Perencanaan Tanur Busur Listrik Dengan Kapasitas 25 Ton Baja Cair

SKRIPSI

TEKNIK PENGECORAN LOGAM

PERENCANAAN TANUR BUSUR LISTRIK DENGAN

KAPASITAS 25 TON BAJA CAIR

OLEH :

NIM : 070421004

DESMOND JOSUA BUTAR-BUTAR

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang oleh berkat dan penyertaannya yang diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikannya di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Pengecoran Logam, dengan judul Tugas Sarjana : “ Perencanaan Tanur Busur Listrik dengan

kapasitas 25 ton baja cair”.

Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar – besaranya kepada:

1. Ibu. Raskita S Meliala, sebagai dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan kepada penulis.

2. Bapak Dr,Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin FT USU.

3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku Dosen Penguji 1. 4. Bapak Ir. Isril Amir selaku Dosen Penguji 2.

5. Kedua orang tua penulis; ayahanda Jhony T Butar-butar dan ibunda Tumiar Nainggolan. Yang dengan tida henti-hentinya memberi dukungan dan doa kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

6. Kedua saudara Penulis; Jefri N S dan Jans Henry, yang telah memberikan dukungan dalam menyelesaikan Tugas sarjana ini.

7. Nelly H L Tobing, yang tiada henti-hentinya memberikan perhatian dan dukungan doa kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

8. Pimpinan PT. Grwoth Sumatera Industry, Ltd . yang memberikan keleuasaaan kepada penulis untuk mengikuti perkuliahan di Departemen Teknik USU dan sekaligus memberikan kesempatan untuk menyelesaikannya.

9. Teman – teman mahasiwa teknik mesin extension USU, Jasran, Wilson M G, Medan G, Ramces S, Vaddin G, Prancis S, Reinhard A S, Freddy, Erwin R, Linggam yang telah memberikan masukan dan saran untuk penulis dalam menyelesaikan Tugas Skripsi ini.

Dalam menyusun tugas skripsi ini penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi perbaikan tulisan ini.

Akhir kata penulis mengucapkan terimakasih dan semoga tugas skripsi ini bisa berguna bagi kita semua.

Medan , Desember 2009

070421004 Desmond Josua BB

DAFTAR ISI

LEMBAR SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN TUGAS AKHIR EVALUASI SEMINAR SARJANA ABSENSI PEMBANDING BEBAS

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... x

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Maksud dan Tujuan ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Metode Penulisan ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sejarah Peleburan Logam ... 5

2.2 Proses Pelebuaran dengan Menggunakan Electric Arc Furnance ... 5

2.2.1 Pengertian Electric Arc Furnance ... 5

2.2.2 Struktur dari Tanur Busur Listrik ... 6

2.2.3 Proses Kimia dan Fisika Pada Tanur Busur Listrik ... 9

2.2.3.1 Proses Pencairan ... 9

2.2.3.2 Proses Oksidasi ... 9

2.2.3.3 Thermodinamika pembuatan baja ... 10

2.3.3.4 Proses Reduksi ... 11

2.2.4 Pengoperasian Tanur Busur Listrik ... 11

2.3 Hasil dari Proses Peleburan dengan Tanur Busur Listrik ... 12

2.3.1 Cairan Logam yang Bersih ... 13

2.3.2 Pencapaian Temperatur dan homogenisasi ... 15

BAB 3 PERENCANAAN DAPUR 3.1 Tanur Busur Listrik (EAF) ... 16

3.2 Aliran Proses Pembuatan Billet ... 17

3.3 Perencanaan Ukuran Tanur ... 18

3.3.1 Ukuran Tanur Bagian Dalam ... 18

3.4 Perencanaan Lapisan Isolator Tanur ... 24

3.5 Volume dan Massa Tiap Lapisan Tanur ... 35

3.5.1 Volume Tanur ... 35

3.5.2 Lapisan A ... 35

3.5.3 Lapisan B ... 36

3.5.4 Lapisan C ... 37

3.6 Dinding dan Tutup Tanur ... 38

3.6.2 Tutup Tanur ... 40

3.7 Distribusi Panas Pada Dinding Tanur ... 41

3.8 Distribus Panas Pada Tutup Tanur ... 43

3.9 Volume, Massa Dinding dan Tutup Tanur ... 45

3.9.1 Lapisan D ... 45

3.9.2 Lapisan E ... 45

3.9.3 Lapisan F ... 46

3.9.4 Lapisan G ... 46

3.9.5 Udara dalam tanur ... 47

3.9.6 Massa Tanur Keseluruhan ... 47

BAB 4 PERENCANAAN DAYA 4.1 Kalor Untuk Memanaskan Bagian – bagian Tanur ... 48

4.1.1 Lapisan A ... 48

4.1.2 Lapisan B ... 49

4.1.3 Lapisan C ... 50

4.1.4 Lapisan D ... 50

4.1.5 Lapisan E ... 51

4.1.6 Lapisan F ... 52

4.1.7 Lapisan G ... 53

4.1.8 Kalor Total yang dibutuhkan untuk memanaskan tanur ... 53

4.19 Kalor Untuk Memanaskan Udara Dalam Tanur ... 54

4.1.10Kalor yang terbuang melalui udara ... 54

4.1.11Total kalor Untuk Pemanasan Udara ... 55

4.2 Proses Peleburan Baja ... 56

4.2.1 Proses 1 ... 56

4.2.2 Proses 2 ... 57

4.2.3 Proses 3 ... 57

4.3 Daya Tanur dan Transformator ... 58

4.3.1 Daya Pengoperasian Normal ... 59

4.3.2 Daya Pengoperasian khusus ... 59

4.4 Kesetimbangan Kapasitas Tanur dan CCM ... 62

BAB 5 KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan ... 64

DAFTAR PUSTAKA ... 67 LAMPIRAN

DAFTAR SIMBOL

Vbj Volume baja cair m3

ρbj Massa jenis baja cair 3

m kg

Bbj Massa baja kg

r Jari – jari tanur m

H Tinggi m

rC Jari – jari permukaan cairan baja m

tS Tinggi selinder tanur m

V Volume tanur m3

A Luas Bidang m2

r1 Radius Dasar Tanur m

Te Suhu evluasi oC

Tw Suhu dasar tanur oC

Tf Suhu film oC

L Dimensi karakteristik m

GrL Bilangan grashop

Tw Suhu dinding rata-rata oC

T∞ Tempertaur lingkungan oC

Nu Angka nuselt h koefisien konveksi

C m W

o

Ra Tahanan termal m C_W

o

σ Konstanta bolztman 2 4

K m W

T Temperatur lapisan oC

BTB Massa tanur keseluruhan kg

cp Spesific Heat

C kg kj

o

dT Perubahan temperatur rata - rata oC

T@ Waktu 1 kali pengisian detik

Є Emisivitas

QOP Daya Tanur kW

QOP Daya pengoperasian normal kW

POP Daya pengoperasian normal kW

PTR Daya Transformator kW

Q Debit baja cair

jam m3

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Gambar Potongan Tanur busur ... 7

Gambar 3.1 Diagram alir Proses Pembuatan Billet ... 17

Gambar 3.2 Perencanaan Tanur Bagian Dalam ... 19

Gambar 3.3 Luas Pemukaan Yang Bersentuhan Dengan Cairan ... 22

Gambar 3.4 Permukaan Dalam Selinder ... 23

Gambar 3.5 Sket Untuk Lapisan Tanur ... 24

Gambar 3.6 Penampang Dalam Tanur ... 35

Gambar 3.7 Potongan Lapisan A ... 35

Gambar 3.8 Potongan Lapisan B ... 36

Gambar 3.9 Potongan Lapisan C ... 37

Gambar 3.10 Potongan Lapisan Dinding tanur ... 38

Gambar 3.11 Potongan Penampang Tutup Tanur ... 40

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1 Faktor konversi ... L-1 Lampiran 2 Sifat – sifat Penampang ... L-2 Lampiran 3 Nilai Sifat – Sifat Logam ... L-3 Lampiran 4 Sifat –Sifat Bukan Logam ... L-4 Lampiran 5 Sifat mekanis dari Baja ... L-5 Lampiran 6 Spesifikasi Cawan Lebur dan Dudukannya ... L-6 Lampiran 7 Macam-Macam Bentuk Bata Tahan Api ... L-7 Lampiran 8 Sifat –Sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer ... L-8 Lampiran 9 Sifat – sifat zat Padat ... L-9 Lampiran 10 Karakteristik Bahan-Bahan Tahan Api ... L-10 Lampiran 11 Sifat – Sifat Bahan refaktori ... L-11 Lampiran 12 Panjang Ekuivalen Rata-rata Le ... L-12

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Industri logam mempunyai prospek yang sangat cerah dan potensial saat ini . Hal ini dapat kita lihat dari perkembangan yang sedang berlangsung dan gencar-gencarnya dilaksanakan oleh pemerintah kita, antara lain :

a) Pembangunan gedung-gedung b) Pembangunan jembatan c) Irigasi

d) Instalasi mekanisasi irigasi pertanian, Dll

Semua itu tentu tidak terlepas dari konstruksi baja seperti beton, besi as, kawat, baja dan lain-lain. Dimana bahan ini dihasilkan oleh industri baja yang mengelola bijih-bijih logam menjadi bahan setengah jadi atau bahan setengah jadi menjadi bahan jadi.

Billet adalah hasil produk dari pengecoran logam . Billet ini dapat disebut bahan setengah jadi dari proses peleburan biji besi atau baja bekas yang dicetak menggunakan mould tube pada CCM (Continious Casting Machine). Billet merupakan bahan setengah jadi yang akan mengalami proses mekanis seperti pengerolan menjadi baja konstruksi atau produk baja lainnya.

Continuous Casting Machine adalah suatu rangkaian mekanisme pencetakan baja cair menjadi billet secara terus - menerus dengan ukuran penampang yang bervariasi.. Dengan proses ini akan tercapai efisiensi yang cukup tinggi.

1.2 Maksud dan Tujuan

Adapun tujuan penulisan perencanaan Tanur Busur Listrik dibagi menjadi 2 (dua) bagian yaitu :

1.2.1 Tujuan Umum

a) Untuk lebih memahami tentang proses peleburan baja dengan menggunakan Tanur Busur Listrik.

b) Mendapatkan ukuran – ukuaran utama Tanur Busur Listrik.

c) Mendapatkan ukuran yang optimal untuk kebutuhan Continuous Casting Machine (CCM).

1.2.2 Tujuan Khusus

Sebagai salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa untuk menyelesaikan studi strata - satu (S1) pada Departemen Teknik Mesin Universitas Sumetera Utara.

