Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## ANALISIS PENUMBUKAN BOLA BAJA TERHADAP MATERIAL BUTIRAN DALAM SILINDER BERPUTAR
Nur Faizin 1,a) , Lilik Hendrajaya 2,b) , Sparisoma Viridi 3,c) , Muziibu Alfisyah 4)
1,2,3Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10 , Bandung40132 4Process Engineer, PT. Indocement Tunggal Prakarsa, Tbk. Plant Palimanan Cirebon
Email: a) payizin@gmail.com, b) lilikhendrajaya@gmail.com, c) dudung@fi.itb.ac.id

## Abstrak
Tumbukan  antara  bola  baja  dengan  material  dimanfaatkan  dalam  proses  penghancuran  material  butiran. Proses  penghancuran  tersebut  terjadi  di  dalam  silinder  yang  dinamakan  dengan raw  mill .  Tabung  ini  diisi dengan  bola  baja  dengan  ukuran  6,5  mm  dan  diputar  pada  porosnya.  Akibat  perputaran  tersebut  dapat menghasilkan  beberapa  mode  gerak.  Mode  gerak  yang  diinginkanadalah  mode cataracting dan cascading . Kedua  mode  gerak  ini  sangat  mendukung  dalam  proses  penghancuran  dan  penghalusan  material.  Penelitian dilakukan dengan membuat miniatur raw mill yang berupa silinder yang berjari-jari 40 cm dengan tebal 3 cm. Perbandingan  antara  miniatur raw  mill dengan  sesungguhnya  adalah  1:13,75.  Dinding  silinder  dibentuk bergerigi dengan ketinggian gerigi 4 mm. Data yang diambil yaitu jumlah putaran silinder dan massa butiran material  yang  diumpankan  ke  dalam  silinder.  Data  tersebut  digunakan  untuk  estimasi  energi  rata-rata penumbukan dari bola baja terhadap material.
Kata-kata kunci: bola baja, cataracting, cascading.

## Abstract
The collision between the steel balls to the material used in the process of destruction of the granular material. The destruction process occurs in the cylinder  whose called the raw  mill. This tube is  filled  with steel balls with a size of 6,5 mm and rotated on its axis. As a impact of the rotation can produce some modes of motion. The  desired  motion  mode  is  cataracting  and  cascading.  Both  modes  of  motion  are  very  supportive  in  the process of crushing and refining material. Research carried out by making a miniature raw mill in the form of a  cylinder  with  radius  40  cm  and  3  cm  of  thickness.  The  comparison  between  the  raw  mill  with  a  real miniature is 1:13,75. Serrated cylindrical wall formed with a height of 4 mm serrations. The data was taken are  the  number  of  dials  and  granular  mass  of  material  that  is  dive  into  the  cylinder.  The  data  is  used  to estimate the average energy comminuting of steel balls against the material.
Keywords : steel balls, cataracting, cascading.

## 1. PENDAHULUAN
Pergerakan material butiran dalam suatu tabung silinder merupakan salah satu contoh fenomena fisika klasik. Salah satu industri yang memanfaatkan pergerakan material tersebut adalah industri semen. Dalam industri semen, material di dalam suatu silinder yang berputar digunakan untuk proses penghancuran dan penghalusan material hasil tambang. Silinder putar dalam proses ini disebut sebagai raw mil. Prinsip kerja dari raw mill yaitu suatu tabung yang diletakkan secara horizontal diputar pada porosnya sehingga  bola  baja  yang  ada  di  dalam  tabung  tersebut  akan  mengalami  pergerakan.  Bola  baja  yang
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.012.10
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
bergerak  tersebut  akan  mengalami  beberapa  mode  gerak  diantaranya slipping , slumping , rolling , cascading , cataracting ,  dan centrifuging .  Mode  gerak  dari  bola  baja  tersebut  dipengaruhi  oleh  beberapa faktor  diantaranya:  kecepatan  angular  silinder,  jumlah  bola  baja,  dan  gaya  interaksi  antara  bola  baja terhadap dinding silinder.
Dalam  penelitian ini  mode  gerak  bola  bajayang  diinginkan  adalah cataracting dan cascading . Kedua mode gerak tersebut sangat mendukung dalam proses penghancuran dan penghalusan material. Hasil dari penghancuran material selanjutnya disaring dengan ayakan 225 mesh. Persentase material yang lolos dari ayakan  tersebut  dijadikan  sebagai  parameter  optimal  dan  kurang  optimalnya  proses  penghancuran material.

