High-temperature Interactions

HIGH-TEMPERATURE INTERACTIONS OF

ALUMINA-CARBON REFRACTORIES WITH MOLTEN IRON

Abdurrahman Alghani

13712034

SatriaRusdiputra

13712048

Tito Tamaro

13710024

TEAM

Centre for Sustainable Materials Research and Technology, School of Materials Science and Engineering, University of New South

Wales, Sydney, 2052, Australia

M. Ikram-Ul-Haq, R. Khanna, P. Koshy, and V. Sahajwalla

STRUKTUR PRESENTASIPENDAHULUAN DAN TEORI DASAR

LATAR BELAKANG

PROSEDUR EKSPERIMEN

HASIL EKSPERIMEN DAN DISKUSI

KESIMPULAN

PENDAHULUAN DAN TEORI DASAR

REFRACTORY BRICK

• Bata tahan api adalah sebuah blok bahan keramik tahan api yang digunakan dalam tungku lapisan, pembakaran, fireboxes, dan perapian.

• Sebuah batu bata tahan api dibangun terutama untuk menahan suhu tinggi, tetapi juga akan biasanya memiliki konduktivitas termal rendah untuk efisiensi energi yang lebih besar.

JENIS-JENIS REFRAKTORIRefraktori dapat digolongkan berdasarkan komposisi kimianya, pengguna akhir dan metoda pembuatannya sebagaimana diperlihatkan dibawah ini.

• Refraktori alumina tinggi• Batu bata silika• Magnesit• Refraktori Khromit• Refraktori Zirkonia• Refraktori oksida (Alumina)• Monolitik

SESSILE DROP TEST• The Sessile Drop Technique adalah metode yang

digunakan untuk karakterisasi energi permukaan padat, dan dalam beberapa kasus, aspek energi permukaan cairan.

• Dasar pemikiran utama dari metode ini adalah bahwa dengan menempatkan tetesan cairan dengan energi yang dikenal permukaan, bentuk drop, khususnya sudut kontak, dan energi permukaan diketahui cairan adalah parameter yang dapat digunakan untuk menghitung permukaan energi dari sampel padat.

Rangkaian sessile drop test

• Wetting atau menyebarkan cairan pada permukaan padat atau material bergantung pada sifat-sifat permukaan padat dan cairan yang digunakan.

• Wettability dapat diperkirakan dengan menentukan contact angle

Young’s equation:cos θ =

Wetting contact angle (en.wikipedia.org)

surface free energy of solid interfacial tension between liquid and solid surface tension of liquid

Interaksi Slag dan RefraktoriPergerakan slag menyebabkan terjadinya fenomena tegangan permukaan (wettability) antara slag dan refraktori sehingga mengakibatkan korosi lokal pada refraktori terutama di bagian yang berbatasan dengan permukaan slag.

Jansson, Sune. 2005. A Study on Molten Steel/Slag/Rafractory Reaction during Ladle Steel Refining. Royal Institut of Technology: Stockholm

Pergerakan slag dan alirannya yang turbulen mempercepat terjadinya korosi

dan abrasi pada refraktori

Jansson, Sune. 2005. A Study on Molten Steel/Slag/Rafractory Reaction during Ladle Steel Refining. Royal Institut of Technology: Stockholm

Scanning Electron Microscopy (SEM)

Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya. Cahaya hanya mampu mencapai 200nm sedangkan elektron bisa mencapai resolusi sampai 0,1 – 0,2 nm. Dibawah ini diberikan perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan elektron.

http://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/scanning-electron-microscopy/

Gambar perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan elektron.

SEM (Cont’d)

Disamping itu dengan menggunakan elektron kita juga bisa mendapatkan beberapa jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi. Jika elektron mengenai suatu benda maka akan timbul dua jenis pantulan yaitu pantulan elastis dan pantulan non elastis seperti pada gambar dibawah ini.

http://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/scanning-electron-microscopy/

Gambar pantulan elektron

SEM (Cont’d)

Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum sebagai berikut:1. Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan, reflektivitas dsb)2. Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel3. Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara kuantitatif dan kualitatif.

SEM (Cont’d)

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:

• Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda.

• Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.• Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel

dengan diarahkan oleh koil pemindai.• Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan

elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar ini:

http://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/scanning-electron-microscopy/ Gambar alat uji dari SEM

XRD (X-Ray Difraction)1. Prinsip Kerja XRD

Tahapan kerja XRD: Produksi, difraksi, deteksi dan interpretasi. Gambar komponen XRD:

Rahman, Reza. 2008. Proses Pengeringan….. FT UI: Depok

XRD (cont’d)2. Produksi

Pada tahap ini elektron yang dipercepat menumbuk material target dan menghasilkan radiasi sinar X yang berinteraksi dengan struktur kristal material yang diuji


XRD (cont’d)3. Difraksi

Pada tahap ini radiasi sinar-X yang telah dihasilkan akan berinteraksi dengan struktur kristal material yang diuji. Pola terang dari difraksi timbul karena interferensi konstruktif sesuai hukum Bragg


4. Deteksi

Interferensi konstruktif radiasi sinar-X hasil difraksi struktur kristal material yang diuji selanjutnya akan dideteksi oleh detektor

XRD (cont’d)


XRD (cont’d)5. Interpretasi

Posisi peak diukur dari sumbu x pada grafik yaitu 2ϴ

• Menggunakan Hukum Bragg untuk mengubah 2ϴ menjadi dhkl • dhkl adalah jarak antara bidang atom {hkl}

Sumber: Materi kuliah Karakterisasi Material II, Asep Ridwan

LATAR BELAKANG

• Degradasi pada rerfraktori merupakan fenomena yang berkaitan dengan kerusakan secara kimia dan kerusakan secara fisik/mekanik.

• Refraktori alumina-karbon umum digunakan pada aplikasi pembuatan baja. Gambar Alumina-carbon

refractory brick

LATAR BELAKANG

M. Ikram-Ul-Haq, R. Khanna, P. Koshy, and V. Sahajwalla, 2010. High-temperature Interactions of Alumina-Carbon Refractories with Molten Iron.

University of New South Wales:Sydney

LATAR BELAKANG (Cont’d)

Komposisi pada refraktori, tekstur fisiknya, ikatan kimia, karakteristik dari logam cair dan hasil reaksi yang dihasilkan akan mempengaruhi reaksi penetrasi logam cair kedalam refraktori

Besar-kecilnya interaksi antara refraktori dan logam cair dapat diketahui dari karakteristik wetting angle yang terbentuk.

Centre for Sustainable Materials Research and Technology, School of Materials Science and Engineering, University of New South Wales, Sydney, 2052, Australia

LATAR BELAKANG (Cont’d)

Fokus penelitian: tentang wettability, penetrasi logam cair, karbon pickup dan reaksi antarmuka. Percobaan yang dilakukan juga membandingkan antara grafit alam dan grafit sintetis sebagai bahan karbonnya untuk menentukan pengaruh dari ash impurities.

TUJUAN PENELITIAN

• Menentukan sifat wetability dari synthetic alumina graphite terhadap molten iron

• Menentukan sifat wetability dari natural alumina graphite terhadap molten iron

• Menentukan pengaruh karbon pada synthetic dan natural alumina graphite

• Menentukan perilaku molten iron pada natural dan synthetic alumina graphite

PROSEDUR EKSPERIMEN

PROSEDUR EKSPERIMEN

Prosedur pembuatan sampelnya:

• Serbuk alumina dan grafit dicampur dengan resin 5 wt% dan ball mill selama 48 jam

• Setelah homogen, di kompresi dengan beban 5 ton untuk menghasilkan sampel berbentuk silinder (diameter 25 mm dan tebal 3-4 mm)

• Sampel kemudian di sintering pada temperature 1550⁰C selama 48 jam untuk membuat resin menjadi cure dan mengurangi kadar air pada sampel (Pada lingkungan apa ya?)

3. Percobaan

a.Percobaan 1: Mengamati Wetting Angle• Interaksi antara besi cair dan refraktori diamati

menggunakan horizontal-tube furnace menggunakan pendekatan sessile drop.

• Sebelum percobaan, furnace tube ditiup menggunakan gas argon dengan laju 1 L/min

• Interaksi antara besi cair dan refraktori diamati dari karakteristik wetting angle yang dihasilkan

PROSEDUR EKSPERIMEN (Cont’d)

• Skema percabaan nya dapat dilihat pada gambar dibawah



b) Percobaan 2: memahami efek dari heat treatment pada sampel

alumina-SG dan alumina-NG tanpa kehadiran besi

• Sampel dengan komposisi AN1 dan AS1 dipanaskan pada 1550⁰C selama 30 menit di dalam horizontal tube furnace, dengan dialiri gas argon (1L/min).



