BAB IILANDASAN TEORI

2.1. Dapur Peleburan LogamJenis dapur yang banyak digunakan dalam pengecoran logam ada lima jenis yaitu: dapur kupola, dapur pengapian langsung, dapur krusibel, dapur busur listrik dan dapur induksi. Tungku adalah peralatan yang digunakan untuk melelehkan logam, pembuatan bagian mesin (casting), memanaskan bahan serta mengubah bentuknya (misalnya rolling, penempaan), atau merubah sifat-sifatnya (perlakuan panas). Idealnya tungku harus memanaskan bahan sebanyak mungkin sampai mencapai temperatur yang seragam dengan bahan bakar. Kunci dari operasi tungku yang efisien terletak pada pembakaran bahan bakar yang sempurna dengan udara berlebih yang minim. Tungku beroperasi dengan efisiensi yang lebih rendah bila dibandingkan dengan peralatan pembakaran lainnya seperti boiler (dengan efisiensi lebih dari 90%). Hal ini disebabkan karena temperatur operasi yang tinggi didalam tungku

2.1.1. Pemilihan Dapur PeleburanPemilihan dapur peleburan harus memiliki kriteria pengoprasian yang mudah, ekonomis dan mempunyai performa yang baik. Faktor-faktor pemilihan dapur peleburan logam sebagai berikut : (Groover, 2000)1. Logam yang akan lebur2. Temperatur lebur logam3. Biaya oprasi4. Pengoprasian 5. Pemeliharaan6. Polusi terhadap lingkungan

Adapun skema pemilihan dapur peleburan sebagai berikut :Dapur PeleburanOprasional :Performa :Ekonomis :1. Mobilitas tinggi1. Waktu lebur singkat1. Kontruksi sederhana2. Perawatan mudah2. Hemat bahan bakar2. Masa pakai panjang3. hemat biaya

2.1.2. Dapur KrusibelDapur krusibel merupakan salah satu jenis dapur tertua yang digunakan untuk melebur logam, terbuat dari campuran grafit dan tanah liat, mudah pecah dalam keadaan biasa, akan tetapi memiliki kekuatan yang cukup berarti dalam keadaan panas dan dapat juga dibuat dengan baja atau baja cor dan besi cor. Dapat dipanaskan dengan bahan bakar padat, minyak atau gas alam. Proses didalam dapur ini terjadi didalam ruang tertutup. Dapur ini ada yang menggunakan kedudukan tetap dimana pengambilan logam cair dengan memakai gayung ada juga yang dimiringkan sehingga pengambilan logam dengan penampung dibawahnya. Dapur ini biasanya dipakai untuk skala kecil dan sedang. Dapur jenis ini ada yang dioprasikan dengan tenaga listrik sebagai alat pemanasnya dan dapat juga dengan bahan bakar gas, minyak dan bahan bakar padat lainnya.1. Bagian bagian krusibel

