analisis komposisi dan kurva b-h bahan low carbon

Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349

ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV Taufik, dkk

45

ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STEEL PT. KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13-MeV

Taufik1), Emy Mulyani1), Slamet Santosa2), Kusminarto3) 1)Mahasiswa S2 Ilmu Fisika FMIPA UGM 2)PTAPB BATAN Yogyakarta 3)Dosen Fisika FMIPA UGM 1,3)Jl.Sekip Utara Yogyakarta 2)Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281

ABSTRAK ANALISIS KOMPOSISI DAN KURVA B-H BAHAN LOW CARBON STELL PT KRAKATAU STEEL MENGGUNAKAN VSM DAN EDX UNTUK KEPERLUAN DESAIN MAGNET SIKLOTRON 13 MeV. Siklotron merupakan salah satu jenis akselerator untuk mempercepat partikel secara melingkar (siklik), sehingga diperoleh energi kinetik yang tinggi. Salah satu komponen utama siklotron adalah sistem magnet, berfungsi untuk membentuk lintasan partikel menjadi siklik, terbuat dari bahan baja karbon rendah tempa (low carbon steel forging). Dalam desain magnet, pemilihan bahan magnet sangat penting dalam menentukan magnet siklotron dapat beroperasi dengan baik atau tidak, dan bahkan optimal. Untuk itu perlu dilakukan pengujian sampel bahan magnet produksi lokal, dalam hal ini diambil dua sampel bahan dari PT Krakatau Steel (KS). Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian kurva B-H menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) serta komposisi bahan menggunakan EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy). Kurva B-H yang diperoleh digunakan sebagai data bahan pada simulasi 3 dimensi menggunakan Opera 3D dengan mengacu model magnet Kirams 13. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa posisi benda uji terhadap arah medan magnet induksi menghasilkan kurva B-H berbeda, selain itu kedua sampel bahan yang diperoleh dari KS memiliki kandungan karbon yang masih besar. Semakin kecil kandungan karbon pada besi akan menghasilkan sifat magnet yang lebih baik. Bahan sampel yang dianalisis akan menghasilkan medan yang tidak optimal bila digunakan dalam magnet siklotron 13 MeV.

Kata Kunci : pengujian, bahan magnet, siklotron

ABSTRACT Composition and B-H Curve Analysis of Low Carbon Steel from Krakatau Steel Company using VSM and EDX for magnet design of 13 MeV Cyclotron. Cyclotron is one type of particle accelerator that accelerate particle in circular trajectory, in order to obtain high kinetic energy. One of the main components is the cyclotron magnet system that serves to form a cyclic particle trajectories and made of forged low carbon steel. In the magnet design, the selection of magnetic materials is very important in determining whether cyclotron magnet can operate properly or not and even can be optimal. That is why we need to test samples of magnetic materials from local production in this case two samples of material produced by PT Krakatau Steel (KS). Tests performed include testing of BH curve using VSM (Vibrating Sample Magnetometer) and material composition using EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy). Obtained BH curve is used as material data in three-dimensional simulation using the Opera 3D with referee to magnetic model of Kirams 13. From this study it can be concluded that the position of the test object to the direction of the magnetic field induction gives different BH curve and the samples obtained from KS has a carbon content which is still high. The lower the carbon content in the iron will produce a better magnetic properties. Material samples analyzed will produce a field that is not optimal when it is used in a 13 MeV cyclotron magnet.

Keywords: testing, magnetic materials, cyclotron.

ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

46 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya

Vol. 13, Januari 2012 : 45 - 51

PENDAHULUAN iklotron merupakan salah satu jenis akselerator yang mempercepat partikel secara melingkar

(siklik), sehingga diperoleh energi kinetik yang tinggi. Siklotron bekerja dengan mempercepat ion, positif maupun negatif, secara periodik (siklus) menggunakan tegangan pemercepat bolak-balik (alternating voltage) yang dipasang pada dua buah elektrode berongga yang dihampakan sehingga dapat dilintasi oleh berkas ion. Salah satu pemanfaatan siklotron dalam dunia medis adalah sebagai penghasil radioisotop pada Positron Emmision Tomography (PET). PET merupakan instrumentasi medik berbasis radioisotop dengan teknik pencitraan diagnostik yang aman, efektif, memiliki kemampuan luas untuk penelitian klinis dan potensial diagnostik yang besar.