1.3 Batasan Masalah

Industri baja adalah salah satu industri yang cukup dinamis dan sangat potensial, sehingga untuk mendukung industri ini tentu diperlukan rangkaian peralatan penunjang yang efektif dan efisien, dalam hal ini adalah Continious Casting Machine (CCM) . Untuk mensuplai baja cair kedalam CCM yang bekerja secara terus menerus diperlukan dapur peleburan yang memiliki kapasitas yang cukup basar dan dengan jumlah unit yang lebih dari 1 (satu) unit. Dapur peleburan ini adalah Tanur Busur Listrik (Electrik Arc Furnance).

Untuk pembahasan tentang Tanur Busur Listrik ini memerlukan waktu yang lama dan dapat juga memungkinkan kesulitan daalam menentukan tujuan

pembahasan tanur itu sendiri, oleh karena itu pembahasan disini hanya mengenai perencanaan tanur yang berupa :

a) Tanur Busur Listrik

b) Perencanaan Ukuran Tanur

c) Perencanaan Lapisan Isolator Tanur Kemudian perencanaan daya yang berupa :

a) Kalor untuk memanaskan bagian-bagian tanur b) Daya tanur dan transformator

c) Keseimbangan kapasitas tanur dan CCM

Berdasarkan hal ini penulis membatasi pengkajian hanya pada ruang lingkup perencanaan diatas.

Dengan adanya pembatasan masalah ini, maka diperoleh judul untuk Tugas Sarjana ini yaitu : “Perencanaan Tanur Busur Listrik dengan Kapasitas 25 ton Baja Cair”.

1.4 Metode Penulisan

Dalam menyelesaikan perancangan tanur busur listrik ini dipakai tiga metode dasar penyelesaian, yaitu:

1. Survey Lapangan

Disini dilakukan survey lapangan ke P.T Growth Sumatera Industri, Ltd yang menggunakan 4 (empat) unit tanur busur listrik dalam operasinya. Dalam memperoleh data ini penulis melakukan pengukuran dimensi tertentu dari tanur dan juga pengukuran temperatur.

2. Studi literatur.

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku – buku dan tulisan yang berhubungan dengan hal yang dibahas

3. Diskusi

Berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing dan tukar pikiran dengan mahasiswa mengenai rancangan yang akan dilakukan.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan tugas sarjana ini adalah sebagai berikut:

1. BAB I : Pendahuluan, berisikan latar belakang, maksud dan tujuan perencanaan, batasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan.

2. BAB II : Tinajuan Pustaka, berisikan tentang teori – teori mengenai Tanur busur Lsitrik.

3. BAB III : Perencanaan Dapur, berisikan kapasitas dapur dan ukuran ukuran utama, perencanaan isolator pada cawan lebur, perencanaan isolator pada dinding tanur, perencanaan isolator pada tutup tanur.

4. BAB IV : Perencanaan Daya, berisi perencanaan daya tanur busur listrik dan perencanaan daya transformator.

5 BAB V : Kesimpulan, berisikan garis besar hasil perencanaan secara keseluruhan.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Peleburan Logam

Sejarah pengecoran logam dimulai ketika orang mengetahui hal bagaimana mencairkan logam dan bagaimana membuat cetakan. Hal ini berlangsung kira-kira tahun 2000 SM dan dalam zaman cina kuno semasa YIN, kira-kira 1000 -1500 SM.

Teknik pengecoran Mesopotamia diteruskan juga ke Eropa 1400 – 1500 SM. Barang-barang seperti mata baja dan mata tombak dibuat di Spanyol, Swiss, Jerman, Australia, Norwegia, serta Denmark , Swedia, Inggris Perancis. Sedangkan teknik pengecoran India dan Cina diteruskan ke Jepang dan Asia Tenggara, sehingga di Jepang banyak arca Budha yang dibuat antara 600 – 800 SM.

Penggunaan besi dimulai dengan jalan penempaan, sama dengan tembaga. Orang-orang Mesir dan Asiria menggunakan perkakas besi antara tahun 2700 – 2800 SM. Kemudian di Cina antara tahun 800 – 900 SM.

Menurut sejarah, meriam pertama dibuat tahun 1313 dari perunggu dengan proses pengecoran oleh pendeta dari kota Ghent. Benda-benda seni dan patung telah dibuat di Itali oleh Bevenoutu Cellcini dengan gabungan cetakan tanah dan lilin. Leonardo da vinci juga menggunakan cara ini untuk membuat beberapa bagian karya seninya.

Vannocio B iringuccio (1480 – 1539) adalah seorang tukang cor yang bisa disebut sebagai bapak industri pengecoran. Ia adalah orang yang menulis praktek pengecoran secara detail, analisa secara bersamaan dengan pendekatan di lapangan

karya Biringoccio meliputi semua hal yang disebut metallurgy pada abad ke 16. Hingga kini pernyataan tiga hal penting masih berlaku.

a. Membuat dan merencanakan dengan baik b. Melebur dan mencairkan logam dengan baik

c. Mengatur komposisi dan hubungan hasil yang baik

Tahun 1730 di Inggris, Abraham Darby, mengambil inisiatif penggunaan batu bara untuk bahan bakar untuk pengecoran. Sejak itu besi dapat diproduksi dengan biaya sepertiga dari biaya semula. Itu sebabnya batu bara menjadi bahan

penting dalam pengecoran logam (Besi).

2.2 Proses Peleburan Dengan menggunakan Electric Arc furnance

2.2.1 Pengertian Electric Arc furnance (EAF)

Tanur Busur Listrik (EAF) adalah peralatan / alat yang digunakan untuk proses pembuatan logam / peleburan logam, dimana besi bekas dipanaskan dan dicairkan dengan busur listrik yang berasal dari elektroda ke besi bekas di dalam tanur.

Ada dua macam arus listrik yang bisa digunakan dalam proses peleburan dengan EAF, yaitu arus searah (direct current ) dan arus bolak – balik ( alternating current). Dan yang biasa digunakan dalam proses peleburan adalah arus bolak-balik dengan 3 fase menggunakan electroda graphite.

Salah satu kelebihan EAF dari basic oxygen furnance adalah kemampuan EAF untuk mengolah scrap menjadi 100 % baja cair. Menurut survei sebanyak 33% dari produksi baja kasar (crude steel) diproduksi menggunakan Tanur busur listrik

(EAF). Sedangkan kapasitas porduksi dari EAF bisa mencapai 400 ton. Kelebihan lain dari EAF ini adalah energi yang dikeluarkan busur listrik terhadap logam bahan baku sangant besar, menyebabkan terjadinya okisdasi besar pada logam cair. Hal ini menyebabkan karbon yang terkandung di dalam logam bahan baku teroksidasi sehingga kadar karbon dalam logam tersebut menjadi berkurang. Bentuk fisik dari dapur (EAF) ini cukup rendah sehingga dalam hal pengisian bahan bakunya pun sangat mudah. Dalam hal pengoperasiannya pun EAF juga tidak terlalu sulit karena hanya memerlukan beberapa orang operator yang memantau proses peleburan dan penggunaan listrik pada dapur tersebut.

2.2.2 Struktur dari Tanur Busur Listrik (EAF)

Gambar 2.1 Potongan Tanur Busur Listrik

Struktur dari Tanur busur listrik adalah Tungku oval (bagian bawah), dinding tanur yang berbentuk selinder, dan tutup tanur yang bisa bergerak menutup dan

membuka untuk proses pengisian. Pada tutup tanur terdapat 3 buah lubang yang merupakan dudukan elektroda grafit, yang terdiri dari mekanisme penjepit elektroda. Sedangkan elektroda tidak bertopang pada tutup tanur melainkan bertopang pada rangka tersendiri dan rangka tersebut memiliki mekanisme pengangkat dan untuk menurunkan elektroda pada posisi – posisi yang dapat diatur pada waktu pengoperasian. Untuk mengurangi rugi kalor (heat loses) pada tutup tanur, maka tutup tanur dilapis dengan isolator panas.

Pada dinding pelindung tanur terdapat batu tahan api sebagai isolator panas bagian dalam yang dihasilkan tanur tersbut. Pada dinding tanur ini tidak diperlukan lagi lining karena pada bagian ini tidak lagi bersentuhan dengan cairan. Sedangkan kotruksi luar dari dinding di tutupi oleh pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada dinding bagian luar ini juga terdapat sistem pendingin yang menggunakan fluida air sebagai media pendinginan.

Pada bagian tungku oval (spherical hearth) terdapat 3 lapisan yaitu lapisan lining kemudian lapisan batu tahan api dan sebagai kontruksi bagian luar digunakan pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada bagian ini juga terdapat tapping spout atau yang lebih dikenal dengan istilah saluran penuangan, yang digunakan untuk proses penungan cairan yang akan di cetak atau diatur komposisinya di ladle furnance. Pada bagian yang berhadapan dengan tapping spout adalah slaging door atau yang lebih dikenal dengan pintu slag, yang digunakan untuk mengeluarkan slag. Untuk mengatur posisi penuangan dan pengeluaran slag, terdapat mekanisme pada dasar bagian luar tanur yang berbentuk roda gigi berpasangan yang digerakkan oleh screw bar.

2.2.3 Proses Kimia dan Fisika pada Tanur Busur Listrik

2.2.3.1 Proses Pencairan (Melting Process)

Proses pencairan terjadi pada voltase rendah (short arc) antara elektroda grafit dengan besi scrap. Busur listrik pada periode ini tidak stabil. Sehingga untuk menstabilkan busur listrik tersebut beberapa buah besi scrap diletakkan pada lapisan bagian atas dari muatan tanur. Elektroda akan bergerak turun untuk mencairkan secara perlahan – lahan dan melakukan penetrasi ke kumpulan scrap dan membentuk lubang. Sedangkan cairan baja yang sudah melebur akan bergerak kebawah (dasar tanur) .Ketika elektroda telah mencapai permukaan cairan baja tersebut, maka busur listrik dari elektroda akan segera stabil dan voltase listrik akan meningkat (long arc). Pada proses pencairan pertama biasanya akan mencairkan baja 85% dan meningkat sampai 100% ketika pada pencairan ke tiga. Temperatur dari busur listrik mencapai 6300 oF (3500oC)

2.2.3.2Proses oksidasi

Pada proses ini kadar karbon, fosfor,silicon dan mangan akan teroksidasi, dan prosesnya sama dengan proses yang terjadi pada Basic Oxygen Furnance. Proses oksidasi slag terdiri dari kapur (CaO) dan ion dari biji logam (FeO) digunakan selama periode oksidasi. Gas yang mengadung oksigen mungkin akan terhisap kedalam cairan baja untuk penambahan oksidasi. Oksidasi besi akan meningkatkan jumlah oksigen pada cairan baja sesuai dengan reaksi dibawah.