Gambar 2.1 Tungku Krusibel

a. Blower Blower digunakan untuk pemasok kebutuhan udara pada saat pembakaran bahan bakar. b. PenyanggaTerbuat dari bata tahan api dan berfungsi sebagai tempat dudukan kowi agar kowi tidak bersentuhan dengan dasar tungku.c. BataTebuat dari bata tahan api yang berfungsi sebagai isolataor panas.d. Bahan bakarSebagai sumber kalor yang dibutuhkan untuk peleburan logam.e. KowiTerbuat dari baja dan berfungsi sebagai tempat dimana logam akan diberikan sejumlah kalor dan melebur. f. Saluran buangTempat dimana gas sisa pembakaran akan keluar.2. Refraktori Refraktori adalah bahan yang memiliki kemampuan untuk mempertahankan kondisinya, baik secaraa fisik maupun kimia pada kondisi temperatur yang relatife tinggi. Karena inilah maka bahan ini pada umumnya digunakan untuk oprasi-oprasi yang berlangsung pada temperatur tinggi, seperti pada tungku peleburan logam, reduksi pada industri semen, dan pembangkit energi.a. Bata tahan api Batu tahan api yang umum digunakan untuk dapur peleburan memiliki sifat sebangai berikut :1. Tidak melebur pada suhu tinggi.2. Sanggup menahan lanjutan panas yang tiba-tiba ketika terjadi pembebanan suhu.3. Tidak hancur dibawah tekanan tinggi ketika digunakan pada temperatur tinggi.4. Mempunyai koefesien termal yang rendah, sehingga dapat memperkecil panas yang terbuang.5. Memiliki tahanan listrik tinggi jika digunakan untuk dapur listrik.Bahan tahan api diklasifikasikasikan dalam beberapa jenis, yaitu golongan basa, asam, netral. Pemilihan ini tergantung pada jenis dapur apa yang akan digunakan (Hardi Sudjana, 2008).1. Batu tahan api jenis asamTerdiri dari pasir silica dan tanah liat tahan api, terdiri dari hidrat alumunia silica (AL2O2, 2SiO2, 2H2O).2. Batu tahan api jenis basaTerdiri dari magnesia, clorine magnesia, dan dolomite magnesia. Bahan ini mempunyai titik lebur tinggi dan baik untuk mencegah korosi. 3. Batu tahan api jenis netralTerdiri dari karbon, grafit, cliromite. Bahan tahan api ini tidak membentuk phasa cair pada pemanasan penyimpanan kekuatan pada suhu tinggi.Tabel 2.1 Sifat Sifat Batu Tahan ApiJenisbatu bataSiO2(%)Al2O3(%)Kandungan lain(%)PCE(oC)

Super dutyHigh dutyMenegahLow duty49-5350-8060-7060-7040-4435-4026-3623-335-75-95-96-101745-17601690-17451640-16801520-1595

Sumber : Abrianto Akuan, 2009Tabel di atas memperlihatkan bahwa titik leleh (PCE) batu bata tahan api berkurang dengan meningkatnya bahan pencemar dan penurunan alumunia (AL2O3)

Gambar 2.2 Bentruk - Bentuk Bata Tahan Apib. Semen tahan apiSemen merupakan salah satu bahan perekat yang jika dicampur dengan air mampu mengikat bahan-bahan padat seperti pasir dan batu menjadi satu kesatuan yang solit. Sifat pengikat semen ditentukan oleh susunan kimia yang dikandungnya. Adpun bahan utama yang dikandung semen tahan api adalah kapur (CaCo), silica (S1O2), alumunia (AL2O3), ferro oksida (Fe2O3), magnesit (MgO) serta oksida dalam jumlah kecil.3. Kalor yang diserap tungkuSetiap bahan bahan yang terdapat di dalam tungku akan menerima panas yang bersumber dari pembakaran bahan bakar. Kemampuan setiap bahan akan berbeda-beda dalam menyerap kalor. Hal ini disebabkan oleh unsur-unsur pembentuk material tersebut dan luasan penampang penerima kalor. Kalor yang diserap material tungku daapaat dirumuskan sebagai berikut : Zemansky, 1994Dimana m = Masa material yang menerima panas (kg)Cp = Panas jenis material (kkal/kg oC atau J/kg K) = Perubahan suhu pada material (oC)

2.2. Aluminium 2.2.1. Sistem Penomoran AluminiumAluminium dapat diklasifikasikan kepada tiga bagian besar, yaitu aluminium komersial murni, paduan aluminium mampu tempa dan aluminium cor. Assosiasi aluminium membuat sistem empat angka untuk mengidentifikasikan aluminium.Table 2.2 Identifikasi AluminiumPaduan AluminiumNomor

Aluminium 99,5% murniAluminium 99,5% murniAl-Cu merupakan unsur paduan utamaAl-Mn merupakan unsur paduan utamaAl-Si merupakan unsur paduan utamaAl-Mg merupakan unsur paduan utamaAl-Mg dan Si merupakan unsur paduan utamaAl-Zn merupakan unsur paduan utama100111002010 20193033 30094030 40395050 50866061 60697070 7079

Sumber : Aluminium Assosiasi Index System

System ini menunjukkan nomor indek dari paduan aluminium termasuk seperti paduan 99% aluminium murni, coper, mangan, silicon magnesium. Angka pertama selalu menunjukkan paduan terbesar dari paduan aluminium. Angka kedua mempunyai batas 0 sampai 9, angka 0 menunjukkan tidak ada control khusus yang terkandung dalam paduan aluminium. Angka 1 sampai 9 menunjukkan control khusus pada pembuatan aluminium. Angka setelah angka kedua menunjukan kuantitas minimum dari unsur lain yang tidak terkontrol.