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB) – BATAN mempunyai tugas dan fungsi mengembangkan teknologi akselerator, salah satunya adalah pengembangan siklotron 13 MeV untuk PET yang direncanakan prototipenya dapat diselesaikan pada tahun 2019 [1]. Komponen utama siklotron diantaranya: sistem magnet utama, sistem RF, sistem sumber ion, sistem monitor berkas dan sistem ekstraktor berkas. Sistem magnet utama yang merupakan penghasil medan magnet, terbuat dari bahan baja karbon rendah yang ditempa (low carbon steel forging) [2]. Baja karbon rendah merupakan jenis baja yang mempunyai komposisi karbon 0,05%-0,26% serta mangan 0,40%-1,5% [3]. Sistem magnet merupakan magnet H yang terdiri dari 6 bagian yaitu 4 return yoke (atas, bawah, kanan dan kiri) serta 2 buah pole (atas dan bawah). Dalam desain sistem magnet, kurva B-H merupakan parameter yang penting karena akan menentukan saturasi magnet serta arus yang dibutuhkan untuk membangkitkan medan magnet.

Pada makalah ini disajikan hasil pengujian bahan low carbon steel Krakarau Steel, yang meliputi pengujian kurva B-H menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) dan komposisi bahan menggunakan EDX (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy). Hasil pengujian akan dijadikan sebagai dasar pengambilan keputusan dalam desain magnet siklotron. TEORI

Bahan magnet secara umum dibagi menjadi 2 macam yaitu: magnet lunak (soft magnetic material) dan magnet keras (hard magnetic material). Magnet lunak banyak digunakan untuk aplikasi pada bahan yang mudah dimagnetisasi dan didemagntisasi. Sedangkan magnet keras banyak digunakan untuk aplikasi bahan yang membutuhkan sifat magnet yang permanen (tidak mudah dimagnetisasi). Medan

magnet dapat dihasilkan secara elektromagnetik, yaitu dengan melewatkan arus listrik pada konduktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Kuat medan magnet dapat dinyatakan dengan persamaan :[4]

lNIH π4,0

= (1)

dengan I arus (ampere), N cacah lilitan, l panjang kumparan (meter) dan H adalah kuat medan magnet (ampere/meter). Kuat medan magnet juga dinyatakan dalam satuan oersteds (Oe), dengan 1 A/m = 4π x 10-3 Oe.

Gambar 1. (a) ilustrasi medan magnet yang timbul

di sekitar koil tembaga (solenoid), (b) ilustrasi kuat medan magnet yang meningkat di sekitar solenoid jika diletakkan inti besi pada bagian dalam solenoid.[4]

Pada Gambar 1b ditunjukkan kuat medan

magnet yang meningkat dengan adanya inti besi pada solenoid. Peningkatan kuat medan magnet berasal dari medan solenoid ditambah medan magnet luar yang berasal dari magnetisasi besi. Hubungan antara induksi magnetik (B) (Wb/m2 atau Tesla) dan kuat medan magnet (H) dinyatakan dengan persamaan: [4]

(2)

dengan µ0 adalah permeabilitas ruang hampa (4π x 10-7 T.m/A). Hubungan antara B dan H untuk berbagai jenis logam sebagai inti magnet ditunjukkan pada Gambar 2.

Histerisis Magnet

Jika arus dialirkan pada suatu kumparan elektromagnetik, maka akan timbul medan magnet di sekitarnya, ketika arus dinaikkan maka medan magnet yang timbul akan meningkat sampai titik konstan, hal ini menandakan bahwa inti feromagnetik telah mencapai titik jenuhnya dan kerapatan fluks mencapai maksimal. Jika arus dihentikan fluks magnet tidak sepenuhnya hilang karena bahan inti elektromagnetik masih mempertahankan sifat kemagnetan.

S



47

Gambar 2. Kurva B-H beberapa bahan inti magnet.[5]

Kemampuan untuk mempertahankan sifat magnet setelah arus dihentikan disebut retentivity, sedangkan jumlah fluks magnetik yang masih ada disebut Magnetisme Residual. Ketika fluks telah mencapai maksimal (jenuh) dan arus di turunkan maka akan terjadi pelebaran nilai H (Coersive Force). Sifat retentivity, Magnetisme Residual dan Coersive Force dijelaskan pada kurva histerisis yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Kurva histerisis.[5]

Bahan feromagnetik yang memiliki retentivity tinggi (hard magnetic material) sangat baik untuk memproduksi magnet permanen. Sedangkan bahan feromagnetik yang memiliki retentivity rendah (soft magnetic material) ideal untuk digunakan dalam elektromagnet, solenoida atau relay. Kurva histerisis yang merupakan karakterisasi hard material magnet dan soft material magnet ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Kurva histerisis untuk hard dan soft

material magnet.[5]

METODOLOGI Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan

sampel bahan inti magnet dari PT. Krakatau Steel berupa baja dengan kandungan karbon rendah (low carbon steel). Sampel yang digunakan ada 2 jenis yaitu bahan karbon rendah A dan bahan karbon rendah B. Karakterisasi yang dilakukan ada 2 macam yaitu menggunakan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) untuk mengetahui sifat kemagnetan dan EDX (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) untuk mengetahui komposisi kandungan unsur bahan magnet. Sampel yang digunakan dalam analisis VSM dibuat dalam bentuk kubus berukuran 1 mm x 1 mm x 10 mm. Analisis sampel dilakukan dalam tiga posisi yang berbeda terhadap arah medan magnet induksi H seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Dari Gambar 5 terlihat luasan yang ditandai memiliki posisi yang berbeda terhadap H.