(FeO) = [Fe] + [O]

[C]+[O]={CO} [Si]+{O2}=(SiO2)

[Mn]+1/2{O2}=(MnO)

2[P] + 5/2{O2} = (P2O5)

karbon monooksida secara parsial akan terbakar di atmosfer

{CO} + {O2} = {CO2}

C O

CO

a P

P K

. 2

2

dimana:

ln K : -∆Go /RT

PCO2 : Tekananan Parsial Gas CO2

Po2 : Tekanan parsial gas O2

aC : Aktivitas Carbon dalam zat cair

T : Temperatur, K R : Ketetapan Gas.

∆Go : Enenrgi Bebas Standard 2.2.3.3Thermodinamika Pembuatan Baja

Parameter thermodinamika

 Enthalpi (H) : Energi yang terlibat dalam suatu proses, secara praktis digunakan perubahan Entalpi (∆H). Jika suatu reaksi ∆H negatif maka reaksi akan menghasilkan panas, begitu sebaliknya. Jika ∆H positif maka reaksi akan menyerap panas

 Energi Bebas Gibbs (G) : secara defenisi G adalah H dikurang entropi (s), yaitu suatu besaran termodinamika definisi perubahan energi bebas Gibbs

(∆G) yang merupakan ukuran kemudahan suatu proses terjadi , ∆G negatif maka proses atau reaksi semakin mudah terjadi.

∆HoREAKSI = ∆Ho (PRODUK) - ∆Ho (REAKTAN)

∆Go = 0 : Reaksi dalam kesetimbangan

∆Go < 0 : Reaksi Spontan ke kanan

∆Go > 0 : Reaksi berjalan kekiri 2.2.3.4 Porses Reduksi

Slag yang baru terbentuk secara umum terdiri dari kapur (CaO), CaF2

(sebagai fluidizer slag) yang ditambahkan pada proses ini formasi kondisi reduksi stadart (basic reducing conditions)

Fungsi dari slag ini adalah menjaga baja cair dari sulfur dan penyerapan oksidasi, yang terbentuk sebagai hasil dari deoksidasi

Okisgen sisa dilarutkan di didalam cairan baja selama periode oksidasi dipindahkan oleh metallic deoxidizer Mn,Si,Al: ‘

[Mn]+[O]=(MnO) [Si]+2[O]=(SiO2)

2[Al] + 3[O] = (Al2O3)

[S] + (CaO) = (CaS) + [O]

oksida dan sulfida non-metalik yang termasuk di serap oleh slag, 2.2.4 Pengoperasian Tanur Busur Listrik

Berikut adalah tahapan-tahapan pengoperasian Elektric arc furnance (EAF);

2. Proses Pleburan pertama

3. Pemasukan /pengisian Scrap

4. Proses peleburan ke dua

5. Pemasuan / pengisian Scrap

6. Proses peleburan terakhir

7. Pengambilan sample, analisa kimi cairan baja.

8. Formasi oksidasi Slag,

9. Oksidasi dari C,P,Mn,Si,Al,

10.Pengambilan Sample dan pengukuran temperatur.

11.De –slaging.

12.Formasi slag basa.

13.De-oksidasi

14.Penambahan Alloy.

15.Proses penuangan pada ladle

16.Perawatan dan pemeriksaan lapisan tahan panas pada tanur

2.3 Hasil Dari Porses Peleburan Dengan Tanur Busur Listrik

Agar proses peleburan menghasilkan output yang baik yang pada akhirnya akan menghasilkan produk coran yang berkualitas baik, maka pada proses peleburan harus memenuhi tuntutan sebagai berikut :

1. Cairan logam yang bersih

2. Pencapaian temperatur dan homogenisasi 3. Metoda dan tatanan kerja yang baik 4. Harga yang murah

2.3.1 Cairan Logam Yang Bersih

Yang dimaksud dengan cairan logam yang bersih adalah bersih secara metalurgi, yaitu bebas dari kotoran-kotoran. Kotoran di sini berupa oksida-oksida dan terak (slag), sedangkan elemen lain yang memiliki afinitas tinggi terhadap Oksigen, terdapat hanya dalam jumlah tertentu saja. Cairan semacam ini dapat dikenali dari permukaannya yang bersih. Cairan yang kotor secara metalurgi akan segera membentuk kulit oksidasi yang mewarnai permukaan cairan. Penyebab dari kotoran ini terutama berasal dari bahan baku, yaitu:

 Karat  Kotoran

 Elemen yang mudah teroksidasi

Pencegahan terhadap kontaminasi kotoran pada saat peleburan dapat dilakukan dengan pengawasan dan pengendalian peleburan yang seksama, meliputi :

 Pengendalian temperatur peleburan yang akurat  Perhatian terhadap perubahan komposisi

 Pencapaian komposisi terak

Cacat yang sangat mungkin muncul akibat kotornya cairan adalah terak terjebak,keropos, gas pada permukaan benda tuang, lubang jarum serta cacat-cacat yang timbul karena pembekuan yang tidak terduga. Cacat-cacat ini menjadi sangat merugikan karena sebagian besar baru akan diketahui pada saat baja tersebut mengalami proses permesinan. Langkah awal dalam menghasilkan cairan logam yang bersih adalah pada pemilihan bahan baku, dimana ditujukan pada :

 Kualitas yang terpercaya. Yang dimaksud dengan kualitas yang terpercaya disini adalah terutama komposisi kimia dari setiap bahan baku

yang akan digunakan dapat dipertanggung jawabkan, sehingga memudahkan saat proses peleburan.

 Tingkat kemurnian bahan yang mencukupi (sesuai standar). Adanya unsur-unsur asing pada bahan baku yang akan dilebur akan berakibat terhadap kualitas cairan yang dihasilkan. Unsur-unsur asing tersebut ada kalanya akan meningkatkan jumlah kotoran pada proses peleburan.

 Bersih dari karat. Karat merupakan lapisan oksida logam yang menempel pada bahan baku logam ferro. Dengan adanya karat pada bahan baku selain akan menimbulkan terak (slag) pada cairan logam, juga akan menimbulkan percikan-percikan cairan logam saat bahan baku logam tersebut akan dimasukan pada cairan logam dalam tanur yang akan berbahaya bagi operator yang bekerja disekitar tanur.

 Bentuk seragam dan masif. Bentuk bahan baku yang akan dilebur erat kaitannya dengan kualitas cairan yang dihasilkan. Penggunaan bahan baku yang seragam dan yang massif (pejal) akan memudahkan proses pemuatan dalam tanur sehingga kepadatan pemuatan dapat tercapai. Apabila kepadatan pemuatan telah tercapai dengan maksimal maka proses peleburan akan menjadi lebih mudah dan lebih cepat, sehingga reaksi antara cairan logam dan bahan pelapis tanur (lining tanur) dapat diminimalisasi, begitu pula reaksi antara cairan logam dengan udara sekitar, yang pada akhirnya akan berakibat pada cairan logam yang dihasilkan menjadi bersih dan umur pakai lining tanur menjadi lebih panjang.

2.3.2 Pencapaian Temperatur dan Homogenisasi

Tahapan pencapaian temperatur cairan saat proses peleburan dan saat cairan akan dituang harus dicapai dengan tepat karena akan berpengaruh terhadap kemampuan cairan mengisi seluruh rongga cetak dan penyusutan yang terjadi pada mould tube CCM. Homogenisasi cairan harus tercapai agar pembentukan struktur dasar yang direncanakan dapat terbentuk secara merata diseluruh bagian mould tube CCM.

BAB 3

PERENCANAAN DAPUR

3.1 Tanur Busur Listik (EAF)

Seperti yang dijelaskan pada halaman sebelumnya tanur busur listrik atau yang populer disebut Electrik Arc Furnance (EAF) adalah tanur yang bentuknya seperti ceret, dengan lapisan luar yang dilapisi baja. Pada bagian dalam dilapisi batu tahan api untuk menahan panas dari dalam tanur, sedangkan pada bagian yang bersentuhan dengan dengan logam cair diberikan lapisan pelindung lining yang berfungsi sebagai pengatur dan menjaga komposisi kimia dari logam cair. Dapur ini banyak dipergunakan untuk melebur baja, karna dapat menghasilkan panas yang sangat tinggi, dan mempunyai kapasitas yang besar. Sesuai dengan namanya, energi panas pada tanur ini diperoleh dari loncatan api busur listik yang dihasilkan dari tiga fase yang berarus tinggi. Bahan baku baja bekas (scrap) dimasukkan kedalam baket, pada bagian dasar baket dapat dibuka untuk saluran keluar dari scrap. Bucket diangkat dengan sebuah overhead traveling crane hingga keatas tanur, kemudian setelah pengisian tanur ditutup dengan tutup yang digerakkan menggunakan mekanisme hidrolik.

Saat baja cair akan dikeluarkan, terlebih dahulu Posfor (CaF2) dimasukan

pada logam cair, yang berguna melunakkan terak. Terak yang telah lunak dapat dengan mudah keluar dengan cara memiringkan tanur kedepan. Sesudah terak dikeluarkan baru tanur dimiringkan kebelakang untuk mengeluarkan cairan baja, cairan yang dikeluarkan ditampung seluruhnya kedalam sebuah ladle.

Ladle juga diangkat dan juga dipindahkan dengan menggunakan overhead traveling crane. Dasar ladle terdapat nozel yang dapat dibuka untuk mengeluarkan cairan secara grafitasi. Cara membuka nizel pada ladle ada dua cara yaitu secara electrik dan ada juga secara mekanik. Sistem mekanik lebih disukai, karena umur ladle umumnya singkat, sehingga harga lebih murah dengan sistem ini. Pada setiap operasi ini lapisan lining akan mengalami erosi, sehingga dalam periode tertentu lapisan lining harus diganti, lapisan bata hanya diganti menurut spesifikasi pabrik ataupun sudah mengalami retak akibat pemakaian.

3.2 Aliran Proses Pembuatan Billet

Bahan Baku

Bucket

Tanur Busur Listrik

Ladle

Tundish

CCM Ladle Furnance Satu Siklus

3 Kali Pengisian

Continous Casting Machine

Untuk memulai operasi EAF tidak perlu syarat khusus, karena bahan baku bisa langsung dimasukan dalam EAF dari bucket, kemudian ditutup langsung dan siap dioperasikan. Apabila bahan baku pertama sudah mencair, kemudian bisa dilakukan penambahan bahan baku lagi, untuk satu siklus operasi sebanyak tiga kali.

