bab ii tinjauan pustaka 2.1 dapur peleburanrepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/22571/4/chapter...

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dapur Peleburan

Dalam proses pengecoran logam tahapan peleburan untuk mendapatkan

logam cair pasti akan dilakukan dengan menggunakan suatu tungku peleburan di

mana material bahan baku dan jenis tungku yang akan digunakan harus

disesuaikan dengan material yang akan dilebur.

Pemilihan tungku peleburan yang akan digunakan untuk mencairkan

logam harus sesuai dengan bahan baku yang akan dilebur. Paduan Aluminium,

paduan tembaga, paduan timah hitam, dan paduan ringan lainnya biasanya dilebur

dengan menggunakan tungku peleburan jenis krusibel, sedangkan untuk besi cor

menggunakan tungku induksi frekwensi rendah atau kupola. Tungku induksi

frekwensi tinggi biasanya digunakan untuk melebur baja dan material tahan

temperatur tinggi (Abrianto Akuan, 2009).

Tungku yang paling banyak digunakan dalam pengecoran logam antara

lain ada lima jenis yaitu; Tungku jenis kupola, tungku pengapian langsung,

tungku krusibel, tungku busur listrik, dan tungku induksi. Dalam memproduksi

besi cor tungku yang paling banyak digunakan industri pengecoran adalah

krusibel dan tungku induksi, jenis kupola sudah mulai jarang digunakan karena

pertimbangan tertentu. Berikut ini uraian tentang tungku peleburan. Pada unit ini

memperkenalkan tungku dan refraktori dan menjelaskan berbagai aspek

perancangan dan operasinya (Abrianto Akuan, 2009).

Pemilihan dapur tergantung pada beberapa faktor (Mikell P.Groover, 2000),

seperti :

1. Paduan logam yang akan dicor

2. Iemperatur lebur dan temperatur penuangan

Universitas Sumatera Utara

3. Kapasitas dapur yang dibutuhkan

4. Biaya operasi

5. Pengoperasian

6. Pemeliharaan

7. Polusi terhadap lingkungan.

2.2 Klasifikasi Tungku

Tungku adalah sebuah peralatan yang digunakan untuk mencairkan logam

pada proses pengecoran (casting) atau untuk memanaskan bahan dalam proses

perlakuan panas (heat Treatmet). Karena gas buang dari bahan bakar berkontak

langsung dengan bahan baku, maka jenis bahan bakar yang dipilih menjadi

penting. Sebagai contoh, beberapa bahan tidak akan mentolelir sulfur dalam bahan

bakar. Bahan bakar padat akan menghasilkan bahan partikulat yang akan

mengganggu bahan baku yang ditempatkan didalam tungku (Abrianto Akuan,

2009).

Idealnya tungku harus memanaskan bahan sebanyak mungkin sampai

mencapai suhu yang seragam dengan bahan bakar dan tenaga kerja sesedikit

mungkin. Kunci dari operasi tungku yang efisien terletak pada pembakaran bahan

bakar yang sempurna dengan udara berlebih yang minimum. Tungku beroperasi

dengan efisiensi yang relatif rendah (dibawah 70 %) dibandingkan dengan

peralatan pembakaran lainnya seperti boiler (dengan efisiensi lebih dari 90 %).

Hal ini disebabkan oleh suhu operasi yang tinggi didalam tungku. Sebagai contoh,

sebuah tungku yang memanaskan bahan sampai suhu 1200 oC akan mengemisikan

gas buang pada suhu 12000C atau lebih yang mengakibatkan kehilangan panas

yang cukup signifikan (Abrianto Akuan, 2009).

2.2.1 Dapur Crucible


Dapur ini melebur logam tanpa berhubungan langsung dengan bahan

pembakaran (indirect fuel-fired furnance).

Sumber: Mikell P.Groover, 2000

Gambar 2.1 Tiga jenis dapur krusibel

Dalam gambar 2.1 ditunjukkan 3 jenis dapur krusibel yang biasa digunakan :

a. Krusibel angkat (lift-out crucible),

b. Pot tetap (stationary pot),

c. Dapur tukik (tilting-pot furnance).

Krusibel angkat yaitu Krusibel ditempatkan didalam dapur dan dipanaskan

hingga logam mencair. Sebagai bahan bakar digunakan minyak, gas, dan serbuk

batubaru. Bila logam telah melebur, krusibel diangkat dari dapur dan digunakan

sebagai label penuangan. Dapur pot tetap Dapur tidak dapat dipindah, logam cair

diambil dari kontainer dengan ladel. Dapur tukik Dapat ditukik untuk

menuangkan logam cair (Mikell P.Groover, 2000).

Dapur krusibel digunakan untuk peleburan logam non-besi seperti

perunggu, kuningan, paduan seng dan aluminium. Kapasitas dapur umumnya


terbatas hanya beberapa ratus pound saja. Dapur Crucible adalah dapur yang

paling tua yang digunakan dalam peleburan logam. Dapur ini mempunyai

konstruksi paling sederhana. Dapur ini ada yang menggunakan kedudukan tetap

dimana penmgambilan logam cair dengan memakai gayung. Dapur ini sangat

fleksibel dan serba guna untuk peleburan yang skala kecil dan sedang. Bahan

bakar dapur Crucible ini adalah gas atau bahan bakar minyak karena akan mudah

mengawasi operasinya. Ada pula dapur yang dapat dimiringkan sehingga

pengambilan logam dengan menampung dibawahnya. Dapur ini biasanya dipakai

untuk skala sedang dan skala besar. Dapur Crucible jenis ini ada yang

dioperasikan dengan tenaga listrik sebagai alat pemanasnya yaitu dengan induksi

listrik frekuensi rendah dan juga dapat dengan bahan bakar gas atau minyak,

sedangkan dapur Crucible yang memakai burner sebagai alat pemanas dengan

kedudukan tetap terlihat seperti gambar dibawah (Mikell P.Groover, 2000).