ISSN 1411-1

48

Untdibuat berudiperoleh bentuk kurlibrary bah3d dan digdimensi mpada progkemudian sebagai bah

HASIL DHasil Ana

Sampengukuranmg. Penguberbeda seBH untuk pada Gambdengan meBH yang bgradien/kemmenunjukktersebut be

ApaBH pada diperoleh terlihat kurmaksimalnmaksimaln

Untmg diperolSama sepemempengadiperoleh kremanensi pada Gamb

Haskedua sampini diperlDECY13 mencapai tersebut, mjenuh. Wa

1349

tuk analisis ukuran 5 mmsifat magnet

rva B-H, kurhan magnet pagunakan dalamenggunakan m

gram Opera-3dianalisis kelhan magnet si

DAN PEMBlisis Dengan

mpel bahan n dengan VSukuran dilakueperti pada Ga

masing-masibar 6. Dari Gengubah posisberbeda dan pmiringan yakan bahwa ersifat anisotroabila skala koGambar 6 pokurva pada rva histerisis

nya 470 gaunya 12.652 A/mtuk sampel baleh hasil yangerti bahan A paruhi kurva Bkemiringan kudan koersivit

bar 9. sil pengukuranpel memiliki klukan dalam

karena med1,95 T. Seh

magnet siklotroalaupun mem

G

unsur denganm x 5 mm x t dari suatu

rva tersebut dada program sm simulasi mmodul TOSCA3d. Hasil simlayakannya uniklotron.

BAHASANVSM

A yang digSM memiliki ukan dalam tiambar 5 dan ding posisi ya

Gambar 6 dapai sampel mengpada posisi keang lebih b

sifat magneopik. ordinat horizoosisi ketiga dGambar 7. Dtidak simetri

uss. Selain m. ahan B denga ditunjukkan pposisi sampelBH dan padaurva BH yangtas dari bahan

n dengan VSMkejenuhan leb

desain madan magnet

hingga denganon tidak beke

miliki kejenuh

Gambar 5. Po

n EDX samp2 mm. Setel

u bahan daladisimpan dalasimulasi Oper

medan magnetA yang terdapmulasi tersebntuk digunak

N

gunakan dalamassa mA=42iga posisi yandiperoleh kurv

ang ditunjukkat dilihat bahwghasilkan kurvetiga dihasilk

besar. Hal iet dari bah

ontal dari kurvdiperkecil makDari Gambar

dan remanenitu koersivit

an massa 32,4pada Gambar l pada bahan a posisi ketigg besar. Adapun B ditunjukk

M menunjukkbih dari 2 T. Hagnet siklotro

maksimalnyn kedua bah

erja pada daerhan yang bai

P

sisi sampel an

pel ah

am am ra-t 3 pat but an

am 2,8 ng va an wa va an ini an

va ka 7

nsi tas

43 8. B

ga un an

an Hal on ya an ah ik,

namugradibersi

Gam

Dengperlu

Prosiding Perte

nalisis VSM.

un kurva BH ien/kemiringafat anisotropik

(a

(b

(c

mbar 6. KurvaVSM

gan demikian u diperhatika

V

muan dan PresAkse

Vol. 13,

di bawah daan yang berbek.

a) Posisi samp

b) Posisi samp

c) Posisi samp

a BH sampelM.

tampang lintaan dalam

Volume 13, Janu

sentasi Ilmiah Telerator dan Ap Januari 2012

aerah jenuh meda-beda atau

pel 1.

pel 2.

pel 3.

l A hasil peng

ang permukaamemmbuat

uari 2012

Teknologi likasinya : 45 - 51

memiliki u bahan

gukuran

an bahan magnet

Volume

ANALISMENGGTaufik,

siklotrokemirindibandisemakimudah

Hasil A

Hasil adan bahmengansedangk3,78% hasil ankandunmenghalebih be

Gam

‐300

B(T)

13, Januari 20

SIS KOMPOSISGUNAKAN VSMdkk

on. Selain itngan kurva ingkan dengan besar menudiinduksi oleh

Analisis Deng

analisis sampehan B ditunjundung Fe 95kan bahan Bdan Si 0,08%

nalisis VSM ngan Fe yanasilkan kurvaesar.

mbar 7. Koers

(a) P

(b) P

000 ‐20000 ‐1

Ku

012

SI DAN KURVAM DAN EDX UN

tu dari keduBH sampel

an sampel A.unjukkan bahah arus listrik.

gan EDX

el dengan EDukkan pada Ga,01%, C 4,74

B mengandun%. Hasil ini dimana bahan

ng lebih besa BH dengan

sivitas dan rem

Posisi sampel

Posisi sampel

‐0.10

0.00

0.10

10000 0

H(A/m)

urva BH Bah

A B-H BAHAN LUNTUK KEPERL

ua bahan terl B lebih Kemiringan an magnet sem

DX untuk bahambar 10. Bah4% dan Si 0ng Fe 96,14%sebanding d

n B yang memsar dari bahan kemiringan

manensi bahan

1.

l 2.