## 2. METODE PENELITIAN
Raw  mill dalam  industri  semen  merupakan  salah  satu  alat  yang  berbentuk  silinder  yang  digunakan sebagai  wadah  material  dan  bola  baja.  Cara  kerja  dari raw  mill yaitu  material  bergerak  bersama-sama dengan  bola  baja  dengan memanfaatkan  tumbukan  dan  gerusan  dari  bola  baja tersebut.  Produk  dari raw mill mempunyai ukuran sekitar 90 µ m.
Dinding  bagian  dalam  ( shell )  dari raw  mill didesain  sedemikian  rupa  agar  proses  penghancuran  dan penghalusan  material  lebih  efektif. Shell dibentuk  dari  susunan  sirip  ( lifter ).  Model shell bermacam- macam diantaranya Rib liner , Lorain liner , Step liner , dan Wave liner [1].
Gambar 1. Desain silinder dengan model lifter
Bentuk  sirip dalam raw  mill mempengaruhi  efektivitas  gerak  bola  baja.  Sirip dalam  silinder  didesain sedemikian  rupa,  hal  ini  bertujuan  untuk  mempermudah  terjadinya  mode  gerak cataracting .  Dengan adanya  sirip  ini,  kecepatan  rotasi  yang  dibutuhkan  untuk  menghasilkan  mode cataracting relatif  kecil. Beberapa  desain  telah  dikembangkan  untuk  memperoleh  optimasi  energi  yang  paling  efisien.Energi  ini merupakan energi minimum yang digunakan untuk menghasilkan mode gerak cataracting .
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Gambar 2. Bentuk penumbukan bola baja.
Bola baja yang digunakan dalam industri semen memiliki ukuran minimal 35 mm. Karena ukuran bola tersebut relatif besar maka dapat digolongkan sebagai material granular. Syarat disebut material granular jika  ukuran  material  lebih  dari  1 µ m  [2].  Bola  baja  digunakan  untuk  media  penghancur  dan  penghalus material dalam raw mill .
Tinjauan fisika dalam proses penghancuran dan penghalusan material melibatkan dua gaya yaitu gaya tekan dan gaya geser. Tekanan yang diberikanterhadap material yang ditumbuk adalah
   n i i k i r F P
1 2 , 1  , (1)
dimana F i adalah  gaya  tekan  bola  baja  dan r k adalah  radius  kontak  [3].  Sedangkan  energi  spesifik penumbukan dari bola dapat dituliskan pada persamaan berikut,
   n i i b s v m E 1 2 2 , (2)
dimana  mb  adalah  massa  bola  baja  dan  vi  adalah  kecepatan  bola  baja  ke-j,  dan  ni  adalah  banyaknya bola baja [3].
Dalam  industri  semen  mode  yang  sangat  bermanfaat  adalah  cataracting.  Mode  ini  sangat  diharapkan karena  memberikan  impact  yang  maksimal  dibanding  mode-mode  yang  lain.  Setiap  mode  gerak  ini memiliki bentuk bed yang berbeda-beda. Adanya transisi syarat batas, akan menghasilkan mode gerak dari bola baja tersebut.
Untuk  kasus  material  dalam  silinder  yang  berputar  pada  sumbu  aksial,  bilangan  Froude  dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya sentripetal dengan gaya berat material.
g r F r 2   , (3)
Dimana F r adalah  bilangan  Froude, ω adalah  kecepatan  sudut  drum, r adalah  jari-jari  drum,  dan g adalah percepatan gravitasi [4].
r k Mater ial Ste el ball F I
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Gambar 3. Mode gerak material dalam silinder [6].
Dalam mode gerak material dalam drum berputar dikenal dua titik yaitu titik toe dan shoulder . Titik toe merupakan titik terendah material saat silinder diputar pada sumbu aksial. Sedangkan titik shoulder adalah titik tertinggi material di dalam silinder saat mulai terlepas dari dinding. Titik toe dan shoulder dipandang dari garis vertikal (0 o ) [5]. Titik toe dan shoulder timbul  akibat  pergerakan  material.  Adanya  perpindahan  material  saat  silinder berputar, momen gaya yang ditimbulkan oleh material tersebut adalah   sin m r mg  . (4)
dimana r m adalah jarak pusat massa material terhadap titik pusat silinder. Posisi titik shoulder dipengaruhi oleh kecepatan sudut dari silinder. Semakin tinggi kecepatan silinder maka  posisi  titik shoulder semakin  tinggi  juga.  Silinder  yang  berisi  bola  baja  memiliki  kecepatan  kritis yang berbeda bergantung ukuran silinder dan bola baja pengisi. Secara umum kecepatan kritis dari silinder dapat dituliskan sebagai berikut [1],
d D c   3 , 42  , (5)
dimana D adalah jari-jari silinder dan d adalah jari-jari bola baja. Pada proses penghancuran material di dalam  silinder,  umumnya  menggunakan  kecepatan  kritis  yaitu  65-82%,  kadangkala  ada  juga  yang menggunakan kecepatan kritis 90% [7].