Gambar 2.2 Dapur kedudukan tetap

Tanur udara terbuka adalah tanur yang bentuknya seperti tungku yang

agak rendah dan logam cair akan akan melebur dan dangkal. Pada bagian bawah

tanur dipasang 4 buah ruang pemanas (regenerator ). Tanur juga disangga oleh

dua buah rol yang memungkinkan untuk dimiringkan pada saat pengeluaran terak


atau logam cair. Burner diletakkan pada kedua sisi tanur dan dioperasikan secara

periodik untuk mendapatkan panas yang merata. Bahan bakar yang digunakan

adalah gas atau minyak. Udara pembakaran dan bahan bakar biasanya dipanaskan

mula dengan melewatkan pada ruang pemanas dibawah tanur. Pemanasan ini

bertujuan untuk mempeercepat terjadinya pembakaran dan menjaga agar tidak

terjadi perubahan suhu yang mencolok didalam tanur. Pintu pengisian terletak di

sisi depannya. Tanur udara terbuka biasanya digunakan untuk peleburan baja

(Abrianto Akuan, 2009).

Tanur udara adalah bentuk yang dimodifikasi dari tanur udara terbuka.

Bentuknya hampir sama dengan tanur udara terbuka, penampang tempat logam

cair berbentuk lebar dan dangkal. Tanur dipanaskan dengan alat pemanas dengan

bahan bakar minyak . Burner dan udara pembakaran ditempatkan pada salah satu

ujung tanur dan udara sisa pembakaran akan keluar dari ujung yang lain.

Komposisi kimia dapat dikontrol lebih baik pada dapur ini dibanding dengan

dapur kupola. Bila ingin melakukan penambahan dilakukan dengan membuka

tutup tanur dan menuangkannya dari atas (Abrianto Akuan, 2009).

Tanur ini biasanya digunakan untuk melebur besi cor putih dan besi cor

mampu tempa, dan kadang juga digunakan untuk peleburan logam non besi. Biaya

operasi tanur ini lebih tinggi dibandingkan dengan kupola . Sering juga tanur ini

dikombinasikan dengan kupola dalam operasinya. Mula-mula peleburan

dilakukan dengan kupola kemudian cairan dipindahkan ke tanur udara untuk

diatur komposisinya (Mikell P.Groover, 2000).


Tanur induksi listrik adalah tanur yang melebur logam dengan medan

elektromagnet yang dihasilkan oleh induksi listrik, baik yang berfrekuensi rendah

maupun yang berfrekuensi tinggi. Tanur induksi biasanya berbentuk Crucible

yang dapat dimiringkan. Tanur ini dipakai untuk melebur baja paduan tinggi, baja

perkakas, baja untuk cetakan, baja tahan karat,dan baja tahan panas yang tinggi

(Abrianto Akuan,2009).

Tanur ini bekerja berdasarkan arus induksi yang timbul dalam muatan

yang menimbulkan panas sehingga memanasi crucible dan mencairkan logam di

dalam Crucible. Bentuk dari tanur induksi listrik dapat dilihat pada Gambar 2.3 di

bawah ini (Abrianto Akuan, 2009).


Sumber: Abrianto Akuan, 2009

Gambar 2.3. Potongan melintang tanur induksi jenis saluran 2

2.2.2 Tungku Kupola

Kupola merupakan tungku yang memiliki bentuk silinder vertikal yang

memiliki kapasitas besar. Tungku ini diisi dengan material pengisi antara lain

besi, kokas, flux atau batu kapur, dan elemen paduan yang memungkinkan.

Tungku ini memiliki sumber energi panas dari kokas dan gas untuk meningkatkan

temperatur pembakaran. Hasil peleburan dari tungku ini akan ditapping secara

periodik untuk mengeluarkan besi cor yang telah mencair (Mikell P.Groover,

2000).



Gambar 2.4. Kupola untuk peleburan besi tuang

2.2.3. Tungku Busur Listrik

Peleburan logam menggunakan tungku ini dilakukan dengan

menggunakan energi yang berasal dari listrik berupa arc atau busur yang dapat

mencairkan logam. Tungku jenis busur listrik ini biasanya digunakan untuk proses

pengecoran baja (Abrianto Akuan, 2009).


Gambar 2.5 Electric furnace indirect system



Gambar 2.6 Electric furnace direct system

2.2.4 Tungku Induksi

Tungku induksi adalah tungku yang menggunakan energi listrik sebagai

sumber energi panasnya, arus listrik bolak-balik (alternating current) yang

melewati koil tembaga akan menghasilkan medan magnetik pada logam pengisi

(charging material) didalamnya. Medan magnet ini juga akan melakukan mixing

pada logam cair akibat adanya gaya magnet antara koil dan logam cair yang akan

menimbulkan efek pengadukan (stiring effect) untuk menghomogenkan komposisi

pada logam cair (Abrianto Akuan, 2009).

Logam cair didalam tungku harus dihindarkan dari kontak langsung

terhadap koil. Oleh karena itu material tahan temperatur tinggi sebagai lining

tungku harus memiliki ketebalan yang cukup untuk menahan beban logam cair

didalamnya. Pada gambar dibawah ini ditunjukan beberapa komponen utama dari

suatu tungku induksi (Abrianto Akuan, 2009).



Gambar. 2.7 Tungku induksi listrik

Setelah logam pengisi telah mengalami pencairan maka tungku induksi ini

telah dilengkapi dengan suatu pengendali untuk melakukan penuangan (titling)

kedalam suatu ladle yang lebih kecil yang dibawa hook crane atau ladle yang

dibawa oleh dua operator pouring ke cetakan.

2.2.5 Tungku Converter

Converter ialah sebuah tabung baja dengan dinding berlapis dan tahan

terhadap temperatur tinggi serta ditempatkan pada sebuah dudukan yang dibentuk

sedemikian rupa agar posisinya dapat diubah secara vertikal mapun secara

horizontal dengan posisi mulut berada disamping atau diatas bahkan dibawah.

Posisiposisi ini diperlukan untuk pengisian, penghembusan karbon dioksida dan

penuangan hasil pemurnian (Abrianto Akuan, 2009).



Gambar 2.8 Tungku Converter Bessemer

Proses pemurnian ini dilakukan dengan terlebih dahulu mencairkan besi

mentah ke dalam converter yang berada pada posisi horizontal kemudian

converter diubah posisinya pada posisi vertikal dan pada posisi ini udara

bertekanan 140 KN/m2 dihembuskan melalui dasar converter ke dalam besi

mentah cair, dengan demikian maka unsur karbon akan bersenyawa dengan

oksigen menjadi karbon dioxida (CO2) dan mengikat unsur-unsur lainnya

(Abrianto Akuan, 2009).

