## Unjuk kerja furnace menggunakan kawat kanthal A1

## Gita Suryani Lubis, Otmar Mangara Sitompul, Herman
Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura Jl. Profesor Dokter H. Hadari Nawawi, Bansir Laut, Kec. Pontianak Tenggara, Kota Pontianak, Kalimantan Barat 78124 Email korespondensi: gitasuryanilubis@teknik.untan.ac.id

## Abstrak
Dalam proses pemanasan logam, diperlukan suatu alat yang dapat membantu dalam proses perlakuan panas (heat  treatment),  yaitu  furnace  di  mana  terdapat  ruang  didalamnya  untuk  melakukan  pemanasan  pada  suatu benda  kerja hingga  mencapai  suhu  tertentu  dan  ditahan  dalam  selang  waktu  tertentu  pula.  Dalam  kajian  ini, dilakukan  perancangan  furnace  menggunakan  perangkat  lunak  Autodesk  Fusion  360,  sedangkan  pembuatan furnace menggunakan beberapa komponen seperti kawat kanthal A1 sebagai elemen pemanas, bata tahan api SK34, dan semen Castabel C16 yang digunakan sebagai bahan penahan panas. Analisis unjuk kerja dilakukan dengan  cara  menghitung  kecepatan  pencapaian  suhu  maksimal  furnace,  waktu  yang  dibutuhkan  agar  dapat mencapai suhu maksimal, serta konsumsi energi. Berdasarkan hasil perancangan dan perhitungan, dihasilkan sebuah furnace dengan dimensi luar sebesar 40x30x40 cm dan dimensi ruang pemanas sebesar 18x18x18 cm. Uji coba  furnace  dilakukan  dengan  melelehkan  material  aluminium  di  mana  titik  leleh  material  tersebut  dalam keadaan murni adalah sebesar 660 o C. Pengujian selanjutnya yang dilakukan menunjukkan bahwa suhu maksimal yang dapat dicapai yaitu sebesar 700 o C, sedangkan waktu yang diperlukan untuk mencapai suhu tersebut selama 50 menit dengan konsumsi energi sebanyak 2.404,6 Watt.
Kata kunci : furnace, kanthal A1, SK34, aluminium.

## Abstract
In the metal heating process, a tool is needed that can help the heat treatment process, namely a furnace where there is a space inside to warm up the workpiece to a certain temperature and hold it for a certain time interval. In this study, the furnace design was carried out using Autodesk Fusion 360 software, while the manufacture of the furnace uses several components such as A1 kanthal wire as a heating element, SK34 refractory brick, and Castabel  C16  cement  which  is  used  as  a  heat  retaining  material.  Performance  analysis  is  carried  out  by calculating the speed of reaching the maximum temperature that can be achieved, the time required to reach the maximum temperature, and energy consumption. Based on the results of design and calculation, a furnace with external dimensions of 40x30x40 cm and heating chamber dimensions of 18x18x18 cm was produced. Furnace trials were carried out by melting aluminium material where the melting point of the material in its pure state is 660 o C. Further tests carried out show that the maximum temperature that can be reached is 700 o C, while the time required to reach that temperature is 50 minutes with an energy consumption of 2,404.6 Watts.
Keywords: furnce, kanthal A1, SK34, aluminium.

