Received 16 January 2024; Received in revised form 20 March 2024; Accepted 20 March 2024 Available online 22 March 2024
Contents list available at Sinta

## A R M A T U R
: Artikel Teknik Mesin & Manufaktur
Journal homepage: https://scholar.ummetro.ac.id/index.php/armatur
Rancang Bangun Tungku Peleburan Logam Non Ferro Dengan Sistem Induksi Berkapasitas 5 Kg
Sri Endah Susilowati 1* , Didit Sumardiyanto 2
1,2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Informatika, Universitas 17 Agustus 1945 Jakarta, Jakarta Utara, Indonesia

## A R T I C L E
I N F O

## A B S T R A C T
Keywords: Rancang bangun Tungku induksi Non ferro Telah  dilakukan  rancang  bangun  tungku  induksi listrik  satu  fase  untuk  melebur  logam  non  ferro berkapasitas  5  kg.  Tungku  induksi  listrik  merupakan pelebur  paling  ideal  selama  komposisi  muatan terkendali,  termasuk  kehandalannya  dalam  aksi pengadukan leburan membuat kehomogenan komposisi  kimia  tuangannya  lebih  baik.  Emisi  gas dan asap yang dihasilkan sangat rendah selama bahan masuk  bersih  secara  fisis.  Tungku  dirancang  dengan mempertimbangkan  sistem  tegangan  dan  arus  listrik untuk  mencapai  temperatur  peleburan.  Rancangan tungku  berbentuk  cawan  silinder  dengan  diameter bagian  dalam  6,7  cm  dan  tinggi  15  cm.  Suplai  daya yang diberikan sebesar 1,32 KVA dan 2 KVA, energi yang  dibutuhkan  dalam  peleburan  96  kJ.  Hasil pengujian  yang  diperoleh  peleburan  induksi  pada beban  krusible  kapasitas  5  kg  berbahan  grafit  di peroleh  kenaikan  temperature  maksimal  ΔT  = 575 o C  dan  jumlah  kalor Q = 342,9 kJ.

## Pendahuluan

## Latar Belakang
Tungku   induksi merupakan  salah  satu alat    untuk    proses    pemanasan    logam    yang saat    ini  banyak    digunakan    di    lingkungan industri,    yang    mana    alat    ini    digunakan untuk    melebur    atau  memanaskan    logam. Pemanasan  induksi  ditemukan  oleh  Michael
Faraday  pada tahun  1831,  dimana  fenomena pemanasan  induksi  terjadi ketika suatu logam yang  memiliki  sifat  kemagnetan  terkena gelombang elektromagnetik dan akan menimbulkan induksi panas. Seiring perkembangan  zaman,  penemuan  ini  semakin berkembang  dan  dapat  dimanfaatkan  sebagai dasar    dari  pembuatan    pemanas    induksi menggunakan    energi    listrik  yang  hasilnya memiliki  efisiensi  cukup  baik  dan  lebih  ramah
lingkungan. Kini penemuan ini sering digunakan  di  industri  peleburan    logam, industri    yang  berkaitan    dengan    proses perlakuan    panas    pada    logam    dan    kompor untuk  rumah tangga[1].
Pemilihan  tungku  peleburan  yang akan  digunakan  untuk  mencairkan  logam harus sesuai dengan bahan baku yang akan dilebur. Paduan aluminium, tembaga, timah hitam,  dan  logam  ringan  lainnya  biasanya dilebur dengan menggunakan tungku peleburan  jenis  krusibel,  sedangkan  untuk besi  cor  menggunakan  tungku  induksi frekuensi  rendah  atau  kupola.  Tungku Induksi frekuensi tinggi biasanya digunakan untuk melebur baja dan material tahan  temperatur  tinggi.  Industri  logam khususnya  peleburan  dan  pengecoran logam  mempunyai  peranan  yang  sangat penting  dalam  menunjang  pembangunan. Proses  peleburan  dan  pengecoran  logam dilakukan untuk mengubah logam dari fasa padat menjadi fasa cair dengan menggunakan  suatu  tungku  peleburan[2]. Berdasarkan metode pembangkitan panasnya  tungku  dibagi  menjadi  dua  jenis yaitu : 1. Tungku pembakaran yang menggunakan bahan bakar,
seperti  :  kokas,  batu  bara,  bahan bakar minyak, arang dan gas.
2. Tungku yang menggunakan tenaga listrik.
Prinsip  kerja  tungku  listrik  adalah  energi listrik  diubah  dengan  bermacam-  macam cara menjadi energi panas untuk memanaskan dan mencairkan logam. Tungku  listrik  yang  digunakan  untuk peleburan logam ada dua jenis, yaitu:
a. Tungku  Busur  Api  (Direct  heat  arc furnace),  dimana  pada  tungku  ini kutub  positif  dan  kutub  negative tanur  dikontakkan  sehingga  timbul panas.
b. Tungku  Induksi  (Indirect  heat  arc furnace),  dimana  kontak  antara kedua kutub tersebut tidak langsung akan  tetapi  hubungan  kedua  kutub tersebut melalui muatan.
Peleburan  logam  dalam  dapur  listrik
merupakan  cara  yang  paling  baik  dan menguntungkan. Penggunaan tungku listrik dalam pengecoran logam memiliki beberapa  kelebihan  antara  lain  :  hasil peleburan  bersih,  mudah  dalam  mengatur atau  mengendalikan  temperatur,  kondisi cairan  homogen,  efisiensi  penggunaan energi  panas  tinggi  serta  dapat  digunakan untuk melebur berbagai jenis material.

