Dengan tahannya batu bata ini dipanasi sampai suhu sekitar 1715 C,
sedangkan suhu dapur yang direncanakan hanya lebih kurang 1300 C
sehingga batu bata tahan api jenis ini dapat digunakan untuk dapur pelebur, selain itu harga dari tiap batu bata tahan api jenis ini relative murah dari batu
bata jenis lain serta mempunyai kekuatan yang baik sehingga dapat menahan beban yang akan ditumpu oleh batu bata ini , keuntungan yang lain
adalah konduktivitas dari batu bata ini juga kecil sehingga dapat mengurangi panas yang keluar dari ruang bakar sehingga efisiensi panas dapat lebih
ditingkatkan.
4.3 Semen Tahan Api
Bahan pengikat berfungsi untuk mengikat batu serta untuk menutup celah yang terjadi dari penyusunan batu tahan api. Bahan pengikat yang
dipakai ini adalah semen tahan api yang juga dapat menambah ketahanan batu terhadap suhu tinggi.
Untuk dapur peleburan ini dipakai bahan pengikat semen tahan api dengan komposisi kimia :
a. SiO
2
dengan kadar 96,33 b.
Al
2
O
3
dengan kadar 0,28 c.
CaO dengan kadar 2,74
d. Fe
2
O
3
dengan kadar 0,56 e.
Na
2
O dengan kadar 0,04
f. K
2
O dengan kadar 0,04
g. TiO
2
dengan kadar 0,03
Ketahanan semen tahan api ini adalah 1400 C
Universitas Sumatera Utara
4.4 Dinding Luar
Dinding luar yang dipakai terbuat dari baja karbon dengan pengerjaan tempa. Ketebalan dinding adalah 2,5 mm. Plat baja karbon dirol untuk
membentuknya menjadi silinder berdiameter 900 mm. untuk dinding
penahan bagian bawah dipasang baja karbon dengan ketebalan 3 mm
Dimana:
L = π.D
L = Panjang plat sebelum dirol
D = Diameter drum mm
L = π . 900 = 2826 mm
Gambar 4.3. Bentangan Plat Massa dinding luar adalah :
m
3
= berat dinding samping m
3
= π . D
d
. t . d .
Universitas Sumatera Utara
dimana : D
d
= diameter dinding luar = 0,9025
t = tinggi dinding
= 0,8 m d = tebal dinding samping
= 0,0025 m = berat jenis dinding
= 7833 kgm
3
………......…lit.5 hal 581 Maka :
m
3
= π . 0,9025 . 0,8 . 0,0025 .7833 = 44,39 kg
Karakteristik dari dinding luar ini adalah: Bahan
: Baja karbon rendah AISI 1109 Titik cair
: 1170°C Konduktivitas thermal
: 54 Wm°C Kekuatan tarik
: 47 kgmm
4.5 Perhitungan Kebutuhan Kalor Aluminium
Bahan bakar yang dipakai untuk dapur pelebur ini adalah bahan bakar jenis padat, yaitu batubara. selain bahan bakar padat, dapur crucible
dapat juga menggunakan bahan bakar cair dan gas. Sifat-sifat yang penting dari bahan bakar ini adalah nilai pembakaran., berat atom, berat jenisnya
dan titik nyalanya.
Universitas Sumatera Utara
Untuk mendapatkan jumlah bahan bakar yang akan digunakan maka harus diketahui jumlah panas yang terpakai dan terbuang.
4.5.1. Kalor Untuk Melebur Alumunium Q1
Kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan alumunium meliputi: a
Q
A
yaitu kalor yang menaikkan temperature Alumunium padat dari 27°C suhu kamar hingga mancapai titik peleburan
Alumunium 660°C b
Q
B
yaitu kalor yang berubah fasa Alumunium padat menjadi cair kalor latent pada suhu 660°C.
c Q
C
yaitu kalor untuk menaikkan temperature alumunium cair dari 660°C ke temperature penuang 750°C.
Maka kalor yang dibutuhkan adalah: Q
1
= Q
A
+ Q
B
+ Q
C
= m
al
. C
pi
. Δt
i
+ m . h + m
a2
.C
P2.
