gr/cm, sehingga terdapat perbedaan nilai
densitas yang cukup besar dari refraktori yang sudah
dibakar. Terjadinya kenaikan densitas ini akan
menyebabkan kenaikan beban maksimum yang harus
ditanggung oleh refraktori tersebut pada saat operasi.
136
ISSN 1411-2213
DAFTAR ACUAN
[1].
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
SIDNEY H. AVNER, Introduction to Physical
Metallurgy, Second Edition, Mc Graw Hill Book
Company, NewYork, (1974)
CHARLES A., Schacht and to be published by
Marcel Dekker, Refractories Handbook, New York,
NY10016
GILCHRIST J. D., Fuels, Furnaces and
Refractories, Pergamon Press, (1977)
CHESTERS J. H., Refractory for Iron and
Steelmaking The metal Societi-London, (1974)
Powder Diffraction File, Alphabetical Indexes
Inorganic Phases, International Center For
Diffraction Data, 1601 Park Lane Swarthmore PA.
USA, (1990)
AUSTIN T. GEORGE, Shreve’s Chemical Process
Industry, Fifth Ed, Mc Graw Hill Book Company,
NewYork, (1987)