## Perumusan Masalah
Berdasarkan  latar  belakang  diatas  dapat dirumuskan  permasalahan  penelitian  ini yaitu bagaimana merancang dan membangun tungku induksi satu fase untuk peleburan  logam  non  ferro  berkapasitas  5 kg.

## Tujuan Penilitian
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang  bangun  atau  membuat  tungku peleburan  dengan  sistem  induksi  satu  fase berkapasitas  5  Kg  yang  dapat  digunakan untuk  proses  smelting  mineral  logam  non ferro  tergantung  pada  paduan  yang  ingin dihasilkan.

## Dasar Teori Prinsip Kerja Tungku Induksi
Sumber  listrik  digunakan  untuk menggerakkan sebuah arus bolak balik atau yang  biasa  disebut  dengan  arus  AC  yang besar melalui proses transformator menjadi arus  searah  atau  DC  melalui  sebuah kumparan  induksi.  Kumparan  induksi  ini dikenal  sebagai  kumparan  kerja.  Aliran arus yang melalui kumparan ini menghasilkan  medan  magnet  yang  sangat kuat  dan  cepat  berubah  dalam  kumparan kerja.  Benda  kerja  yang  akan  dipanaskan ditempatkan  dalam  medan  magnet  ini dengan  arus  DC  yang  sangat  kuat.  Ketika sebuah beban masuk dalam kumparan kerja yang  dialiri  oleh  arus  DC,  maka  nilai  arus yang  mengalir  akan  mengikuti  besarnya sesuai dengan beban yang masuk.
Medan  magnet  yang  tinggi  dapat menyebabkan  sebuah  beban    dalam kumparan kerja tersebut melepaskan panas, sehingga  panas  yang  ditimbulkan  oleh beban  tersebut  dapat  melelehkan  material
yang  ada  didalam  beban  tersebut  bahkan dapat juga melelehkan beban itu sendiri.

## Gambar 1 Skematik dari tungku induksi satu fasa (a)
dan tiga fasa (b)
Gambar  2.2  menunujukkan  adanya power coil yang  berfungsi  merubah  arus  listrik menjadi  panas.  Jika  kawat  konduktor  itu dibentuk  kumparan  dan  di  dekat  kumparan tersebut  diletakkan  material  yang  dapat menghantarkan  listrik  (biasanya  logam), maka  logam  tersebut  akan  menerima pengaruh  garis  gaya  magnet  lalu  di  dalam logam  tersebut  akan  mengalir  arus  eddy. Arus eddy ini yang menyebabkan timbulnya pemanasan logam yang menyebabkan  logam  akan  meleleh  pada titik  leburnya.  Keunggulan  tungku  induksi diantaranya  adalah  gerakan  pengadukan logam  cair  yang  dihasilkan  oleh  arus induksi yang disebut stirring[3].