2.2.2. Sifat Sifat AluminiumAluminium termasuk kedalam logam aktif, apabila berada didalam udara terbuka akan bereaksi dengan oksigen. Jika reaksi ini terus berlangsung maka akan timbul lapisan oksida pada permukaan aluminium,lapisan yang terbentuk merekat kuat pada logam dibawahnya dan membentuk lapisan yang kedap. Oleh karena itu dapat digunakan untuk keperluan kontruksi tanpa takut terhadap sifat reaksi kimia yang reaktif, tapi jika terkena alkali maka lapisan akan mudah larut.Aluminium merupakan logam ringan yang menpunyai ketahanan korosi sangat baik karena pada permukaannya terdapat lapisan yang dapat melindungi logan dari korosi. Berat jenis aluminium 2,643 kg/m3 cukup ringan jika dibandingkan dengan besi atau baja. Kekuatan aluminium berkisar 83 310 MPa dan dapat dilipatkan dengan pengerjaan panas atau dingin. Titik lebur aluminium berada pada temperatur 660 oC, akan tetapi dalam proses pencairan temperatur aluminium dinaikkan menjadi 750 oC. Penaikan temperatur lebur diharapkan logam cair aluminium tidak membeku saat penuangan dalam cetakan dan mengantisipasi aluminium paduan yang mempunyai titik leleh lebih dari 660 oC.

Grafik 2.1 Asumsi Peleburan AluminiumSumber : Zemaskky, 1994Q lebur = Q1 + Q2 + Q3 = m Cp + m H + m Cp Dimana :Q1 =Kalor untuk menaikkan temperatur kamar menjadi temperatur cair aluminium (joule).Q2 =Kalor untuk mencairkan aluminium (joule).Q3 =Kalor untuk menaikkan suhu dari 660 oC sampai 750 oC.m =Massa benda (kg)Cp =Kalor jenis bahan (aluminium 8,8 x 102 J/kg. K)T1, T2 = Temperatur awal, temperatur akhir (K) = perubahan temperatur dari T1 ke T2 (K) = perubahan temperatur dari T2 ke T3 (K)