Dengan tekanan udara 140 KN/m2 unsur-unsur tersebut akan terbawa

keluar dari converter, proses ini dilakukan dalam waktu 20 menit, dari proses ini

besi mentah memiliki unsur-unsur paduan tidak lebih dari 0,05 % dan 0,006 %

diantaranya adalah unsur karbon dan dianggap sebagai besi murni atau Ferrite


(Fe), selanjutnya ditambahkan unsur karbon ke dalam converter ini dengan jumlah

tertentu sesuai dengan jenis baja yang dikehendaki hingga 2,06%, coverter ini

berkapasitas antara 25 ton sampai 60 ton. Pada dasarnya berbagai metoda dalam

proses pembuatan baja ini ialah proses pemurnian unsur besi dari berbagai unsur

yang merugikan sebagaimana telah dikemukakan terdahulu, oleh karena itu dalam

proses pembuatan baja dengan menggunakan sistem converter ini ialah salah satu

proses pemurnian atau pemisahan besi dengan menggunakan bejana sebagai alat

pemanasan (peleburan) besi kasar tersebut (Abrianto Akuan, 2009).


Gambar 2.9 Proses oxigen pada dapur basa untuk pemurnian besi kasar

2.2.6 Tungku Thomas dan Bessemer

Thomas dan Bessemer melakukan proses pemurnian besi kasar dalam

pembuatan baja ini pada prinsipnya sama yakni menggunakan Converter, namun

Bessemer menggunakan Converter dengan dinding yang dilapisi dengan Flourite

dan Kwarsa sehingga dinding Converter menjadi sangat keras kuat dan tahan

terhadap temperature tinggi, akan tetapi dinding converter ini menjadi bersifat

asam sehingga tidak dapat mereduksi unsur Posphor, oleh karena itu dapur


Bessemer hanya cocok digunakan dalam proses pemurnian besi kasar dari bijih

besi yang rendah Posphor (Low-Posphorus Iron Ores) (Abrianto Akuan, 2009)..

Sedangkan Thomas menyempurnakannya dengan memberikan lapisan

batu kapur (limestone) atau Dolomite sehingga dinding converter menjadi basa

dan mampumereduksi kelebihan unsur Posphor dengan mengeluarkannya bersama

terak. Salah satu proses pemurnian besi dengan sistem converter ini pertama

dikembangkan di austria, proses dengan hembusan udara bertekanan hingga 12

bar di atas convertor dengan posisi vertical, setelah besi mentah (pig iron)

bersama dengan sekrap dimasukan yang kemudian dibakar, udara yang

dihembuskan menghasilkan pembakaran dengan unsur karbon, belerang dan

phosphor yang terkandung didalam besi mentah tersebut, hal ini terjadi pada saat

converter dalam posisi miring (Abrianto Akuan, 2009).


Gambar 2.10 LD Top Blown Converter

2.3 Batu Tahan Api


Batu tahan api yang umum digunakan untuk dapur peleburan jenis crucible

adalah batu tahan api yang memiliki sifat-sifat (Bambang Suharno, 2008) :

1. Tidak melebur pada suhu yang relatif tinggi

2. Sanggup menahan lanjutan panas yang tiba-tiba ketika terjadi pembebanan

suhu

3. Tidak hancur di bawah pengaruh tekanan yang tinggi ketika digunakan

pada suhu yang tinggi

4. Mempunyai koefisien thermal yang rendah sehingga dapat memperkecil

panas yang terbuang

5. Memiliki tekanan listrik tinggi jika digunakan untuk dapur listrik

Bahan tahan api diklasifikasikan dalam beberapa jenis, yaitu golongan

basa, asam, dan netral. Pemilihin ini tergantung pada jenis dapur apa yang akan

digunakan (Hardi Sudjana, 2008).

Adapun bahan-bahan dari batu tahan api ini adalah (Hardi Sudjana, 2008) :

1. bahan tahan api jenis asam

biasanya terdiri dari pasir silika dan tanah liat tahan api (fire clay). Silika

adalah bentuk murni melebur pada suhu 17100C. bahan tahan api ini terdiri

dari hidrat alumunia silika (Al2O3, 2SiO2, 2H2O).

2. bahan tahan api jenis basa

biasanya terdiri dari magnesia, clionie magnesia, dan dolomite magnesia.

Bahan ini mempunyai titki lebur tinggi dan baik untuk mencegah korosi,

bahan-bahan ini terdiri dari 20-30% MgO dan 70-80% Cliromite dolomite

yang terdiri dari kalsium karbonat dan magnesia (CaCO3, MgCO3),

Dolomite stabil yang terdiri dari CaCO3, SiO3, dan MgO adalah batu tahan

api yang lebih baik dari pada dolomite biasa sehingga lebih tidak mudah

retak.


3. bahan tahan api jenis netral

terdiri dari karbon, grafit, cliromite, dan silimanite. Bahan tahan api ini

tidak membentuk phasa cair pada pemanasan penyimpanan kekutan pada

suhu tinggi. jenis cliromite terbuat dari biji cliromite yang komposisinya

terdiri dari 32% FeO dan 68% CrO3 dan mempunyai titik cair sekitar

21890C, dan silimite terdiri dari 63% Al2O3 dan 37% SiO2 dan memiliki

titik cair sekitar 1900 0C.

Batu bata silika merupakan suatu refraktori yang mengandung paling

sedikit 93 % SiO2. Bahan bakunya merupakan batu yang berkualitas. Batu bata

silika berbagai kelas memiliki penggunaan yang luas dalam tungku pelelehan besi

dan baja dan industri kaca. Sebagai tambahan terhadap refraktori jenis multi

dengan titik fusi yang tinggi, sifat penting lainnya adalah ketahanannya yang

tinggi terhadap kejutan panas (spalling) dan kerefraktoriannya. Sifat batu bata

silika yang terkemuka adalah bahwa bahan ini tidak melunak pada beban tinggi

sampai titik fusi terdekati. Sifat ini sangat berlawanan dengan beberapa refraktori

lainnya, contohnya bahan silikat alumina, yang mulai berfusi dan retak pada suhu

jauh lebih rendah dari suhu fusinya. Keuntungan lainnya adalah tahanan flux dan

stag, stabilitas volum dan tahanan spalling tinggi (Abrianto Akuan, 2009).

