Investigasi Dan Perbandingan Refraktori Berbasis Al2O3 Dengan Penambahan Cr2O3 Dan ZrO2 Pada Performa Ladle Penampung

Nugraha, Reza Aditya (2025) Investigasi Dan Perbandingan Refraktori Berbasis Al2O3 Dengan Penambahan Cr2O3 Dan ZrO2 Pada Performa Ladle Penampung. Masters thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 6011231008-Master_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (4MB) | Request a copy

Abstract

Alumina (Al2O3) merupakan jenis refraktori umum yang biasa digunakan pada kondisi asam maupun basa, serta memiliki sifat insulasi yang lebih baik dibanding MgO. PT Vale Indonesia (PTVI) menggunakan material ini pada area ladle penampung matte sebelum proses granulasi. Kombinasi material yang umum adalah Al2O3 dengan SiO2, kedua senyawa tersebut membentuk fasa Alumino-Silicate seperti Mullite yang memiliki sifat refractoriness yang baik. Namun, pada kondisi lingkungan yang lebih keras (thermal-cyclic yang sering, tekanan tambahan dari penuangan matte atau molten metal) penambahan senyawa lain seperti Chromia (Cr2O3) dan Zirconia (ZrO2) dilakukan untuk meningkatkan sifat mekanik maupun menurunkan potensi degradasi material akibat interaksi dengan matte dan slag. Chromia dan Zirconia cenderung memiliki fasa yang stabil yang lebih tahan terhadap degradasi dari FeO maupun SiO2 yang ada di slag dan FeS di matte. Pengamatan tingkat degradasi (korosi) dapat dilakukan dengan eksperimen dan simulasi menggunakan software FactSage, software tersebut akan mensimulasikan fasa yang terbentuk dari interaksi antara komposisi matte, refraktori, dan udara (Quasi-volcanic zone) berdasarkan thermodinamika-nya, dan fasa tersebut dapat diterjemahkan menjadi nilai degradasinya. Penentuan jenis kegagalan ladle dilakukan dengan metode scanning LEICA 3D untuk mendapatkan profil ketebalan refraktori pada ladle, hasilnya area yang umumnya paling tipis berada di bawah ‘mouth´ ladle, atau area pertemuan udara, refraktori dan matte. Jenis kegagalan yang tidak umum juga diperlihatkan, seperti spalling brick dasar ladle. Percobaan secara eksperimental dilakukan pada material eksisting PTVI untuk memastikan sifat mekaniknya (Cold Crushing Strength, Permanent Linier Change, Thermal shock, Density, Abrasive test) serta pengujian komposisi oleh XRF dan XRD juga dilakukan pada refraktori dan matte untuk memberikan input untuk software FactSage sebagai basis data. Hasil eksperimen menunjukkan pada temperature 1200oC nilai CCS terendah (35.3 MPa) ada pada sample dengan nilai CaO tertinggi (10.24%), pada test lain juga menunjukkan kecenderungan nilai terendah (MoR 5.62 MPa, Abrasive 39.43mm3 dan density 2.02 gr/cm3). Dari simulasi FactSage, penambahan Chromia sebesar 16% berpotensi memberikan hasil terbaik saat berinteraksi dengan Converter Slag (CS) pada 1200oC – 1350oC dengan nilai maksimum loss material sebesar 49.09% dan saat direaksikan dengan matte nilai maksimum loss material adalah 4.6%. Penambahan Zirconia 16% saat direaksikan dengan Converter Slag memiliki nilai material loss sebesar 54.28% dan saat direaksikan dengan matte, nilai loss material sebesar 3.11%. Alternatif terbaik lainnya adalah sample dengan 70% Alumina + 0.85% CaO dengan nilai loss material sebesar 50.0% dan saat direaksikan dengan matte adalah 2.56%. Secara umum sample dengan CaO 0.85% memiliki nilai yang lebih unggul dibanding sample dengan 4.7% dengan proporsi komposisi lain yang sama. Secara keseluruhan material dengan pembentukan slag terkecil adalah 57.85% Alumina + 0.85% CaO + 16% Chromia dengan nilai 1.20%. Semua material dengan penambahan Chromia cenderung memiliki nilai pembentukan slag yang lebih rendah 4.45% - 13.97% dibanding material Eksisting 70% Alumina + 0.85% CaO. ======================================================================================================================================
