## SERBUK ALUMINA SEBAGAI KATALIS DIDALAM REAKTOR FLUIDISED BED

## W. Sujana, K. A. Widi
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Nasional Malang Jl. Karanglo Km 2 Kampus 2. Malang, Indonesia Wayan_sujaan58@yahoo.com

## ABSTRAKSI
Teknologi fluidized bed saat ini telah dimanfaatkan untuk proses perlakuan thermokimia  gas  dalam  menghasilkan  kekerasan  permukaan  baja.  Serbuk alumina  dimanfaatkan  sebagai  media  pada  teknologi  ini  bertujuan  untuk meningkatkan  transfer  panas  dari  dinding  dapur  menuju  ke  specimen  baja dengan demikian akan menghasilkan peningkatan kualitas kekerasan permukaan. Namun kualitas pengerasan permukaan sangat ditentukan oleh paduan dari baja tersebut.  Perbedaan  unsur  paduan  bahan  akan  menghasilkan  lapisan  pasif  yang berbeda pada permukaan masing-masing bahan tersebut sehingga tentunya akan mempengaruhi perbedaan transfer panas dipermukaan specimen. Pada penelitian ini  akan  memanfaatkan  berbagai  jenis  baja  dengan  paduan  berbeda  yaitu  baja paduan  rendah  (baja  perkakas),  baja  paduan  tinggi  (baja  tahan  karat)  dan  baja lapis paduan murni (baja hard khrom) yang akan diberi perlakuan didalam dapur fluidized bed dengan dan tanpa memanfaatkan serbuk alumina.
Karakterisasi  specimen  hasil  proses  ini  akan  diamati  kualitas  lapisan kerasnya dengan memanfaatkan pengujian distribusi kekerasan (metode Vickers), pengujian  distribusi  komposisi  kimia  (metode  EDAX)  dan  pengamatan  struktur mikro  dengan  mikroskop  electron  dan  scanning  electron  microscope  (SEM). Hubungan  dan  peran  serbuk  alumina  dan  unsur  paduan  didalam  baja  akan memberikan informasi  fenomena yang terjadi sehingga didapatkan suatu analisis yang  tepat  terhadap  metode  dalam  menghasilkan  peningkatan  kualitas pengerasan permukaan thermokimia.
Kata kunci: fluidized bed, serbuk alumina, SEM, EDAX
PENDAHULUAN Dapur fluidized bed akan memberikan keuntungan karena
permukaan  material  dipanaskan  lebih cepat,  menghasilkan  pengaruh  daerah panas  yang  kecil,  kecermatan  pada pengontrolan  saat  perlakuan  permukaan dan  pada  saat  proses  perlakuan  tidak berkontaminasi  dengan  udara  luar.  Ini
dapat  terjadi  akibat  peran  dari  serbuk alumina didalam teknologi reactor fluidized  bed.  Namun  demikian  ada beberapa hal yang perlu menjadi pertimbangan  pada  sebuah  teknologi  dan diharapkan  terus  dikembangkan  menuju teknologi yang ramah lingkungan. Pada penelitian ini akan difokuskan kearah green technology salah
satunya  dengan  mengurangi  pemanfaatan serbuk  alumina  didalam  fluidized  bed. Dengan  memahami  seberapa  besar  peran serbuk  alumina  dalam  menghasilkan kualitas kekerasan permukaan diharapkan kedepan  penggunaan  serbuk  alumina dapat dikurangi bahkan digunakan material  serbuk  lain  yang  lebih  ramah lingkungan.  Disamping  green  technologi, efisiensi  juga  diharapkan  akan  dihasilkan karena  biaya  untuk  pembelian  serbuk alumina dapat diminimalisir.
Penelitian  ini  dilakukan  secara eksperimen pada skala laboratorium yang pengamatannya difokuskan pada karakteristik  bahan  baja  paduan  dalam menghasilkan  kualitas  lapisan.  Dimana peran  paduan  akan  diamati  dengan  lebih detail dengan
melakukan analisa/pemeriksaan  uji  kekerasan,  uji SEM,  uji  EDAX  dan  uji  struktur  mikro. Pada penelitian ini akan mengamati peran serbuk  alumina  dalam  menghasilkan kualitas lapisan keras permukaan baja dan peran  unsur  paduan  dalam  baja  dalam menghasilkan  lapisan  keras  permukaan memanfaatkan  teknologi  fluidized  bed tanpa dan dengan serbuk alumina