Tabel 2.1 Sifat-sifat batu bata tahan api

Jenis batu bata SiO2 (%) Al2O3 (%) Kandungan lain (%) PCE (0C)

Super Duty High Duty Menengah Low Duty

49-53 50-80 60-70 60-70

40-44 35-40 26-36 23-33

5-7 5-9 5-9

6-10

1745-1760 1690-1745 1640-1680 1520-1595

Sumber : Abrianto Akuan , 2009


2.4 Semen Tahan Api

Semen merupakan salah satu bahan perekat yang jika dicampur dengan air

mampu mengikat bahan-bahan padat seperti pasir dan batu menjadi suatu

kesatuan kompak. Sifat pengikatan semen ditentukan oleh susunan kimia yang

dikandungnya. Adapun bahan utama yang dikandung semen adalah kapur (CaO),

silikat (SiO2), alumunia (Al2O3), ferro oksida (Fe2O3), magnesit (MgO), serta

oksida lain dalam jumlah kecil. Bahan pengikat berfungi untuk mengikat batu bata

tahan api, serta untuk menutup celah yang terjadi dari penyusunan batu bata.

Bahan pengikat yang dipakai ini adalah semen tahan api yang juga dapat

menambah ketahanan bahan tahan api terhadap suhu tinggi (Mikell P.Groover,

2000).

Refraktori semen tahan api, seperti batu bata tahan api, semen tahan api

silica dan refraktori tanah liat alumunium dengan kandungan silika (SiO2) yang

bervariasi sampai mencapai 78% dan kandungan Al2O3 sampai mencapai 44%.

Tabel 2.1 memperlihatkan bahwa titik leleh (PCE) batu bata tahan api berkurang

dengan meningkatnya bahan pencemar dan menurunkan Al2O3. Bahan ini

seringkali digunakan dalam tungku, kiln dan kompor sebab bahan tersebut

tersedia banyak dan relatif tidak mahal (Abrianto Akuan, 2009).

2.4.1 Hidarsi Semen

Proses hidarsi pada semen Portland sangat kompleks, tidak semua reaksi

diketahui secara terperinci. Rumus proses kimia (perkiraan) untuk reaksi hidrasi

dari unsur C2S dan C3S ditulis (Yuni Nurfiana, 20101):

2 C3S + 6 H2O → C3S2H3 + 3 Ca (OH)2


2 C2S + 4 H2O → C3S2H3 + Ca (OH)2

Hasil utama dari proses diatas adalah C3S2H3 yang disebut “Tobermorite”.

Panas juga keluar selama proses berlangsung (panas hidrasi). Kekuatan semen

yang telah mengeras tergantung pada jumlah air yang dapat dipakai waktu proses

hidrasi berlangsung. Pada dasarnya jumlah air yang diperlukan sewaktu proses

hidrasi berkisar 35% dari berat semen, penambahan jumlah air akan mengurangi

setelah mengeras. Kelebihan air akan mengakibatkan jarak butir-butir semen lebih

jauh sehingga hasilnya kurang kuat dan berongga (Yuni Nurfiana, 2010).

2.4.2 Kehalusan Butir Semen

Reaksi antara semen dan air dimulai dimulai dari permukaan butir-butir

semen, sehingga makin luas permukaan butir-butir semen makin cepat proses

hidrasinya. Hal ini berarti butir-butir semen yang halus akan menjadi kuat dan

menghasilkan panas hidrasi yang lebih cepat daripada buti-butir semen yang

besar. Secara umum butir semen yang halus meningkatkan kohesi konstruksi dan

”bleeding”. Sehingga menurut aturan minimal 78% berat semen harus dapat lewat

ayakan nomor 200 (lubang 1/200 inchi). Sehingga dalam pemilihan semen harus

memperhatikan kehlusan dai butir semen Karen mempengaruhi kekuatan

konstruksi yang akan dirancang (Yuni Nurfiana, 2010).

2.5 Kekuatan dan Daya Konstruksi

Kekuatan dan daya tahan sangat ditentukan oleh (Saptono Rahmat, 2008):

1. Pemadatan. Pemadatan ini betujuan untuk menghilangkan udara yang ada

di dalam beton. Tentu saja pemadatan ini dilakukan ketika beton masih

cair.

2. Pemeliharaan (Curing). Curing adalah “membasahi” beton yang sudah

setting (keras) untuk beberapa waktu tertentu. Tujuannya adalah untuk


mengurangi penguapan air yang berlebihan, sehingga air yang ada di

dalam campuran beton dapat bereaksi secara optimal. Semakin lama

proses curing, semakin tinggi daya tahan beton yang dihasilkan.

3. Cuaca. Cuaca yang agak hangat dapat membuat beton mencapai kekuatan

yang tinggi dalam waktu yang tidak lama.

4. Tipe Semen. Tipe semen yang berbeda juga berpengaruh terhadap kekuatan

dan daya tahan beton.

Rasio air terhadap semen, biasa disebut w/c ratio. Kebanyakan air atau

kekuarangan semen dapat mengakibatkan beton menjadi tidak kuat dan tentu saja

tidak tahan lama. W/c ratio adalah perbandingan berat air terhadap berat semen.

Karena berat 1 liter air sama dengan 1 kilogram, maka orang lebih banyak

menggunakan perbandingan volume air dalam liter terhadap berat semen dalam

kilogram (Azan Urfauzi, 2009).

Kelebihan konstruksi pada dapur crucible (Bambang Suharno, 2008),

yaitu:

1. Dapat dengan mudah dibentuk sesuai dengan kebutuhan konstruksi

2. Mampu memikul beban yang berat

3. Tahan terhadap temperature yang tinggi

4. Biaya pemeliharan yang kecil

Kekurangan konstruksi dapur crucible (Bambang Suharno, 2008), yaitu:

1. Bentuk yang telah dibuat susah diubah

2. Pelaksanaan pengerjaan membutuhkan ketelitian yang tinggi

3. Daya pantul suara yang besar

4. Memilik berat yang besar.


Perawatan dan perbaikan struktur konstruksi dapur crucible (Bambang

Suharno, 2008), yaitu:

1. Perawantan

Perawatan dan pemberian lapisan pelindung agar gangguan dari luar dapat

diperkecil. Perlindungan ini dapat berupa pengecatan (coating)

pemlesteran, pemberian lapisan penutup karet atau baja.