## 1. Pendahuluan
Dalam proses pemanasan logam, diperlukan suatu alat yang  dapat  membantu proses  perlakuan panas  ( heat treatment ),  yaitu furnace .  Dalam  dunia  industri, furnace digunakan  di  berbagai  industri  seperti pembuatan  keramik  dan  bata,  industri  semen  dan kapur,  pembuatan  gelas,  peleburan  biji  logam, pemurnian logam, flash dan fluid bed furnace , proses incinerator atau recovery  resource , reducing atmosphere ,  pemurnian  minyak  dan  petrokimia  [1]. Dalam furnace ini terdapat ruang di mana didalamnya dilakukan pemanasan pada benda kerja hingga suhu tertentu  dan  ditahan  selama  selang  waktu  tertentu. Agar proses pemanasan material dapat terjadi dengan optimum,  diperlukan  suatu furnace yang  memiliki kemampuan  untuk  dapat  menahan  panas  hingga mencapai  titik  lebur  serta  dapat  bertahan  dalam jangka waktu yang relatif lama. Furnace yang biasa digunakan  memiliki  berbagai  variasi  yang  dapat
dibedakan dari kapasitas pemanasan mulai dari suhu 200 o C  hingga  1200 o C  [2].  Pada  umumnya, penggunaan furnace juga  sangat  dibutuhkan  di laboratorium  yang  ada  pada  Perguruan  Tinggi  di mana  digunakan  sebagai  suatu  prasarana  dalam bidang  pendidikan  yang  berkaitan  dengan  keilmuan teknik  mesin.  Oleh  karena  pentingnya  pembelajaran mengenai furnace pada  bidang  pendidikan  dan keilmuan teknik mesin, maka diperlukan suatu kajian mengenai prinsip kerja furnace sebagai faktor utama berlangsungnya proses heat treatment . Dalam kajian ini,  dilakukan  suatu  perancangan,  pembuatan  dan unjuk  kerja furnace di  mana  dalam  proses pembuatannya  menggunakan  elemen  pemanas dengan jenis kawat kanthal A1. Adanya penggunaan jenis kawat ini dikarenakan bahan tersebut memiliki nilai  resistansi  yang  relatif  tinggi,  sehingga  dapat menghasilkan panas yang tinggi pula [3]. Selanjutnya, furnace yang dihasilkan akan digunakan sebagai alat bantu  dalam  proses  pembelajaran  di  Laboratorium
Dasar Teknik Mesin, Universitas Tanjungpura. Hasil analisis kinerja furnace akan dapat digunakan menjadi dasar  identifikasi  beberapa  hal  yang  perlu ditingkatkan  dan  memastikan  bahwa furnace berfungsi dengan baik selama proses heat treatment berlangsung  [4].  Selain  itu,  alat  ini  juga  dapat dimanfaatkan untuk mempermudah melakukan kajian lanjutan  tentang  sifat-sifat  mekanis  material  logam dengan  melakukan  proses  perlakuan  panas  dengan tingkat akurasi kontrol suhu yang baik.

## 2. Metode
Adapun  tahapan  proses  dalam  kegiatan  ini ditunjukkan pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1. Diagram alir.
Prosedur  awal  dalam  kajian  ini  dimulai  dengan pembuatan  desain furnace menggunakan software Autodesk  Fusion  360,  di  mana furnace memiliki dimensi  luar  sebesar  40x30x40  cm,  sedangkan dimensi ruang pembakaran sebesar 18x18x18 cm [5]. Selain itu, dibuat suatu rangka yang berfungsi sebagai tempat peletakan furnace seperti terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Desain furnace.
Setelah  tahapan  desain,  selanjutnya  dilakukan pengumpulan  sejumlah  peralatan  serta  bahan-bahan yang  diperlukan. Berikut ini beberapa peralatan dan bahan utama yang digunakan untuk membuat furnace disajikan di Tabel 1 [6].
Tabel 1. Bahan utama pembuatan furnace.
Tahapan selanjutnya yaitu pembuatan ruang bakar, di mana  memiliki  dimensi  keseluruhan  sebesar  5.832 cm 3 , kemudian dilakukan perhitungan panjang kawat yang  diperlukan  dengan menggunakan  Persamaan 1 berikut, kemudian didapatkan hasil sebesar p = 20,09 m. 𝑝 = 𝜋 × 𝐷 × 𝜇 (1) Keterangan:
p = panjang kawat
D = diameter lilitan
µ = jumlah lilitan
No Alat/Bahan Keterangan 1 Bata tahan api SK34  Sebagai dinding furnace 2 Kawat Kanthal A1 Sebagai elemen pemanas 3 Semen Castable C16 Melapisi dinding furnace 4 Plat Besi Sebagai cover furnace 5 Glasswool Membuat lapisan cover pada dinding furnace 6 Besi Hollow Pembuatan rangka
Tahapan  selanjutnya  yaitu  proses  pemotongan  bata serta  pembuatan  alur  untuk  elemen  pemanas  seperti terlihat pada Gambar 3 berikut.
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Pemotongan bata dan (b) alur pada bata.