Δt
2
Dimana : m
al
= massa alumunium yang akan dilebur =50 kg
C
P1
= panas jenis alumunium padat ….lit 5 hal 581 Δt
1
= parbedaan suhu dari titik cair alumunium dengan suhu kamar = 660-27°C
h = panas latent alumunium
.….lit 6 hal 680 = 95 kkalkg
C
P2
= panas jenis alumunium cair ….lit 5 hal 581 = 0,26 kkalkg°C
Universitas Sumatera Utara
Δt
2
= perubahan suhu dari temperature penuangan titik cair = 750-660°C
= 90°C Maka kalor untuk melebur alumunium sebesar :
Q
1
= 50 × 0,125 × 663 + 30 x 95 + 50 × 0,26 × 90 = 6163,75 kkal
= 25887,75 Kj
Dan dalam hal ini bahan bakar yang digunakan adalah batu bara coal,sedangkan batu bara ini mempunyai nilai kalor kotor 29.600
.
Tabel 4.7 Perbandingan Heating Value Bahan Bakar
Bahan Bakar Higher Calorific Value Gross
Calorific Value - GCV Nilai Kalor Kotor
kJkg Btulb
Aseton 29.000
Alkohol, 96 30.000
Antrasit 32.500 - 34.000 14.000 - 14.500
Bituminous coal 17.000 - 23.250 7.300 - 10.000
Butana 49.510
20.900 Karbon
34.080 coal
29.600 12.800
Coke 28.000 - 31.000 12.000 - 13.500
Diesel 44.800
19.300 Ethanol
29.700 12.800
Universitas Sumatera Utara
Ether 43.000
Bensin 47.300
20.400 Gliserin
19.000 Hydrogen
141.790 661.000
Lignite Batu bara muda
16.300 7.000
Methane 55.530
Oils 39.000 - 48.000
Gambut 13.800 - 20.500 5.500 - 8.800
Petrol 48.000
Petroleum 43.000
Propane Propane 50.350
Semi antrasit 26.700 - 32.500 11.500 - 14.000
Sulfur 9.200
Aspal 36.000
Terpenten 44.000
Kayu kering 14.400 - 17.400 6.200 - 7.500
kJm
3
Btuft
3
Asetilen 56.000
Butana C
4
H
10
133.000 Hydrogen
13.000 Gas alam
43.000 Metana CH
4
39.820 Propana C
3
H
8
101.000 Gas kota
18.000
Universitas Sumatera Utara
•
1 kJkg = 0.4299 Btu lb
m
= 0.23884 kcalkg 1 kJ kg = 0,4299 Btu lb = 0,23884
m
kkal kg
•
1 Btulb
m
= 2.326 kJkg = 1.8 kcalkg 1 Btu lb
m
= 2,326 kJ kg = 1,8 kkal kg
W Rose Cooper dan JR eds 1977 Data Teknis Bahan Bakar, edisi 7, Inggris Komite Nasional, Konferensi Energi Dunia, London.
Jadi kesimpulannya dalam proses peleburan logam Aluminium ini,batu bara dapat digunakan sebagai bahan bakar pada bapur crucible ini.
4.5.2 Kalor Yang Diserap Batu Tahan Api Q
2
Untuk mengetahuin berapa banyak kalor yang diterima bata selama proses peleburan dapat dihitung dengan rumus :
Q
2
= m
b
. C
P3
. d
t
Dimana : m
b
= massa batu bata yang menerima panas C
P3
= panas jenis batu bata ….….lit 5 hal 585
= 0,84 kkalkg°C d
t
= perubahan suhu di batu bata = suhu rata-rata batu tahan api bagian luar adalah :
= = 36°C
Universitas Sumatera Utara
Suhu rata-rata batu tahan api bagian dalam adalah: = 620 + 36 2
= 328°C Dengan demikian maka perubahan suhu d
t
yang terjadi adalah : = 328 – 27
= 301°C Massa batu tahan api menerima panas adalah :
m = . . D
lb 2
– d
db 2
. t
b
. ρ
dimana : D
lb
= diameter luar bata = 0.9 m
D
db
= diameter dalam bata = 0,5 m
t
b
= tinggi dapur 0.8 m = berat jenis bata
= 1600 kgm
3
Maka : m
= . . 0,9
2
– 0,5
2
. 0,8 . 1600 = 562,668 kg
Sehingga banyaknya panas yang diserap batu bata adalah : Q
2
= 562,668. 301 . 0,84 = 71135,016 kkal
= 597534.142 kJ
Universitas Sumatera Utara
4.5.3 Panas Yang Diserap Dinding Plat Luar Q
3
Bidang yang mengalami perubahan suhu pada bidang dinding luar ini sama dengan yang dialami batu tahan api.