2.3. Bahan Bakar Bahan bakar adalah bahan yang apabila dapat meneruskan proses pembakaran dengan sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Komposisi bahan bakar pada umumnya mengandung karbon (C), hydrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), belerang (S) dan abu. Unsure-unsur tersebut tidak semuanya yang dapat terbakar melainkan ada juga yang tidak dapat terbakar seperti karbon (C), hydrogen (H) dan belerang (S) yang akan terbakar dan menghasilkan panas. Sedangkan oksigen (O), nitrogen (N), bahan mineral atau abu dan air yang terkandung didalam bahan bakar tidak dapat terbakar.3.3.1. Spesifikasi Bahan Bakar1. Nilai kalor (heating value)Nilai kalor adalah panas yang diihasilkan oleh pembakaran sempurna satu satuan berat bahan bakar padat atau cair atau meter kubik untuk bahan bakar gas pada keadaan standar. a. Nilai bakar atas (higher heating value) adalah panas yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna satu satuan berat bahan bakar padat dan cair atau satu atuan volume bahan bakar gas, pada tekanan tetap, suhu 25 oC, apabila semua air yang mula-mula berwujud cair setelah pembakaran mengembun menjadi cair kembali.b. Nilai bakar bawah (lower heating value) adalah panas yang besarnya sama dengan nilai panas atas dikurangi panas yang diperlukan oleh air yang terkandung dalam bahan bakar dan air yang terbentuk dari pembakaran bahan bakar untuk menguap pada 25 oC dan tekanan tetap.2. Kadar air dari bahan bakar (water content)Air yang terkandung dalam bahan bakar padat terdiri dari :a. Kandungan air internal atau air kristal yaitu air yang terikat secara kimiawi.b. Kandungan air ekternal yaitu air yang menempel pada permukaan bahan dan terikat secara fisis. Air yang terkandung daalam bahan bakar cair merupakan kandungan eksternal dan berperan sebagai penggangu. Air yang terkandung dalam bahan bakar gas merupakan uap air yang bercampur dengan bahan bakar tersebut. Akibat dari kandungan air, sebagai berikut :a. Menurunkan nilai bakar dan memerlukan sejumlah panas untuk penguapan.b. Menurunkan titik nyala.c. Memperlambat proses pembakaran.d. Menambah volume gas buang.3. Titik nyala (flash temperature)Merupakan temperature terendah dimana uap yang terbentuk dari suatu bahan bakar dapat terbakkar apabila diberi sumber panas tanpa bahan tersebut sendiri terbakar (terbakar sesaat).4. Titik bakarTemperatur dimana bahan bakar yang dinyalakan akan terbakar terus menerus apabila diberi sumber panas.5. Titik sulutTemperatur terendah dimana bahan dapat terbakar dengan sendirinya.6. ViskositasMemungkinkan bahan bakar tersebut dapat dipompa atau tidak dan mudah dinyalakan atau tidak.7. Sulfur content Didalam bahan bakar terdapat sulfur yang ikut bereaksi pada proses pembakaran, hasil dari sifat reaksi bersifat korosi asam.

3.3.2. Jenis Jenis Bahan Bakar1. Padat Adalah bahan bakar yang bersifat keras atau strukturnya sangat rapat. Sumber bahan bakar padat ada dua yaitu fosil dan non fosil, bahan bakar fosil adalah bahan bakar yang terbentuk dari makluk hidup yang sudah mati dan terkubur didalam bumi dan sifatya yang tidak dapat diperbaharui. Sedangkan bahan bakar non fosil adalah bahan bakar yang di dapat dari makluk hidup dan tidak memerlukan waktu yang lama untuk mendapatkannya dan sifatnya yang dapat diperbaharui. a. Briket batok kelapaAdalah bahan padat yang dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif yang mempunyai bentuk tertentu. Tanaman kelapa banyak tumbuh di dataran Indonesia dan batok kelapa dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif karena mempunyai nilaai kalor yang besar.Spesifikasi briket batok kelapa (Siti Jamilatun, 2011)Kalor b. Briket cangkang biji karet dan kotoran ayam Karet adalah tanaman perkebunan tahunan berupa pohon batang lurus.Spesifikasi briket dengan komosisi 60% cangkang karet dan 40% kotoran ayam (Ibnu Muzakir,2013)Nilai HHV = 3034,1 kal/gramKadar air = 3,124%Kadar abu = 30,662%Kadar karbon terikat = 51,918%c. Briket cangkang sawitKelapa sawit adalah tanaman industry yang banyak dibudidayakan oleh masyarakat di Indonesia karena memiliki nilai ekonomis yang tinggi. Buah kelapa sawit memiliki kandungan kalor yang tinggi sehingga dapat dijadikan sebagai bahan bakar padat.Spesifikasi briket cangkang sawit (serkel, 2015)2. Cair Bahan bakar yang strukturnya tidak rapat bila dibandingka dengan bahan bakar padat, molekulnya dapat bergarak bebas. bensin , gasolin, premium, minyak solar, minyak tanah adalah contoh dari bahan bakar cair. 3. Gas Bahan bakar yang struktur molekulnya dapat bergerak dengan bebas. bahan bakar gas ada dua jenis yaitu compressed natural gas (CNG) dan liguid petroleum gas (LPG) yang biasa digunakan untuk kebutuhan rumah tangga.