2. Perbaikan

perbaikan dapat berupa pengasaran lapisan permukaan, penghancuran

bagian yang rusak dan menggantinya dengan konstruksi yang baru

(demolition), kemudian pemberian lapisan kepada permukaan yang

diperbaiki (coating).

2.6 Pengkajian Tungku

Idealnya, seluruh panas yang dimasukkan ke tungku harus digunakan

untuk memanaskan muatan atau stok. Namun demikian dalam prakteknya banyak

panas yang hilang dalam operasi peleburan. Kehilangan panas dalam tungku

tersebut meliputi (Abrianto Akuan, 2009) :

1. Kehilangan gas buang: merupakan bagian dari panas yang tinggal dalam

gas pembakaran dibagian dalam tungku. Kehilangan ini juga dikenal

dengan kehilangan limbah gas atau kehilangan cerobong.

2. Kehilangan dari kadar air dalam bahan bakar: bahan bakar yang biasanya

mengandung kadar air dan panas digunakan untuk menguapkan kadar air

dibagian dalam tungku.

3. Kehilangan dikarenakan hidrogen dalam bahan bakar yang mengakibatkan

terjadinya pembentukan air

4. Kehilangan melalui pembukaan dalam tungku: kehilangan radiasi terjadi

bilamana terdapat bukaan dalam penutup tungku dan kehilangan tersebut


dapat menjadi cukup berarti terutama untuk tungku yang beroperasi pada

suhu diatas 540°C. Kehilangan yang kedua adalah melalui penyusupan

udara sebab draft tungku/ cerobong menyebabkan tekanan negatif

dibagian dalam tungku, menarik udara melalui kebocoran atau retakan

atau ketika pintu tungku terbuka.

5. Kehilangan dinding tungku/permukaan, juga disebut kehilangan dinding:

sementara suhu dibagian dalamtungku cukup tinggi, panas

dihantarkanmelalui atap, lantai dan dinding dan dipancarkan ke udara

ambien begitu mencapai kulit atau permukaan tungku.

6. Kehilangan lainnya: terdapat beberapa cara lain dimana panas hilang dari

tungku, walupun menentukan jumlah tersebut seringkali sulit. Beberapa

diantaranya adalah:

a. Kehilangan panas tersimpan: bila tungku mulai dinyalakan maka

struktur dan isolasi tungku juga dipanaskan, dan panas ini hanya akan

meninggalkan struktur lagi jika tungku dimatikan. Oleh karena itu

kehilangan panas jenis ini akan meningkat dengan jumlah waktu

tungku dihidup-matikan.

b. Kehilangan selama penanganan bahan: peralatan yang digunakan

untuk memindahkan stok melalui tungku, seperti belt conveyor, balok

berjalan, bogies, dll. juga menyerap panas. Setiap kali peralatan

meninggalkan tungku mereka akan kehilangan panasnya, oleh karena

itu kehilangan panas meningkat dengan sejumlah peralatan dan

frekuensi dimana mereka masuk dan keluar tungku

c. Kehilangan panas media pendingin: air dan udara digunakan untuk

mendinginkan peralatan, rolls, bantalan dan rolls, dan panas hilang

karena media tersebut menyerap panas.

d. Kehilangan dari pembakaran yang tidak sempurna: panas hilang jika

pembakaran berlangsung tidak sempurna sebab bahan bakar atau


partikel yang tidak terbakar menyerap panas akan tetapi panas ini tidak

disimpan untuk digunakan

e. Kehilangan dikarenakan terjadinya pembentukan kerak.

2.7 Alumunium dan Paduannya

2.7.1 Sejarah penemuan alumunium

Bauksit merupakan salah satu sumber alumunium yang terdapat di alam.

Bauksit ini banyak terdapat di daerah Indonesia terutama di daerah Bintan dan

pulau Kalimantan. Alumunium ini pertama kali ditemukan oleh Sir Humprey

Davy pada tahun 1809 sebagai suatu unsur dan kemudian di reduksi pertama kali

oleh H.C. Oersted pada tahun 1825 (Rahmat Saptono, 2008).

C.M. Hall seorang berkebangsaan Amerika dan Paul Heroult

berkebangsaan Prancis, pada tahun 1886 mengolah alumunium dari alumina

dengan cara elektrolisa dari garam yang terfusi. Selain itu Karl Josep Bayer

seorang ahli kimia berkebangsaan Jerman mengembangkan proses yang dikenal

dengan nama proses Bayer untuk mendapat alumunium murni (Lawrence H. Van

Vlack, 1989).

Proses Bayer ini mendapat alumunium dengan memasukkan bauksit halus

yang sudah dikeringkan kedalam pencampur lalu diolah dengan soda sapi (NaOH)

dibawah pengaruh tekanan dan suhu diatas titik didih. NaOH akan bereaksi

dengan bauksit menghasilkan aluminat natrium yang larut. Selanjutnya tekanan

dikurangi dengan ampas yang terdiri dari oksida besi, silicon, titanium dan

kotoran-kotoran lainnya disaring dan dikesampingkan. Lalu alumina natrium

tersebut dipompa ketangki pengendapan dan dibubuhkan Kristal hidroksida

alumina sehingga Kristal itu menjadi inti Kristal. Inti dipanaskan diatas suhu

980°C dan menghasilkan alumina dan dielektrosida sehingga terpisah menjadi

oksigen dan aluminium murni. Pada setiap 1 kilogram alumunium memerlukan 2


kilogram alumina dan 4 kilogram bauksit, 0,6 kilogram karbon, criolit dan bahan-

bahan lainnya (Lawrence H. Van Vlack, 1989).

2.7.2 Struktur sifat-sifat alumunium

Dalam pengertian kimia alumunium merupakan logam yang reaktif.