Maka besarnya kalor yang diserap oleh dinding plat luar adalah: Q
3
= m
pl
. C
P4
. d
t
Dimana : m
pl
= massa plat luar C
p4
= panas jenis plat luar = 0,46 kkalkg°C
d
t
= perubahan suhu plat
massa plat yang mengalami perubahan suhu adalah : m
= π . D
p
. t
p
. d
p
. dimana :
D
p
= diameter luar = 0,9025 m
d
p
= ketebalan dinding plat = 0,0025 m
t
p =
tinggi dapur 0.8 = berat jenis dinding plat
…….….lit 5 hal 581 = 7833 kgm
3
Maka : m
= π x 0,90250 x 0,8 x 0,0025 x 7833 = 443950 kg
Universitas Sumatera Utara
Suhu pada plat yang tertinggi adalah 45°C, Maka suhu rata-rata yang dialami dinding plat adalah :
= 36°C Maka perubahan suhu d
t
yang terjadi adalah : 36 – 27 = 9°C
Maka : Q
3
= 443950 kg . 0,46 kkal kg°C . 9°C = 91,895 kkal
= 768626 kJ
4.5.4 Panas yang Diserap Cawan Lebur Q
4
Cawan lebur adalah bagian yang paling besar mengalami perubahan suhu. Besarnya kalor yang diserap cawan lebur ini adalah :
Q
4
= m
cl
. C
P5
. d
t
Dimana : M
cl
= massa cawan lebur = 26,798 kg
C
P5
= panas jenis cawan lebur ……...….lit 5 hal 585
= 0,46 kkalkg°C d
t
= perubahan suhu = 755 - 27
= 728°C
Universitas Sumatera Utara
Maka : Q
4
= 26,798kg. 0,84 kkalkg°C . 728°C = 16387,51 kkal
= 68827,55 kJ
Q
4
kalor pembakaran 68827,55 Q
1
kalor yang dibutuhkan untuk melebur alumunium 25887,75. Dapat disimpulkan bahwa kalor yang
dihasilkan dapur crucible telah memenuhi untuk melebur 50 kg paduan alumunium.
4.5.5 Kalor Total Yang Terserap Q
tot
Banyaknya kalor total adalah jumlah dari keseluruhan kalor yang terserap oleh bahan dapur yaitu :
Qtot = Q
1
+ Q
2
+ Q
3
+ Q
4
= 25887,75+ 597534.142 + 768626 + 68827,55 kJ = 1460875,304 kJ
4.5.6 Laju Aliran Panas ke Dinding Samping q
1
Laju aliran panas ke dinding samping harus diperkecil semaksimal mungkin, agar tidak banyak panas yang terbuang. Cara memperkecil laju
aliran yang besar adalah dengan memakai alat penyekat yang baik. Alat penyekat yang baik tergantung pada jenis penyekat dan ketebalannya.
Semakin kecil konduktivitas dan semakin besar ketebalan panas yang akan diisolasi akan semakin baik. Proses perpindahan panas adalah secara
konduksi dan konveksi.
Universitas Sumatera Utara
Batu tahan api
Cawan lebur
Konveksi
Konduksi Radiasi
Konduksi
Gambar 4.6. Perpindahan panas secara konduksi dan konveksi Perpindahan panas meliputi :
a perpindahan panas secara konduksi dari sumber panas ke
dinding bata. b
Perpindahan panas secara konduksi dari dinding bata ke plat baja.
c Perpindahan panas secara radiasi dari dinding plat ke udara
bebas.