## Gambar 2 Tungku Induksi
Arus  listrik  bolak-balik  dari  sebuah tenaga  induksi  mengalir  ke  dalam  tungku yang  terdapat  lilitan  sebuah  coil  yang terbuat  dari  pipa  tembaga.  Tungku  induksi membutuhkan dua sistem elektrikal diantaranya  yang  pertama,  untuk  sistem pendinginan,  instrumentasi,  dan  yang lainnya  untuk  Coil  induksi.  Keuntungan dari tungku induksi yaitu[4] :
1. Hasil  peleburan  bersih  karena  panas terjadi tanpa pembakaran.
2. Temperatur dapat diatur dan dikendalikan dengan mudah.
3. Komposisi  cairan  homogeny  karena adanya gerakkan stirring.
4. Efesiensi energi panas yang digunakan tinggi.
5. Dapat  digunakan untuk  melebur jenis material
Dalam penggunaan tungku induksi selain prinsip  pemanasan  dan  pencairan  logam hal  penting  yang  harus  diperhatikan adalah lapisan bahan tahan panas (lining) yang  berfungsi  sebagai  krus.  Jenis  bahan dinding krusibel (lining) adalah refraktori yang memiliki sifat asam, basa atau netral dengan berbentuk  bata api,  krusibel,  atau monolitik[5].  Material lining dengan konduktifitas termal yang tinggi menyebabkan  kehilangan  panas  berlebih dan  lamanya  waktu  sintering  akan membutuhkan  konsumsi  energi  yang besar  untuk  pemanasan  awal  sehingga tidak  efisien.  Instalasi lining yang  tidak tepat  dapat  menyebabkan  kegagalan diawal  proses[6].  Oleh  karena  itu penentuan lining sangat  penting  untuk diperhatikan  agar  mendapatkan  hasil yang  optimal  terhadap  energi  yang digunakan.
Ukuran Pemanasan dari Tungku

## Peleburan Induksi
Salah  satu  yang  penting  dalam  mendesain peleburan  induksi  adalah  pengukuran pemanasan  yang  berupa  panas  (kalor). Dengan  mengetahui  panas  yang  dihasilkan maka dapat diperkirakan penerapan material yang akan dilebur dengan menggunakan  alat  tersebut. Kalor  dapat didefinisikan  sesuatu  yang  dipindahkan  di antara  suatu  sistem  dan  lingkungan  nya sebagai  akibat  perbedaan  temperature (suhu)[7].  Faktor  yang  mempengaruhi desain  pemanasan  dari  tungku  peleburan induksi :
1. Desain dan kapasitas tungku peleburan.
2. Kapaitas sumber daya yang digunakan.
Dibawah  ini  adalah  persamaan  dalam mendapatkan  besar  kalor  pada  peleburan induksi.
Q = m.c. ΔT

## Keterangan :
Q = Kalor (kalori) ΔT = Kenaikan suhu ( o C) m = Massa inti besi (gr) c = kalor jenis besi (0,11 kal/g o C)
Maka dapat digunakan persamaan sebagai berikut[8] :
P = 𝑄 Δt menjadi   Q h = P . Δt
Keterangan : P = Daya (watt) Q h = Kalor yang dihasilkan (joule) Δt = Waktu/detik[2]

## Rangkaian Transformartor
Transformator  berfungsi  sebagai pembangkit arus bolak balik dan kumparan kerja. Rangkaian transformator ini merupakan  rangkaian  pendukung  namun sangat diperlukan.
Gambar 3 Rangkaian Transformator

## Rangkaian Penyearah
Penyearah ( rectifier ) berfungsi
untuk  mengubah  besaran  AC  menjadi besaran DC.
Gelombang
penuh denganmenggunakan 4 diode yang dipasang  pada  sisi  siklus  positif  dan  sisi siklus negatif.
Gambar 4 Penyearah 1 fasa gelombang penuh dengan kapasitor

## Rangkaian Daya
Rangkaian  daya  pada  peleburan induksi ini merupakan rangkaian daya yang mampu untuk mengkonversi besaran listrik dari  searah  menjadi  besaran  komponen daya  yaitu  mosfet,  diode,  inductor.  Seperti gambar berikut ini :

## Gambar 5 Rangkaian Daya

## Metode Penelitian
Desain  Rangkaian  Transformator  dan Penyearah
Transformator berfungsi
menurunkan  tegangan  dari  220  V  ke  33  V dan 40 V . untuk kuat arus berkapasitas 50 A yang berfungsi untuk menyearahkan arus listrik  keluar  dari  trafo,  trafo  yang digunakan  yang  memiliki  10  jalur  lilitan sekunder. Dimana trafo tersebut terdiri dari dua  kumparan  besi  yaitu  kumparan  primer dan kumparan sekunder. Secara fisik kedua kumparan  tersebut  tidak  terhubung  tetapi dihubungkan  oleh  medan  magnet.  Untuk meningkatkan  induksi  magnetic  antara  dua kumparan  maka  ditambahkan  inti  besi. Untuk  perancangan  transformator  yang berfunsi  sebagai power  supply pada  alat peleburan induksi ini digunakan
transformator step down . Penyearah ( rectifier ) berfungsi untuk mengubah besaran AC menjadi besaran DC.
Gelombang  penuh  dengan  menggunakan  4 diode yang dipasang pada sisi siklus positif dan sisi siklus negatif.