3.3 Perencanaan Ukuran Tanur

Dalam spesifikasi tugas direncanakan tanur berkapasitas 25 ton. Disesuaikan dengan cara pengoperasianya, maka tanur akan diisi sebanyak tiga kali dengan kapasitas pengisian antara 7 – 9 ton untuk setiap kali pengisian, sehingga baja cair total akhir operasi adalah 25 ton maksimum. Untuk mengeluarkan terak, tanur dimiringkan sebanyak 150. dan untuk memproses pengeluaran cairan logam ini tanur dimiringkan sebanyak 450 ,tebal pelat dasar tanur direncanakan 30 mm.

Untuk dapat menampung baja sebanyak 25 ton, maka harus ditemuka n terlebih dahulu volume baja cairnya. Baja yang dilebur tanur ini biasanya adalah baja karbon sedang, sehingga dapat dihitung seperti dibawah ini :

3.3.1 Ukuran Tanur Bagian Dalam. Vbj =

bj bj m

ρ

Dimana

Vbj = Volume baja cair

bj

ρ = Massa jenis baja = 7680 kg/m3 mbj = Massa Baja = 25.000 kg

Jadi

Vbj = ₃

/ 7680

000 . 25

m kg

kg

Vbj = 3,25 m3

Karena tanur bisa menuangkan semua cairan baja pada sudut 450, dan supaya cairan dapat dituangkan keseluruhannya, maka dasar tanur direncanakan dengan kemiringan 500. Dan volume tanur dapat ditentukan dengan bentuk kerucut yang dipotong pada bagian tengahnya sehingga jari-jari dasar tanur dapat ditentukan.

`

r1

rC r2

Hc0 HC Ht

tS

50o

Dimana :

r1 : Jari-jari dasar tanur (m)

r2 : Jari-jari atas dasar tanur (m)

Hc : Ketinggian cairan dasar tanur (m) rc : Jari-jari permukaan cairan baja (m) Ht : Ketinggian dasar tanur (m)

tS : Tinggi Silinder tanur (m)

r1 = 0,81 m

Dari hasil survei rc = 1,62 m

Jadi :

Volume dasar tanur (VD), harus sama dengan volume cairan baja (Vbj).

VD = Vbj = 3,25 m3

(

)

(

)

m H V H sehingga H V H V r r r r H V C D C C D C D C C C D 69 , 0 46 , 56 12 . ; 12 46 , 56 4976 , 10 86 , 4 624 , 2 12 ) 2 . 2 ( . 2 12 2 1 2 1 = = = + + = + + = π π

Karena dalam proses,cairan akan bergerak akibat loncatan busur listrik dan pada saat mengeluarkan terak, tanur dimiringkan kedepan, maka supaya cairan baja tidak keluar atau tumpah harus ada tambahan ketinggian dasar tanur. Menurut data survei tambahan ketinggian ini kira-kira 15 % dari ketinggian cairan.

Maka :

Ht = 1,15 hc

Ht = ketinggian dasar tanur

Ht = 1,15 (0,69 m)

Ht = 0,794 m

sedangkan ketinggian dari landasan cairan (hC0) adalah:

m H

tg m tg

r H

C C

6 , 0

50 81 , 0

50

0 1 0

= =

=

Dengan diketahui ketinggian dari landasan cairan, maka dapat diperoleh : r2 = (Hc0 + Ht) tg 50

r2 = (0,6 + 0,794 m) tg 50 = 1,66 m

Pada bagian atas tanur adalah berbentuk silinder, dan sedangkan data menurut survei tinggi dinding selinder adalah 2,5 ketinggian cairan, sehingga :

tS = 2,5 Hc

tS = 2,5 . ( 0,69 ) m

tS = 1,73 m

Dengan demikian dapat kita hitung luas permukaan dari semua bidang dasar tanur tersebut, dengan cara sebagai berikut :

Bidang dasar cairan AD = π. r1 2

= 3,14 (0,81 m) AD = 2,06 m2

bidang permukaan cairan Ab = π. rc2

= 3,14 (1,62 m)2 Ab = 8,24 m2

Bidang dasar tanur A2 =π.r22

= 3,14 (1,66)2 A2 = 8,66 m2

Bidang lining yang akan bersentuh dengan logam cair

`

H2

50o r1

r2

(

2 2 2 1

)

2 m r r

Al = +

π

Sedangkan nilai m diperoleh dengan rumus :

16 , 1 794 , 0 2 62 , 1 32 , 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 = +       − = +       − = m H r r m

(

)

(

)

2 2 1 2 9 001 , 9 62 , 1 32 , 3 ) 16 , 1 ( 2 2 2 2 m m A r r m A l l = = + = + = π π

Luas bidang permukaan silinder

r2

ts

`

Gambar 3.4 Permukaan dalam selinder

As = 2.π r2.tS

= 2 (π) (1,66) (1,73) m2 = 15,87 m2

3.4 Lapisan Isolator Tanur

Dalam pengoperasian tanur, beban yang paling besar terletak pada bagian dasar tanur, akibat dari tekanan baja cair yang panas diatasnya. Untuk itu suhu dasar tanur, harus sangat diperhatikan. Dalam hal ini suhu dasar tanur harus direncanakan maksimum 3500.

Gambar dibawah ini adalah sketsa lapisan dasar tanur terdiri dari tiga bagian, yaitu :

1. Lapisan pertama adalah magnesia yang berfungsi sebagai lining (A)

2. Lapisan kedua adalah bata tahan api yang berfungsi sebagai isolator panas (B). 3. Lapisan ketiga adalah baja yang berfungsi sebagai penahan beban atasnya (C).

Keterangan gambar : Hc = Tinggi cairan baja Ht = Tinggi dasar tanur

H1 = Kedalaman dasar magnesia

H2 = Kedalaman dasar bata tahan api

H3 = Kedalaman dasar plat

r1 = Radius dasar tanur

r2 = Radius atas dasar tanur

r3 = Radius atas lapisan A

r4 = Radius atas lapisan B

r5 = Radius atas lapisan C

Untuk dapat merencanakan dasar tanur, harus diketahui data-data yang diperoleh dari lapisan tersebut adalah sebagai berikut :

A. Lapisan A (Magnesia)

Massa jenis ρ = 2803,5 kg/m3

Kalor spesifik cp = 1,13 kj/kg 0C

Konduktifitas panas T = 650 0C ……...…k = 2,77 W/m0C

T = 1660 0C……… 1,9

650) -(1200

) 1200 -(1660 2,77 -1,9

k = +

k = 1,27 W/m0C B. Lapisan B (Bata Tahan Api)

Massa Jenis ρ = 2000 kg/m3

Konduktifitas panas k = 1,09 W/m0C

Emesifitas є = 0,75

C. Lapisan C (Pelat Baja)

Massa jenis ρ = 7680 kg/m3

Konduktifitas panas k = 51,5 W/m0C

Kalor spesifik(p) cp = C

kg kj o

46 , 0

Kalor spesifik Laten h =

kg kj 5 , 15

Titik lebur T = 1510 0C

Emesifitas є = 0,38

Ketebalan xc = 0,030 m (diambil)

Konveksi panas pada dasar tanur merupakan beban dengan pelat menghadap kebawah (pelat horizontal) , sehingga untuk dilakuakan perencanaan ketebalan isolasi dan distribusi suhu pada setiap lapisan harus terlebih dahulu diketahui koefisien konveksinya dengan perhitungan sebagai berikut :

Te = Tw – 0,25 (Tw - T∞)

Te = Suhu evaluasi

Tw = Suhu dasar tanur (Tw = 350 0C)

Te = 350 0C – 0,25 (350 0C - 28 0C)

Te = 350 oC - 80,75 oC = 269,25 oC

Te = 542,25 K

β = 1/Te = 1/542, 25K = 0,00184 K-1 = 1,84 x 10-3 K-1 Tf = 1/2 (Tw - T∞) (suhu film)

Tf = 1/2 (350 0C - 28 0C)

Tf = 161 0C = 434 K

Pada kondisi ini kita dapat memperoleh sifat-sifat udara pada tekanan atsmofir (dari lampiran). Kita harus melakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai parameter yang kita cari dari tabel tersebut,

T = 434 K………….. v = 31,71 x 10 4 m/dt K = 0,03597 w/m.oC Pr = 0,685

Untuk permukaan bundar yang menghadap ke bawah, panjang ekivalen dapat dicari dengan :

D R 9 , 0 P A L

2

π =

= ...(Lihat 5 Halaman 312)

A = Luas

P = Primeter basah

(0,9)(1,8) )(0,81) (

L

2

π

= (diasumsikan 1,8 m karena tebal isolasi belum diperoleh)

L = 1,27 m

Untuk memperoleh angka nusselt kita terlebih dahulu mencari angka grashof

GrL = ₂

3

) (

. V

L T Tw gβ − ∞

...(Lihat 5 halaman 299) GrL = (Bilangan Grashop)

GrL pr = ₂ 3

) (

. V

L T Tw gβ − ∞

pr Tw = Suhu dinding rata-rata

GrL pr = _{6 2} 3 3 ) 10 85 , 29 ( ) 27 , 1 )( 28 350 )( 10 84 , 1 )( ( − − ₋ x x g x 0,685 GrL pr = 2,61 x 107

Kemudian kita menentukan rumus mencari angka nusselt dengan berdasarkan angka grashof yang kita peroleh tadi.

Nu = 0,13 (Grl pr) 1/3 ……….. (lihat 5 halaman 312) Nu = Bilangan Nushlet

Nu = (0,13 (2,61 x 107) 1/3 Nu = 38,56

Sedangkan koefisien konveksi pada kondisi ini adalah h =

L k

Nu ………...(lihat 5 halaman 312)

h = 38,56

27 , 1 . 03597 , 0 C m W o

h = 1,092 W/m oC.

Dengan demikian kita dapatkan bahwa tahanan termal konveksi pada dasar tanur sehingga dari data-data diatas dapat dijabarkan :

a) Tahanan termal lapisan A

W C m R C m W m k x R o a o a a a 2 4446 , 0 . 27 , 1 35 , 0 = = =

A q = a a x T T k ( ₁− ₂)

………(a) xa = Tebal lapisan A

b) Tahanan termal lapisan B

b b b k x R = A q = b b x T T k ( ₂ − ₃)

………(b) xb = Tebal lapisan b

c) Tahanan termal lapisan C

W C m R C m W m k x R o C o c c C 2 00582 , 0 . 5 , 51 030 , 0 = = = A q = c w c x T T k ( 3 − )

………(c) xb = Tebal lapisan c

d) Tahanan termal lapisan dasar tanur W C m R Nu R o u u 2 026 , 0 56 , 38 1 1 = = = A q = u w c R T T

k ( − _∞)

……….(d)

Dalam permasalahan perpindahan panas ini, semua lapisan merupakan satu kesatuan dan saling bergantung, sehingga tahanan termal yang melalui tiap-tiap lapisan ini haruslah sama, sehingga.

a) Persamaan (b)

b

R T T A

q ( ₂ − ₃)

=

3

2 .R T

A q

T  _b+

     =

b) Subtitusi persamaan (b) ke persamaan (a)

a b R T R A q T A q     _{ +}      − = 3 1 . 3 1 .

