PERANCANGAN DAPUR BUSUR LISTRIK SKALA LABORATORIUM DENGAN DAYA MAKSIMAL 6,6 KW DAN KAPASITAS TUNGKU PELEBURAN MAKSIMAL 200 GRAM

DENGAN DAYA MAKSIMAL 6,6 KW DAN KAPASITAS TUNGKU PELEBURAN MAKSIMAL 200 GRAM

Diajukan Sebagai Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi S-1 Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun Oleh:

PUNGKY WIJANARKO PRASETYO WICAKSONO 20120130040

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

DENGAN DAYA MAKSIMAL 6,6 KW DAN KAPASITAS TUNGKU PELEBURAN MAKSIMAL 200 GRAM

Diajukan Sebagai Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi S-1 Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun Oleh:

PUNGKY WIJANARKO PRASETYO WICAKSONO 20120130040

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi ini adalah asli hasil karya saya dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar sarjanaan di Perguruan Tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis disebutkan sumbernya dalam naskah dan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 28 Agustus 2016

Pungky Wijanarko P.W



“Jangan ukur diri anda dengan apa yang telah

ada capai, tetapi ukur diri anda dengan apa

yang bisa anda raih

”.



“

Jika anda memiliki sebuah mimpi yang sangat

indah, maka ingatlah bahwa tuhan akan

memberikanmu kekuatan untuk membuatnya

menjadi nyata

”.



“

Ketika seseorang menyakitimu lagi dan lagi,

anggap saja mereka sebuah amplas yang

menggosok anda.. Pada akhirnya anda akan

bersih mengkilap dan ia akan habis tak berguna

”.

PERSEMBAHAN

Bismillahirohmanirohim, dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih, Maha Penyayang, serta Maha Pemberi Nikmat, penulis mempersembahkan skripsi ini untuk :

1. Kedua orangtua tercinta, yang tak henti-hentinya memberikan kasih sayang, do’a, motivasi serta dukungan.

2. Kedua dosen pembimbing tugas akhir, Bapak Ir. Aris Widyo Nugroho M.T.,PhD. dan Bapak Cahyo Budiyantoro, S.T., M.Sc. yang selalu sabar membimbing, memberi arahan, dan masukan selama pelaksanaan tugas akhir. 3. Dosen penguji, Bapak Totok Suwanda, S.T., M.T. yang telah bersedia

menguji, memberikan masukan, dan saran yang sangat bermanfaat bagi penulis.

4. Laboran laboratorium teknik mesin, Bapak Joko Suminto dan Bapak Mujiarto atas bantuan penyediaan alat bantu sehingga tugas akhir dapat berjalan dengan lancar.

5. Rekan Tugas Akhir dapur busur listrik Rangga Agung Saputra yang telah berjuang bersama dan saling memberikan dukungan satu sama lain selama pelaksanaan tugas akhir.

6. Kepada Mad Sangadat yang telah membantu dalam penelitian alat dan masukan – masukannya tentang kelistrikan.

7. Sahabat saya Ariq Dicky Pratama yang selalu menghibur dan selalu mengajak untuk refreshing.

8. Rekan video instagram saya Galuh Yudha S, Anggi Putra A, dan Rizky Arief B yang bisa menjadikan hiburan tersendiri sehingga pikiran jadi fresh.

9. Fikri Ardiansyah, Bagus Triaji, Yudhi Rizkiawan, Elis Fiono, serta sahabat-sahabat yang lain yang tidak bisa disebutkan satu-persatu.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang tiada hentinya memberikan rahmat, nikmat, dan hidayah-Nya kepada penulis sehingga pelaksanaan laporan tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Solawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW yang telah menuntun kita dari jaman jahiliyah ke jaman yang terang seperti saat ini kita rasakan.

Laporan tugas akhir ini tidak akan terselesaikan dengan baik tanpa adanya bantuan dari berbagai pihak. Penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada :

1. Bapak Novi Caroko, S.T., M.Eng. selaku kepala program studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

2. Bapak Ir. Aris Widyo Nugroho M.T.,PhD. selaku dosen pembimbing I yang telah bersedia memberikan bimbingan dan saran yang sangat bermanfaat. 3. Bapak Cahyo Budiyantoro, S.T., M.Sc. selaku dosen pembimbing II yang

telah bersedia memberikan bimbingan dan saran yang sangat bermanfaat. 4. Bapak Totok Suwanda, S.T., M.T. selaku dosen penguji yang telah bersedia

memberikan masukan-masukan dalam laporan tugas akhir.

Kritik dan saran dari pembaca sangat diharapkan oleh penulis demi perbaikan laporan ini, semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi penyusun dan teman-teman mahasiswa yang lain.

Yogyakarta, 28 Agustus 2016

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PENGESAHAN ... ii

HALAMAN PERNYATAAN ... iii

HALAMAN MOTTO ... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ... v

INTISARI ... vi

KATA PENGANTAR ... vii

DAFTAR ISI ... viii

DAFTAR GAMBAR ... xi

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR NOTASI ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Tujuan Perancangan ... 3

1.5 Manfaat Perancangan ... 3

1.6 Metode Penulisan ... 3

1.7 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 Kajian Pustaka ... 5

2.2 Dasar Teori ... 6

2.2.1 Dapur Busur Listrik (Electric Arc Furnace) ... 6

2.2.2 Prinsip Kerja Arus Pada Busur Listrik ... 7

2.2.3 Komponen Utama Pada Busur Listrik Skala Industri ... 9

2.2.5 Keuntungan dan Kerugian Dari Busur Listrik ... 11

2.2.6 Elemen Mesin Dari Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium ... 11

2.2.7 Prototype Busur Listrik Skala Laboratorium ... 16

2.2.8 Rangkaian Seri ... 18

2.2.8 Rangkaian Paralel ... 19

2.2.9 Daya ... 19

2.2.10 Menghitung Jumlah Lilitan Pada Trafo ... 20

2.2.11 Menghitung Efisiensi Pada Trafo ... 21

2.2.12 Menghitung Kalor / Energi Listrik ... 22

2.2.13 Menghitung Kebutuhan Energi Saat Peleburan ... 22

2.2.14 Menghitung Volume Tungku Peleburan ... 22

BAB III METODE PERANCANGAN 3.1 Pendekatan Perancangan ... 24

3.2 Tempat dan Waktu Penelitian ... 24

3.3 Diagram Alir Perancangan ... 24

3.4 Studi Literatur ... 25

3.5 Menghitung Kebutuhan Energi Saat Peleburan ... 25

3.6 Menghitung Tegangan dan Arus Primer Pada Trafo ... 26

3.7 Menghitung Tegangan Sekunder ... 26

3.8 Menghitung Lilitan Sekunder Pada Trafo ... 26

3.9 Menghitung Jumlah Kawat Untuk Kabel Sekunder ... 26

3.10 Menghitung Daya Sekunder Pada Trafo ... 26

3.11 Menghitung Waktu Peleburan ... 27

3.12 Perancangan Skema Rangkaian Listrik ... 27

3.13 Perancangan Tungku Peleburan ... 27

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Menghitung Energi Yang Dibutuhkan Saat Peleburan ... 28

4.2 Menghitung Daya Listrik Yang Dibutuhkan ... 28

4.4 Perancangan Modifikasi Pada Trafo Microwave ... 29

4.4.1 Menghitung Tegangan dan Arus Primer Trafo ... 30

4.4.2 Menghitung Teagngan Sekunder ... 31

4.4.3 Menghitung Lilitan Sekunder ... 31

4.4.4 Menghitung Jumlah Kawat Kabel Sekunder ... 32

4.4.5 Menghitung Daya Sekunder Pada Trafo ... 33

4.4.6 Menghitung Kebutuhan Energi Saat Peleburan ... 33

4.4.7 Menghitung Waktu Peleburan ... 34

4.4.8 Rangkaian Kelistrikan Hasil Modifikasi Trafo Microwave ... 34

4.5 Menentukan Dimensi Tungku Peleburan ... 35

4.6 Bagian – Bagian Mesin Busur Listrik ... 38

4.7 Penjelasan Cara Kerja Penggunaan Alat ... 40

4.8 Spesifikasi Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium ... 42

4.9 Analisis Biaya Perancangan Dapur Busur Listrik ... 42

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 44

5.2 Saran Pengembangan ... 44

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema Dapur Busur Listrik ... 7

Gambar 2.2 Elektroda Pada Busur Listrik ... 8

Gambar 2.3 Transformator ... 9

Gambar 2.4 Tungku Dapur Busur Listrik Yang Sedang Beroperasi ... 10

Gambar 2.5 Mesin Busur Listrik Skala Industri Tidak Beroperasi ... 10

Gambar 2.6 Transformator EI ... 13

Gambar 2.7 Grafik Kemampuan Hantar Arus Pada Kabel ... 15

Gambar 2.8 Carbon Baterai ... 15

Gambar 2.9 Skematik Prototype Busur Listrik Skala Laboratorium ... 16

Gambar 2.10 Prototype Busur Listrik Skala Laboratorium ... 17

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Perancangan Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium ... 22

Gambar 4.1 Rangkaian Kelistrikan Hasil Modifikasi Trafo Microwave ... 32

Gambar 4.2 Panjang Carbon Baterai Tipe D ... 33

Gambar 4.3 Tungklu Pelebuyran 2D ... 34

Gambar 4.4 Tungku Peleburan 3D ... 34

Gambar 4.5 Tutup Tungku Peleburan 2D ... 35

Gambar 4.6 Tutup Tungku Peleburan 3D ... 35

Gambar 4.7 Dapur Busur Listrik 3D ... 36

Gambar 4.8 Kabel Steker ... 37

Gambar 4.9 Saklar ON/OFF ... 37

Gambar 4.10 Elektroda Karbon Kutub (+) dan Kutub (-) ... 37

Gambar 4.11 Tungku Peleburan ... 38

Gambar 4.12 Tungku Ketika Ditutup ... 38

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Kemampuan Hantar Arus ... 14 Tabel 4.1 Spesifikasi Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium ... 39 Tabel 4.2 Analisis Biaya Pembutan Dapur Busur Listrik Skala

DAFTAR NOTASI I = Arus (A)

V = Tegangan (V) P = Daya (Watt) Np = Lilitan Primer Ns = Lilitan Sekunder � = Efisiensi (%)

Q = Energi/Kalor (Joule) m = Massa (Kg)

t = Waktu (s)

c = Kalor Jenis (J/kg°C) T = suhu (°C)

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Busur Listrik dan Tungku Lampiran 2. Busur Listrik

prosesnya tidak menggunakan sumber panas bahan bakar, tetapi menggunakan prinsip low voltage dan low power factor dengan arus sekunder yang besar untuk menghasilkan panas yang akan meleburkan benda kerja. Dapur busur listrik skala laboratorium yang ada saat ini masih berskala besar, dan jarang sekali ada dapur busur listrik skala laboratorium yang portable. Oleh karena itu perlu adanya rancangan dapur busur listrik skala laboratorium yang portable, mudah untuk dipindahkan, dan juga ekonomis.