## TINJAUAN PUSTAKA
Penelitian pemanfaatan dapur fluidized  bed  sebagai  media  dalam menghasilkan  lapisan  keras  telah  banyak
diamati [Haruman et al ,2006].
Karakteristik  yang  penting  dalam  reaktor fluidised  bed adalah  perpindahan  panas yang  menghasilkan  efisiensi  yang  tinggi. Gejala fluidisasi  disebabkan oleh partikel oksidasi  inert  (alumina  atau  pasir  silika) halus,  kering  dan  bertingkah  laku  seperti zat cair, dimana partikel yang satu dengan yang lainnya akan terpisah oleh gas  yang
bergerak  melewati bed. Suatu  reaktor fluidised  bed gas  dapat  ditinjau  sebagai fasa  padatan  selama  menunjukkan  batas atas  butiran-butiran  alumina  yang  jelas (belum terdapat aliran gas). Jika kecepatan  aliran  gas  terlalu  tinggi, dimana batas atas butiran-butiran alumina tidak  tampak  jelas,  maka  dalam  kondisi demikian  padatan  akan  terlempar  dari dapur oleh aliran gas [Reynodsan, 2003].
Di dalam menentukan mutu fluidisasi,  suatu  diagram  penurunan tekanan  (Δp)  terhadap  kecepatan  (μ o ) bermanfaat sebagai gambaran, jika pengamatan  visual  tidak  memungkinkan. Suatu bed yang  difluidisasi  dengan  baik terdiri  dari  dua  tahap  utama  seperti tampak pada gambar 1.
Adapun  tahapan-tahapan  tersebut  antara lain :

Tahap fixed bed
Pada  tahap  awal  dimulainya proses,  dimana  kecepatan  aliran  gas relatif rendah di dalam bed , kecepatan alir gas  akan  semakin  meningkat  sebanding dengan  penurunan  tekanan  dan  akan mencapai  nilai  maksimum  pada  Δρ  max. Dengan meningkatnya kecepatan alir gas, maka  partikel-partikel  alumina  akan saling  tidak  kontak  akibat  adanya  aliran gas  yang  melewati  butiran  sehingga butiran-butiran  tersebut  akan  bergerak seperti cairan ( fluida ).
 Tahap fluidised bed
Meskipun  aliran  gas  meningkat, tapi  penurunan  tekanan  tetap  tidak berubah.  Hal  ini  disebabkan  karena partikel padatan akan bergerak bebas/teraduk  oleh  aliran  gas  tanpa halangan  yang  berarti.  Adanya  aliran turbulen dan pergerakan cepat dari fluidat
(alumina  atau  silika),  menyebabkan peningkatan  koefisien  perpindahan  panas pada fluidised  bed hingga  120-1200 W/m 2 0 C.  Adapun  faktor-faktor  yang mempengaruhi  koefisien  perpindahan panas  dalam  dapur fluidised  bed antara lain  :  ukuran  partikel,  jenis  material bed dan kecepatan fluidisasi gas.