Tahapan  selanjutnya  yaitu  pembuatan  rangka  luar dengan menggunakan besi siku berukuran 0,5x0,5 cm dengan tebal 0,5 cm [7]. Besi tersebut kemudian di las dengan  tujuan  agar  dapat  digunakan  sebagai  rangka luar  tempat  bata  diletakkan  [8].  Adapun  tahapan proses  tersebut  ditunjukkan  pada  Gambar  4  berikut ini.
(a) (b)
Gambar 4. (a) Pengelasan dan (b) pemasangan besi siku.
Proses  pelapisan  semen  pada  batu  bata  SK34 menggunakan semen tahan api Castable C16. Proses menyemen  atau  melapisi  batu  bata  SK34  bertujuan untuk merekatkan semua batu bata SK34 yang sudah diberi besi siku [9]. Selanjutnya, setelah diberi lapisan dengan  semen Castable C16,  kemudian  proses pengeringan pada batu bata SK34 dilakukan selama 1 hari untuk memastikan bahwa lapisan semen tersebut sudah  benar-benar  kering  [10].  Hasil  pelapisan tersebut ditunjukkan pada Gambar 5 di bawah ini.
Gambar 5. Proses pelapisan menggunakan semen castable c16.
Proses  selanjutnya  yaitu  pemasangan thermocouple dan  besi stainless  steel .  Tahap  pertama  dilakukan proses  pengeboran  pada  bagian  belakang furnace untuk  memasang  termokopel  tipe  K  dengan menggunakan  bor  listrik  dan  mata  bor  beton berdiameter 1,2 cm. Selanjutnya pengeboran batu bata untuk memasang besi stainless steel mengunakan bor listrik  dengan  mata  bor  beton  berdiameter  0,8  cm seperti ditunjukkan pada Gambar 6 berikut.
Gambar 6. Proses pengeboran dan pemasangan thermocouple.
Proses pemasangan glasswool yang berfungsi sebagai isolator  tahan  panas.  Proses  pelapisan glasswool dilakukan sebanyak 2 kali dengan maksud agar panas yang dihasilkan tidak melebihi kapasitas panas pada cover furnace dan  menghindari  kerusakan cover
akibat  konduksi  panas  yang  ditimbulkan  oleh  bata tahan api dan semen Castable C16. Tahapan tersebut ditunjukkan pada Gambar 7 sebagai berikut.
Gambar 7. Pemasangan glasswool.
Proses  pembuatan  dan  pemasangan  pintu furnace dengan  menggunakan  pelat  besi  setebal  0,6  cm. Selanjutnya  engsel  pada  pintu  dilas  dan  di- clamp untuk  menghindari  celah  yang  berakibat  pada kebocoran  suhu.  Adapun  tahapan  tersebut  terlihat pada Gambar 8 di bawah ini.
Gambar 8. Pemasangan dan pengelasan pintu.
Proses pemasangan kawat pemanas pada ruang bakar sesuai  dengan  alur  yang  telah  dibuat  sebelumnya. Sebelumnya  dilakukan  pemasangan  baut stainless steel untuk memisahkan rangkaian positif dan negatif dari  arus  listrik  yang  akan  terpasang  pada furnace . Proses tersebut dapat ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Pemasangan kawat pemanas sesuai alur.