. R T T

A q R A q b

a  = −

     +       b a R R T T A q + − =( 1 3)

c) Persamaan (c) c w R T T A q − = 3 w c T R A q

T  +

     = . 3

d) Subtitusikan persamaan (c) ke (e)

b a w c R R T R A q T A q +     _{ +}      − = ) . 1

(Ra + Rb) 

     A q

+ Rc 

     A q

= Tc - Tw

c b a w c R R R T T A q + + −

= ………(f)

e) Persamaan (d)

u w R T T A

q ( − _∞)

=

Tw = Ru 

     A q

+ T_∞

f) Subtitusikan persamaan (d) ke persamaan (e)

c b a u R R R T R A q T A q + +     _{ +}      − = ∞ ) 1

(Ra + Rb + Rc) 

     A q

+ Ru 

     A q

= T1- T∞

u c b

a R R R

R T T A q + + + − = 1 ∞

……… ………(g) g) Selanjutnya eleminasikan persamaan (f) dengan persamaan (g)

u c b

a R R R

R T T + + + − ∞ 1 = c b a w R R R T T + + − 1 W C m R R R R C R C R C C R C C o b b b b o b o b o o b o o 2 345 , 0 1632 08 , 735 1310 1 , 624 47642 , 0 1632 45042 , 0 1310 026 , 0 00582 , 0 4446 , 0 28 1660 00582 , 0 4446 , 0 350 1660 = + = + + = + + + + − = + + −

sehingga kita dapat menghitung ketebalan lapisan B atau lapisan batu bata tahan api, dengan memasukkan nilai Rb pada rumus:

b b b k x R = dimana : mm m x C m W W C m k R x b o o b b b 6 , 37 376 , 0 . 09 , 1 . . 345 , 0 . 2 2 = = = =

h) Persamaan (g)

(

)

2 2 2 1 8 , 1986 4 , 821 , 0 1632 026 , 0 00582 , 0 345 , 0 4446 , 0 30 1660 m W A q m W A q W C m C C R R R R T T A q o o o u c b a = = + + + − = + + + − = ∞

Dari hasil yang diperoleh ini dapat diketahui distribusi suhu pada bidang dasar tanur sebagai berikut :

a) Persamaan (a)

Dengan memasukkan nilai kalor per satuan luas yang dihasilkan ke persamaan dibwah diperoleh besar temperatur titik 2

(

)

C T W C m m W C R A q T T R T T A q o o o a a 67 , 776 . 4446 , 0 . 8 , 1986 1660 . 2 2 2 1 2 2 1 =     − =       − = − =

b) Persamaan (b)

(

)

C T W C m m W C R A q T T R T T A q o o o b b 22 , 91 . 345 , 0 . 8 , 1986 67 , 776 . 3 2 2 2 3 3 2 =     − =       − = − =

c) Persamaan (c)

(

)

C T W C m m W C R A q T T R T T A q o w o o C w C w 65 , 79 . 00582 , 0 . 8 , 1986 22 , 91 . 2 2 3 3 =     − =       − = − =

Dengan mengetahui ketebalan pada tiap-tiap lapisan bagian bawah, dapat dihitung semua ukurannya :

H1 = ht + xa = ( 0,794 + 0,35 ) m = 1,14 m

H3 = h2 + xc = (1,52 + 0,030 ) m = 1,55 m

r3 = R2 + xa / cos 500 = (1,66 + 0,35 / 0,642) m = 2,2 m

r4 = R3 + xb / cos 500 = (2,2 + 0,376 / 0,642) m = 2,78 m

3.5 Volume dan Massa Tiap Lapisan Tanur

Selanjutnya kita dapat mencari volume dan berat tiap lapisan yang ada pada tanur dengan menggunakan dimensi yang sudah kita peroleh sebelumnya.

3.5.1

Volume isi tanur

Gambar 3.6 Penampang dalam tanur

(

)

3

2 1 1 2 2 2

27 , 4

62 , 2 67 , 5 25 , 12 794 , 0 12

) 2 2 . 2 2 ( 12

m V

r r r r H V

t

t t

=

+ + =

+ +

= π π

Volume lapisan A

(

)

(

)

3 2 6 6 2 2 3 1 85 , 3 27 , 4 49 , 0 39 , 7 36 , 19 14 , 1 . 12 2 2 . 2 2 . 12 m V V r r r r H V A T A = − + + = − + + = π π

Massa Lapisan A

kg m m m kg V m A A A A 5 , 10793 85 , 3 . 5 , 2803 . 3 3 = = =ρ

3.5.3 Lapisan B (Batu Tahan Api)

Gambar 3.8 Potongan Lapisan B Volume Lapisan B

(

)

(

)

3 7 7 4 2 4 2 92 , 9 12 , 8 72 , 3 73 , 10 91 , 30 52 , 1 . 12 2 2 . 2 2 . 12 m V V V r r r r H V A A T B = − + + = − − + + = π π

Massa Lapisan B kg m m m kg V m B A B B 19840 92 , 9 . 2000 . 3 3 = = =ρ

3.5.4 Lapisan C (Pelat Baja)

Gambar 3.9 Potongan Lapisan C Volume lapisan C

(

)

(

)

3 2 8 8 5 2 5 3 12 , 0 04 , 18 95 , 1 02 , 11 8 , 31 55 , 1 . 12 2 2 . 2 2 . 12 m V V V V r r r r H V C B A T C = − + + = − − − + + = π π

Massa Lapisan C

kg m m m kg V m C C C C 2 , 943 12 , 0 . 7860 . 3 3 = = =ρ

3.6 Dinding dan Tutup Tanur

3.6.1 Dinding Tanur

Pada tanur bagian atas berbentuk silinder, tidak diperlukan lining, karena tidak langsung bersentuhan dengan cairan baja. Untuk melapisi dinding ini, yang perlu diperhatikan adalah dinding yang terlalu tebal, akan mengakibatkan kalor yang keluar semakin banyak karena kontraksi dari silinder ini sudah melampui jari-jari untuk perpindahan kalor minimum. Dengan demikian bata yang diperlukan juga semakin banyak. Bila dinding baja ini terlalu tipis, maka suhu dinding baja akan terlalu panas., sesuai dengan sifat-sifat baja, maka suhu dinding ini harus dibawah 5000 C.

Dengan demikian perencanaan tebal dinding tebal silinder xd adalah sebesar

0,30 m sehingga jari-jari tiap lapisan dapat dihitung sebagai berikut : r9 = r2 + xd = 1,66 + 0,3 = 1,96 m.

r10 = r9 + xe = 1,96 + 0,025 = 1,985 m

Untuk mengetahui kalor yang dapat melalui dinding harus mengetahui dahulu koefisien konveksi pada dinding silinder dan tanur.

Permasalahan konveksi pada tanur ini adalah permasalahan konveksi alami pada silinder tegak, dinding tanur tidak mengalami beban seberat pada dasar tanur,.

Dengan cara dibawah ini didapat :

(

)

(

)

C T

C T

C T T T

o f

o f

o w

f

508 235

30 500 2 1 2 1

= =

− =

−

= ∞

Dimana :

Tf = Suhu film

Tw = temperatur luar lapisan dinding

T∞ = Temperatur luar tanur

00197 , 0

508 1 1

= = =

β β

f T

Dari lampiran diperoleh

T = 508 oK ……….V = 38,93 x 10-6 m2 /s k = 0,04089 w/m0C Pr = 0,68

Dari daftar 7-1 halaman 304 dan rujukan gambar 7-7 halaman 305 buku perpindahan kalor kita memperoleh nilai koveksi bebas rata-rata . Dari daftar 7-1 kita memperoleh GrfPrf = 10 4 – 10 9 dan kita ambil GrfPrf = 10 4 , sedangkan nilai

C = 0,59 dan nilai m = ¼ Dari data diatas kita peroleh :

(

)

( )

49 , 10

10 59 , 0

Pr

25 , 0 4

= = =

f

m f f f

Nu

Gr C Nu

...(Lihat 5 halaman 304)

dan diperoleh koefisien perpindahan kalor (h)

K m

W h

x k Nu

h _f

2 24 , 0

73 , 1 04089 , 0 49 , 10 = = =

...(Lihat 5 halaman 304)

3.6.2 Tutup Tanur

Gambar 3.11 Potongan Penampang Tutup Tanur

Sama dengan tanur yang berbentuk silinder, suhu pelat yang diasumsikan 500

0

C. Tetapi permasalahan konveksi bebas pada permukaan pelat yang menghadap keatas, sehingga konveksi adalah :

m L r r L 46 , 3 ) 97 , 3 ( 9 , 0 ) 985 , 1 ( . 2 . 9 , 0 . 2 10 2 10 = = = π π 6 6 2 3 2 3 10 . 66 , 7 Pr ) 10 . 93 , 38 ( 68 , 0 ) 46 , 3 ( . ) 30 500 ( 10 . 96 , 1 . 81 , 9 Pr ) ( . Pr = − = − = − − ∞ Gr V L T T g Gr β w

karena nilai GrPr < 2.108 maka kita menggunakan persamaan

63 , 25 ) 10 . 66 , 7 ( 13 , 0 ) Pr ( 13 , 0 3 / 1 6 3 / 1 = = = Nu Gr Nu

sehingga koefisien perpindahan kalor konveksi tutup atas adalah:

K m W h L k Nu h . 302 , 0 46 , 3 04089 , 0 63 , 25 2 = = =

3.7 Emisivitas Udara Dalam Tanur

Keadaan dalam tanur merupakan permasalahan perpindahan kalor secara radiasi dengan medium yang bersifat absorbsi dan transmisi. Permukaan cairan logam merupakan sumber kalor radiasi dan bidang diatasnya (Aa = dinding silinder serta tutup tanur) merupakan bidang yang menerima radiasi dan udara yang terkurung didalamnya merupakan medium yang bersifat absorbsi dan transmisi.