2.4. Pembakaran Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dengan bahan, disertai dengan timbulnya cahaya dan mengahasilkan kalor. Dalam pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi sebagai berikut :1. Karbon + Oksigen = Karbon Dioksida + Panas2. Hidrogen + Oksigen = Uap Air + Panas3. Sulfur + Oksigen = Sulfur Dioksida + Panas Pembakaran dikatakan dalam sempurna bila campuran bahan bakar dan oksigen menpunyai perbandingan yang tepat, hingga tidak diperoleh sisa berupa ikatan yang tidak terikat. Bila oksigen terlalu banyak dikatakan campuran kurus (lean), pembakaran ini akan menghasilkan api oksidasi. Bila bahan bakar terlalu banyak dikatakan campuran gemuk (rich), pembakaran ini menghasilkan api reduksi. Api reduksi ditandai oleh lidah api panjang, kadang-kadang sampai terlihat berasap. Pembakaran ini juga disebut pembakaran yang tidak sempurna.

Table 2.3 Proper Combining Proportions For Perfect CombusionFuelStateSymbolcu ftO2/cuft fuelcu ftair/cuft fuellb O2perlb fuellb airperlb fuelcu ftO2/culb fuelcu ftO2/culb fuel

CarbonSolidC--2.66711.5231.65151.3

HidrogenCarbonGasH20.52,39834.594.8453

MonoxsideGasCoS0.52.390.5722.476.7932.5

SulfurSolidCH4--14.3211.8756.7

MethaneGasC2H629.56417.2847.4226.5

EthaneGasC3H83.516.723.73516.1244.3212

PropaneVaporC4H10523.93.63515.6843.1206.5

ButaneVaporC8H186.531.13.58515.4842.6203.5

OctaneLiquid--3.5115.1541.6199

Sumber : Yunus A. CengelPencampuran yang baik adalah yang homogen dan tiap partikel bahan bakar harus kontak langsung dengan udara. Pada awal pembakaran diperlukan nyala api, setelah sebagian kecil bahan bakar mulai terbakar, maka sebagian panas pembakaran digunakan untuk menaikkan temperatur bahan bakar sampai suatu saat temperatur bahan bakar cukup tinggi untuk terbakar sendiri.Efisiensi pembakaran bahan bakar yang digunakan untuk melebur aluminium dapat diketahui sebagai berikut : Serke, 2014Dimana : = Efisiensi pembakaran bahan bakar (%) HHV = High heating value bahan bakar (kal/gram) 2.4.1. Operasi Pembakaran Kalor pembakaran yang diperoleh dari reaksi bahan bakar dengan udara dipergunakan untuk :1. Menaikkan temperatur bahan bakar yang dibakar dalam dapur.2. Manaikkan temperatur ruang bakar.3. Sebagian besar terbuang sebagai :a. Radiasi kesekeliling.b. Terbawa keluar cerobong.c. Konduksi dan konveksi ke peralatan dapur.

2.4.2. Perpindahan PanasPerpindahan panas adalah perpindahan energi dari suatu tempat ke tempat lain yang disebabkan oleh perbedaan temperatur antara tempat satu ke tempat yang lain. Bila dalam suatu sistem terdapat gradien temperatur benda disinggungkan maka akan terjadi perpindahan energi yang disebut panas (heat). Energi ini tidak dapat diukur atau diamati secara langsung akan tetapi arah perpindahan dan pengaruhnya dapat diamati dan diukur. Pada umumnya terdapat tiga proses perpindahan panas yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Fluks kalor adalah (q) besarnya laju perpindahan kalor per satuan luas bidang normal terhadap arah perpindahan kalor.1. Konduksi (J.P. Holman, 1997)Jika suatu benda padat terdapat gradient temperatur, maka pada benda tersebut terjadi perpindaahan energi dari bagian temperatur tinggi ke bagian temperatur rendah.a. Dinding datar Di integrasikan Karena sama dengan maka persamaanya menjadi atau Di manaq = Laju perpindahan kalor ()k = Konduktifitas termal ()A = Luas penampang melintang () = Gradient temperatur kearah perpindahan kalor T = Temperatur (K)x = Ketebalan bidang yang dilalui kalor (m)Tanda negatif untuk memenuhi hukum termodinamika ke dua yang berbunyi kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam sekala temperatur. Apabila pada suatu sistem terdapat lebih dari satu macam bahan maka aliran kalor dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2.3 Perpindahan kalor dengan tiga lapisan berbedaSumber : J.P. Holman