10000 200

han A

LOW CARBONLUAN DESAIN

rsebut besar yang

makin

han A han A 0,26% %, C engan miliki an A yang

n A.

SS

ddbinKmandpddra

1KamGmd

K

pm

000

N STEEL PT. KRN MAGNET SIK

Gam

Gambar 9.

Simulasi MedSampel

Simulasilakukan untuiperlukan maahan sampel ni model ma

Kirams 13.[2]

magnet B padnalisis VSMihasilkan sanada NI = 410itunjukkan pengan Kiramata 1,3 T.

Untuk m,3 T dengan

Krakatau Steelmper per k

Gambar 12. Dmengakibatkan

an kebutuhan

KESIMPULDari pe

osisi benda ujmenghasilkan

‐40000

B (T)

RAKATAU STEKLOTRON 13-M

(c) Posisi sa

mbar 8. Kurva

Koersivitas da

an Magnet S

si medan magtuk mengetahagnet siklotro

dari Krakataagnet dibuat

Dengan meda posisi keti

M, besarnya gat kecil yait040 lilit amp

pada Gambar s 13 yang me

meningkatkann menggunakl, maka diper

kumparan sepDengan NI yn dimensi magpendingin me

LAN enelitian ini dji terhadap arakurva B-H

‐0.3

‐0.2

‐0.

0.0

0.

0.2

0.3

‐20000

H (A/

Kurva BH

ISSN

EEL MeV

ampel 3.

a BH bahan B

an remanensi

Siklotron Den

gnet dengan Thui besarnya on apabila meau Steel. Dala

seperti modenggunakan diga yang dip

medan matu tidak lebiher per kumpa

11. Hasil ienghasilkan m

n medan magnkan sampel rlukan NI = 1perti ditunjuyang lebih bgnet menjadi enjadi besar.

dapat disimpulah medan magyang berbeda

30

20

10

00

10

20

30

0

m)

Bahan B

N 1411-1349

49

B.

bahan B.

ngan Bahan

TOSCA ini arus yang

enggunakan am simulasi del magnet data bahan

peroleh dari agnet yang h dari 0,2 T aran seperti ini berbeda medan rata-

net menjadi bahan dari

180.000 lilit ukkan pada besar dapat lebih besar

lkan bahwa gnet induksi a, sehingga

20000

ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

50 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya

Vol. 13, Januari 2012 : 45 - 51

dalam membuat magnet siklotron arah tampang lintang permukaan bahan perlu diperhatikan. Sampel bahan A dan bahan B yang diperoleh dari Krakatau Steel memiliki kandungan karbon yang masih besar. Apabila bahan sampel digunakan dalam magnet siklotron 13 MeV, maka akan membutuhkan arus

pembangkit magnet 4,5 kali lebih besar dari Kirams 13 sehingga magnet menjadi tidak optimal.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada bapak Drs. B.A. Tjipto Sujitno, MT atas segala saran dan diskusi sehingga dapat terselesaikannya makalah ini.

Gambar 10. Hasil analisis EDX bahan A dan bahan B.

Gambar 11. Hasil simulasi bahan magnet dengan NI = 41040 lilit amper.

Gambar 12. Hasil simulasi dengan NI yang lebih besar.

Jari – jari (cm)

B (T)



51

DAFTAR PUSTAKA 1. Renstra BATAN 2010 – 2014, Badan Tenaga

Nuklir Nasional 2010 2. YS KIM.,DKK, 2004, New Design of The

Kirams-13 Cyclotron For Regional Cyclotron Center, Proceedings of APAC Gyeongju, Korea.

3. http://www.wisegeek.com/what-is-low-carbon-steel.html, 2011

4. SMITH,F.WILLIAM, Principle of Material Science and Engineering, Third Edition, McGraw-Hill,Inc

5. http://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetism/electromagnetic-induction.html, 2011.

TANYA JAWAB Suprapto

Mohon pada akhir pembahasan dan kesimpulan menunjukkan konsekuensi logis sehingga dapat dengan mudah diterima.

Taufik Saran diterima

analisis komposisi dan kurva b-h bahan low carbon

Documents