4. Karakterisasi• Setelah proses heat treatment didapatkan

hasil dengna mikroskop optik bahwa alumina-SG memiliki lebih bayak porositas dibandingakan alumina-NG seperti diperlihatkan pada gambar dibawah:

• Energy dispersive spectroscopy (EDS) digunakan untuk mengidentifikasi unsur di dalam sampel

• Karbon pickup oleh logam cair diukur menggunakan LECO CS-244 karbon/sulfur analyser



1. Penetrasi Logam• Penetrasi logam ke dalam substrat refraktori:

Tabel Kedalaman penetrasi besi di dalam substrat alumina-SG dan alumina-NG

Gambar 8. Optical microscopy images (a) alumina-SG substrates (b) alumina-NG substrates (Alumina, Graphite)


Penetrasi Logam (cont’d)

• Fenomena pada antarmuka besi cair dengan refraktori alumina-karbon dipengaruhi oleh tingkat karbon dalam subtrat refraktorinya.

• Penetrasi logam diamati untuk mengubah sifat dari refraktori terutama dalam hal bahan kimia dan carbon pick-upnya.

• Kedalaman penetrasi logam pada dinding refraktori juga dipengaruhi oleh komposisi kimia dari refraktorinya, yang kemudian akan mempengaruhi interaksi dengan besi cair.M. Ikram-Ul-Haq, R. Khanna, P. Koshy, and V. Sahajwalla, “High-temperature Interactions of

Alumina-Carbon Refractories with Molten Iron”, University of New South Wales, 2010

Penetrasi logam ke dalam (a) AS1 refractory refractory (Alumina, Carbon and bright areas under metal droplet show penetrated iron), (b) AS2 refractory (Alumina, carbon and bright areas under metal droplet show penetrated iron), (c) AS3 refractory (Alumina, Carbon and bright areas under metal droplet show penetrated iron).

Penetrasi logam ke dalam (a) AN1 refractory (Aalumina, Ccarbon and bright areas under metal droplet show penetrated iron), (b) AN2 refractory (Aalumina, Ccarbon and bright areas under metal droplet show penetrated iron), (c) AN3 refractory (Aalumina, Ccarbon and bright areas under metal droplet show penetrated iron).

2. Carbon Pick-up

Gambar 15. Karbon pick-up pada 1550°C oleh besi dengan (a) substrat alumina-SG (b) substrat

alumina-NG

Gambar Analisis EDS sepanjang penetrasi logam pada sampel AS1 (biru, ungu, merah, dan hijau menunjukkan Al, Fe, C, dan O

Ketika besi telah terpenetrasi, konsentrasi C/O menurun. Menunjukkan karbon telah terambil oleh besi.

3. WETTABILITY

Gambar 17. Dynamic contact angles pada 1550°C dan gambar tetesan besi cair dalam waktu berbeda untuk substrat alumina-SG dan substrat

alumina-NG

3. WETTABILITY (Cont’d)

Penurunan sudut kontak sebanding dengan penetrasi logam ke dalam substrat refraktori. Tingkat penetrasi bervariasi, tergantung pada perbedaan rasio alumina-karbon dari refraktori dan carbon pick-up oleh besi cair.

M. Ikram-Ul-Haq, R. Khanna, P. Koshy, and V. Sahajwalla, “High-temperature Interactions of Alumina-Carbon Refractories with Molten Iron”, University of New South Wales, 2010

KESIMPULAN

Substrat alumina-synthetic graphite menunjukkan perilaku non-wetting dengan besi cair.

Substrat alumina-natural graphite juga menunjukkan perilaku non-wetting dengan besi cair.

Karbon yang terambil oleh logam meningkat seiring bertambahnya jumlah karbon di dalam refraktori untuk natural graphite dan synthetic graphite.

Besi cair penetrasi secara meluas ke dalam substrat alumina-SG dan penetrasi pada AS1 lebih besar dibandingkan pada AS2 dan AS3.

M. Ikram-Ul-Haq, R. Khanna, P. Koshy, and V. Sahajwalla, “High-temperature Interactions of Alumina-Carbon Refractories with Molten Iron”, University of

New South Wales, 2010

High-temperature Interactions

Documents

Transcript of High-temperature Interactions