## Gambar 6 Desain Rangkaian

## Desain Rangkaian Driver dan Daya
Rangkaian driver terdiri dari susunan  beberapa  mosfet.  Struktur  dari sebuah transistor efek-medan semi konduktor-logam-oksida (MOSFET) adalah berdasarkan  pada  modulasi  konsentrasi muatan  oleh  kapasitansi  MOS  di  antara electrode badan dan electrode gerbang yang terletak  di  atas  badan  dan  diisolasikan  dari semua  daerah  peranti  dengan  sebuah lapisan  dielektrik  gerbang  yang  dalam mosfet  adalah  oksida,  seperti  silicon dioksida[5]. Rangkaian daya pada peleburan induksi ini merupakan rangkaian daya  yang  mampu  untuk  mengkonversi besaran  listrik  dari  searah  menjadi  besaran komponen  daya  yaitu  mosfet,  diode, inductor. Seperti gambar berikut ini :
Gambar 7 Desain Rangkaian Driver dan Daya
Gambar 8 Desain Rak

## Desain Pendingin
Gambar 9 Desain Sistem Pendingin
Desain Pengoperasian Alat
Gambar 10 Skema pengoperasian Keterangan :
1. MCB
2. Push Bottom On AC 220 V
3. Push Bottom Off AC 220 V 4. Push Bottom On 33 VDC 5. Push Bottom On 40 VDC 6. Push Bottom Off  DC
7. Display indicator temperatur krusible 8. Display indicator DC Amper 9. Display indicator AC Amper

## Data dan Analisis Kebutuhan Kalor dan Daya
Rancang  bangun  alat  peleburan induksi  yang  menggunakan  solenoid  ini akan dapat dikatakan berhasil apabila sudah dapat  mencapai  panas  pada  temperatur yang  dibutuhkan  sehingga  panas  yang dihasilkan  dapat  melebur  material  yang berada  didalam  krusible.  Dalam  pengujian peleburan induksi ini dilakukan pemanasan terhadap  krusible  yang  terbuat  dari  bahan grafit berkapasitas 5kg.
0 2.000 4.000 6.000 Grafik Kebutuhan Kalor Q(kJ) 0 500 10 20 30 40 50 60 K al o r ( K J) Waktu (menit) ΔQ (KJ)

## Kebutuhan Kalor dan Daya
Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan  untuk  beberapa  jenis  logam non ferro maka  dapat  diketahui  bahwa  terdapat perbedaan sebagai berikut.

## Gambar 11 Grafik Kebutuhan Kalor

## Data dan Perhitungan Pengujian Alat

## Gambar 11 Tungku Peleburan Induksi

## Gambar 12 Proses Peleburan Timah
Material  yang  digunakan  untuk  dilebur adalah  Timah,  Daya  (P)  yang  digunakan pada tungku induksi selenoide coil menggunakan  2000  watt,  dengan  Besar tegangan  (V)  40,  Kuat  Arus  (I)  50A  dan temperatur  ruang  27 o C.  Berdasarkan  hasil pengujian  yang  dilakukan  dalam  kurun waktu  60  menit  terhadap  tungku  induksi dengan  diberikan  beban  Krusible  dan
Timah,  maka  didapatkan  data-data  sebagai berikut :
Tabel 1. Pencapaian Temperatur dan Kalor
T (Menit)  Temperatur ( O C) △ T ( O C) △ Q (kJ) 10 200 173 365 20 320 120 253 30 430 110 231 40 510 80 168 50 570 60 126 60 600 30 63
Dari table diatas didapat ΔT dan Q terhadap waktu.  Hasil  pengujian  dan  perhitungan tersebut  dituangkan  dalam  bentuk  grafik berikut ini :

## Gambar 11 Grafik Pencapian Temperatur dan ΔT

## Gambar 12 Grafik Peningkatan Kalor ΔQ
Dari  grafik  hasil  pengujian  didapat temperatur  pada  krusible  terus  meningkat seiring  bertambah  nya  waktu,  tetapi  selisin peningkatan  temperatur  (ΔT)  dan  selisih peningkatan kalor (ΔQ) mengalami
penurunan.  Penurunan  yang  terjadi  pada ΔT dan ΔQ disebabkan oleh rugi-rugi kalor dan temperature  yang terlepas karena tidak adanya isolasi.