Apabila di udara terbuka ia akan bereaksi dengan oksigen, jika reaksi berlangsung

terus maka alumunium akan rusak dan sangat rapuh. Permukaan alumunium

sebenarnya bereaksi bahkan lebih cepat daripada besi. Namun lapisan luar

alumunium oksida yang terbentuk pada permukaan logam itu merekat kuat sekali

pada logam dibawahnya, dan membentuk lapisan yang kedap. Oleh karena itu

dapat dipergunakan untuk keperluan kontruksi tanpa takut pada sifat kimia yang

sangat reaktif. Tapi jika logam bertemu dengan alkali lapisan oksidanya akan

mudah larut. Lapisan oksidanya akan bereaksi secara aktif dan akhirnya akan

mudah larut pada cairan sekali. Sebaliknya berbagai asam termasuk asam nitrat

pekat pekat tidak berpengaruh terhadap alumunium karena lapisan alumunium

kedap terhadap asam (Rahmat Saptono, 2008).

Alumunium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahan korosi

yang sangat baik karena pada permukaannya terhadap suatu lapisan oksida yang

melindungi logam dari korosi dan hantaran listriknya cukup baik sekitar 3,2 kali

daya hantar listrik besi. Berat jenis alumunium 2,643 kg/m3 cukup ringan

dibandingkan logam lain. Kekuatan alumunium yang berkisar 83-310 MPa dapat

dilipatkan melalui pengerjaan dingin atau penerjaan panas. Dengan menambah

unsur pangerjaan panas maka dapat diperoleh paduannya dengan kekuatan

melebihi 700 MPa paduannya. Alumunium dapat ditempa, diekstruksi,

dilengkungkan, direnggangkan, diputar, dispons, diembos, dirol dan ditarik untuk

menghasilkan kawat. Sipanasan dapat diperoleh alumunium dengan bentuk kawat

foil, lembaran pelat dan profil. Semua paduan alumunium ini dapat di mampu

bentuki (wrought alloys) dapat di mesin, di las dan di patri (Lawrence H. Van

Vlack, 1989).


2.7.3 Sistem Penomoran Alumunium

Alumunium dapat diklasifikasikan kepada tiga bagian besar yaitu:

alumunium komersial murni paduan alumunium mampu tempa, dan alumunium

cor. Asosiasi alumunium membuat sistem 4 angka mengidentifikasikan

alumunium. Di bawah ini ada tabel 2.2. yang dibuat Asosiasi Alumunium untuk

mengidentifikasikan alumunium ini (Rahmat Saptono, 2008).

Tabel 2.2 Aluminium Assosiasi Index System

Sumber : Rahmat Saptono , 2008

Sistem ini menunjukkan nomor indeks dari paduan alumunium termasuk

seperti paduan 99% alumunium murni, coper, mangan, silicon magnesium. Sistem

ini tidak menunjukkan paduan terbesar dari elemen alumunium. Angka kedua

mempunyai batas 0 sampai dengan 9. Angka nol menunjukkan tidak ada kontrol

khusus pada pembuatan alumunium. Angka setelah angka kedua menunjukkan

kuantitas minimum dari unsur lain yang tidak dalam control (Rahmat saptono,

2008).

Sebagai contoh alumunium dengan nomor seri 1075. Ini berarti

alumunium mempunyai 99,75% yang terkontrol atau alumunium murni.

Sedangkan 0,25% paduan tanpa kontrol. Nomor 1180 diidentifikasikan sebagai

paduan dimana 99,80% alumunium murni dengan 0,20% berbagai macam

campuran tambahan (Rahmat Saptono, 2008).

Paduan Alumunium Nomor

Alumunium 99,5% murni Alumunium 99,5% murni

Al-Cu merupakan unsur paduan utama Al-Mn merupakan unsur paduan utama

Al-Si merupakan unsur paduan utama Al-Mg merupakan unsur paduan utama

Al-Mg dan Si merupakan unsur paduan utama Al-Zn merupakan unsur paduan utama

1001 1100

2010 – 2029 3033 – 3009

4030 – 4039 5050 – 5086

6061 – 6069 7070 – 7079


Pada seri 2010 sampai 7079 setelah angka kedua tidak mempunyai arti

khusus hanya menunjukkan pabrikasi. Angka ketiga dan terakhir memperlihatkan

berapa paduan yang terkandung pada saat proses pembuatan. Sebagai contoh

alumunium seri 3003 adalah alumunium mangan alloy yang mrngandung sekitar

1,2% mangan dan minimum 90% alumunium. Contoh lain misalkan 6151

alumunium, adalah paduan alumunium dengan silicon-magnesium-chromium.

Disini angka 6 menunjukkan bahwa paduan adalah magnesium silicon, dan angka

151 sebagai identitas paduan khusus dan persentase dari paduan. Jika angka 1

pada digit kedua menunjukkan bahwa paduan itu adalah chromium dan

kandungannya adalah 0,49%. Berarti paduan itu adalah 99,51% terdiri dari

alumunium magnesium dan silicon (Rahmat Saptono, 2008).

Alumunium juga dapat digolongkan apakah bias di heat-treatment atau

tidak. Alumunium yang tidak dapat dilakukan perlakuan panas termasuk

alumunium murni atau seri 1000, mangan atau seri 3000 dan magnesium seri

5000. Alumunium dapat di heat-treatment jika mengandung satu dari copper,

magnesium, silicon ataupun zinc. Seri 4000 adalah seri silicon dari paduan

alumunium yang sebagian besar dapat dilas dan untuk bahan pengisi pada proses

pangelasan (Rahmat Saptono, 2008).

2.7.3 Paduan-Paduan Alumunium yang Utama

Alumunium lebih banyak dipakai sebagai paduan daripada logam murni

sebab tidak kehilangan sifat ringan dan sifat-sifat mekanisnya serta mampu cornya

diperbaiki dengan menambah unsur –unsur lain. Unsur-unsur paduan yang tidak

ditambahkan pada alumunium murni selain dapat menambah kekuatan

mekaniknya juga dapat memberikan sifat-sifat baik lainnya seperti ketahanan

korosi dan ketahanan aus (Lawrence H. Van Vlack, 1989).

.