Proses  pemasangan  rangkaian  kelistrikan  pada furnace di mana arus yang masuk akan melewati suatu MCB  (pemutus  arus  jika  terdapat  kelebihan  beban atau terjadinya hubungan singkat). MCB ini berguna untuk menyuplai seluruh rangkaian kelistrikan setiap unit pada panel, dalam furnace ini terpasang dua buah thermocontrol ,  di  mana  setiap thermocontrol memiliki  fungsi  yang  berbeda.  Salah  satu  unit digunakan  untuk  mengontrol  suhu  pada furnace, di mana  menggunakan  metode  kontrol  pada  PID. Kontrol  ini  berfungsi  untuk  menghidupkan  dan mematikan  kontaktor,  di  mana  digunakan  sebagai
aktuator,  sedangkan  pada thermocontrol lainnya digunakan  sebagai  pengontrol  suhu  dan  untuk menyalakan timer  delay serta  menghitung  lamanya proses pemanasan yang terjadi. Kedua thermocontrol tersebut  memiliki  satu  buah  sensor  yang  dipasang secara  paralel  untuk  mengidentifikasi  suhu  pada furnace .  Indikator  nyala  dan  mati  kontaktor  pada heater dapat  dilihat  dari pilot  lamp yang  berwarna hijau dan merah, warna hijau mengindikasikan heater dalam  posisi  sedang  menyala,  sedangkan  warna merah berarti heater dalam keadaan mati. Selain itu juga  apabila  waktu  pemanasan  telah  berakhir,  maka indikator warna pada pilot lamp akan berwarna merah dan selalu menyala.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan  keseluruhan  tahapan  yang  dimulai  dari desain,  pembuatan  rangka,  ruang  pembuatan pembakaran,  serta  rangkaian  kelistrikan  yang  telah dilakukan,  diperoleh  sebuah furnace seperti ditunjukkan pada Gambar 10 berikut ini.
Gambar 10. Furnace.
Adapun  spesifikasi  dari furnace yang  telah  dibuat, ditunjukkan pada Tabel 2 di bawah ini.
Tabel 2. Spesifikasi furnace.
Nama Keterangan Dimensi Luar Furnace 40x30x40 cm Dimensi Ruang Bakar 18x18x18 cm Elemen Pemanas Kawat kanthal A1 0,1 cm Bata tahan api SK34 23x11,4x6,4 cm Voltage 240V; 1 phase Berat Total 80 kg
Uji  coba  pada furnace yaitu  dengan  melakukan pemanasan  dengan  suhu  awal  yaitu  suhu  ruangan 30°C.  Adapun  hasil  pengujian  dari furnace dapat dilihat pada Tabel 3 berikut ini.
Tabel 3. Hasil uji coba furnace.
Suhu Awal ( o C ) Suhu Akhir ( o C ) Waktu ( menit ) 30 87 1 87 185 2 185 270 3 270 328 4 328 372 5 372 402 6 402 425 7 425 444 8 444 459 9 459 472 10 556 563 20 620 624 30 664 668 40 697 700 50
Berdasarkan  Tabel  3  di  atas,  diketahui  bahwa  suhu maksimum  yang  dapat  dicapai  oleh furnace adalah sebesar  700 o C dengan waktu yang diperlukan untuk mencapai  suhu  tersebut  yaitu  selama  50  menit. Adapun  kenaikan  suhu tertinggi diperoleh pada saat furnace dioperasikan yaitu pada 2 menit awal dengan tingkat  kenaikan  suhu  sebesar  98 o C,  sedangkan setelah menit ke-3 hingga menit ke-10, kenaikan suhu cenderung  kecil  yaitu  berkisar  rata-rata  ±28,8 o C, kemudian pada menit ke-20 terjadi lonjakan kenaikan suhu  sebesar  91 o C.  Pada  menit  ke-30  hingga  50, kenaikan  suhu  yang  terjadi  tidak  signifikan  yaitu sebesar  rata-rata  ±45,6 o C.  Pada  pengujian  lanjutan, dilakukan penahanan pada saat suhu mencapai 700°C dengan  waktu  penahanan  ( holding  time )  selama  60 menit.  Proses  penahanan  ini  bertujuan  agar  dapat diketahui unjuk kerja pada furnace terhadap suhu dan dapat bertahan stabil, sehingga dapat digunakan untuk proses  perlakuan  panas  suatu  material  logam. Berdasarkan  hasil  pengujian furnace, di  mana dilakukan suatu proses pemanasan awal dari material yang  dimulai  dari  suhu  ruang  sebesar  30°C  hingga suhu  maksimum  sebesar  700°C  selama  50  menit, diketahui bahwa konsumsi pemakaian listrik sebesar 4,9  kWh.  