## Keuntungan Fluidised Bed
Fluidised  bed terdiri  atas  dapur (retort,  pemanas  dan  insulasi)  dan  sistem kontrolnya. Dapur dipanaskan oleh
elemen  pemanas  dan  gas  (nitrogen) dialirkan  ke  dapur  untuk  melindungi terjadinya  oksidasi  atau  dekarburisasi  di dalam fluidised  bed. Adapun  konstruksi pada  suatu  dapur fluidised  bed dapat ditunjukkan  dalam  gambar    2.  Adapun beberapa  keuntungan  dari  fluidised  bed diantaranya :
 Kecepatan  perpindahan  panas
yang tinggi, keseragaman temperatur  lebih  cepat  serta dapat  dioperasikan  hampir pada semua jangkauan
temperatur.
 Efisiensi  termal  tinggi  dengan konsumsi listrik rendah.
 Biaya operasional lebih rendah selama digunakan.
 Waktu pemanasan lebih singkat,  sehingga  mengurangi waktu perlakuan.
 Partikel  pada fluidised  bed tidak abrasif, tidak korosif dan tidak membasahi benda kerja.
 Permukaan  yang  dihasilkan lebih baik, tidak terjadi
scalling .
 Deformasi  yang  terjadi  lebih kecil.
 Dapat  dipakai  untuk  berbagai proses  perlakuan  panas  hanya dalam  satu  dapur,  seperti  : pengerasan, karbonitridisasi,
karburisasi, nitridisasi,
nitrokarburisasi dan lain-lain.
 Tidak terjadi korosi.
 Bebas dari polusi dan kontaminasi.
 Dapat  juga  untuk  keperluan pendinginan dan sebagai media celup.
 Laju  pemulihan  lebih  cepat ( faster recovery rate s).
 Perubahan  komposisi  atmosfir yang  cepat  ( rapid  changes  of atmosphere compositions ).

## Kekurangan Fluidised Bed
Fluidised  bed  juga  memiliki  kekurangan yaitu diantaranya :
 Sangat  potensial  terjadinya peledakan, bila terdapat
kebocoran.
 Arah  dari  aksi fluidised  bed pada  permukaan  benda  kerja yang beorientasi secara berbeda-beda.
 Variasi ukuran komponen kerja  yang  diijinkan  sulit diketahui.
 Menimbulkan  bau  menyengat, jika pada saat perlakuan menggunakan gas ammonia.
Gambar 1. Konstruksi dapur fuidised bed
[Reynoldson, 2003]
Untuk  meningkatkan  daya  lekat dapat  dengan  membentuk  lapisan  difusi nitrida  terlebih  dahulu  pada  bagian permukaan substrat sebelum diberi proses pelapisan  [He,  et.al,  2007]  dan  dengan menghasilkan  kedalam  difusi  nitrida  yag optimum  dapat  meningkatkan  ketahanan aus  lapisan  [He,  et.al,  2007].  Sedangkan untuk  mengurangi  tegangan  pada  lapisan permukaan  dapat  diberikan  perlakuan panas lanjut  sehingga akan menyebabkan terjadinya  difusi  antar-lapisan,  dengan demikian  akan  meningkatkan  daya  lekat antar-lapisan tersebut [Friesen, et.al,1991].
Klasifikasi  perlakuan  panas termokimia  untuk  baja  dapat  dibagi menjadi dua jenis berdasarkan temperatur proses  yang  diberikan,  yaitu  Perlakuan termokimia feritik danaustenitik [Reynoldson, 2003]. Perlakuan termokimia  feritik  adalah  suatu  metode pengerasan permukaan baja yang dilakukan pada daerah temperatur feritik.
Yang  termasuk  jenis  ini  antara  lain Nitridisasi ( nitriding ) dan Nitrokarburisasi feritik ( ferritic nitrocarburising ).  Keuntungannya  adalah karena proses ini dilakukan pada temperatur  yang  rendah  (temperatur feritik)  maka  resiko  terjadinya  retak akibat residual  stress rendah  atau  bisa dikatakan  tidak  terjadi  dan  dengan demikian  biaya  pemrosesan  menjadi rendah. Serbuk Alumina Serbuk alumina (Al 2 O 3 ) mempunyai  banyak  kegunaan  dalam bidang  elektronik,  katalis  dan  aplikasi pada suhu tinggi. Dalam bidang elektronik, alumina digunakan sebagai IC bahan  elektronik,  seperti  radio,  televisi dan  komputer.  Dalam  bidang  katalis alumina  digunakan  sebagai  katalis  dalam reaksi dehidrasi alkohol, reaksi dehidrogenasi  maupun  reaksi  pemecahan hidrokarbon.  Sedangkan  dalam  aplikasi suhu  tinggi  alumina  digunakan  sebagai komponen furnace dan campuran crusible (Ismunandar, 2004). Metode ELD merupakan  metode  deposisi  dimana prosesnya  digunakan  untuk  persiapan lapisan keramik dengan deposisi elektroda  yang  dimulai  dari  suspensi garam logam, yang mana ion logam akan membentuk  endapan  di  lapisan  katoda (Zhitomirsky, 2002). Keuntungan metoda ELD  adalah  waktunya  relatif  pendek, konsentrasi dapat dikontrol dengan parameter-parameter fisik seperti tegangan, arus dan konsentrasi serta jenis 2  suspensi  yang  variatif,  dan  diharapkan terbentuk produk yang mempunyai kemurnian tinggi.