Adapun paduan-paduan alumunium yang sering dipakai (Lawrence H. Van

Vlack, 1989), yaitu:


1. Al-Cu dan Al-Cu-Mg

Mempunyai kandungan 4% Cu dan 0,5% Mg untuk menambah kekuatan

paduan mampu mesin yang baik serta dipakai pada bahan pesawat terbang.

2. Al-Mn

Mn adalah unsur yang memperkuat Al tanpa mengurangi ketahanan korosi

dan dipakai untuk membuat paduan yang tahan korosi.

3. Paduan Al-Si

Sangat baik kecairannya dam mempunyai permukaan yang bagus sekali,

mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik sangat ringan, koefisien

pemuai yang kecil, dan penghantar yang baik untuk listrik dan panas.

Karena kelebihan yang menyolok maka paduan ini sangat banyak dipakai.

4. Paduan Al-Mg

Paduan ini mempunyai kandungan magnesium sekitar 4% sampai 10%

mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik, dapat ditempa, di rol dan

di ekstruksi. Karena sangat kuat dan mudah di las maka banyak dipakai

sebagai bahan untuk tangki LNG, kapal laut, kapal terbang serta peralatan-

peralatan kimia.

2.7.5 Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg

Seperti telah dikemukakan pada uraian sebelumnya, paduan coran

alumunium ini mengandung 4-5% Cu. Ternyata dari fasa paduan ini mempunyai

daerah luas dari pembekuannya, penyusutan yang besar, resiko besar pada

kegetasan panas dan mudah terjadi retakan pada coran. Adanya Si sangat berguna

untuk mengurangi keadaan itu dan penambahan Si sefektif untuk memperhalus

butir. Dengan perlakuan panas pada paduan ini dapat dibuat bahan yang

mempunyai kekuatan tarik kira-kira 25kgf/mm2 (Tata Surdia dan Sinroku Saito,

1995).

Sebagai paduan, Al-Cu-Mg ini mengandung 4% Cu, dan 0,5%ditemukan

oleh A.Wilm dalam usahanya mengembangkan paduan Al yang kuat,


dinamakannya yaitu duralumin. Duralumin adalah paduan praktis yang sangat

terkenal disebut paduan alumunium dengan nomor 2017, komposisi standarnya

adalah 4% Cu, 1,5% Mn dinamakan paduan dengan nomor 2044 nama lamanya

yaitu duralumin super. Paduan yang mengandung Cu mempunyai ketahanan

korosi yang jelek, jadi apabila diingini ketahanan korosi yang tinggi maka

permukaanya dilapisi dengan Al murni atau paduan alumunium yang tahan korosi

yang disebut pelat alklad. Paduan dalam system ini terutama dipakai sebagai

bahan pesawat terbang (Tata Surdia dan Sinroku Saito, 1995).

2.7.6 Paduan Al-Si (4030-4039)

Paduan Al-Si ini sangat baik kecairannya, yang mempunyai permukaan

bagus sekali, pada ketegasan panas dan sangat baik untuk paduan cor. Sebagai

tambahan paduan ini mempunyai ketahanan korosi yang baik dan sangat ringan,

koefisien pemuaian yang kecil dan penghantar listrik dan panas yang baik. Karena

mempunyai kelebihan yang mencolok ini maka paduan ini sangat banyak

dipergunakan. Paduan Al-Si ini ditemukan pertama kali oleh A. Pacz pada tahun

1921 dan paduan yang telah diadakan perlakuan tersebut dinamakan silumin

(Rahmat Saptono, 2008).

Paduan Al-Si dengan kandungan 12% sangat banyak dipakai untuk paduan

cor cetak. Tetapi dalam hal modifikasi tidak perlu dilakukan. Sifat-sifat paduan ini

dapat diperbaiki dengan perlakuan panas dan sedikit diperbaiki dengan tambahan

unsure paduan lainnya yang umum dipakai yaitu 0,15 – 0,4% Mn dan 0,5% Mg.

paduan yang diberi perlakuan peraturan dan ditempa dinamakan silumin β.

Paduan yang memerlukan paduan panas ditambah juga dengan unsur Mg, Cu dan

Ni untuk memberikan kekerasan pada saat proses pemanasan. Bahan ini biasa

dipakai untuk torek motor (Rahmat Saptono, 2008).

Koefisien pemuaian termal dari Si sangat rendah, oleh karena itu

paduannya mempunyai koefisien yang rendah juaga apabila ditambah Si lebih

banyak. Berbagai cara dicoba untuk memperhalus butir primer Si, seperti yang

telah dikembangkan pada paduan Hypereotektik Al-Si sampai dengan 29%Si.


Paduan Al-Si juga banyak dipakai untuk elektroda pengerasan terutama yang

mengandung 5% Si (Tata Surdia dan Sinroku Saito, 1995).

2.7.7 Paduan Al-Mg-Si (6001 – 6069)

Kalau sedikit Mg ditambahkan pada Al pengerasan penuaan sangat jarang

terjadi. Paduan alam system ini mempunyai kekuatan yang kurang baik sebagai

bahan tempaan dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya tetapi sangat liat dan

sangat baik mampu bentuknya yang tinggi pada temperatur biasa. Mempunyai

kemampuan bentuk yang lebih baik pada ekstruksi dan tahan korosi dan sebagai

tambahan banyak digunakan untuk angka-angka konstruksi (Tata Surdia dan

Sinroku Saito, 1995).

Karena paduan ini mempunyai kekuatan yang sangat baik tanpa

mengurangi sifat kehantaran listriknya maka dapat digunakan untuk kabel tenaga

listrik. Dalam hal ini pencampuran dengan Cu, Fe dan Mn perlu dihindari karena

unsur-unsur itu menyebabkan tahanan listrik menjadi tinggi (Tata Surdia dan

Sinroku Saito, 1995).

2.7.8 Paduan Al-Mg-Zn (7075)

Alumunium menyebabkan keseimbangan biner semu dengan senyawa

antar logam MgZn2 dan kelarutannya menurun apabila temperatur turun. Telah

Diketahui sejak lama bahwa paduan sistem ini dapat dibuat keras sekali dengan

penuaan setelah perlakuan pelarutan. Tetapi sejak lama tidak dipakai sebab

mempunyai sifat patah getas oleh retakan korosi tegangan (Rahmat Saptono,

2008).