Perancangan dapur listrik skala laboratorium ini dilakukan dengan melakukan perhitungan diantaranya menghitung kebutuhan energi saat peleburan, menghitung tegangan dan arus primer trafo, menghitung tegangan sekunder trafo, menghitung jumlah lilitan sekunder trafo, menghitung jumlah kawat untuk kabel sekunder, menghitung daya trafo, mengetahui waktu dari peleburan, melakukan perancangan skema rangkaian kelistrikan, hingga merancang dimensi tungku dengan kapasitas maksimal 200 gram. Mesin busur listrik ini menggunakan dua buah trafo microwave yang di modifikasi.

Hasil dari perancangan modifikasi trafo microwave ini memiliki jumlah lilitan pada bagian sekunder sebanyak 20 lilitan untuk masing-masing trafo. Trafo dirancang dengan arus maksimal 300 A sehingga lilitan sekunder pada trafo ini menggunakan kawat berjumlah 45 helai sebagai kabelnya. Tungku peleburan memiliki dimensi kedalaman 45 mm dan diameter 46 mm dengan kapasitas tungku 200 gram.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Aluminium mempunyai peranan yang sangat penting dalam dunia industri logam karena sifatnya yang mudah dibentuk. Logam jenis ini juga memiliki sifat diantaranya titik lebur pada ±660o_{C, konduktor listrik dan penghantar panas yang} baik, serta mempunyai sifat ketahanan korosi yang tinggi (Surono, 2011).

Logam jenis ini banyak digunakan untuk membuat bak truk dan komponen kendaraan bermotor, membuat badan pesawat terbang, kusen pintu, kabel listrik, dan berbagai jenis produk atau peralatan rumah tangga.

Pengecoran aluminium skala rumah tangga hingga skala industri umumnya menggunakan tungku yang dilengkapi dengan alat bakar (burner). Bahan bakar yang biasa digunakan adalah LNG (Liquified Natural Gas), LPG (Liquified Petroleum Gas), dan arang. Selain itu factor keselamatan juga menjadi perhatian khusus dalam proses peleburan logam karena ketika proses peleburan berlangsung akan menghasilkan suhu yang sangat tinggi. Sehingga sangat berbahaya apabila panas yang dihasilkan terkena oleh manusia (Noviansyah, 2006).

Peleburan logam dengan busur listrik yang ada saat ini adalah peleburan dengan skala besar dan jarang sekali yang menggunakan busur listrik khusus peleburan aluminium, kebanyakan peleburan yang digunakan adalah peleburan logam berskala besar 400 ton.

Tungku peleburan secara luas dibagi menjadi dua jenis berdasarkan metode pembangkitan panasnya yaitu tungku pembakaran yang menggunakan bahan bakar dan tungku yang menggunakan listrik. Tungku listrik secara umum dapat digolongkan kedalam dua jenis, yaitu direct heat arc furnace dan indirect heat arc furnace. Pada direct heat arc furnace kutub positif dan kutub negatif tanur dikontakan sehingga timbul panas. Sedangkan pada indirect heat arc furnace, kontak antara kedua kutub tersebut tidak langsung akan tetapi hubungan kedua kutub

tersebut melalui muatan (charge). Peleburan logam menggunakan metode direct heat arc furnace ini dilakukan dengan menggunakan energi yang berasal dari listrik berupa arc atau busur yang dapat mencairkan logam yang dikenal dengan Electric Arc Furnance (EAF) (Supriyatna dkk, 2013) .

Dalam sebuah EAF, busur listrik digunakan untuk menyediakan panas untuk mencair dan untuk peleburan. Beberapa EAF terletak di negara studi seperti Nigeria, Delta Steel Company, dan pabrik-pabrik industri besar lainnya. Mereka begitu rumit dalam mendesain EAF dan begitu mahal bahkan perguruan tinggi nasional tidak mampu membeli prototype untuk tujuan eksperimental (Oyawale, 2007).

EAF memiliki banyak keuntungan yang diperlukan dalam penelitian metalurgi. Fitur tersebut meliputi keluaran suhu dan kontrol panas, analisis akurat dari lelehan, pemurnian logam, efisiensi termal yang tinggi (mencapai 70%), dan produksi baja langsung dari pig iron dan steel scrap (Oyawale, 2007).

Dapur busur listrik skala laboratorium yang ada saat ini masih berskala besar, dan jarang sekali ada dapur busur listrik skala laboratorium yang portable. Oleh karena itu perlu adanya rancangan dapur busur listrik skala laboratorium yang portable, mudah untuk dipindahkan, dan juga ekonomis.

1.2 Rumusan Masalah

Dari latar belakang yang telah diuraikan maka peneliti merumuskan masalah, bagaimana merancang sebuah dapur busur listrik sekala laboratorium.

1.3 Batasan Masalah

1. Arus Output maksimal 200 A.

2. Effisiensi yang terjadi diasumsikan 80%.

3. Suhu awal aluminium 30oC dan suhu akhir 850oC.

1.4 Tujuan Perancangan

Dalam proses perancangan desain sebuah dapur busur listrik ini bertujuan untuk mendapatkan rancangan dapur busur listrik skala laboratorium.

1.5 Manfaat Perancangan

Manfaat yang diharapkan dari perancangan alat ini adalah: 1. Bagi IPTEK

Dari perancangan alat ini diharapkan dapat menambah referensi tentang alat tepat guna dalam pengabdian masyarakat serta dapat dijadikan acuan dalam pengembangan sistem pemanas.

2. Bagi Dunia Pendidikan

Hasil perancangan alat ini diharapkan dapat memenuhi kebutuhan laboratorium teknik mesin sebagai alat peleburan aluminium maupun logam-logam lainya dalam skala kecil.

3. Bagi Masyarakat

Hasil perancangan alat ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu bahan pertimbangan untuk membuka peluang mendirikan industri kecil dibidang manufaktur pembuatan peralatan otomotif dan peralatan rumahan.

1.6 Metode Penulisan

Metode pengumpulan data yang dilakukan adalah :

1. Metode pustaka, yaitu dengan cara studi kepustakaan untuk mencari dasar teori yang ada kaitanya dengan Dapur Busur Listrik.

2. Metode observasi, digunakan untuk memperoleh data–data atau informasi yang aktual dari alat tersebut agar dapat di aplikasikan dengan dasar teori yang ada.

3. Metode eksperimen, dengan melakukan uji coba setelah Dapur Busur Listrik selesai dibuat, untuk menghetahui performasi alat tersebut.

1.7 Sistematika Penulisan

Laporan kerja praktik ini tersusun dari beberapa bab dengan sistematika penulisan dari masing-masing bab dijelaskan sebagai berikut.

BAB I : Pendahuluan

Berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan perancangan, manfaat perancangan dan sistematika penulisan tugas akhir.

BAB II : Kajian Pustaka dan Dasar Teori

Berisi tentang teori-teori dapur busur listrik, prinsip kerja, komponen busur listrik, karakteristik busur listrik, keuntungan dan kerugian busur listrik, serta rumus-rumus pendukung untuk perancangan busur listrik. BAB III : Metode Perancangan

Berisi tentang pendekatan perancangan, tempat dan waktu penelitian, dan diagram alir proses perancangan.

BAB IV : Perhitungan Pembahasan

Berisi tentang perhitungan-perhitungan yang dilakukan dalam proses perancangan seperti kebutuhan energi saat peleburan, jumlah lilitan, dan ukuran tungku peleburan.

BAB V : Penutup

Berisi tentang kesimpulan, saran pengembangan, dan daftar pustaka dari hasil perancangan dapur busur listrik skala laboratorium.

BAB II

KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1Kajian Pustaka

Pengecoran logam merupakan proses yang melibatkan pencairan logam, membuat cetakan, menuang, membongkar dan membersihkan logam. Dalam mencairkan logam dapat digunakan berbagai macam tanur seperti kupola atau tanur induksi frekuensi rendah dipergunakan untuk besi cor, tanur busur listrik atau tanur induksi busur tinggi dipergunakan untuk baja cor dan tanur kurs untuk paduan tembaga atau paduan coran ringan, karena tanur–tanur ini dapat menghasilkan logam yang baik dan sangat ekonomis untuk pengecoran logam– logam tersebut (Surdia, 2000).

Prinsip proses peleburan dengan tanur bekerja dengan prinsip transformator dengan kumparan primer dialiri arus AC dari sumber tenaga dan kumparan sekunder. Kumparan sekunder yang diletakkan didalam medan magnet kumparan primer akan menghasilkan arus induksi. Berbeda dengan transformator yang kumparan sekundernya digantikan oleh bahan baku peleburan serta dirancang sedemikian rupa agar arus tersebut berubah menjadi panas yang sanggup mencairkannya (Wahmat, 2015).

Sistem operasi busur listrik dilakukan pada low voltage dan low power factor dengan arus skunder yang besar. Kenyataanya dalam praktik untuk memperbesar power factor dapat dilakukan dengan dua cara yaitu dengan memperkecil setting arus sekunder untuk tegangan tap tertentu dan menaikkan tegangan tap untuk arus sekunder tertentu. Kedua cara tersebut dapat ditempuh sebuah pabrik untuk mencapai sasaran optimasi energi listrik dan juga elektroda (Wardhana, 2007).

Dapur busur listrik cahaya ini terdiri atas tungku baja berbentuk bulat yang dangkal, dilapis dengan bahan tahan api. Dua buah batang elektroda karbon yang dapat dinaikkan dan diturunkan, masuk ke dalam dapur melewati tutup dapur dan menyentuh logam yang akan dilebur. Arus listrik dialirkan melalui elektroda-elektroda itu dan membentuk sirkuit dengan logam. Bila sirkuit tercapai, maka

arus meloncati celah antara ujung-ujung elektroda dan logam. Bunga api yang menjembatani celah itu disebut busur cahaya. Panas yang dibangkitkan oleh busur cahaya menyebabkan logam menjadi cair (Setyobudi, 2013).

Dalam merancang sebuah tungku peleburan menggunakan trafo harus diperhatikan komponen-komponen utamanya antara lain seperti jumlah lilitan karena ini akan berpengaruh terhadap kinerja keseluruhan, termasuk diantaranya diameter kabel sekunder sebagai penghantar arus listrik dan faktor daya. Selain itu perlu adanya pengaman dalam sebuah pembuatan alat salah satu pengamanan yang dipasaang pada sebuah alat yang berkaitan dengan listrik adalah sikring pemutus. Sikring ini berfungsi untuk pemutus arus jika terjadi arus yang berlebihi kapasitas maksimal yang diijinkan. Setelah itu komponen-komponen pengamanan lainya adalah adanya sebuah pendingin salah satunya fan pendingin yang terpasang pada alat.