Eksperimen dilakukan dengan skala laboratorium. Diameter bola baja yang digunakan adalah 6,5 mm. Sedangkan  diameter  silinder  dalam  eksperimen  adalah  40  cm.  Dalam  penelitian  ini  material  yang digunakan sebagai sampel adalah produk dari raw mill yang diperoleh dari pabrik semen PT. Indocement Tunggal Prakarsa. Tbk. Sampel tersebut dibentuk menjadi butiran dengan ukuran rata-rata 0,8 cm. Butiran dari  sampel  ini  dikeringkan  dahulu  sebelum  dicampur  dengan  bola  baja  untuk  dihaluskan.  Pengeringan butiran  dimaksudkan  agar  tidak  ada  debu  hasil  penghancuran  yang  menempel  pada  bola  baja  ataupun dinding silinder. Butiran yang telah dihancurkan selanjutnya disaring menggunakan ayakan dengan ukuran 225 mesh.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  eksperimen  diperoleh  dengan  memvariasikan  jumlah  butiran  material  dan  jumlah  putaran  dari silinder.  Dalam  penelitian ini  massa  bola  baja  dibuat konstan  yaitu  500  gram.  Pada  eksperimen  pertama massa  butiran  dibuat  tetap juga  yaitu  50  gram.  Setelah  dilakukan  variasi  putaran,  diperoleh  hasil  seperti ditunjukkan  oleh  Tabel  1.  Diketahui  bahwa  jumlah  material  yang  lolos  saringan  semakin  besar  apabila jumlah putaran silinder diperbesar. Untuk memperoleh gambaran yang lebih jelas Tabel 1 dapat disajikan dalam bentuk plot seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Tabel 1. Variasi putaran silinder dan material yang lolos saringan.
Material (gram) Jumlah putaran Lolos (%) 50 5 0,22 50 10 1,74 50 20 4,02 50 25 6,42 50 35 10,02 50 45 10,3 50 60 12,6
Gambar 4 menunjukkan adanya perubahan jumlah material yang lolos. Semakin tinggi jumlah putaran maka jumlah material yang lolos dari saringan semakin banyak. Jumlah material yang lolos dari saringan akibat proses penghancuran dipengaruhi oleh peristiwa penumbukan bola baja terhadap material butiran.
Gambar 4. Variasi jumlah putaran vs material yang lolos 225 mesh.
Jika  bola  baja  menumbuk  material  terus  menerus  maka  material  akan  hancur.  Banyaknya  putaran silinder  dapat  mempengaruhi  peluang  terjadinya  tumbukan  antara  bola  baja  dengan  material.Sehingga semakin  banyak  jumlah  putaran  silinder  maka  jumlah  tumbukan  bola  baja  dengan  butiran  material semakin besar juga.
Selain jumlah tumbukan antar material, faktor lain adalah nilai koefisien restitusi material lebih kecil dibanding  dengan  bola  baja.Dalam  proses  penghancuran  material  nilai  koefisien  restitusi  yang  tinggi sangat dibutuhkan agar diperoleh hasil grinding yang baik [8].
Percobaan selanjutnya adalah variasi massa butiran yang diumpan ke dalam silinder. Dalam perlakuan ini massa bola baja dibuat konstan yaitu 500 gram dan jumlah putaran yang digunakan adalah 35 putaran. Plot antara persentase material yang lolos saringan. Hasil dari percobaan ini disajikan pada tabel berikut.
Tabel 2. Variasi massa material dan material yang lolos saringan.
Jumlah putaran Massa material (gram) Lolos (%) 35 20 39,65 35 40 16,8 35 50 14,04 35 60 8,38 35 80 5,21 35 100 1,94
Massa material yang dimasukkan ke dalam silinder sangat mempengaruhi jumlah material yang lolos saringan.  Hal  itu  ditunjukkan  oleh  persentase  material  yang  lolos,  semakin  besar  material  yang
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
dimasukkan  maka  persentase  material  yang  lolos  semakin  kecil.  Untuk  lebih  jelasnya  Tabel  1  dapat digambarkan dalam bentuk plot antara persentase material yang lolos saringan terhadap massa material.
Gambar 5. Variasi massa butiran vs material yang lolos 225 mesh.
Persentase  massa  butiran  terhadap  massa  bola  baja  dapat  mempengaruhi  proses grinding .  Gambar  5 menunjukkan  bahwa  proses  penghancuran  material  kurang  baik  jika  massa  butiran  diperbesar.  Hal  ini terjadi  akibat  adanya  faktor  redaman  dari  material  terhadap  bola  baja  saat  menumbuk.  Semakin  besar massa butiran material yang diumpankan maka faktor redaman terhadap bola baja semakin besar pula.
Saat massa butiran 20 gram atau 4% dari massa bola baja diperoleh bahwa jumlah material yang lolos saringan  paling  tinggi  dibanding  dengan  massa  butiran  yang  lebih  banyak.  Hal  ini  dikarenakan  proses penumbukan terhadap material lebih optimal dibandingkan dengan massa butiran yang lebih besar.