Gambar 4.7. gambar dinding dapur
Universitas Sumatera Utara
Maka besar perpindahan kalor yang terjadi pada dinding dapur adalah: q =
Dimana : T
1
= temperature ruang bakar = 755°C
T
2
= temperature luar ruang bakar = 27°C
r
1
= jari-jari dalam batu = 0,25 m
r
2
= jari-jari luar batu = 0,45 m
r
3
= jari-jari luar dinding = 0,45 m + 0,0025 m
= 0,4525 m L = 0,8 m
k
b
= konduktivitas thermal ……………..…lit 5 hal 584
= 0,69 Wm°C k
p
= konduktivitas thermal dinding plat baja ..lit 5 hal 581
= 54 Wm°C h
= koefisien perpindahan panas konveksi koefisien perpindahan panas konveksi dapat dicari dengan rumus:
h = Nu. kd
………….…….….lit 5 hal 261 Dimana :
Nu = bilangan nusselt d = diameter silinder plat
Universitas Sumatera Utara
= 0,9 m + 0,05 m = 0,905 m
k = konduktivitas thermal udara
konduktivitas thermal udara bergantung pada suhu, suhu film t
f
= t
p
+ t
I
2 = 45 + 27 2
= 36°C Maka sifat-sifat udara pada 36°C adalah:
a Koefisien suhu konduktivitas thermal β
= 1t
f
= 136°C = 1305°K
= 3,2 × 10
-3
°C b
Viskositas kinematika v = 1666 . 10
-5
m
2
s c
Konduktivitas thermal k = 0,02692 wm°C
d Bilangan prandal p
r
=0,70602 ………….….lit 5 hal 589
Bilangan nusselt dapat dicari dengan rumus : Nu
12
= 0,825 + …….….lit 5 hal 303
Jika 10
-1
Gr . Pr. 10
-12
Universitas Sumatera Utara
Gr . Pr = . Pr
…….….lit 5 hal 229
=
= 0,1073.10
10
Maka :
Nu
12
= 0,825 +
= 11,204 Maka bilangan nusselt : Nu = 125,536
Maka : h
= 125,536 × 0,026920,905 = 3,734 Wm°C
maka : q =
` =
=
q = 2388,45 W
q = 8594,42
Universitas Sumatera Utara
4.5.7 Panas yang Terbuang Melalui Lubang Cawan Pelebur q
2
Panas yang keluar melalui lubang cawan pelebur keluar secara konveksi.
Perpindahan panasnya dapat dihitung dengan rumus: q
2
= h
2.
Adt Dimana:
h
2
= koefisien perpindahan panas konveksi h
2
dapat dicari dengan rumus h
2
= k.Nu
d
……………………………. lit 5 hal 261 Dimana:
k = konduktivitas thermal udara Nu
d
= Bilangan Nusselt Sifat udara pada suhu 755
o
C atau 1028 K dari literature 5 hal 589 dapat diketahui antara lain:
ρ = 0,338 kgm
3
α = 1,754 x 10
-4
m
2
detik μ = 4,251 x 10
-5
kgm.s k = 0,0701 Wm
o
C p
r
= 0,703
untuk mencari bilangan Nusselt dapat dicari dengan rumus : Nu
dh
= 0,023 [ 1+ Dh 1
0.7
] Redh
0,8
.p
r 0,3
…..lit 5 hal 283
Universitas Sumatera Utara
Dimana : Re
dh
= ρ.v.Dh μ
Karena v = 5m detik ditentukan Maka: Re
dh
= 0,388 x 5 x
= 22823,52 Sehingga alirannya adalah turbulen
Nu
dh
= 0,023 [ 1 + 0,5 1
0,7
].[22823,52]
0,8
.[0,703]
0,33
= 101,446 Maka:
h
2
= 0.0701 x 101,446 = 7,112 W m
o
C A = Luas permukaan lubang cawan pelebur
= π 4 d
2
= π 4. 0,244
2
A = 0,04673 m
2
dt = 755 – 27 = 728
o
C q
2
= 7,112 W m
2
C x 0,0633 m
2
x 728
o
C = 327,738 W
= 1376,499 kJjam
Universitas Sumatera Utara
Banyaknya laju aliran kalor yang terbuang dalam proses peleburan ini adalah :
q
t
= q
1
+ q
2
= 8594,42 + 1376,49 kJjam = 9970,91 kJjam
4.5.8 Waktu Peleburan
Untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan untuk dapat meleburkan 50 kg alumunium dalam dapur pelebur ini maka harus mengetahui berapa
besar laju aliran panas ke cawan lebur dapat dicari dengan rumus :
Konduksi
Gambar 4.8. gambar cawan lebur
q
3
=
1 2
T T
x kA
− ∆
………………………….…….lit.5 hal 26 Dimana:
K = konduktivitas cawan lebur
Universitas Sumatera Utara
= 43 W m
o
C A
= Luas permukaan cawan lebur = ¼.