2.2 Dasar teori

2.2.1 Dapur Busur Listrik (Electric Arc Furnace)

Prinsip kerja busur listrik adalah apabila kedua kutub didekatkan pada jarak tertentu terjadi loncatan listrik, maka hal ini dikenal dengan busur listrik, dan busur listrik ini yang dimanfaatkan sebagai sumber pemanas (Sulistyo dkk, 2006).

Salah satu kelebihan EAF dari basic oxygen furnace 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 Prinsip Kerja Arus Pada Busur Listrik

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

Banyak tipe dapur listrik yang digunakan, tetapi secara praktik hanya tiga tipe berikut yang digunakan dalam industri pembuatan baja :

 AC direct-arc electric furnace (dapur busur listrik – arus bolak balik)  DC direct-arc electric furnace (dapur busur listrik – arus searah )  Induction electric furnace (dapur induksi)

Pada dapur busur listrik – arus bolak balik, arus melewati suatu elektroda turun ke bahan logam melalui suatu busur listrik, kemudian arus tersebut dari bahan logam mengalir keatas melalui busur listrik melalui busur listrik menuju elektroda lainnya. Untuk peleburan baja dapat dilakukan arus satu, dua atau tiga fasa. Umumnya digunakan arus 3 fasa.

Dalam dapur listrik – arus searah, arus listrik melewati satu elektroda turun kebahan yang akan dilebur melelui busur listrik, yang kemudian mengalir menuju elektroda pasangannya yang berada dibawah dapur.

Gambar 2.1 Skema Dapur Busur Listrik Sumber : Buku Teknologi Mekanik SMK/MKA Kelas X

Prinsip timbulnya panas pada tanur busur listrik adalah panas timbul akibat adanya tahanan (resistansi) saat arus listrik yang mengalir. Dalam hal ini, logam yang dimuatkan dalam tanur yang akan memberikan tahanan terhadap arus listrik. Saat logam mencair, terak akan memberikan tahanan pada aliran arus listrik. Untuk mempertahankan pemberian panas saat logam telah mencair, elektroda harus diangkat sehinnga elektroda tersebut hanya menyentuh permukaan lapisan terak. Panas yang dihasilkan oleh loncatan elektron (busur api) dengan aliran listrik dengan adanya aliran listrik ini maka, akan menimbulkan aliran induksi dalam cairan yang akan menyebabkan terjadinya gerak cairan, sehingga homogenisasi cairan dapat terjadi.

Pada arc furnace elektroda dipakai untuk menghantarkan arus busur listrik menuju bahan peleburan, terbuat dari karbon atau grafit sebab lebih tahan terhadap temperatur tinggi. Elektroda yang digunakan, semakin lama akan semakin pendek dibagian ujung bawahnya disebabkan panas yang terjadi pada ujung tersebut. Pada saat operasi/bekerja, elektrode diturunkan secara bersama-sama hingga bersentuhan dengan logam. elektroda yang digunakan dapat dinaikan atau diturunkan secara otomatis dengan menggunakan perangkat pengendali listrik atau hidrolik. Sistem kendali manual dan otomatis digunakan untuk menaikkan, menurunkan, dan menggeser elektroda saat proses peleburan berlangsung. Jika elektrode tersebut sudah pendek, perlu diganti yang baru.

Gambar 2.2 Elektroda Pada Busur Listrik

2.2.3 Komponen Utama Pada Busur Listrik Skala Industri

Busur listrik yang ada saat ini adalah dapur busur listrik skala industri, berikut beberapa komponen dapur busur listrik skala industri:

1. Transformator

Trafo merupakan suatu alat listrik yang berfungsi untuk menaikan atau menurunkan tegangan bolak balik melalui suatu gandengan dan berdasarkan prinsip-prinsip induksi elektromagnetik. Dalam suatu pembangkit khususnya pada peleburan logam perlu adanya transformator tersebut guna untuk mengatur energi yang diperlukan untuk suatu peleburan tersebut.

Gambar 2.3 Transformator

Sumber : http://www.testtransformer.com

2. Tungku Dapur Busur Listrik

Beberapa tungku peleburam aluminium yang telah dikembangkan di antaranya tungku berbahan bakar gas yang dilaporkan oleh Sundari (2011). Tungku atau dapur yang dirancang adalah dapur crucible berbahan bakar gas LPG berbentuk silinder dengan diameter 220 mm dan tinggi 300 mm dengan kapasitas 30 kg. Dari hasil uji coba yang dilakukan diketahui bahwa untuk melebur aluminium scrap seberat 30 kg diperlukan waktu 1 jam 37 menit dan bahan bakar yang digunakan adalah 3,60 kg.

Analisis perancangan tungku peleburan logam non-ferro jenis portable berbahan bakar arang sebagai sarana pembelajaran. Tungku peleburan yang direncanakan berbentuk kotak dengan diameter dalam berbentuk selinder dan cawang pelebur berbentuk selinder, dimensi tungku

adalah 50 cm x 50 cm, diameter dalam selinder 30 cm. Dari hasil analisis yang telah dilakukan diketahui bahwa besarnya kalor yang digunakan untuk melebur 5 kg aluminium diperlukan kalor sebesar 3,030,600 J. Volume dari cawan pelebur yang diperlukan adalah 1,5 liter (Magga, 2010).

Rancang bangun tungku peleburan aluminium berbahan bakar minyak dengan sistem aliran udara paksa. Dapur peleburan yang dirancang dibuat dari tatanan bata tahan api yang dilekatkan dengan campuran semen dan pasir tahan api. Dapur lebur mempunyai tinggi 62 cm, diameter luar 57 cm dan, diameter dalam 31 cm. Dari hasil pengujiannya diketahui peleburan 4 kg alumunium menggunakan bahan bakar solar diperlukan 5,8 liter dengan waktu peleburan 50-55 menit, sedangkan dengan menggunakan oli bekas diperlukan 6 liter, dan memerlukan waktu peleburan 60-65 menit (Ashgi, 2009).

Gambar 2.4 Tungku dapur busur listrik yang sedang beroprasi Sumber : http://www.primetals.com/

Gambar 2.5 Mesin busur listrik skala industri tidak beroprasi Sumber : http://www.vaibhavfurnaces.com/

2.2.4 Karakteristik Busur Listrik

Busur listrik memiliki berberapa macam karakteristik, yaitu : 1. Secara teknis:

1. Mampu melepaskan panas dalam waktu yang relatif singkat. Hal ini dikarenakan kerapatan energinya tinggi.

2. Dengan pemanas dapur listrik dimungkinkan untuk mencapai suhu yang sangat tinggi.

3. Pemanasan dapat dilakukan pada lokasi tertentu.

4. Sistem dapat dibuat bekerja secara manual dan otomatis. 2. Pemakaian energi:

Pemanas menggunakan energi listrik secara umum memiliki efisiensi energi yang tinggi, akan tetapi hal ini bergantung pada karakteristik material yang dipanaskan.

2.2.5 Keuntungan Dan Kekurangan Dari Busur Listrik Keuntungan Busur Listrik :

1. Penggunaan panas dapat dikendalikan dengan mudah. 2. Asap yang dihasilkan relatif rendah.

3. Mudah di pindah ke tempat lain.

4. Busur api yang terbentuk merupakan sumber panas tanpa resiko terkena kontaminasi udara dari luar.

5. Efisiensi panas sangat baik sekitar 70%.

Kekurangan Busur Listrik :

Biaya yang tinggi akibat kebutuhan listrik adalah kekurangan dari sebuah peleburan menggunakan dapur busur elektrik.

2.2.6 Elemen Mesin Dari Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium

Dapur listrik pada umumnya terdiri dari beberapa elemen penting yang terdapat pada mesin pemanas antara lain:

1. Transformator (trafo)

Transformator adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC. Trafo memiliki dua terminal, yaitu terminal input dan terminal output. Terminal input terdapat pada kumparan primer. Terminal output terdapat pada kumparan sekunder. Tegangan listrik yang akan diubah dihubungkan dengan terminal input. Adapun, hasil pengubahan tegangan diperoleh pada terminal output. Prinsip kerja transformator menerapkan peristiwa induksi elektromagnetik. Jika pada kumparan primer dialiri arus AC, inti besi yang dililiti kumparan akan menjadi magnet (elektromagnet). Karena arus AC, pada elektromagnet selalu terjadi perubahan garis gaya magnet. Perubahan garis gaya tersebut akan bergeser ke kumparan sekunder. Dengan demikian, pada kumparan sekunder juga terjadi perubahan garis gaya magnet. Hal itulah yang menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Adapun, arus induksi yang dihasilkan adalah arus AC yang besarnya sesuai dengan jumlah lilitan sekunder. Bagian utama transformator ada tiga, yaitu inti besi yang berlapis-lapis, kumparan primer, dan kumparan sekunder. Kumparan primer yang dihubungkan dengan PLN sebagai tegangan masukan (input) yang akan dinaikkan atau diturunkan. Kumparan sekunder dihubungkan dengan beban sebagai tegangan keluaran (output) (Sangadat, 2015).

Pada prinsip kerja transformator akan berpengaruh pada efisiensi transformator. Efisiensi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satu diantaranya adalah rugi-rugi transformator itu sendiri. Rugi-rugi ini meliputi kualitas kumparan, seberapa banyak inti besi yang mengelilingi kedua kumparan primer dan sekunder, dan GGL induks. Rugi-rugi transformator biasanya akan timbul panas pada inti besi nya. Sebuah transformator tidak ada yang memiliki efisiensi yang mencapai 100%. Rata-rata trafo yang terdapat di pasaran memiliki efisiensi antara 80% hingga 85% (Angga, 2015).

Rugi-rugi pada prinsip kerja transformator pada kenyataannya sulit untuk dihilangkan, namun seiring dengan perkembangan teknologi fabrikasi, efisiensi trafo dapat ditingkatkan dengan cara menurunkan prosentase

kerugian pada saat pembuatannya, baik itu secara desain maupun pada proses penggulungannya. Berikut jenis rugi-rugi dalam sebuah trafo:

1. Kerugian kumparan (lilitan).

Sebuah trafo menggunakan kumparan yang terbuat dari bahan tembaga yang dilapisi kawat email. dari kumparan ini menimbulkan resistansi. Semakin banyak lilitan kumparan pada trafo akan menghasilkan resistansi yang semakin besar pula daru arus listrik yang mengalir.

2. Kerugian kopling trafo.

Kerugian kopling trafo dapat terjadi jika pada saat pembuatannya, kopling antara kumparan primer dan sekunder tidak sempurna sehingga fluks magnet yang mengalir juga tidak sempurna. Maka dari itu desain trafo sekarang menggunakan lilitan yang disusun secara berlapis-lapis untuk mengurangi kerugian kopling.

3. Kerugian arus eddy.

GGL induksi pada trafo yang bolak-balik dapat menimbulkan arus dalam inti magnet yang berubah-ubah dan melawan fluks magnet yang ada didalamnya terutama pada material inti. Hal ini tidak baik dan menyebabkan efisiensi trafo berkurang. Untuk itu sebuah trafo menggunakan intip besi tipis yang ditumpuk secara berlapis-lapis. Ini bertujuan untuk mengurangi arus eddy.

Gambar 2.6 Tranformator EI

Sumber : http://teknikelektronika.com/pengertian-transformator-prinsip-kerja-trafo/

2. Induktor

Induktor adalah komponen yang tersusun dari lilitan kawat. Induktor termasuk juga komponen yang dapat menyimpan muatan listrik berupa medan magnetik atau lebih tepatnya fluk magnetik. Induktansi adalah kemampuan suatu induktor dalam menyimpan fluk magnetik. Induktansi merupakan efek dari medan magnet yang terbentuk disekitar induktor pembawa arus yang bersifat menahan perubahan arus. Induktansi diukur berdasarkan jumlah gaya elektromotif yang ditimbulkan untuk setiap perubahan arus terhadap waktu. Jumlah lilitan, ukuran lilitan, dan material inti menentukan induktansi. Besarnya arus pada induktor dipengaruhi oleh besarnya diameter kawat yang digunakan dalam sebuah induktor (Sangadat, 2016).

Tabel 2.1 Tabel Kemampuan Hantar Arus Luas

Penampang (mm2₎

Arus (A)

Arus Maksimal

(A)

0,14 2,5 2,5

0,25 4 5

0,034 5 7

0,5 9 10

0,75 12 14

1 15 17

1,5 18 21

2,5 26 30

4 34 41

6 44 52

10 61 74

16 82 99

25 108 131

35 135 162

50 168 202

70 207 250

95 250 301

120 292 352

Gambar 2.7 Grafik Kemampuan Hantar Arus Pada Kabel

3. Elektroda

Elektroda dibuat dari bahan karbon atau grafit dimana elektroda dari bahan grafit lebih menguntungkan sebab lebih tahan terhadap temperatur tinggi. Di sebuah pabrik industri biasanya menggunakan tiga elektroda yang dipasang secara vertikal dalam formasi segitiga. elektroda dikelilingi pendingin dan penutup untuk mendinginkan dan mengurangi gas yang digunakan dapat dinaikkan atau diturunkan secara otomatis.

Gambar 2.8 Carbon Baterai y = 14,953x0,6058

y = 17,713x0,6077

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 50 100 150

K

u

a

t

A

ru

s

(A

)

Luas Penampang (mm2₎

Arus Aman (A)

Arus Maksimal (A)

2.2.7 Prototype Busur Listrik Skala Laboratorium

Tungku busur listrik terdiri dari dua elektroda yang di dukung dengan mekanisme geser, krus tiltable dilapisi dengan refraktori silika batu bata di mana lelehan terjadi dan pada sisi atap juga dilapisi dengan batu bata silika yang dilepas untuk pengisian dan untuk menuangkan dan bingkai dukungan yang membawa bagian-bagian lain. Wadah dan atap dibangun menggunakan baja ringan dengan tebal 4mm.

Tungku disuplai dengan transformator daya 50Hz dengan arus sekunder yang tinggi. hubungan antara trafo dan elektroda adalah panjang kabel fleksibel yang memungkinkan elektroda untuk dipindahkan vertikal dan juga untuk perakitan atap lengkap untuk diangkat dan dipindahkan menjadi horizontal. Lelehan yang dicapai oleh pemanasan ini dihasilkan oleh busur listrik antara elektroda dan logam bekas dan transformator didinginkan menggunakan oli (Oyawale dkk, 2007).

Gambar 2.9 Skematik Prototype Busur Listrik Skala Laboratorium

Gambar 2.10 Prototype Busur Listrik Skala Laboratorium

Tungku busur listrik satu fase hasil rancang bangun dengan dimensi diameter dalam dapur Ø 150 mm, tinggi 200 mm (kapasitas 5-10 kg ferromangan/batch) dapat digunakan untuk proses peleburan dan proses smelting mineral tambang khususnya bijih mangan menjadi ferromangan. Tungku busur listrik satu fase akan memberikan performa terbaik dalam pembuatan ferromangan apabila beroperasi dengan suhu ± 17000°C, arus 350 A, waktu operasi 120 menit dan komposisi bahan 6.000 gr bijih mangan dan 560 gr bijih besi. Tungku busur listrik hasil rancang bangun akan membutuhkan waktu proses lebih cepat ketika arus yang digunakan bertambah besar dan suhu leleh dari bahan baku relatif tidak begitu tinggi (Imam dkk, 2013).

Gambar 2.13 Busur Listrik Satu Fase Skala Laboratorium

2.2.8 Rangkaian Seri

Rangkaian seri adalah penyusunan komponen-komponen listrik secara berderet. Rangkaian seri dibuat untuk membagi beda potensial sekaligus memperbesar hambatan listrik. Karenanya, rangkaian seri jarang digunakan untuk merangkai komponen listrik di rumah-rumah. Jika suatu hambatan listrik dirangkai seri, maka kuat arus yang mengalir pada masing-masing hambatan akan sama besar, meskipun hambatan masing-masing komponen berbeda. Sehingga, pada rangkaian ini berlaku :

Itot = I1 = I2 = I3 = ... = In... (2.1)

Vtot = V1 + V2 + V3 + ... + Vn……….. (2.2) Ket:

I : Kuat Arus Listrik (A) V : Tegangan Listrik (V)

2.2.9 Rangkaian Paralel

Rangkaian paralel adalah penyusunan komponen-komponen listrik secara berjajar. Rangkaian ini berfungsi untuk membagi arus dan memperkecil hambatan listrik. Jika suatu hambatan listrik dirangkai paralel, maka beda potensial pada masing-masing hambatan akan sama besar. sehingga pada rangkaian ini berlaku :

Vtot = V1 = V2 = V3 = ... = Vn……….. (2.3) Itot = I1 + I2 +I3 + ... + In………... (2.4)

Ket:

I : Kuat Arus Listrik (A) V : Tegangan Listrik (V)

2.2.10 Daya

Secara umum pengertian daya adalah energi yang dikeluarkan untuk melakukan usaha. Dalam sistem tenaga listrik, daya merupakan jumlah energi listrik yang digunakan untuk melakukan usaha. Daya listrik biasanya dinyatakan dalam Watt atau Horsepower (HP). Horsepower merupakan satuan daya listrik dimana 1 HP sama dengan 746 watt. Sedangkan watt merupakan satuan daya listrik dimana 1 watt memiliki daya setara dengan daya yang dihasilkan oleh perkalian arus 1 ampere dan tegangan 1 volt. Untuk menghitung daya digunakan persamaan (2.5).

P = V. I………....…………. (2.5) Keterangan :

P = Daya (watt) V = Tegangan (volt) I = Arus (A)

Dimana P adalah daya listrik dengan satuan Watt, V adalah tegangan dengan satuan Volt dan I adalah Arus dengan satuan Ampere.

2.2.11 Menghitung Jumlah Lilitan Pada Trafo

Untuk mengatahui cara menghitung lilitan primer dan lilitan sekunder pada trafo, anda harus paham dengan konsep transformasi (trafo) ideal. Di mana pada trafo ideal menyatakan bahwa besarnya tegangan yang dihasilkan oleh trafo berbanding lurus dengan jumlah lilitan. Jika lilitan trafo semakin banyak maka tegangan yang dihasilkan semakin besar. Dengan menggunakan konsep perbandingan senilai maka, hubungan antara lilitan primer dan lilitan sekunder dengan tegangan primer dan tegangan sekunder dapat dirumuskan sebagai berikut.

Vp Vs

=

Np

Ns ... (2.6) Keterangan :

Vp = Tegangan Primer (volt) Vs = Tegangan Sekunder (volt) Np = Lilitan Primer

Ns = Lilitan Sekunder

Pada trafo ideal, daya yang masuk akan sama dengan daya listrik yang keluar atau jumlah daya listrik yang masuk pada kumparan primer akan sama dengan jumlah daya listrik yang keluar pada kumparan sekunder. Dari persamaan (2.5) maka di peroleh:

Pp = Ps

Vp × Ip = Vs × Is Vp

Keterangan :

Vp = Tegangan Primer (volt) Vs = Tegangan Sekunder (volt) Ip = Arus Primer (A)

Is = Arus Sekunder (A)

Berdasarkan rumus-rumus di atas, hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan kuat arus primer dan sekunder dapat dirumuskan sebagai:

Np Ns

=

Is

Ip

…….………..………. (2.8)

Dengan demikian untuk menghitung lilitan primer dan lilitan sekunder pada transformator ideal dapat digunakan rumus berikut.

Vp Vs =

Is Ip =

Np

Ns... (2.9) 2.2.12 Menghitung Efisiensi Pada Trafo

Efisiensi pada trafo dapat ditentukan dengan melakukan perhitungan. Efisiensi yang ideal pada trafo adalah bernilai 100% yang artinya besarnya daya yang masuk sama dengan daya yang dihasilkan, akan tetapi tidak semua trafo memiliki efisiensi bernilai 100%. Setiap trafo memiliki fungsi dan tujuan ketika trafo tersebut dibuat. Cara mengetahui nilai dari efisiensi pada trafo adalah sebagai berikut :

�

= Ps

Pp × %………(2.10) Ket :

�

: Efisiensi (%)

Ps : Daya Sekunder (Watt) Pp : Daya Primer (Watt)

2.2.13 Menghitung Kalor / Energi Listrik

Energi yang dihasilkan oleh pemanas dapur busur listrik dapat ditentukan dengan menggunakan rumus (2.11) sebagai berikut :

Q = V.I.t (joule) ... (2.11)

Keterangan Q : Kalor (Joule) V : Tegangan (Volt) I : Kuat Arus (Ampere) t : Waktu (Detik)

2.2.14 Menghitung Kebutuhan Energi Saat Peleburan

Energi yang dibutuhkanan oleh logam untuk dapat dilebur dapat diketahui dengan menggunakan rumus (2.12) sebagai berikut :

Q = m . c . (T2-T1) . 4.17 (joule) ...(2.12)

Keterangan Q : Kalor (Joule) m : Massa (Kg)

c : Kalor Jenis (J/kg°C) T2 : Suhu Akhir (°C) T1 : Suhu Awal (°C)

2.2.15 Menghitung Volume Tungku Peleburan

Untuk menentukan ukuran dimensi dari tungku peleburan maka digunakan persamaan berikut :

ρ = m

Sehingga

V = �

ρ ...(2.14) Keterangan :

V : Volume (m3₎ m : Massa (kg)

BAB III

METODE PERANCANGAN

Dalam bab ini akan dibahas mengenai tempat serta waktu dilakukannya penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, cara merangkai alat pelebur yang dibuat, diagram alir penelitian, serta prosedur-prosedur penelitian.