Selanjutnya  berdasarkan  proses holding time yang  dilakukan, furnace yang  dihasilkan  dapat dapat stabil suhunya di angka 700 o C selama lebih dari 60 menit. Berdasarkan nilai suhu maksimum tersebut selanjutnya dilakukan uji coba proses perlakuan panas pada  material  aluminium.  Pengujian  yang  telah dilakukan  terbukti dapat  melelehkan material  logam aluminium yang mana material tersebut memiliki titik leleh sebesar ±600°C.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  prosedur  yang  telah  dilakukan  dapat disimpulkan  bahwa  telah  dihasilkan  sebuah  alat furnace listrik  yang  menggunakan  elemen  pemanas
dengan  jenis  kawat  kanthal  A1  yang  memiliki spesifikasi seperti yang terlihat pada Tabel 2. Desain awal furnace dibuat  dengan  menggunakan software Autodesk  Fusion  360.  Berdasarkan  hasil  uji  coba terhadap  unjuk  kerja furnace diketahui  bahwa  suhu maksimum yang dapat dicapai adalah sebesar 700 o C. Agar  tercapai  suhu  maksimum  tersebut  dibutuhkan waktu  selama  50  menit  dengan  konsumsi  listrik sebesar  4,9  kWh.  Pengujian  juga  telah  dilakukan dengan  cara  memanaskan  material  aluminium  yang mana  material  tersebut  memiliki  titik  leleh  sebesar ±600°C.  Dalam  hal  keberlanjutan  kajian  terhadap furnace , perlu dilakukan variasi elemen pemanas serta pengaruh  diameter  pada  elemen  pemanas.  Hal tersebut bertujuan agar diketahui  variasi dan ukuran mana yang dapat menghasilkan suhu tertinggi.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  pihak- pihak yang telah memberikan dukungan dalam proses pengujian  yang  telah  dilakukan.  Terima  kasih  pula diucapkan  kepada  Fakultas  Teknik,  Universitas Tanjungpura yang telah memberikan dukungan baik berupa sarana dan prasarana terhadap pengujian yang dilakukan.

## Daftar Pustaka
[1] M.  Rahmat,  "Perancangan  Dan  Pembuatan Tungku Heat Treatment," Jurnal Ilmiah  Teknik Mesin, vol. 3(2), pp. 133-148, 2015.
[2] D. Purwanto and R. Nasa, "Perancangan Tungku Pemanas  dengan  Menggunakan  Khantal  A1," Media  mesin:  Majalah  Teknik  Mesin,  vol.  22, pp. 13-21, 2021.
[3] V. S. Vingtsaba and W.A., 2020. "Analisis dan Perbandingan  Jenis  Kawat  Kanthal  A-1  dan Nichrome  80  Sebagai  Elemen  Pemanas  Pada Oven  Listrik  Hemat  Energi,"  Jurnal  Ilmiah teknik elektro, vol. 3, pp. 13-21
[4] Prayitno  and  Dody.  Teknologi  Rekayasa Material. Jakarta: 2010
[5] Rizal, A., Y. Samantha, dan A. Rachmat. 2016. Pembuatan  Tungku  Pemanas  (Muffle  Furnace) Kapasitas 1200 ˚C. Jurnal J-Ensitec 2(2):13-16
[6] S.  N.  Huda.  2011.  "Rancangan  Bangun  Sistem Pengendali  Temperatur  Furnace  Dengan Menggunakan  Sensor  Termokopel  Tipe-K Berbasis Mikrokontroler Atmega 16," JUI
[7] Surdia,  Tata  dan  Kenji  Chijiwa.  2006. Pengetahuan  Bahan  Teknik.  Jakarta:  Pradya Paramita.
[8] Suprastiyo,  H.,  dan  P.  H.  Tjahjanti.  2016.
Pembuatan Electric Furnace Berbasis
Mikrokontroler. Rekayasa Energi Manufaktur 1.
[9] Pambudi,  R.  2018.  Pengaruh  Variasi  Diameter dan  Panjang  Elemen  Pemanas  Kanthal  A-1 Terhadap  Waktu  Tercapai  Temperatur  1.000˚C pada  Tungku  dengan  Mekanisme  Tahanan Listrik.  Skripsi  Universitas  Negeri  Semarang: Semarang.
[10] Olalere A. A., O. A. Dahunsi, M. A. Akintunde, dan  M.  O.  Tanimola. 2015. Development of  A Crucible  Furnace  Fired  with  Spent  Engine  Oil Using  Locally  Sourced  Materials.  International Journal  of  Innovation  and  Applied  Studies. 13(2): 281-288.