Ab = 8,24 m2 (bidang permukaan cairan)

Aa = As + A2 = 15,87 + 8,66 m2 = 23,36 m2

Fbg = Fag = 1 karena kedua bidang bersentuhan dengan udara. Fba = 1 = karena bidang ini tertutupi

a) 0,196

) 38 , 0 ( . ) 36 , 23 ( 38 , 0 1 . 1 = − = ∈ ∈ − b a b A

b) 0,0065

) 75 , 0 ( . ) 36 , 23 ( 75 , 0 1 . 1 = − = ∈ ∈ − a a a A

c) 1,136

) 12 , 0 1 ( 1 1 ) 1 ( 1 = − = − g Fba ε

d) 1,011

) 24 , 8 ( . ) 12 , 0 ( . ) 1 ( 1 . . 1 = =

∈g Ab

Fbg

e) 0,306

) 12 , 0 ( . ) 1 ( . ) 36 , 23 ( 1 . . 1 = = ∈g a Fag A

f) Ebb = σ T14 = (5,669 x 10-8)1933)4 = 824737 w

Diamana :

b

∈ = 0,38

a

∈ = 0,75

g

∈ = 0,12

T1 =Temperatur cairan = 1660 oC =1933 o K

σ = konstanta Bolztman = 5,669 . 10 -8 _{2 4} . K m

W

3.8 Radiasi pada tutup dan dinding tanur

Karena diantara dua pelat-pelat itu berisi cairan dan kedua pelat-pelat sejajar itu, maka dapat digambarkan jaringan radiasi sebagai berikut :

Ab.Ebb Ab.jb

1-Єb

Єb

Fbg.Єg

Fba(1-Єg)

Aa.ja

Fag.Єg

Єa

1-Єa

Aa.EbA

1 2

3

4 ₅

1

1

1

(Ab + Aa) Єbg

Gambar 3.12 Jaringan Radiasi dalam Tanur

a) Tinjauan titik 1-2

Pertukaran kalor secara radiasi dari permukaan cairan baja dengan udara

q =

b b

Jb Ab Ebb Ab

∈∈ −− 1

. .

Jb = q

Ab Ebb

b b

∈ ∈ − −

. 1

Jb = Ebb – 0,198 q ………..1 Dimana :

Aa = Luas bidang dasar tanur

Ab = Luas bidang permukaan cairan

b) Tinjauan titk 4-5

Pertukaran kalor secara radiasi dari permukaan udara dengan bidang diatas tanur.

q = a a Eba A Ja Aa _a ∈∈ −− 1 . .

Ja = q

A Eba a a a ∈ ∈ − + . 1

Ja = Eba + 0,0065 q ………2

c) Tinjauan titik 2-4

Pertukaran kalor secara transmisi dari permukaan cairan baja dengan permukaan bidang atas melalui udara

qt =

(

Fg

)

Fba

Ja A Jb

A_{b a}

− − 1 1 . .

qt =

136 , 1

. .Jb AaJa Ab −

………...3 d) Tinjauan titk 3-4

Pertukaran kalor secara absorbsi dari permukaan cairan baja dengan udara. qa =

g a b Fag Ja A Jb A ∈ − . 1 . .

Ebg = _a

g q Fag Ja ∈ + . 1 Ebg Jb q Fbg

A_b. .∈_g a = − 1

………...4 Subsitusikan persamaan 4

g a

a g

b A Fag

Ja Jb q Fbg

A ∈ = − + . .∈ 1 .

. 1

Jb – Ja = a g a g b q Fag A Fbg

A . . )

1 . . 1 ( ∈ + ∈

Jb – Ja = (1,011 + 0,306) qa

qa =

316 , 1 JA Jb− ……….5 Kalor Total yang dipindahkan secara trasmisi dan absorbsi

Kalor total yang dipindahkan secara transmisi dan absorbsi haruslah sama dengan jumlah perpindahan kalor antara kedua bidang permukaan, sehingga :

q = qa + qt

q =

136 , 1 . . 316 , 1 Ja A Jb A Ja

Jb− + b − a

q = 0,76 Jb – 0,76 Ja + 7,25 – 23,99 Ja

q = 8,01 Jb - 21,32 Ja ...6 Subtitusikan persamaan (6 dan 1)

q = 8,1 (Ebb – 0,198 q) – 21,32 Ja q = 8,1 (Ebb – 1,6 q -21,32 Ja)

Ja = 0,3 Ebb – 0,105 q ...7 Subtitusikan persamaan (7 dan 2)

Eba + 0,0065 q = 0,3 Ebb – 0,13 q 0,138 q = 0,3 Ebb – Eba

1 = 1792906 - 4,1 x 10-7 Ta4………..8

Kalor yang dikondusikan oleh dinding tanur (qa) qs =

a s a A Eba Ja ∈ ∈ −− . 1

q qs = a a a a s a . A Eba Ja . A Eba Ja ∈ ∈ −− ∈ ∈ −− 1 1

qs =

a s

A A

qs = (15,87/23,36) q

qs = 0,68 q

Sehingga : 0,68 q =

5 , 51 ) 9 / 10 ( 1 09 , 1 ) 2 / 9 ( 1 ) ( . 2 r r n r r n T T L a + ∞ − π

0,68 q =

15 , 5 ) 96 , 1 / 985 , 1 ( 1 09 , 1 ) 66 , 1 / 96 , 1 ( 1 ) . )( 5 , 1 )( 14 , 3 ( 2 n n T T_a + − ∞

q =

014 , 0 ∞ −T Ta ……….9 Untuk kedua nilai (Ta) dan (q) dapat dicari dengan metode grafis ataupun metode coba-coba.

Dari data yang diperoleh :

Ta = 1428,4 K = 1155,4 0C

q = 80385,7 w Dari persamaan (1) Jb = Ebb – 0,2653 q

Jb = 824737 – 0,198 (80385,7) Jb = 808820,6 w

Dari persamaan (6)

qa = 8,01 Jb – 21,32 Ja

80385,7 = 8,01 (808820,6) – 21,32 Ja

Ja = 300106,3 w

Dari persamaan (5)

(

)

(

)

w qa Ja Jb qa 9 , 0 38656 316 , 1 300106,3 6 , 808820 316 , 1 = − = − =

dari persamaan 4

Ebg = .qa

. . 1 Ja g Fag Aa ∈ +

Ebg = 300106,3 +

(

)( )( )

.386560,9 12 , 0 . 1 . 36 , 23 1 Ebg = 438006,16 w

Suhu udara dalam tanur Ebg = σ Tg4

Tg4 = Ebg / σ

Tg4 = 438006,16 W/ 5,66 x 10-8 _{2 4}

. K m

W

Tg4 = 6,41 x 1012 _{2 4}

. K m

W

Tg = 1498,74 oK = 1225,7 0C

3.8.1 Distribusi suhu pada dinding silinder qs =

09 , 1 ) / ( 1 ) ( 2 2 9 5 r r n T T

L a −

π

0,68 q =

09 , 1 ) 66 , 1 / 96 , 1 ( 1 ) 4 , 1428 )( 73 , 1 )( 14 , 3 ( 2 5 n T −

T5 = 1428,4 K - 771,6 K = 656,8 K = 383,8 oC

Sedangkan pada lapisan E (pelat baja) qs =

5 , 51 ) / ( 1 ) ( 2 9 10 6 5 r r n T T L − π

0,682 =

5 , 51 ) 985 , 1 / 985 . 11 ( 1 ) 8 , 656 )( 5 , 1 )( 14 , 3 ( 2 ₆ n T −

T6 = 656,8 K - 1,25 K

T6 = 655,5 K = 382,5 oC

Dari hasil T6 dibawah 500 0C, sehingga ketebalan sebesar 0,3 m dapat

diterima. qs (panas yang merambat pada dinding tanur) diasumsikan sama dengan

qf(panas yang merambat pada tutup tanur)

3.8.2 Distribusi panas pada tutup tanur Tebal isolasi tutup tanur (xf)

qf =

h r k x k x T T A g f a 10 2 1 ) ( + + − ∞

0,682 (80385,7) =

(

0,302

)(

1,985

)

1 5 , 51 025 , 0 09 , 1 ) 300 4 , 1428 )( 66 , 8 ( + + − f x

qf = 09 , 1 / ) ( ₇ 2 f a x T T A −

0,682 (80385,7) =

09 , 1 / 29 , 0 ) 4 , 1428 )( 66 , 8

( −T₇

T7 = 588,7 K = 315,7 0C

qf =

5 , 51 / ) ( ₇ 2 g a x T T A −

0,682 (80385,7) =

5 . 51 025 , 0 ) 7 , 588 )( 66 , 8

( −T₈

T8 = 587,2 0 K = 314,2 oC

3.9 Volume dan Massa dinding dan tutup tanur

Dari perhitungan diatas, dapat diketahui volume dari massa dari masing-masing-lapisan, yaitu :

3.9.1 Lapisan D

Volume Lapisan D

VD = π [(R9)2 - (R2)2 ] L

= (3,14) [(1,96)2 - (1,66)2 ] (1,73) VD = 5,89 m3

Massa lapisan D mD = ρ . VD

= 2000 kg/m3 (5,89 m3) mD = 11798,74 kg

3.9.2 Lapisan E

Volume lapisan E

VE = π [(R10)2 - (R9)2 ] L

= (3,14) [(1,985)2 - (1,96)2 ] (1,73) VE = 0,536 m3

Massa Lapisan E mE = ρ . VE

= 7680 kg/m3 (0,536 m3) mE = 4211 kg

3.9.3 Lapisan F

Volume Lapisan F VF = A2 . xf

= 8,66 x 0,29 = 2,51 m3 Massa Lapisan F mF = ρ . VF

= 2000 kg/m3 (2,51 m3) = 5022,8 kg

3.9.4 Lapisan G

Volume Lapisan G VG = A2 . XG

= 8,66 x 0,025 = 0,23 m3 Massa Lapisan G

mG = ρ .VG

= 2000 kg/m3 (0,23 m3) = 433 kg

3.9.5 Udara dalam tanur

Volume udara dalam tanur VU = π. (R2)2 . L

= (3,14) (1,66)2 (1,73) VU = 14,96 m3

Massa udara dalam tanur

Dari lampiran Diperoleh ρudara = 0,23 kg/m3

mu = ρ . VU

= 0,23 kg/m3 x 11,5 m3 mu = 2,63 kg

3.9.6 Massa tanur keseluruhan

Dengan diketahui berat bagian tanur, maka kita dapat kita ketahui berat keseluruhan adalah :

mTB = MassaTanur Busur Listrik

mTB = mA + mB +mC + mD + mF + mG

= (10793,5 + 19840 + 943,2 + 11798,74 + 4211 + 433 ) kg mTB =48019,44 kg

BAB 4

PERENCANAAN DAYA

Dalam perhitungan kalor yang diperlukan untuk melakukan operasi, perlu diketahui kebutuhan kalor untuk tiap-tiap lapisan tanur hingga mencapai suhu keseimbangan, kebutuhan untuk kalor peleburan baja dari padat hingga cair, dan kalor yang terbuang saat operasional.

4.1 Kalor Untuk Memanaskan Bagian-bagian Tanur

Untuk menghitung jumlah kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan lapisan tiap-tiap tanur dapat diketahui terlebih dahulu menghitung suhu permukaan rata-rata lapisan.