Jika digambarkan dengan analogi listrik didapat :

Gambar 2.4 Perpindahan kalor dengan analogi listrikSumber : J.P. Holman

Dari gambar diatas dapat ditulis persamaan sebagai berikut : Dimana adalah tahanan termal (W/m2K)x = Tebal bidang (m)A,B,C = Luas permukaan bidang (m2)

b. Sistem radial atau silinder Silinder mengalami beda temperatur T1 To. Untuk silinder yang panjangya melebihi diameternya dapat kita asumsikan bahwa aliran kalor berlangsung menurut arah radial, sehingga koordinat ruang yang kita perlukan untuk menentukan sistem ini hanyalah jari-jari. Luas bidang aliran kalor dalam sistem silinder ini adalah : Sehingga menjadi

Ganbar 2.5 Aliran kalor pada pipa berlapisDengan kondis terbatas T = T1Pada r = r1 T = ToPada r = roDan tahanan termal dalam kondisi ini adalah : Penyelesaian persamaan diatas sebagai berikut : Dimana = Tahanan termal (W/m2K) ri = jari jari lingkaran dalam (m) ro = jari jari lingkaran luar (m)

2. Konveksi (J.P. Holman, 1997)Adalah perpindahan panas melalui fluida, disini laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda temperatur menyeluruh antara dinding dan fluida dan luas permukaan. Maka persamaan untuk perpindahan kalor konveksi sebagai berikut : Dimana :h = Koefesien perpindahan kalor konveksi (W/m2K)A = Luas permukaan (m2)Tw = Temperatur matrial (K) = Temperatur fluida (K)Koefesien perpindahan panas konveksi dapat di cari menggunakan persamaan sebagai berikut : Dimana Dimana Nu = Angka nusselt Gr = Angka grashofPr = Angka prandtlk = Konduktifitas termal udara (W/m K)d = Diameter silinder (m)mk = Karaktristik aliran fluidaC = Koefisien seret fluidag = Percepatan grafitasi (m/s2) = Koefesien volume pemuaian (K-1) dt = Gradient temperatur (K)v = Viskositas kinematik (m2/s)

Tabel 2.4 Konstanta persamaan untuk permukaan isotermalGeometriGrf PrfCM

Bidang dan silinder vertikal10-1-104104-109109-1013109-10130-10-5Gunakan grafik0.590.0210.100.4Gunakan grafik0.250.40.330

Silinder horizontal10-5-104104-109109-101210-10-10-210-2-102102-104104-107107-1012Gunakan grafik0.530.130.6750.020.850.480.125Gunakan grafik0.250.330.0580.1480.1880.250.33

Permukaan atas plat panasatau permukaan bawah plat dingin2x104-8x1060.540.25

Permukaan atas plat panasatau permukaan bawah plat dingin8x106-10110.150.33

Permukaan bawah plat panasatau permukaan atas plat dingin105-10110.270.25

Silinder verticalTinggi = diameterPanjang karakteristik = diameter104-1060.7750.21

Benda padat takteratur, panjangKarakteristik = jarak yang ditempuh partikel fluida 104-1090.520.25

Sumber : J.P. Holman3. Radiasi (J.P. Holman, 1997)Adalah perpindahan kalor melalui radiasi atau pancaran, kalor juga dapat berpindah melalui ruang hampa.

Jadi persamaan laju perpindahan kalor menyeluruh menjadi Dengan jika tahanan pada kondisi seriDimana U = Koefesien perpindaahan kalor menyeluruh ((W/m2K))A = Luas penampang menyeluruh (m2)

2.5. mmm