3.1 Pendekatan Perancangan

Merupakan suatu sistem pengambilan data dalam suatu perancangan. Perancangan ini menggunakan metode penelitian dan pengembangan yaitu suatu proses atau langkah-langkah untuk mengembangkan suatu produk baru, atau menyempurnakan produk yang telah ada, yang dapat di pertanggung jawabkan.

3.2 Tempat dan Waktu Penelitian 3.2.1 Tempat penelitian :

Laboratorium Teknik mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jln. Lingkar barat, Tamantirto, Kasihan, Bantul 55183.

3.2.2 Waktu penelitian : 14 Desember 2015

3.3 Diagram Alir Perancangan

Penelitian ini dilakukan beberapa tahapan, mulai dari persiapan dengan mencari referensi pendukung, membuat perancangan desain alat, serta analisa perhitungan perancangan yang dilakukan dapat dilihat pada gambar 3.1

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Perancangan Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium

3.4 Studi Literatur

Pada tahap studi literatur, penulis mencari referensi yang berasal dari buku, jurnal, situs internet, dan berkonsultasi kepada dosen yang berkaitan dengan penelitian yang akan dilakukan, yaitu mengenai perancangan mesin dapur busur lisrik.

3.5 Menghitung Kebutuhan Energi Saat Peleburan

Perhitungan ini untuk mengetahui besarnya kebutuhan energi saat proses peleburan logam. Untuk menghitung kebutuhan energi saat peleburan dapat menggunakan persamaan (2.12).

3.6 Menghitung Tegangan dan Arus Primer Pada Trafo

Untuk mengetahui tegangan dan arus input dari trafo yang akan dimodifikasi. Perhitungan ini berpengaruh terhadap jenis rangkaian yang akan diaplikasikan pada mesin dapur busur listrik.

3.7 Menghitung Tegangan Sekunder

Perhitungan ini untuk mengetahui berapa tegangan yang terjadi pada output trafo. Besarnya tegangan yang terjadi berpengaruh terhadap jumlah lilitan sekunder pada trafo. Untuk mengetahui tegangan skunder pada trafo dapat menggunakan persamaan (2.7).

3.8 Menghitung Lilitan Sekunder Pada Trafo

Perhitungan ini berfungsi untuk mengetahui jumlah lilitan sekunder yang akan dililitkan ke trafo. Semakin besar tegangan sekunder pada trafo maka semakin banyak lilitan sekundernya, begitu juga sebaliknya. Untuk mendapatkan tegangan yang direncanakan maka perlu dilakukannya perhitungan untuk menentukan jumlah lilitan. Cara untuk menentukan jumlah lilitan dapat menggunakan persamaan (2.9).

3.9 Menghitung Jumlah Kawat Untuk Kabel Sekunder

Perhitungan ini untuk memperoleh jumlah kawat yang dibutuhkan untuk kabel pada lilitan sekunder. Jumlah kawat tersebut mampu menghantarkan arus listrik sesuai dengan arus yang direncanaan.

3.10 Menghitung Daya Sekunder Pada Trafo

Dalam sebuah perancangan pasti adanya rugi-rugi yang terjadi. Rugi-rugi yang terjadi pada trafo pada umumnya disebabkan oleh panas yang ditimbulkan pada trafo, panjang kabel yang digunakan, sumber listrik yang tidak stabil, dll. Oleh karena itu dilakukan perhitungan untuk mengetahui daya sekunder yang terbentuk akibat rugi-rugi yang terjadi dengan asumsi effisiensi yang terjadi 80%.

3.11 Menghitung Waktu Peleburan

Untuk mengetahui performa dari hasil rancangan maka dilakukan perhitungan untuk mengetahui waktu yang digunakan untuk peleburan. Untuk mengetahui waktu peleburan dapat menggunakan persamaan (2.11).

3.12 Perancangan Skema Rangkaian Listrik

Perancangan skema rangkaian listrik ini berfungsi untuk memberikan gambaran dari rangkaian listrik pada trafo. Pada rangkaian listrik ini memberikan informasi tentang jenis rangkaian hingga sistem pengaman pada rangkaian trafo.

3.13 Perancangan Tungku Peleburan

Untuk mengetahui dimensi dari tungku peleburan maka diperlukan perhitungan untuk mengetahui volume tungku sebagai kapasitas peleburan. Cara untuk mengetahui volume yang diperlukan adalah menggunakan peersamaan (2.13). Setelah mengetahui volume tungku maka dapat menentukan tinggi dan diameter dari tungku.

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Menghitung Energi Yang Dibutuhkan Saat Peleburan

Pada perancangan dapur listrik ini dibutuhkan energi agar dapat meleburkan 200 gram aluminium. Untuk dapat mengetahui energi yang dibutuhkan dapat menggunakan persamaan (2.12) sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

m Al : 200g : 0,2kg Q : ... (Joule) c Al : 900 J/Kg°C

T1 : 30°C

T2 : 850°C

Q = m Al . c Al . (T2-T1) . 4,17

Q = 0,2 Kg . 900 J/Kg°C . (850°C - 30°C) . 4,17 Q = 615492 Joule

4.2. Menghitung Daya Listrik Yang Dibutuhkan

Untuk mengetahui daya listrik yang dibutuhkan mesin dapur busur listrik untuk meleburkan 200 gram aluminium dengan energi kalor sebesar 615492 joule dan waktu peleburan yang diinginkan adalah 150 detik dapat menggunakan persamaan (2.11).

Diketahui : Ditanya :

Q : 615492 Joule P : ... (Watt) t : 150 detik

Q = V.I.t Q = P.t

P = �

P = e

P = 4103,28 Watt

4.3. Menghitung Daya Primer Untuk Trafo

Perhitungan ini untuk mengetahui daya primer/input yang dibutuhkan pada trafo dengan asumsi bahwa effisensi yang terjadi pada trafo sebesar 80%.

Diketahui : Ditanya :

Ps : 4103,28 Watt Pp : ... (Watt) η : 80%

η =

x 100% Pp =

η

Pp = ,

,

Pp = 5129,1 Watt

4.4. Perancangan Modifikasi Pada Trafo Microwave

Perancangan modifikasi pada trafo ini dilakukan karena spesifikasi trafo yang dimiliki kurang sesuai dengan perancangan diatas, maka dilakukan proses perhitungan kembali untuk memodifikasi trafo tersebut. Trafo yang digunakan adalah trafo bekas microwave. Pada trafo bekas microwave ini memiliki spesifikasi tegangan input sebesar 220 Volt, kuat arus input maksimal 15,295 Ampere dan jumlah lilitan

primer 196 lilitan. Agar trafo bekas microwave ini dapat bekerja untuk meleburkan logam, maka dilakukan perancangan dengan perhitungan sebagai berikut :

4.4.1 Menghitung Tegangan dan Arus Primer Trafo

Trafo yang digunakan memiliki daya sebesar 3364,9 Watt, sedangkan pada perancangan diatas daya yang dibutuhkan sebesar 5129,1 Watt, maka agar dapat bekerja sesuai dengan yang dirancangkan trafo yang digunakan adalah dua buah trafo dengan spesifikasi yang sama. Arus input yang digunakan dalam perancangan sebesar 10 A sebagai jarak aman. Pada trafo ini nantinya akan dilakukan modifikasi pada bagian sekundernya. Bagian primer pada dua buah trafo akan dipasang secara paralel dengan alasan jika salah satu trafo terjadi konsleting maka mesin masih dapat berkerja dengan satu buah trafo. Sehingga tegangan dan arus pada sisi primer yang di pasang secara paralel trafo tersebut dapat dihitung sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

V1 : 220 V Vtotal : ... (V)

V2 : 220 V Itotal : ... (A)

I1 : 10 A I2 : 10 A

Vtotal = V1 = V2 = 220 V Itotal = I1 + I2

= 10 A + 10 A = 20 A

4.4.2 Menghitung Tegangan Sekunder

Pada perancangan memodifikasi trafo ini arus yang diinginkan adalah sebesar 200 Ampere untuk dua buah trafo. Untuk mengetahui tegangan sekunder/output pada trafo dengan menggunakan persamaan (2.7).

Diketahui : Ditanya :

Vp : 220 V Vs : ... (V)

Ip : 20 A Is : 200 A

Vp Vs =

Is Ip

Vs =Vp × Ip_Is

Vs = V × A _A

Vs = V

4.4.3 Menghitung Lilitan Sekunder

Setelah mengetahui tegangan sekunder pada trafo, maka selanjutnya menentukan jumlah lilitan sekunder pada masing-masing trafo dengan menggunakan persamaan (2.6). Trafo yang dirancang dengan rangkaian paralel maka tegangan dimasing-masing trafo sama. Sehingga jumlah lilitan pada satu buah trafo sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

Vp : 220 V Ns : ... (Lilitan)

Vs : 22 V Np : 196 Lilitan

Vp Vs =

Np Ns

Ns =Vs × Np_Vp

Ns = V × 96 Lilitan _V

�� = 9.6≈ 20 Lilitan

4.4.4 Menghitung Jumlah Kawat Kabel Sekunder

Perhitungan ini untuk menentukan berapa jumlah kawat untuk dijadikan sebuah kabel sekunder sebagai penghantar arus listrik. Pada perancangan rangkaian listrik pada bagian sekunder dibuat paralel dengan arus maksimal 300 A, maka pada masing-masing trafo menghantarkan arus sebesar 150 A. Pada tabel 2.1 untuk arus 150 A dapat menggunakan kabel dengan luas penampang 35 mm2. Kawat direncanakan menggunakan diameter 1 mm dengan alasan agar mudah saat proses pelilitan kabel. Sehingga jumlah kawat untuk kabel sekunder sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

Luas penampang kabel : 35 mm2 Σ

kawat : ... (Helai) Diameter kawat : 1 mm

Luas Penampang Kawat = × π × D

= × π ×

= 0,785 mm2

Jumlah Kawat = e g e

e g w

=

2

4.4.5 Menghitung Daya Sekunder Pada Trafo

Dalam sebuah perancangan pasti memiliki rugi-rugi yang terjadi. Rugi-rugi yang terjadi pada trafo biasanya disebabkan oleh panas yang terjadi pada trafo, panjang kabel, sumber listrik yang tidak stabil dan sebagainya. Oleh karena itu efisiensi yang terjadi pada trafo umumnya sekitar 80% hingga 85%. Sehingga daya sekunder pada trafo :

Diketahui : Ditanya :

Vp : 220 V Ps : ... (Watt)

Is : 20 A η : 80% Ps = Vp . Ip . η

Ps = 220 V . 20 A . 80% Ps = 3520 Watt

4.4.6 Menghitung Kebutuhan Energi Saat Peleburan

Pada perancangan dapur listrik ini untuk mengetahui performa dari mesin busur listrik maka perlu diketahui kebutuhkan energi agar dapat meleburkan 20 gram aluminium. Untuk dapat mengetahui energi yang dibutuhkan dapat menggunakan persamaan (2.12) sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

mAl : 200g : 0,2kg Q : ... (Joule) cAl : 900 J/Kg°C

T1 : 30°C

Q = mAl . cAl . (T2-T1) . 4,17

Q = 0,02 Kg . 900 J/Kg°C . (850°C - 30°C) . 4,17 Q = 61549,2 Joule

4.4.7 Menghitung Waktu Peleburan

Untuk mengetahui performa dari perancangan modifikasi trafo maka dilakukan perhitungan waktu peleburan pada mesin dapur busur listrik dengan menggunakan persamaan (2.11).