4.1.1 Lapisan A (Lapisan Lining)

Kalor yang dibututuhkan untuk memanaskan lapisan lining yaitu magnesia (MgO) adalah :

dT cp m Q_A = _A. .

Perubahan suhu rata-rata

(

)

(

)

C dT

C T

T T dT

o

o

5 , 1198

30 67 , 776 1680 2 1 2 1

2 1

=

− +

=

− +

= ∞

Kalor spesifik magnesia cp = 1,13

C kg

kj

massa lapisan magnesia mA = 10793,5 kg

Kalor yang dibutuhkan hingga suhu setimbang (QA)

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q A o o A A 02 , 14617691 5 , 1198 . 13 , 1 . 5 , 10793 . . = = =

4.1.2 Lapisan B ( Batu Tahan Api)

Kalor yang dibututuhkan untuk memanaskan lapisan batu tahan api adalah : dT

cp m Q_B = _B. .

Perubahan suhu rata-rata

(

)

(

)

C dT C T T T dT o o 95 , 418 30 22 , 91 67 , 776 2 1 2 1 3 2 = − + = − + = ∞

Kalor spesifik Batu tahan api Cp = 0,96

C kg

kj

o

massa lapisan batu tahan api mB = 19840 kg

Kalor yang dibutuhkan hingga suhu setimbang (QB)

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q B o o B B 05 , 7979394 95 , 418 . 96 , 0 . 19840 . . = = =

4.1.3 Lapisan C ( Pelat Baja)

Kalor yang dibututuhkan untuk memanaskan lapisan pelat baja adalah : dT

cp m Q_C = _C. .

Perubahan suhu rata-rata

(

)

(

)

C dT C T T T dT o o W 44 , 55 30 65 , 79 22 , 91 2 1 2 1 3 = − + = − + = ∞

Kalor spesifik pelat baja Cp = 0,465

C kg

kj

o

Massa lapisan pelat baja mC = 943,2 kg

Kalor yang dibutuhkan hingga suhu setimbang (QC)

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q C o o C C 3 , 24156 44 , 55 . 465 , 0 . 2 , 943 . . = = =

4.1.4 Lapisan D (Batu Tahan Api)

Kalor yang dibututuhkan untuk memanaskan lapisan batu tahan api adalah : dT

cp m Q_D = _D. .

Perubahan suhu rata-rata

(

)

(

)

C dT C T T T dT o o a 4 , 793 30 8 , 383 4 , 1155 2 1 2 1 5 = − + = − + = ∞

Kalor spesifik batu tahan api Cp = 0,96

C kg

kj

o

Massa lapisan batu tahan api mD = 11798,74 kg

Kalor yang dibutuhkan hingga suhu setimbang (QD)

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q D o o D D 82 , 8375028 4 , 793 . 96 , 0 . 74 , 11798 . . = = =

4.1.5 Lapisan E (Pelat Baja)

Kalor yang dibututuhkan untuk memanaskan lapisan Pelat Baja adalah : dT

cp m Q_E = _E. .

Perubahan suhu rata-rata

(

)

(

)

C dT C T T T dT o o 19 , 353 30 5 , 382 8 , 383 2 1 2 1 6 5 = − + = − + = ∞

Kalor spesifik pelat baja Cp = 0,465

C kg

kj

o

Massa lapisan pelat baja mE = 4211 kg

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q E o o E E 96 , 687046 19 , 353 . 465 , 0 . 4211 . . = = =

4.1.6 Lapisan F (Hight alumina brick/Batu alumina)

Kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan lapisan batu alumina adalah : dT

cp m QF = F. .

Perubahan suhu rata-rata

(

)

(

)

C dT C T T T dT o o a 35 , 705 30 7 , 315 4 , 1155 2 1 2 1 7 = − + = − + = ∞

Kalor spesifik batu alumina Cp = 1,005

C kg

kj

o

Massa lapisan batu alumina mF = 4422,69 kg

Kalor yang dibutuhkan hingga suhu setimbang (QF)

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q F o o F F 87 , 3135145 35 , 705 . 005 , 1 . 4422,69 . . = = =

4.1.7 Lapisan G (Pelat Baja)

Kalor yang dibututuhkan untuk memanaskan lapisan batu Pelat Baja adalah : dT

cp m Q_G = _F. .

(

)

(

)

C dT C T T T dT o o 95 , 284 30 2 , 314 7 , 315 2 1 2 1 8 7 = − + = − + = ∞

Kalor spesifik pelat baja Cp = 0,465

C kg

kj

o

Massa lapisan pelat baja mG = 433 kg

Kalor yang dibutuhkan hingga suhu setimbang (QG)

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q G o o G G 12 , 57003 95 , 284 . 465 , 0 . 33 4 . . = = =

4.1.8 Kalor total yang diperlukan untuk memanaskan tanur, (Qt)

Qt = QA + QB + QC + QD + QE + QF + QG

= 14617691,02 + 7979394,05 +24156,3 + 8375028,82 + 687046,96 + 3135145,87 +57003,12

Qt = 35141438,96 Kj

4.1.9 Kalor untuk memanaskan udara dalam tanur (Qud) Dari lampiran diperoleh cp udara adalah 1,25 kj/kg 0C

dT cp m Q_ud = _ud. .

Perubahan suhu rata-rata

(

)

(

)

C dT C T T dT o o G 7 , 1195 30 7 , 1225 = − = − = ∞

Kalor spesifik udara Cp = 1,27

C kg

kj

o

Massa lapisan udara dalam tanur Mud = 2,63 kg

Kalor yang dibutuhkan hingga suhu setimbang (QG)

kj Qud C C kg kj kg dT cp m Q o o ud ud 76 , 3993 7 , 1195 . 27 , 1 . 63 , 2 . . = = =

4.1.10 Kalor yang terbuang melalui udara

Berdasarkan dari hasil survei, Gas Flow Rate (F) adalah 150 – 165 m3/ton dalam operasi normal. Dari data ini dapat diperoleh banyaknya kalor yang terbuang untuk setiap pengisian adalah :

mu = F. m@. ρ

= 165 m3/ton x 9 ton x 0,23 kg/m3 mu = 341,59 kg

mu = Massa udara yang mengalir ke udara bebas

M@ = Massa scrap setiap pengisian

Kalor yang terbuang melalui udara (Qub)

(

)

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q ub o o u ub 73 , 480531 30 4 , 1155 . 27 , 1 . 59 , 341 . . = − = =

4.1.11 Total kalor untuk pemanasan udara (Qut) Qut = Qud + Qub

= 3993,76 kj + 480531,73 kj Qut = 484525,49 kj

4.1.12 Kalor yang terbuang secara konduksi (qd) a) Kalor terbuang dari dasar tanur

w q

m w m

A Q A q

d

l d

2 , 17881

1986 . 9

.

2 2

= = =

b) Kalor terbuang dari dinding dan tutup tanur qdt = 82154,18 w

Total daya terkonduksi (qt)

qt = qd + qdt

= 17881 + 82154,18 ,2 qt = 100035,38 w

Total kalor terkonduksi selama waktu operasi 1 kali pengisian (Qk),

dimana t@ = 1800 second

Qk = qt . t@

= 100035,38 j/s . 1800 s Qk = 180063,69 kj

4.2 Proses Peleburan Baja

Dalam pelebeluran baja dari temperatur kamar hingga mencapai temperatur cair baja melalui tiga bentuk proses pemanasan, yaitu :

a. Proses pemanasan baja dari suhu kamar hingga titik lebur, disini kalor yang diterima dipergunakan untuk menaikan suhu logam.

b. Proses peleburan fase logam dari bentuk padat kebentuk cairan. Pada proses ini tidak terjadi perubahan suhu.

c. Proses pemanasan cairan logam dari suhu lebur hingga suhu panas. Disini proses peningkatan suhunya lebih lambat.

Proses peleburan baja ini dapat digambarkan dalam bentuk seperti 5.1 untuk menghitung kalor peleburan yang diperlukan dalam satu kali pengisian adalah :

4.2.1 Proses 1

Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur scrap padat dari temperatur kamar ke 1516 oC

dT cp m Q_n = ₁. .

Massa scrap padat pada setiap pengisian m1 = 9000 kg

Kalor spesifik scrap padat cp = 0,465

C kg

kj

o

. perubahan temperatur dT = 1516 -30 = 1486 oC

kj Q C C kg kj kg dT cp m Q n o o n 6218910 1486 . 465 , 0 . 9000 . . 1 = = =

4.2.2 Proses 2

Kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan scrap padat porses ini tidak terjadi perubahan temperatur

h m Q_l = ₁.

Massa scrap cair pada setiap pengisian m1 = 9000 kg

panas laten h = 15,5

kg kj kj Q kg kj kg h m Q l l 2 , 139728 5 , 15 . 9000 . 1 = = =

4.2.3 Proses 3

Kalor yang dibutuhkanuntuk menaikkan temperatur scrap cair dari temperatur peleburan ke temperatur penuangan .

dT cp m Q_m = ₁. .

Massa scrap cair pada setiap pengisian m1 = 9000 kg

cp = 0,96 C kg

kj

o

.

perubahan temperatur dT = 1680 -30 = 1650 oC

kj Q

C C

kg kj kg

dT cp m Q

m

o o

m

14256000

1650 . 96

, 0 . 9000

. .

1

= = =

Kalor untuk peleburan baja

Qt = 6218910 + 139728,2+ 14256000

Qt = 20614638.2 kj

4.3 Daya Tanur Dan Transformator

Daya pengoperasian tanur secara kontiniu, semua dinding tanur masih dalam keadaan panas (mendekati suhu kesetimbangan). Kehilangan panas dinding tanur selama selang waktu pengisian dapat diperkirakan 15 % dari kalor yang diperlukan dapat dijabarkan kalor-kalor yang diperlukan dalam operasi secara kontiniu adalah :

− Kalor untuk melebur baja

− Kalor untuk memanaskan udara dalam tanur

− Kalor yang dikondisikan dinding selama waktu operasi

− Kalor yang hilang selama proses pengisian

Qop = Qb + Qut + Qk + (0,15 x Qt)

= 7775598,2 + 484525,49 + 180063,69 + (0,15 x 35141438,96) Q = 13711403,22 kj

4.3.1 Pengoperasian normal

Karena waktu operasi untuk satu kali pengisian pertama adalah 30 menit, maka daya yang dibutuhkan adalah :

kw s

kj P

s kj operasi Waktu

Q P

op

op op

4 , 7617 4

, 7617

1800 22 , 13711403

= =

= =

(Pop = Daya pengoperasian)

4.3.2 Pengoperasian khusus

Untuk pengoperasian khusus, yaitu saat tanur di, sebelum muatan pertama tanur harus dipanaskan selama 6 sampai 8 jam untuk menghilangkan air yang masih terkandung didalam lapisan lining. Pada muatan pertama sudah di overhall tentunya tanur masih dalam kondisi suhu kamar sehingga perlu kalor untuk memanaskan tanur hingga suhu kesetimbangan. Kalor yang diperlukan pada konduksi operasi ini tentulah lebih banyak, sehingga :

Qoh = Qb + Qu + Qk + Qt

= 7775598,2 + 484525,49 + 180063,69 + 35141438,96 Qoh = 43581626,34 kj

(Qoh = kalor yang dibutuhkan setelah overhall)

Waktu untuk mencapai kesetimbangan pada muatan ini adalah : T = Qkh / Pop

= 43581626,34 kj / 7617,4kw kw T = 5721,32 second = 1,58 jam

Dalam proses peleburan ini, walaupun secara matematis, daya yang diperlukan adalah 7617,4 kw, tetapi pada kenyataannya, daya yang harus disediakan dari transformator haruslah cukup banyak. Karena scrap baja yang dimasukan dalam tanur adalah bervariasi , sehingga hambatan listriknya juga berbeda-beda. Dari rumus persamaan listrik dapat dilihat.