## Kesimpulan dan Saran Kesimpulan
Telah berhasil dirancang bangun seperangkat tungku peleburan induksi yang mampu berfungsi untuk melebur logam non ferro dengan temperature maksimum 600 o C dan daya yang digunakan 2 KW. Perubahan besar  Daya  Kerja  (Voltage  dan  Amper) mempengaruhi  frekuensi  induksi  yang terjadi  sehingga  mempengaruhi  dalam pencapaian temperatur. Pengujian
0 1000 10 20 30 40 50 60 Tem p e ratu r Waktu (menit) T (°C) ΔT (°C)
peleburan  induksi  pada  beban  krusible kapasitas  5  Kg  berbahan  grafit  di  peroleh kenaikkan  suhu  ΔT  =  575 o C  dan  jumlah kalor  Q  =  342.930  Joule.  Kenaikkan  suhu dan  jumlah  kalor  bertambah  seiring bertambah  nya  waktu,  namun  kecepatan pemanasan  semakin  berkurang  seiring dengan  kenaikkan  suhu  karena  semakin tinggi  suhu  maka  semakin  banyak  energy panas  yang  terbuang  kelingkungan  sekitar yang  suhunya  lebih  rendah.  Pengujian peleburan  induksi  pada  beban  krusible kapasitas  5  Kg  berbahan  grafit  di  peroleh kenaikkan  suhu  ΔT  =  575 o C  dan  jumlah kalor  Q  =  342.930  Joule.  Kenaikkan  suhu dan  jumlah  kalor  bertambah  seiring bertambah  nya  waktu,  namun  kecepatan pemanasan  semakin  berkurang  seiring dengan  kenaikkan  suhu  karena  semakin tinggi  suhu  maka  semakin  banyak  energy panas  yang  terbuang  kelingkungan  sekitar yang suhunya lebih rendah.

## Saran
Dilanjutkan pengujian-pengujian lebih banyak  lagi  untuk  setiap  jenis  logam non ferro ,  dengan  pemanasan  yang  mencapai temperature  kerja.  Dalam  perancangan peleburan  induksi  menggunakan  solenoid ini sebaiknya harus memperhatikan frekuensi.  Hal  ini  disebabkan  frekuensi merupakan sumber utama untuk menghasilkan  intensitas  fluks  magnetic yang  tinggi.  Dengan  pengembangan  dan penyempurnaan  sistem  dari  alat  ini  akan dapat meningkatkan hasil kerja dari alat ini. Pengembangan  dan  penyempurnaan  yang dapat  dilakukan dengan  memperbesar daya atau kapasitas voltage dan amper dari trafo yang digunakan.
Referensi [1] BCS, “ Advanced melting
technologies : energy saving concepts and  opportunities  for  the  metal casting industry, ” ITP Met. Cast. , no. November, p. 46, 2005
[2] SYAHRIL, A. (2020). Rancang
Bangun  Dapur  Peleburan  Logam Ferro Dan Non  Ferro (Proses Pembuatan) , Politeknik Negeri Sriwijaya).
[3] H.  Sandyko,  “Pengaruh  Perlakuan Panas Menggunakan Induction Heater  Terhadap  Kekerasan  Material Baja ST 37 Skripsi Pengaruh Perlakuan Panas Menggunakan
Induction Heater Terhadap Kekerasan
Material Baja St 37,” 2021.
[4] Sundari,  E.  (2011).  Rancang  bangun dapur  peleburan  alumunium  bahan bakar gas. AUSTENIT , 3 (01).
[5] Surdia, T. (1999). Pengetahuan bahan teknik.
[6] Prayitno, D. (2010). Teknologi Rekayasa Material. penerbit Universitas Trisakti. Jakarta- Indonesia . [7] Wati,  R.  A.  (2000).  Desain  Dan Analisa Pemanas Induksi. UKS:
Semarang .
[8] Tipler,  P.  A.  (1998).  Fisika  untuk sains dan teknik. Jakarta: Erlangga , 1 (2), 3.
Referensi berupa laman internet:
[1] Informasi dari http://www.weld.labs. gov.cn (diakses pada hari-bulan-tahun