Diketahui : Ditanya :

Q20 gram : 61549,2 Joule t20 gram : ... (detik) Q200 gram : 615492 Joule t200 gram : ... (detik) P : 3520 Watt

Q = P . t

t20 gram = g

t200 gram = g

t20 gram = , e t200 gram = e

t20 gram = 17,485 detik t200 gram = 174,85 detik

4.4.8 Rangkaian Kelistrikan Hasil Modifikasi Trafo Microwave

Pada trafo microwave memiliki arus input sebesar 15.295 Ampere, oleh karena itu pada bagian input dari sumber listrik menuju trafo dipasang alat pengaman berupa sekring sebesar 15 Ampere pada masing-masing trafo sebagai pengaman ketika terjadi konsleting. Dua buah trafo dipasang secara paralel pada bagian input dan pada output. Berikut adalah rangkaian kelistrikan pada trafo microwave :

Gambar 4.1 Rangkaian Kelistrikan Hasil Modifikasi Trafo Microwave

4.5. Menentukan Dimensi Tungku Peleburan

Untuk menentukan dimensi ukuran tungkun peleburan dapur busur listrik dapat menggunakan rumus (2.13). Benda uji untuk peleburan adalah aluminium yang memiliki massa jenis 2712 kg/m3. Sedangkan kapasitas tungku maksimal 200 g. Sehingga volume tungku sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

m : 200 g : 0,2 Kg VTungku : ... (mm3) ρ : 2712 Kg/m3

Vtungku =

= . g

g/

= 7,3746313 × 10-5 _m3 _{= 73746,313 mm}3

Tungku yang akan dibuat adalah berbentuk tabung. Setelah mengetahui volume tungku maka selanjutnya menentukan ukuran tungku seperti diameter dan kedalaman

tungku. Kedalaman tungku yang direncanakan adalah 45 mm. Maka diameter tungku peleburan sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

VTungku : 73746,313 mm3 _{DTungku : ... (mm)}

t : 45 mm

DTungku =

√

g ×

×

2

=

√

, ×

×

2

= 45,68 mm ≈ 46 mm

Setelah mengetahui tinggi dan diameter tungku maka selanjutnya mencari panjang keseluruhan tungku yang akan disesuaikan dengan panjang carbon baterai bertipe ukuran D.

Gambar 4.2 Panjang Carbon Baterai Tipe D

Pada gambar diatas pada bagian A adalah bagian yang dijepit oleh tang sebagai pegangan carbon dan bagian B adalah bagian y yang akan dimasukan kedalam tungku dengan panjang 43 mm. Sehingga dirancang panjang keseluruhan tungku dibuat 80 mm agar dua buah karbon dapat masuk kedalam tungku. Berikut adalah gambar tungku peleburan :

Gambar 4.3 Tungku Peleburan 2D

Gambar 4.5 Tutup Tungku Peleburan 2D

Gambar 4.6 Tutup Tungku Peleburan 3D

4.6. Bagian – Bagian Mesin Busur Listrik

Berikut merupakan gambar dan fungsi dari setiap komponen pada alat busur listrik yang didesain dengan menggunakan software Autodesk Inventor 2015 :

Gambar 4.7 Dapur Busur Listrik 3D Keterangan :

1. Fan In : Sebagai pendingin dari komponen trafo ketika alat bekerja. 2. Tang : Menjepit karbon/elektroda ketika proses peleburan.

3. Karbon : Sebagai penghantar listrik ke benda kerja ketika proses peleburan. 4. Kabel Sekunder : Sebagai output arus listrik dari trafo.

5. Transformator : Sebagai pemindah energi listrik melalui proses induksi elektromagnet

6. Kabel Steker : Sebagai input energi listrik dari sumber listrik. 7. Fan Out : Sebagai pembuangan panas yang ditimbulkan trafo. 8. Lubang kabel Sekunder : sebagai tempat keluaran kabel dari trafo. 9. Voltmeter : Untuk mengetahui tegangan ketika proses peleburan. 10.Amperemeter : Untuk mengetahui arus input dari proses peleburan.

11.Sekring : Sebagai pengaman pada trafo ketika terjadi konsleting dan untuk membatasi kinerja trafo agar tidak menerima beban berlebih.

12.Saklar : Sebagai tombol menghidupkan/mematikan alat.

1

2 4

5

6 3

7

8

9 10

11

4.7. Penjelasan Cara Kerja Penggunaan Alat

Berikut merupakan penjelasan cara menggunakan alat busur listrik tersebut : 1. Colokan steker ke sumber listrik/stop kontak.

Gambar 4.8 Kabel Steker

2. Tekan saklar on/off untuk menyalakan mesin busur listrik.

Gambar 4.9 Saklar On/Off

3. Hubungkan elektroda kutub (+) dan kutub (-). Jika terjadi loncatan listrik maka mesin siap untuk digunakan.

4. Masukan logam alumunium kedalam tungku peleburan (maskimal 200 gram).

Gambar 4.11 Tungku Peleburan

5. Tutup tungku saat proses peleburan.

Gambar 4.12 Tungku Ketika Ditutup

6. Masukan elektroda kutub (+) dan kutub (-) melalui lubang elektroda pada tungku peleburan dan hubungkan kedua kutub elektroda.

Gambar 4.13 Proses Peleburan Menggunakan Busur Listrik

7. Tunggu hingga aluminium mencair. 8. Matikan mesin busur listrik.

9. Selesai.

4.8. Spesifikasi Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium

Hasil rancangan dari dapur busur listrik skala laboratorium ini memiliki spesifikasi sebagai berikut :

Tabel 4.1 Spesifikasi Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium

Transformator 2 Buah

VInput 220 V

IInput Max. 30 A

VOutput 22 V

IOutput Max. 300 A

Kapasitas Tungku 200 gram Al

4.9. Analisis Biaya Perancangan Dapur Busur Listrik

Untuk mengetahui perkiraan biaya untuk memproduksi dapur busur listrik skala laboratorium ini dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 4.2 Analisis Biaya Pembutan Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium

No. Nama Komponen Jumlah/Ukuran Harga

1 Transformator 2 Rp 600.000

2 Kawat Tembaga 3 Kg Rp 390.000

3 Papan Kayu 250x150x1 (cm) Rp 25.000 4 Akrilik 2 mm (25 cm x 50 cm) Rp 50.000 5 Fan In 3 (6 cm x 6 cm) Rp 45.000 6 Fan Out 1 (9 cm x 9 cm) Rp 17.000 7 Amperemeter 1 (50 A AC/DC) Rp 75.000 8 Voltmeter 1 (30 A AC/DC) Rp 75.000 9 Fire Brick (Bata Api) 1 Rp 25.000

10 Sekring 2 (15 A) Rp 15.000

11 Tang 2 Rp 120.000

12 Steker 1 Rp 5.000

13 Kabel 5 m Rp 25.000

14 Engsel 2 Rp 5.000

15 Handle 1 Rp 5.000

16 Karbon 2 Rp 7.500

17 Skun Kabel Tembaga 2 Rp 24.000

18 Mur dan Baut 2 (M8 x 20) Rp 2.000

19 Jasa Perancangan Rp 150.000

44

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan dari hasil perancangan modifikasi trafo agar dapat bekerja sesuai dengan perencanaan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Trafo yang digunakan adalah trafo microwave sebanyak dua buah. 2. Jumlah pada masing-masing lilitan sekunder dua buah trafo berjumlah

20 lilitan

3. Jumlah kawat pada lilitan kabel sekunder sebanyak 45 helai.

4. Sekring yang digunakan sebagai pengaman adalah 15 Ampere utnuk masing-masing trafo.

5. Ukuran tungku peleburan dengan kapasitas maksimal 200 gram memiliki kedalaman 45 mm dan diameter 46 mm.

6. Tungku peleburan menggunakan bata api SK 32.

5.2 Saran Pengembangan

Saran yang dapat berikan untuk pengembangan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Melakukan analisis dan pengujian untuk mengetahui kapasitas maksimal dari peleburan dari busur listrik.

2. Melakukan analisa tentang terkikisnya elektroda karbon agar mengetahui umur dari pemakaian elektroda karbon.

3. Melakukan analisa tentang kenaikan suhu yang terjadi pada trafo untuk mengetahui batas waktu dari lama pemakaian alat agar tidak terjadi overheating pada trafo.

Anonim. 2016. “Tanur Busur Listrik”. Diakses pada 28 April 2016, dari https://id.wikipedia.org/wiki/Tanur_Busur_Listrik

Anonim. 2016. “Transformator”. Diakses pada 28 April 2016, dari https://id.wikipedia.org/wiki/Transformator

Ashgi. 2009. “Rancang Bangun Dapur Kowi Pelebur Aluminium Berbahan Bakar Minyk”.Digital Library. UniversitasSebelas Maret. Surakarta,

Kandi. 2015. Coated Graphite Electrodes. Diakses pada 30 Mei 2016, dari http://www.kandi.co.in/products/coated-graphite-electrodes/

Igus. 2014. “Motion Cable For Energy Chains”. Canada : Chainflex

Magga, R. 2010. “Analisis Perancangan Tungku Pengecoran Logam (non-Ferro) Sebagai Sarana Pembelajaran Teknik Pengecoran”, JIMT Vol. 7, No. 1. Jurusan Teknik Mesin,Fakultas Teknik, Universitas Tadulako.

Margono, Untung. dkk. 2012. “Rancang Bangun Transformator 7,2 V/200 A Sebagai Catu Daya Filamen Tabung Trioda ITK 15-2 Pada Generator Cockcroft Walton MBE Lateks 300keV/20 mA”. Yogyakarta : Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan

Noviansyah, Ryan. 2006. “Pemanas Induksi (Induction Heating) Kapasitas 200 Watt”. Jakarta : Jurusan Teknik Mesin Universitas Gunadarma

Rahmat, Muhammad Rais. 2015. “Perancangan Dan Pembuatan Tungku Heat

Treatment”. Jurnal Imiah Teknik Mesin, Vol-3 Universitas Islam 45, Bekasi.