Di Jepang pada permulaan tahun 1940 Igarasi dan kawan-kawan

mengadakan studi dan berhasil mengembangkan suatu paduan logam dengan

penambahan kira-kira 3% Mn atau Cr dimana butir kristal dapat diperhalus dan

mengubah bentuk resivitasi serta retakan korosi tegangan hampir tidak terjadi.


Pada saat itu paduan tersebut dinamakan Duralumin super ekstra (Rahmat

Saptono, 2008).

Paduan yang terdiri dari 5,5% Zn, 2,5-1,5% Mn, 1,5% Cu, 0,3% Cr, 0,2%

Mn dan sisanya Al sekarang dinamakan paduan 7075 mempunyai kekuatan

tertinggi diantara paduan-paduan lainnya. Sifat-sifat mekaniknya dapat dilihat

pada tabel 2.6. Penggunaan paduan ini yang paling besar adalah untuk bahan

konstruksi untuk pesawat terbang. Disamping itu penggunaannya juga penting

untuk bahan konstruksi (Tata Surdia dan Sinroku Saito, 1995).

2.8 Dapur Crucible pada Departemen Teknik Mesin USU

Pada laboratorium Foundry Departemen Teknik Mesin terdapat sebuah

dapur crucible untuk peleburan aluminium, dan kapasitas dapur crucible adalah

30Kg. dapur inilah yang akan menjadi objek modifikasi pada perencanaan.

Dapur crucible ini memiliki beberapa kelebihan, yaitu:

1. Teknik operasi peleburan yang sederhana

2. Mampu melebur aluminium dengan kapasitas 30Kg

3. Menggunakan bahan bakar yang aman yaitu minyak tanah

4. Mudah dalam pengambilan terak

Disamping memiliki kelebihan, dapur ini juga memiliki kelemahan, yaitu:

1. Operasi peleburan membutuhkan waktu yang ralatif lama

2. Adanya panas yang terbuang melalui plat dinding samping

3. Tidak memiliki plat penutup atas

4. Terdapat banyak dinding dapur yang kropos dan rapuh


Gambar 2.11 Keadaan dapur dari samping pada lab. Foundy

Gambar 2.12 keadaan dapur bagian dalam pada lab. Foudry


Melihat kelemahan dari dapur crucible yang ada pada laboratorium Foundry

Departemen Teknik Mesin USU, maka harus dilakukan perbaikan pada dapur agar

nantinya dapur lebih efisien untuk beroperasi.

Rencana perbaikan yang akan dilakukan adalah :

1. Memperbaiki dinding konstruksi yang talah mengalami rapu ataupun

kropos

2. Melengkapi plat penutup atas agar dapat memperkecil panas yang

terbuang sewaktu operasi peleburan.

2.8.1 Data Dapur Peleburan sebelum di Rancang Ulang

Tabel 2.3 Data kalor terserap sebelum di rancang ulang Bahan yang diserap Kalor yang terserap

Kalor yang terserap aluminium Kalor yang terserap batu tahan api Kalor yang terserap plat dinding samping Kalor yang diserap cawan lebur Kalor yang diserap plat penutup atas

31971,73 KJ 298028,99 KJ

383,8 KJ 40467,42 KJ 5270,56 KJ

Total 376112,5 KJ Sumber : Bramantha Ginting, 2008

Tabel 2.4 Data Kalor terbuang sebelum dirancang ulang Kalor terbuang Besar Kalor Terbuang

Panas terbuang melalui cawan lebur Panas terbuang melalui plat dinding samping

Panas terbuang melalui plat penutup atas

3250,29 KJ/Jam 761,6797 KJ/Jam

2160,855 KJ/Jam

Total 6172,8247 KJ/Jam Sumber : Bramantha Ginting, 2008


Tabel 2.5 Waktu serta bahan bakar yang dibutuhkan untuk peleburan sebelum rancang ulang

waktu peleburan Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan

2,51 jam 9,43 liter

Sumber : Bramantha Ginting, 2008

2.9 Data Dapur Peleburan Hasil Survey

Survey ini dilakukan pada dapur peleburan aluminium industri rumah

tangga Lokasi survey berada di simpang Kayu Besar Desa Sena Tanjung Morawa

Deli Serdang.. Dapur peleburan ini menggunakan bahan bakar minyak tanah dan

sama seperti yang akan dirancang ulang. Berdasarkan survey dapur peleburan

dilapangan pada dapur crucible dengan kapasitas 30Kg, didapat hasil efisiensi

dilapangan lebih besar dibandingkan dengan yang ada di laboratorium foundry

departemen Teknik Mesin USU. Hasil survey menunjukkan bahwa waktu serta

bahan bakar yang dibutuhkan dalam operasi peleburan lebih kecil dibandingkan

dengan dapur peleburan yang ada pada laboratorim foundry FT.USU.


Gamabr 2.13 Dimensi Dapur yang disurvey

Dari dapur hasil survey diperoleh data-data sebagai berikut:

Tabel 2.6 Data dapur peleburan hasil survey Total kalor terserap 334166,83 KJ kalor tebuang 5329, 77 KJ/jam Waktu 1,7 jam Kebutuhan bahan bakar 8,4 liter

Sumber : Lokasi survey Desa Sena Tanjung Morawa, 2010

2.9.1 Perbandingan Data Survey dengan Dapur sebelum Dirancang Ulang

Pada tabel 2.8 tampak bahwa data hasil survey lebih efisien dibanding

dengan data dapur sebelum dirancang ulang.

Tabel 2.7 Perbandingan data survey dengan data dapur sebelum dirancang ulang

Yang di bandingkan Sebelum dirancang ulang Data Survey Efisiensi data

survey Kalor terserap Kalor terbuang Waktu peleburan Bahan bakar

376112,5 KJ 6172,8247 KJ/Jam

2,5 Jam 9,43 liter

334166,83 KJ 5329,77 KJ/jam

1,7 jam 8,4 liter

11,15% 13,657%

32% 10,92%


bab ii tinjauan pustaka 2.1 dapur peleburanrepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/22571/4/chapter...

Documents