Alumina (Al₂O₃) is a widely utilized refractory material due to its chemical stability in both acidic and basic environments and its superior thermal insulation compared to magnesia (MgO). Alumina-based refractories are employed in the matte ladle area prior to the granulation process. A common formulation combines Al₂O₃ with SiO₂, forming alumino-silicate phases such as mullite, which exhibit excellent refractoriness. However, under severe operating conditions—characterized by frequent thermal cycling and mechanical stresses from matte or molten metal pouring—additional oxides such as chromia (Cr₂O₃) and zirconia (ZrO₂) are incorporated to enhance mechanical strength and mitigate degradation caused by interactions with matte and slag. Chromia and zirconia provide stable phases that resist chemical attack from FeO and SiO₂ in slag and FeS in matte. The extent of refractory degradation was evaluated through experimental testing and thermodynamic simulations using FactSage software, which predicts phase formation during interactions among matte, refractory, and atmospheric components (quasi-volcanic zone). These phase equilibria were correlated with material loss values. Ladle failure modes were assessed using LEICA 3D scanning to generate refractory thickness profiles, revealing that the most severe wear typically occurs beneath the ladle mouth—the region where air, refractory, and matte converge. Occasional atypical failures, such as spalling of base bricks, were also observed. Mechanical characterization of existing refractory materials included Cold Crushing Strength (CCS), Permanent Linear Change (PLC), Thermal Shock Resistance, Bulk Density, and Abrasion Resistance. Chemical composition was determined via XRF and XRD for both refractories and matte to support FactSage database inputs. Experimental results indicated that at 1200 °C, the lowest CCS (35.3 MPa) occurred in samples with the highest CaO content (10.24%). Other properties exhibited similar trends: Modulus of Rupture (MoR) at 5.62 MPa, abrasion loss of 39.43 mm³, and density of 2.02 g/cm³. FactSage simulations demonstrated that the addition of 16 wt.% Cr₂O₃ yielded optimal performance against converter slag at 1200–1350 °C, with a maximum material loss of 49.09%, and against matte with only 4.6% loss. Similarly, incorporating 16 wt.% ZrO₂ resulted in 54.28% loss when exposed to slag and 3.11% when exposed to matte. Another promising alternative was a composition of 70 wt.% Al₂O₃ with 0.85 wt.% CaO, which exhibited 50.0% loss against slag and 2.56% against matte. Overall, samples with lower CaO content (0.85 wt.%) consistently outperformed those with higher CaO levels (4.7 wt.%) under equivalent compositional ratios. 57.85% Alumina + 0.85% CaO + 16% Chromia have the lowest slag formation combine (1.20%) than other testing materials. All the testing material contain Chromia tend to have lower slag formation than the other, especially compared to 70% Alumina + 4.7% existing material which have 4.45% - 13.97% lower slag formation.

Item Type:	Thesis (Masters)
Uncontrolled Keywords:	Al2O3, ZrO2, Cr2O3, Refraktori, FactSage, Quasi-volcanic zone, Matte, Slag, Al2O3, ZrO2, Cr2O3, Refractory, FactSage, Quasi-volcanic zone, Matte, Slag
Subjects:	T Technology > TN Mining engineering. Metallurgy > TN689+ Physical metallurgy
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Material & Metallurgical Engineering > 27101-(S2) Master Thesis
Depositing User:	Reza Aditya Nugraha
Date Deposited:	15 Jan 2026 04:41
Last Modified:	15 Jan 2026 04:41
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/129638

Actions (login required)

View Item