Rezeika, Sakinah Himav. 2015. “Hukum Joule Panas Yang Ditimbulkan Oleh Arus Listrik (L1)”. Surabaya : Jurusan Kimia, Fakultas MIPA ITS.

Sangadat, Mad. 2015. Tugas Akhir “Perancangan dan Pembuatan Dapur Induksi Skala

Laboratorium dan Pengujiannya”. Yogyakarta: Jurusan Teknik Mesin, Fakultas

Teknik UMY.

Setia, Farhan Rizki Yudistira. 2013. “Tanur Listrik”. Ceper : Politeknik Manufaktur Ceper Jawa Tengah.

Setyobudi, Agus. 2013. “Teknologi Mekanik SMK/MAK Kelas X”. Malang : Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan

Sulistyo, Budi. dkk. 2006. “Rancang Bangun dan Uji Fungsi Penggerak Elektroda Pemanas Busur Listrik Pada Pembuatan Zirkon Karbida”. Yogyakarta : Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN.

Sundari, E. 2011. “Rancang Bangun Dapur Peleburan Aluminium Bahan Bakar Gas”. JurnalAustenit, Volume 3 Nomor 1,April 2011. Jurusan TeknikMesin Politeknik NegeriSiwijaya.

“ ”. Paramita, Jakarta

Surono, Bagus. 2011. “Perubahan Nilai Kekerasan dan Struktur Mikro Al-Mg-Si

Akibat Variasi Temperatur Pemanasan”. Jakarta : Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Industri ISTN.

Oyawale. dkk. 2007. “Design and Prototype Development of a Mini-Electric Arc Furnance. Departement of Industrial and Prod. Engineering. University of Ibadan. Nigeria.

Wardhana, Arief Wisnu. 2007. “Peningkatan Effisiensi Produksi Electric Arc Furnance Dengan Injeksi Oksigen Untuk Menghemat Biaya Energi Listrik Pada Industri Baja”. Purwokerto : Fakultas Teknik UNSOED.

1

PELEBURAN MAKSIMAL 200 GRAM

(THE DESIGN OF LABORATORY SCALE ELECTRIC ARC FURNACE

WITH MAXIMUM POWER 6,6 KW AND 200 GRAMS MAXIMUM

MELTING FURNACE CAPACITY)

Pungky Wijanarko Prasetyo Wicaksono

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammdiyah Yogyakarta Jalan Lingkar Selatan Taman Tirto, Kasihan Bantul, DI Yogyakarta, Indonesia, 55183

pungky.wijanarko.14.pw@gmail.com Abstrak

Dapur listrik merupakan salah satu alat peleburan logam di mana prosesnya tidak menggunakan sumber panas bahan bakar, tetapi menggunakan prinsip low voltage dan low power factor dengan arus sekunder yang besar untuk menghasilkan panas yang akan meleburkan benda kerja. Dapur listrik memiliki beberapa keunggulan di antaranya mampu melepaskan panas dalam waktu yang relatif singkat, tidak menimbulkan polusi asap akibat dari pembakaran, pemanasan dapat dilakukan pada lokasi tertentu, mudah dipindah ke tempat lain, dan efisiensi panas sangat baik, sehingga perlu dibuatnya dapur listrik skala laboratorium.

Perancangan dapur listrik skala laboratorium ini dilakukan dengan melakukan perhitungan diantaranya menghitung kebutuhan energi saat peleburan, menghitung tegangan dan arus primer trafo, menghitung tegangan sekunder trafo, menghitung jumlah lilitan sekunder trafo, menghitung jumlah kawat untuk kabel sekunder, menghitung daya trafo, mengetahui waktu dari peleburan, melakukan perancangan skema rangkaian kelistrikan, hingga merancang dimensi tungku dengan kapasitas maksimal 200 gram. Mesin busur listrik ini menggunakan dua buah trafo microwave yang di modifikasi.

Hasil dari perancangan modifikasi trafo microwave ini memiliki jumlah lilitan pada bagian sekunder sebanyak 20 lilitan untuk masing-masing trafo. Trafo dirancang dengan arus 200 A sehingga lilitan sekunder pada trafo ini menggunakan kawat berjumlah 32 helai sebagai kabelnya. Tungku peleburan memiliki dimensi kedalaman 45 mm dan diameter 46 mm dengan kapasitas tungku 200 gram. Pada perancangan waktu peleburan untuk 20 gram aluminium adalah 34,9 detik.

Kata kunci : Dapur listrik, tranformator (trafo), peleburan aluminium. Abstract

Electric furnace is one of metal melting equipment which does not use heat sources of fuel, but uses the principle of low voltage and low power factor with a high secondary current to produce heat for melting the workpiece. An electric furnace has several advantages including: ability to release heat in a relatively short time, pollution free due to smoke during burning, localized heating, easily movable, and excellent thermal efficiency, therefore the laboratory scale electric furnace is necessary to be made.

2

voltage transformer, the number of secondary coil on the transformer, the number of wires for a secondary cable, the power from transformer, determining the time of smelting, designing the electrical circuit schematic, and design the dimensions of the furnace with capacity maximum 200 grams. This electric arc furnace machine uses two transformers microwave were modified.

The design results of the electric furnace has a number of secondary coil as much as 20 windings for each transformer. The transformer designed with a current of 200 A so that the secondary coil of the transformer uses 32 strands of wire as secondary cable on the secondary coil. Melting furnace has a dimension with depth of 45 mm and a diameter of 46 mm with a maximum capacity of 200 grams. From the calculate it was found that smelting time for aluminium of 20 grams is 34,9 seconds.

Kata kunci : Electric furnace, tranformer, aluminium smelting. I. LATAR BELAKANG

Dalam dunia industri, logam mempunyai peranan sangat penting terutama pada proses pembuatan komponen-komponen atau peralatan-peralatan permesinan bahkan hiasan pernak-pernik yang berbahan dasar aluminium karena logam jenis ini memiliki sifatnya yang mudah dibentuk.

Pengecoran aluminium skala rumah tangga hingga skala industri umumnya menggunakan tungku yang dilengkapi dengan alat bakar (burner). Bahan bakar yang biasa digunakan adalah LNG (Liquified Natural Gas), LPG (Liquified Petroleum Gas), dan arang. Selain itu factor keselamatan juga menjadi perhatian khusus dalam proses peleburan logam karena ketika proses peleburan berlangsung akan menghasilkan suhu yang sangat tinggi. Sehingga sangat berbahaya apabila panas yang dihasilkan terkena oleh manusia (Noviansyah, 2006).

Dapur Busur ListrikatauElectric Arc Furnance (EAF)adalah peralatan yang digunakan untuk proses pembuatan logam / peleburan logam, dimana besi dipanaskan dan dicairkan dengan busur listrik yang berasal dari elektroda ke besi di dalam tanur. Peleburan logam dengan busur listrik yang ada saat ini adalah peleburan dengan skala besar atau industri dan jarang sekali yang menggunakan busur listrik skala

laboratorium. kebanyakan peleburan yang digunakan adalah peleburan logam berskala besar mencapai kapasitas 400 ton.

Beberapa EAF terletak di negara studi seperti Nigeria, Delta Steel Company, dan pabrik-pabrik industri besar lainnya mereka begitu rumit dalam mendesain EAF dan begitu mahal bahkan perguruan tinggi nasional tidak mampu membeli prototype untuk tujuan eksperimental (Oyawale, 2007).

Pada perancangan dapur listrik skala laboratorium ini diharapkan dapat menjadi kan inovasi baru dalam sebuah peleburan logam, dimana peleburan logam ini dirancang untuk meleburkan suatu bahan logam seperti alumunium dalam skala kecil (gram), dan dapat untuk mengetaui daya yang digunakan dalam suatu peleburan dengan menggunakan dapur listrik tersebut.

II. KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Kajian Pustaka

Pengecoran logam merupakan proses yang melibatkan pencairan logam, membuat cetakan, menuang, membongkar dan membersihkan logam. Dalam mencairkan logam dapat digunakan berbagai macam tanur seperti kupola atau tanur induksi frekuensi rendah dipergunakan untuk besi cor, tanur busur listrik atau tanur induksi

3

paduan coran ringan, karena tanur–tanur ini dapat menghasilkan logam yang baik dan sangat ekonomis untuk pengecoran logam– logam tersebut (Surdia, 2000).

Prinsip proses peleburan dengan tanur bekerja dengan prinsip transformator dengan kumparan primer dialiri arus AC dari sumber tenaga dan kumparan sekunder. Kumparan sekunder yang diletakkan didalam medan magnet kumparan primer akan menghasilkan arus induksi. Berbeda dengan transformator, kumparan sekunder digantikan oleh bahan baku peleburan serta dirancang sedemikian rupa agar arus tersebut berubah menjadi panas yang sanggup mencairkannya (Rahmat, 2015).

Sistem operasi busur listrik dilakukan pada low voltage dan low power factor dengan arus skunder yang besar. Kenyataan nya dalam praktik untuk memperbesar power factor dapat dilakukan dengan dua cara yaitu dengan memperkecil setting arus sekunder untuk tegangan tap tertentu dan menaikkan tegangan tap untuk arus sekunder tertentu. Kedua cara tersebut dapat ditempuh sebuah pabrik untuk mencapai sasaran optimasi energi listrik dan juga elektroda (Wardhana, 2007).

Dapur busur listrik cahaya ini terdiri atas tungku baja berbentuk bulat yang dangkal, dilapis dengan bahan tahan api. Dua buah batang elektroda karbon yang dapat dinaikkan dan diturunkan, masuk ke dalam dapur melewati tutup dapur dan menyentuh logam yang akan dilebur. Arus listrik dialirkan melalui elektroda-elektroda itu dan membentuk sirkuit dengan logam. Bila sirkuit tercapai, maka arus meloncati celah antara ujung-ujung elektroda dan logam. Bunga api yang menjembatani celah itu disebut busur cahaya. Panas yang dibangkitkan oleh busur cahaya menyebab kan logam menjadi cair (Setyobudi, 2013).

kedua kutub didekatkan pada jarak tertentu terjadi loncatan listrik, maka hal ini dikenal dengan busur listrik, dan busur listrik ini yang dimanfaatkan sebagai sumber pemanas (Sulistyo dkk, 2006).

Salah satu kelebihan EAF 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 sangat besar, menyebab kan 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.