## Gambar 2. Serbuk alumina

## Media Difusi Aluminium Oxide
Aluminium Oxide disuplaikan kedalam bagian silinder pada fluidized bed furnace sebagai penghantar  panas  dan  media  aliran suplai gas sampai menyentuk permukaan spesimen yang dipanaskan.  Adapun  aluminium Oxide yang digunakan dalam
proses Fuidized  bed  furnace ini terdiri dari 2 jenis yaitu :
1. Coarse grit (berwarna hitam dan kasar), diletakkan sedalam 64 mm dari dasar dapur.
2. Fine  grit (berwarna  putih dan halus), diletakkan diatas coarse  grit hingga ketinggian 100 mmdi bawah  permukaan  atas tutup silinder atas.

## Laju Alir Massa dan Temperatur Pada
Fluidized Bed Furnace
Suhu  operasi  pada  proses pada  tungku fluidized  bed harus selalu    terkontrol  dengan  seimbang suhu  maksimum  operasi  pada  1050 °C  dengan  aliran  massa  gas  yang disuplaikan  sesuai  dengan  panduan
operasi.    Pada  suhu  yang  tinggi aliran  massa  gas  dikontrol  dengan ukuan  yang  rendah  agar  tidak terjadi  over  pressure,  jelaga  yang terlalu besar dan hembusan aluminium oxide panas yang keluar dari  lubang  outlet  yang  berbahaya dan dapat menyebabakan kecelakaan  kerja.  Berikut  tabel Flow  vs  temperature  panduan operasi.
Gambar 3. Grafik Temperatur terhadap aliiran gas  pada operasi fluidised bed furnace Dalam proses karburisasi digunakan dua jenis gas yaitu propana dan nitrogen dengan ditentukan bahwa besar  aliran  massa  dari  masing  – masing  gas  adalah  sesuai  dengan konsentrasi  yang  dikehendaki  yaitu dengan aliran yang disesuaikan dengan suhu  operasi  900  °C  digunakan  aliran gas  0,340  m 3 /hr.  Dan  aliran  yang ditahan  pada  katup  kedua  dari  masing – masing gas sebesar :
 Propana (LPG) = 15 Kpa  @ 17 l/m  Ammonia = 15 Kpa  @ 17 l/m  Air = 15 Kpa  @ 50 l/m
 Nitrogen = 15 Kpa @ 50 l/m METODE PENELITIAN Metode Penelitian Dalam
melaksanakan pengumpulan  data  digunakan  beberapa metode  dan  rencana  penelitian,  sehingga langkah-langkah  yang  akan  dilakukan dapat  berjalan  secara  sistematis.  Reaktor Fluidised Bed skala Laboratorium terdapat di Laboratorium Material Jurusan T. Mesin  ITN  Malang  yang baru dibeli  dari Australia (tahun 2003). Bahan yang  digunakan  adalah  baja  dengan
komposisi khrom berbeda. Adapun pengujiannnya adalah pengujian
kekerasan  dengan  Vikers  dan  analisa struktur dengan mikroskop elektron.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  pengujiandapat  ditunjukan  pada gambar  4  sampai  gambar  7  menunjukan pada  baja  hard  chrome  mempunyai kekerasan  paling  tinggi  dibanding  yang lain.  Dimana  pada  jarak  200  mikron mempunyai kekerasan sebesar 401.2 HV. sedangkan  untuk  jarak  400  mikron mempunyai  kekerasan  309.0  HV  dan kedalaman  dengan  jarak  600  mikron mempunyai kekerasan sebesar 201.0 HV. Dapat  disimpulkan  bahwa  jarak  setiap titik bila semakin dekat maka kekerasanya  semakin  meningkat. Dari penelitian  yang dilakukan tentang analisa pengaruh  paduan  pada  baja  terhadap proses  nitridasi  dengan  memanfaatkan serbuk  alumina  diluar  dapur  fluidezed bed disimpulkan bahwa :
1. Dari  penelitian Struktur  Mikro
terlihat  perbedaan  antara  struktur
Ferrite  dan  struktur  Pearlite.  Baja AISI  1045  dan  Baja  AISI  01 terlihat Pearlite yang lebih mendominasi  dibandingkan  Baja AISI  316L  struktur  Ferriete  lebih mendominasi.
2. Dari  penelitian SEM  dan  EDAX didapatkan  perbedaan  dari  ketiga spesimen  kandungan  Fe  dari  Baja AISI  1045  dan  Baja  AISI  316L lebih  tinggi  dari  pada  Baja  AISI 316L. Dan diantara ketiga spesimen  kandungan  Fe  yang paling  besar  adalah  Baja  AISI 316L.
3. Dan dari penelitian Vickres dapat disimpulkan  bahwa  dari  semua titik spesimen Stainless Steel lebih rendah  dibanding  Baja  AISI  1045 dan  Baja  AISI  01.  Begitu  pula dilihat  dari  Base  Metal  Baja  AISI 316L  lebih  kecil  dari  pada  Baja AISI 1045  dan Baja AISI 01.

## KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan dan Saran
1. Menambahkan  kandungan  atau unsur N 2 (Nitrogen).
2. Untuk  mendapatkan  kekerasan yang  sesuai  dengan  kebutuhan,
maka  bagi  yang  akan  melakukan penelitian diharapkan memperhatikan suhu serta penambahan waktu (Hoalding Time) yang digunakan.
3. Penggunaan suhu  yang digunakan harus disesuaikan dengan
besarnya  bahan  yang  ingin  di
Nitriding

## DAFTAR PUSTAKA

## 1. ASM International Handbook
Committee, ASM  Handbook ,  Sinha A.K., Physical Metallurgy Handbook, New York: McGraw-Hill, 2002 .  ...  OH:  ASM,  1953,  pp.  123– 143. 6 . Minkevich A.N.,
' Thermochemical treatment of metals and alloys'
2. E.  Haruman,  Y.  Sun,  H.  Malik, AG.E.  Sutjipto,  K.  Widi,  Low Temperature  Nitriding  of  Austenitc
Stainless Steel, The 3 Asian
Conference  on  Heat  Treatment  of Materials,  Nov.  10-12  Gyeongiu,
Korea, 2006.
3. Ismunandar,  Brendan  J.  Kennedy, (1996), “ Structure of ABiNb2O9 (A
=  Sr,  Ba)  :  Refinement  of  Powder Neutron Diffraction Data”, Journal of
Solid-state Chemistry, 126, 135-141 4. I Zhitomirsky, Cathodic electrodeposition  of  ceramic  and organoceramic materials. Fundamental  aspects  Advances  in
colloid  and  interface  science  97  (1), 279-317, 2002
5. R.W. Reynoldson, Heat Treatment in Fluidised  Bed  Furnace,  International Publication,  Quality  Heat  Treatment
Pty.Ltd. Australia, 2003.
Gambar 4 Struktur mikro hasil uji microskop optic perlakuan nitridisasi tanpa serbuk alumina Baja Hard khrom
Gambar 5.. Struktur mikro hasil uji microskop optic perlakuan nitridisasi dengan serbuk alumina Baja Hard khrom
ferrite pearlite Perlit e Ferite
Gambar 6. Hasil uji kekerasan perlakuan nitridisasi tanpa serbuk alumina a) Baja Hard khrom, b) Baja AISI 4140, c) Baja Tahan Karat
Gambar 7. Hasil uji kekerasan perlakuan nitridisasi dengan serbuk alumina a) Baja Hard khrom, b) Baja AISI 4140, c) Baja Tahan Karat