π.d
2
= ¼. π. 0,244
2
= 0,04673 m
2
T
1
= Suhu bagian dalam cawan = 750
o
C T
2
= Suhu bagian luar cawan = 755
C Δx
= ketebalan cawan lebur = 0,028 m
Maka : q
3
=
q
3
= q
3
= 3002,65 Watt q
3
= 10809,45kJJam Waktu yang dibutuhkan untuk logam alumunium padat menjadi cair
pada dapur pelebur ini dapat diketahui dari besarnya angka perbandingan antara kalor yang dibutuhkan logam alumunium untuk dapat melebur
dengan laju aliran kalor yang diterima oleh cawan lebur,yaitu: t
=
= jam
10809,45kJ 25887,75kJ
= 2,4 Jam
Universitas Sumatera Utara
Dengan didapatinya waktu peleburan maka banyaknya kalor yang terbuang selama proes peleburan dapat diperoleh dengan :
Q
t2
= q
t .
t = 9970,91 kJjam x 2,4 Jam
=23930,184 Kj
4.5.9. Efisiensi Dapur Crucible
Untuk mengetahui efisiensi dari dapur crucible ini.kita harus mengetahui jumlah kalor yang dihasilkan dan jumlah kalor yang terbuang
Efisiensi terpakai =
output input
x 100
Dimana : Q
t1
= kalor total yang dihasilkan selama peleburan = 1427301.714 kJ
Q
t2
= kalor total yang terbuang selama peleburan = 23930,184 Kj
Q
t3
= kalor total yang terpakai selama peleburan = Q
t1
– Q
t2
= 1426302,114 KJ – 23930,184 Kj = 1402371,93 Kj
Efisiensi terpakai =
x 100 = 98,25
Universitas Sumatera Utara
4.6. Tabel Hasil Perhitungan
Setelah didapat hasil perhitungan maka berat total dari bahan dapur dapat dilihat pada tabel 4.1
Tabel 4.1.Berat total dapur
Bahan dapur
Cawan lebur Batu bata
Plat dinding bagian samping 26,798 kg
746,44 kg 44,39 kg
Berat total dapur 817,628 kg
Setelah hasil perhitungan diatas maka banyaknya kalor yang terserap oleh bahan dapur pelebur dapat dilihat pada tabel 4.2
Tabel 4.2 Total kalor yang terserap bahan dapur untuk aluminium
Bahan yang diserap Total kalor yang terserap
Kalor yang terserap Alumunium Q
1
Kalor yang terserap batu tahan apiQ
2
Kalor yang terserap dinding plat luar Q
3
Kalor yang terserap cawan lebur Q
4
25887,75 kJ 597534,142 kJ
768626 kJ 37691,279 kJ
Total kalor yang terserap Q
t
1429739,171 kJ Sedangkan untuk laju aliran panas yang terbuang didapur ini dapat
dilihat pada tabel 4.3 Tabel 4.3. Total laju aliran panas
Bahan yang menerima kalor
Laju aliran kalor ke dinding plat samping Panas keluar melalui lubang cawan pelebur
4562,55 kJjam 1376,499 kJjam
Total laju aliran kalor
5939,042 kJjam
Universitas Sumatera Utara
Dari perhitungan dan data dihasilkan sebuah dapur Crucible yang cocok digunakan untuk laboratorium foundry dengan karakteristik sebagai
berikut: 1. Dapur Crucible:
a. Jenis dapur •
Dapur yang digunakan adalah dapur pelebur jenis Crucible b. Kapasitas
• Kapasitas peleburan 50 kg
c. Dimensi dapur •
Diameter dinding luar : 900 mm
• Tebal dinding luar
: 2,5 mm •
Tinggi dapur : 800 mm
d. Cawan lebur Crucible •
Tinggi cawan : 370 mm
• Diameter cawan
: 300 mm •
Tebal cawan : 28 mm
2.Bahan penyekat panas a. Bahan Dapur
• Jenis
: batu tahan api SK 32 •
Panjang : 200 mm
• Lebar
: 100 mm •
Tebal : 50 mm
b. Bahan pengikat
• Jenis semen tahan api
4.7 Proses Pembuatan Dapur