2.3 Prinsip Kerja Pada Arus Dari Busur Listrik

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

Pada tanur busur listrik adalah panas timbul akibat adanya tahanan (resistansi) saat arus listrik yang mengalir. Dalam hal ini, logam yang dimuatkan dalam tanur yang akan memberikan tahanan terhadap arus listrik. Saat logam mencair, terak akan

7

Diketahui : Ditanya :

Luas penampang : 35 mm2 Σkawat :...(Helai)

Diameter kawat : 1 mm

Luas Penampang Kawat = × π × D2

= × π × 12 = 0,785 mm2

Jumlah Kawat = e g e

e g w

= ��

, ��

= 44,58 ≈ 45 Helai Kawat

4.4.5 Menghitung Daya Sekunder Pada

Trafo

Dalam sebuah perancangan pasti terdapat rugi-rugi yang terjadi. Rugi-rugi yang terjadi pada trafo biasanya disebabkan oleh panas yang terjadi pada trafo, panjang kabel, sumber listrik yang tidak stabil dan sebagainya. Oleh karena itu efisiensi yang terjadi pada trafo umumnya sekitar 80% hingga 85%. Sehingga daya sekunder pada trafo :

Diketahui : Ditanya :

Vp : 22 V Ps : ... (Watt)

Ip : 200 A η : 80%

Ps = Vp . Ip. η

Ps = 220 V . 20 A . 80%

Ps = 3520 Watt

4.4.6 Menghitung Kebutuhan Energi Saat

Peleburan

Pada perancangan dapur listrik ini untuk mengetahui performa dari mesin busur listrik maka perlu diketahui kebutuhkan energi agar dapat meleburkan 20 gram aluminium.

Diketahui : Ditanya :

mAl : 200g : 0,2kg Q : ... (Joule)

cAl : 900 J/Kg°C

T1 : 30°C

T2 : 850°C

Q = mAl . cAl . (T2-T1) . 4,17

Q = 0,02Kg.900J/Kg°C.(850°C-30°C).4,17 Q = 61549,2 Joule

4.4.7 Menghitung Waktu Peleburan

Untuk mengetahui performa dari perancangan modifikasi trafo maka dilakukan perhitungan waktu peleburan pada mesin dapur busur listrik

Diketahui : Ditanya :

Q20 gram : 61549,2 Joule t : ... (detik)

Q200 gram : 615492 Joule

P : 3520 Watt Q = P . t t20 gram =

t20 gram = , e = 17,48 detik

t200 gram =

t200 gram = e = 174,8 detik

4.4.8 Rangkaian Kelistrikan Hasil

Modifikasi Trafo Microwave

Hasil dari modifikasi pada trafo microwave memiliki arus input maksimal sebesar 15.295 ampere pada masing-masing trafo, oleh karena itu pada bagian input dari sumber listrik menuju trafo dipasang alat pengaman berupa sekring sebesar 15 Ampere pada masing-masing trafo sebagai pengaman ketika terjadi konsleting. Berikut adalah rangkaian kelistrikan pada trafo microwave yang dirangkai secara paralel :

8 Gambar 2 Rangkaian Kelistrikan Hasil Modifikasi

Trafo Microwave

4.5. Menentukan Dimensi Tungku

Peleburan

Benda uji untuk peleburan adalah aluminium yang memiliki massa jenis 2712 kg/m3_{. Sedangkan kapasitas tungku}

maksimal di rencanakan 200 g. Sehingga volume tungku sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

M : 200 g : 0,2 Kg VTungku : ... (mm3)

Mjenis : 2712 Kg/m3

Volume =

e i

= . g

g/�

= 7,3746313 × 10-5 _m3

= 73746,313 mm3

Tungku yang akan dibuat adalah berbentuk tabung. Setelah mengetahui volume tungku maka selanjutnya menentu kan ukuran tungku seperti diameter dan kedalaman tungku. Kedalaman tungku yang direncanakan adalah 45 mm. Maka diameter tungku peleburan sebagai berikut :

Diketahui : Ditanya :

VTungku : 73746,313 mm3 DTungku : ... (mm)

t : 45 mm

DTungku =

√

× × �

=

√

, ×

× �

= 45,68 mm ≈ 46 mm

Setelah mengetahui tinggi dan diameter tungku maka selanjutnya mencari panjang keseluruhan tungku yang akan disesuaikan dengan panjang carbon baterai bertipe ukuran D.

Gambar 3 Panjang Carbon Baterai Tipe D

Pada gambar diatas pada bagian A adalah bagian yang dijepit oleh tang sebagai pegangan carbon dan bagian B adalah bagian yang bersentuhan dengan benda kerja dengan panjang 43 mm. Sehingga dirancang panjang keseluruhan tungku dibuat 80 mm agar dua buah karbon dapat masuk kedalam tungku. Berikut adalah gambar tungku peleburan :

Gambar 4 Tungku Peleburan 2D

9 Gambar 6 Tutup Tungku Peleburan 2D

Gambar 7 Tutup Tungku Peleburan 3D

4.6. Desain Mesin Busur Listrik

Berikut merupakan gambar dan fungsi dari setiap komponen pada alat busur listrik yang didesain dengan menggunakan software Autodesk Inventor 2015 :

Gambar 8 Mesin Busur Listrik 3D

Keterangan :

1. Kipas : Sebagai pendingin dari komponen trafo ketika alat bekerja. 2. Tang : Menjepit karbon/elektroda

ketika proses peleburan.

3. Karbon : Sebagai penghantar listrik ke benda kerja ketika proses peleburan.

4. Kabel Sekunder : Sebagai output arus listrik dari trafo.

5. Tranformator : Sebagai pemindah

energi listrik melalui proses induksi elektromagnet

6. Kabel Steker : Sebagai input energi listrik dari sumber listrik.

7. Kipas : Sebagai pembuangan panas yang ditimbulkan trafo.

8. Lubang kabel Sekunder : sebagai tempat keluaran kabel dari trafo. 9. Voltmeter : Untuk mengetahui

tegangan ketika proses peleburan. 10.Amperemeter : Untuk mengetahui

arus input dari proses peleburan. 11.Sekring : Sebagai pengaman pada

trafo ketika terjadi konsleting dan untuk membatasi kinerja trafo agar tidak menerima beban berlebih. 12.Saklar : Sebagai tombol

menghidupkan atau mematikan alat.

4.7. Penjelasan Cara Kerja Penggunaan

Alat

Berikut merupakan penjelasan cara menggunakan alat busur listrik tersebut :

1. Colokan steker ke sumber listrik/stop kontak.

Gambar 9 Kabel Steker

2. Tekan saklar on/off untuk menyalakan mesin busur listrik.

10

3. Hubungkan elektroda kutub (+) dan kutub (-). Jika terjadi loncatan listrik maka mesin siap untuk digunakan.

Gambar 11 Elektroda Karbon Kutub (+) dan Kutub (-)

4. Masukan logam alumunium kedalam tungku peleburan (maskimal 200 gram).

Gambar 12 Tungku Peleburan

5. Tutup tungku saat proses peleburan.

Gambar 13 Tungku saat ditutup

6. Masukan elektroda kutub (+) dan kutub (-) melalui lubang elektroda pada tungku peleburan dan hubungkan kedua kutub elektroda.

Gambar 14 Proses Peleburan Menggunakan Busur Listrik

7. Tunggu hingga aluminium mencair. 8. Matikan mesin busur listrik.

9. Selesai.

4.8. Spesifikasi Dapur Busur Listrik

Skala Laboratorium

Hasil rancangan dari dapur busur listrik skala laboratorium ini memiliki spesifikasi sebagai berikut :

Tabel 2 Spesifikasi Dapur Busur Listrik Skala Laboratorium

Transformator 2 Buah

VInput 220 V

IInput Max. 30 A

VOutput 22 V

IOutput Max. 300 A

Kapasitas Tungku 200 gram Al

V. PENUTUP

5.1Kesimpulan

Berdasarkan dari hasil perancangan modifikasi trafo agar dapat bekerja sesuai dengan perencanaan, maka dapat disimpul kan sebagai berikut:

1. Trafo yang digunakan adalah trafo microwave sebanyak dua buah.

2. Jumlah pada masing-masing lilitan sekunder pada trafo berjumlah 20 lilitan

3. Jumlah kawat pada kabel sekunder sebanyak 45 helai kawat.

4. Sekring yang digunakan sebagai pengaman adalah 15 ampere unuk masing – masing trafo.

5. Ukuran tungku peleburan dengan kapasitas maksimal 200 gram memiliki kedalaman 45 mm dan diameter 46 mm.

6. Tungku peleburan menggunakan fire brick SK 32.

11

5.2Saran Pengembangan

Saran yang dapat berikan untuk pengembangan tugas tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Melakukan analisis dan pengujian untuk mengetahui kapasitas maksimal dari peleburan dari busur listrik. 2. Melakukan analisa tentang terkikisnya

elektroda karbon agar mengetahui umur dari pemakaian elektroda karbon.

3. Melakukan analisa tentang kenaikan suhu yang terjadi pada trafo untuk mengetahui batas waktu dari lama pemakaian alat agar tidak terjadi overheating pada trafo.

DAFTAR PUSTAKA

Angga, Rida. 2015. “Prinsip Kerja Transformator”. Diakses pada 14 Mei 2016, dari http://skemaku .com/prinsip-kerja-transformator/ Anonim. 2016. Tanur Busur Listrik. Diakses

pada 28 April 2016, dari https://id.wikipedia.org/wiki/Tanur_ Busur_Listrik

Igus. 2014. “Motion Cable For Energy

Chains”. Canada : Chainflex

Oyawale, F.A. dkk. 2007. “Design and

Prototype Development of a Mini-Electric Arc Furnance. Departement of Industrial and Prod. Engineering. University of Ibadan. Nigeria.

Rahmat, Muhammad Rais. 2015.

“Perancangan Dan Pembuatan

Tungku Heat Treatment”. Jurnal

Imiah Teknik Mesin, Vol-3 Universitas Islam 45, Bekasi.

Sangadat, Mad. 2015. Tugas Akhir

“Perancangan dan Pembuatan

Dapur Induksi Skala Laboratorium

dan Pengujiannya”. Yogyakarta:

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik UMY.

Setia, Farhan Rizki Yudistira. 2013. “Tanur

Listrik”. Ceper : Politeknik

Manufaktur Ceper Jawa Tengah. Setyobudi, Agus. 2013. “Teknologi Mekanik

SMK/MAK Kelas X”. Malang :

Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan

Sulistyo, Budi. dkk. 2006. “Rancanga

Bangun dan Uji Fungsi Penggerak Elektroda Pemanas Busur Listrik Pada Pembuatan Zirkon Karbida”. Yogyakarta : Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN.

Surdia, Tata. 2000, “Teknik Pengecoran

Logam”. Cetakan Ke-8, PT. Pradnya

Paramita, Jakarta.

Wardhana, Arief Wisnu. 2007. “Pening katan Effisiensi Produksi Electric

Arc Furnance Dengan Injeksi

Oksigen Untuk Menghemat Biaya Energi Listrik Pada Industri Baja”.