P = V . I V = I . R P = I2 . R Dimana P = daya

V = Beda Potensial R = Hambatan Listrik

Dari rumus di atas dapat dilihat, dalam perencanaan daya listrik yang digunakan dalam operasi tanur, karena kalau tegangan listrik terlalu tinggi akan menghasilkan gaya tolak menolak yang menyebabkan tekanan pada tutup tanur. Dari faktor diatas karena arus yang mengalir pada elektroda ini cukup tinggi. Bila terjadi peningkatan hambatan listrik yang sedikit akan menyebabkan kenaikan daya yang cukup besar.

Akibatnya perubahan daya yang besar ini, maka daya tambahan yang di buthkan juga besar. Dalam hal ini ditambah 35 % dari daya operasi, sehingga daya transformator adalah :

Ptot = 1,35 x Pop

= 1,35 x 7617,4 kw Ptot = 10283,49 kw

Pada susunan listrik 3 phasa, jarak ketiga elektroda akan mempengaruhi sifat kapasitas listrik yang ada. Sifat ini akan berlawanan dengan sifat konduksi listrik akibat pengaruh sifat konduksi transformator. Dengan pengaruh jarak dan posisi yang baik dari elektroda akan menghasilkan efisiensi listrik yang lebih baik. Karena dengan demikian sifat resistensi listrik bertambah. Dalam hal ini cos θ listrik akan mencapai sekitar 0,8 bila elektroda diletakan menepati sudut 1200, sehingga daya transformator adalah

Ptr =

θ

Cos Ptot

Ptr =

0,8 kw 10283,49

Ptr = 12854,36 kva

Dari hasil survei, pada kumparan sekunder transformator dihasilkan arus 3 phasa dengan arus 33827,26 A, dan beda potensial adalah 380 V. Elektroda karbon yang digunakan mempunyai ukuran dengan diameter 12 ince (± 0,3 m) dan panjang 1,8 m.

4.4 Kesetimbangan Kapasitas Tanur dan CCM

Karena ada pengoperasian pabrik secara kontiniu, maka antara kapasitas baja cair yang dihasilkan oleh tanur harus setimbang dengan yang dapat ditangani oleh unit CCM. Dalam hal ini perlu diketahui kecepatan keluar billet dari unit CCM. Dari hasil survei tinggi cairan baja dalam tundish antara 0,25-0,3 m. Pabrik baja dalam operasinya mengunakan 4 buah tanur, sehingga kapasitas cairan baja yang dihasilkan 100 ton/jam. Dalam unit CCM atau tundish melayani 3 strand Masing-masing CCM hanya mampu mencetak 1 ladle baja cair (25 ton) selama satu kali proses.

4.41 Debit baja cair

Bj M Q =

₃

/ 7680

/ 25000

m kg

jam kg

=

jam m Q =3,26 3/

4.4.2 Kecepatan billet keluar dari CCM

Untuk mencari kecepatan billet keluar dari mould tube CCM kita harus membagi debit keluar pencetakan billet ke masing-masing mould tube, sehingga:

Q = v . A

v = kecepatan billet keluar mould tube Q = Debit baja cair Billet

A = Penampang billet

Menit m 60

3,26 3

= 3 x v x (0,12)2 m2

v = 1,25 m/menit

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Industri baja adalah salah satu industri yang cukup strategis dan sangat potensial. Untuk mendukung perkembangan industry ini, sekarang ini telah digunakan alat pendukung yang cukup efisien, yaitu Continious Casting Machine (CCM). Untuk mensuplai baja cair kedalam CCM yang relatif berkapasitas besar, perlu alat pelebur baja yang berkapasitas besar juga. Alat peleburan ini adalah Tanur Busur Listrik (TBL).

Tanur yang berbentuk seperti ceret ini dilapisi dengan lining magnesia dan dilapisi dengan batu tahan api, sedangkan rangkanya adalah plat baja. Sumber kalor untuk tanur ini adalah loncatan busur listrik tiga fasa yang dihubungkan pada elektroda grafit.

Dalam operasi tanur ini, pemasukan bahan baku menggunakan bucket yang diameternya lebih kecil sedikit dan diameter dalam tanur, dan bagian bawahnya dapat dibuka, sehingga cairan baja dapat langsung masuk kedalam tanur dengan membuka dasar baket. Tiap siklus operasi dilakukan tiga kali pengisian bahan baku. Pada saat baja cair akan dikeluarkan terlebih dahulu dimasukan flowspar, dan teras dari depan. Baja cair dikeluarkan dari belakang tanur dengan cara dimiringkan, dan dibawa dengan dengan Ledle ke unit CCM.

Perencanaan tanur ini dimulai dengan penetapan volume tanur sesuai dengan kapasitasnya, kemudian dengan analisa perpindahan panas atas kondisi suhu tuang, kondisi suhu luar tanur kondisi udara bebas, dan kondisi erosi yang terjadi pada

permukaan lining yang bersentuhan langsung dengan baja cair, diperoleh ukuran tiap lapisan.

Dengan mengetahui ukuran-ukuran dari tiap-tiap lapisan tanur, dapat diketahui panas yang diperlukan untuk memanaskan bagian-bagian tanur dan kalor yang terbuang secara konveksi oleh dinding luar tanur, sehingga dengan demikian dapat direncanakan kebutuhan daya pada tanur.

Dengan demikian cara diatas, Tanur Busur Listrik yan direncanakan mempunyai data-data sebagai berikut :

Operasional

− Kapasitas : 25 ton/jam

− Sistem Operasi : 3 kali pengisian

− Kapasitas Operasi : 7-9 ton

Dimensi Tanur

 Pada dasar tanur

• Lining : Magnesia (MgO)

Tebal : 0,35 m

• Isolator Panas : Bata Tahan Api

Tebal : 0,37 m

• Konstruksi luar : Plat baja Grade AISI 1008

 Pada dinding tanur

• Isolator Panas : Batu tahan api

Tebal : 0,3 m

• Konstruksi luar : Pelat Baja Grade AISI 1008

Tebal : Plat Baja 25 mm

 Pada tutup tanur

• Isolator panas : Batu Alumina (hight alumina brick)

Tebal : 0,29 m

• Konstruksi luar : Pelat baja Grade AISI 1008

Tebal : 25 mm

Alat Peleburan

− Sumber Kalor : Loncatan Busur Listrik

− Daya Transformator : 12854,36 kva

− Beda Potensial Listrik : 380 V (3 Phasa)

− Arus Listrik : 33827,26 A

Elektroda

− Bahan : Grafit Karbon Bentuk Selinder

− Panjang : 1,8 m

DAFTAR PUSTAKA

1. William T. Lankford, Jr , The Making, Shaping and Treating of Steel,

Tenth Edition. United States Steel. 1985

2. Frank Kreith. Arko Prinjono Msc, Prinsip-prinsip Perpindahan

Panas, Edisi 3, 1986.

3. George Love, Harun. AR, Teori dan Praktek Kerja Logam,

Edisi Ketiga, Erlangga.

4. Jelling Hans Marpred, Electric Steel Making, 1st Edition, Verlag Stahkisen mbh, Duss Enldorf, 1989.

5. Holman J.P, Perpindahan Kalor, Edisi C, Erlangga, 1982.

6. Gieck. K , Kumpulan Rumus Teknik, Cetakan keenam. Pradnya

Paramita. 2005

7. Tata Surdia, M.S Met.E .Prof .Ir , Teknik Pengecoran Logam.Cetakan

Kesembilan. 2006.

8. Smallman. Prof.R.E. Metalurgi Fisik Moderen Dan Rekayasa

Material, Gramedia jakarta. tahun 1999

9. Incopera, Frank P. “FUNDAMENTALS OF HEAT TRASFER”, Jhons

Lampiran 1. Konversi Satuan

Lampiran 2. Fungsi Radiasi

Lampiran 3. Nilai Sifat – Sifat Logam

Lampiran 4 . Sifat –Sifat Bukan Logam

Lampiran 5. Sifat mekanis dari Baja

Lampiran 7. Macam-Macam Bentuk Bata Tahan Api

Lampiran 9. Sifat – sifat zat Padat

Lampiran 8. Sifat –Sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer

Lampiran 10. Karakteristik Bahan-Bahan Tahan Api

Lampiran 12. Panjang Ekuivalen Rata-rata L

e

Panjang Ekuivalen Rata-rata Le untuk Radiasi dari Keseluruhan Volume Gas.

Menurut Rujukan 22 dan 25

Volume gas Dimensi

karakteristik

Le

Volume antar dua bidang tak-berhingga

Silinder bundar dengan tinggi = diameter, radiasi kepusat dasar

Hemisfer, radiasi keseluruh permukaan Bola radiasi keseluruh permukaan

Silinder bundar tak-berhingga, radiasi kepermukaan cembung yang mengungkung

Silinder bundar dengan tinggi = diameter, radiasi keseluruh permukaan

Silinder bundar, tinggi semi tak-berhingga,radiasi keseluruh permukaan

Kubus, radiasi kesisi mana aja

Volume yang mengurung bekas tabung tak- berhingga, radiasi kesatu tabung Susunan segi-tiga

S = 2D S = 3D

Susunan bujur sangkar

Jarak pisah L Diameter D Jari-jari R Diameter D Diameter D Diameter D Diameter D Tepi L

Diameter tabung D, jarak antara pusat tabung s

1,8 L 0,7 L R 0,65 D 0,95 D 0,60 D 0,65 D 0,60 L 3,0(S-D) 3,8(S-D) 3,5(S-D)

L-12