## 4. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat diketahui faktor-faktor yang mempengaruhi proses penumbukan material antara lain jumlah putaran silinder dan massa butiran yang diumpan. Jika jumlah putaran diperbesar maka proses grinding semakin  baik,  hal  itu  ditunjukkan  dengan  semakin  tingginya  persentase  material  yang lolos  dari  saringan.  Faktor  redaman  yang  ditimbulkan  oleh  jumlah  massa  butiran  dapat  mempengaruhi proses grinding .

## UCAPAN TERIMAKASIH
Saya  ucapkan  terimakasih  kepada  PT.  Indocement  Tunggal  Prakarsa.  Tbk  yang  telah  memberikan kesempatan  penulis  untuk  observasi  lapang  dan  pemberian  sampel  penelitian,  segenap  anggota  Bengkel Bhakti yang telah membantu proses pembuatan alat mill .

## DAFTAR ACUAN
[1] Wills, B. A., & Napier-Munn, T. (2015). Wills' mineral processing technology: an introduction to the practical aspects of ore treatment and mineral recovery. Butterworth-Heinemann.
[2] de  Gennes,  P.  G.  (1999).  Granular  matter:  a  tentative  view. Reviews  of  modern  physics, 71(2), S374.
[3] Sheng-Yong, L., Qiong-Jing, M., Zheng, P., Xiao-Dong, L., & Jian-Hua, Y. (2012). Simulation of ball motion and energy transfer in a planetary ball mill.Chinese Physics B, 21(7), 078201.
[4] Santomaso, A. C., Ding, Y. L., Lickiss, J. R., & York, D. W. (2003). Investigation of the granular behaviour  in  a  rotating  drum  operated  over  a  wide  range  of  rotational  speed. Chemical Engineering Research and Design, 81(8), 936-945.
[5] Lameck,  N.  N.  S.  (2006). Effects  of  grinding  media  shapes  on  ball  mill  performance (Doctoral dissertation).
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
[6] Moys,  M.  H.  (1993).  A  model  of  mill  power  as  affected  by  mill  speed,  load  volume,  and  liner design. JOURNAL-SOUTH  AFRICAN  INSTITUTE  OF  MINING  AND  METALLURGY, 93, 135-135.
[7] King, R. P. (2012). Modeling and simulation of mineral processing systems. Elsevier.
[8] Jayasundara,  C. T.,  Yang, R.  Y.,  Yu,  A.  B.,  &  Curry,  D.  (2008).  Discrete  particle  simulation  of particle  flow  in  IsaMill—effect  of  grinding  medium  properties. Chemical  Engineering Journal, 135(1), 103-112.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA