## JENERAL
Jurnal hompage://jurnal.unej.ac.id/index.php/JENERAL/index

## Optimasi Jumlah Bola Baja Terhadap Proses Penghancuran
Material Dalam Silinder Berputar 1

## Optimization of The Number of Steel Balls Against The Material Crushing Process in A
Rotating cylinder
Nur Faizin 2
Progra m Studi Teknik Pertambangan, Fakultas Teknik, Universitas Jember, Jl. Ka lima ntan 37 Jember

## ABSTRAK
Bola  ba ja ya ng menumbuk ma terial  dima nfaatkan untuk proses penghancuran ma terial.  Ma terial yang diha ncurkan merupakan material ya ng terbuat dari ba han setengah jadi semen yang dibentuk menjadi butiran. Ma terial yang berbentuk butiran tersebut dihancurkan di da lam silinder yang berputar. Ukuran silinder yang diguna kan dalam penelitian ini ya itu berdiameter da lam 400 mm dan diameter luar 440 mm serta  memiliki ketebalan 3 cm yang terbuat dari a krilik. Dinding da lam silinder dibentuk bergerigi, gerigi  tersebut memiliki ketinggia n 4,2 mm. Material ya ng dimasukkan ke dalam silinder dicampur dengan bola baja berdiameter 6,35 mm. Mode gerak cataracting dan cascading merupakan mode gerak yang khusus diamati dalam penelitia n ini. Proses penghancuran dan penghalusan materia l sangat didukung oleh kedua mode gerak tersebut. Data yang dia mbil ya itu massa material yang lolos dari a yakan 24 mesh atau 0,75 mm. Perlakuan yang diberikan pada penelitia n ini a dalah varia si jumlah bola baja yang dimasukkan ke dalam silinder dengan massa material yang teta p, varia si kecepatan putaran silinder, da n la ma putaran silinder. Hasil ya ng diperoleh yaitu massa material ma ksimum yang lolos da ri a yakan 24 mesh diperoleh pada massa bola baja 500 gram dan kecepatan putar 56,52 ra d/detik.
Ka ta  Kunci: Bola Baja, Cataracting, Ca scading

## ABSTRACT
Steel balls that pound material are used for the process of material destruction. The crushed material was a material made of semi-finished cement which was formed into granules. The granular material was crushed inside the rotating cylinder. The size of the cylinders in this study was inside diameter 400 mm and outer diameter 440 mm and had a thickness 3 cm made from acrylic. The inner wall of the cylinder is shaped jagged; the gear has a height of 4.2 mm. The material inserted into the cylinder is mixed with a steel ball with a diameter of 6.35 mm. Cataracting and cascading motion modes are the modes of motion specifically observed in this study. The process of destruction and smoothing of material is strongly supported by both modes of motion. The data taken is the mass of material that passes from a 23.4 mesh sieve or 0.75 mm. The treatment given in this study is the variation in the number of steel balls that are inserted into the cylinder with a fixed material mass, variations in cylinder rotation speed, and length of cylinder rotation. The results obtained were the maximum material mass that escaped from the 23.4 mesh sieve obtained at the mass of the steel ball 500 grams and the rotational speed of 56.52 rad / sec.
Keywords: Steel Balls, Cataracting, Cascading

## PENDAHULUAN
Material butiran yang bergerak di dalam tabung silinder merupakan fenomena yang menarik untuk dipelajari. Industri semen merupakan salah satu industri yang menggunakan prinsip
1 Info Artikel:  Received: 27 Maret 2021,  Accepted:  22 Mei 2021
2 E-mail: nurfaizin.teknik@unej.ac.id
kerja  dari  silinder  berputar. Dalam  industri  tersebut, material  yang  diumpan ke  dalam silinder disebut sebagai raw material . Material ini terdiri dari bahan baku pembuatan semen. Bahan  baku  semen  tersebut  berukuran  kecil  dengan  orde  sentimeter.  Material  yang berukuran kecil tersebut dihancurkan di dalam sebuah silinder yang diputar ya ng selanjutnya silinder yang berputar itu disebut sebagai raw mill.
Proses penghancuran raw material dibantu oleh bola baja. Penghancuran material terjadi karena adanya pergerakan bola baja di dalam silinder. Bola baja yang bergerak di dalam silinder  tersebut  mengalami  beberapa  mode  gerak  diantaranya slipping , cascading , cataracting ,  dan centrifuging .  Faktor  yang  mempengaruhi  mode  gerak  bola  baja diantaranya: kecepatan sudut dan massa bola baja.
Mode gerak cataracting dan cascading merupakan mode gerak  yang  diharapkan dalam penelitian ini. Kedua mode gerak tersebut sangat mendukung dalam proses penghancuran dan penghalusan material. Mode gerak cataracting mendukung adanya proses penumbukan material. Sedangkan mode gerak cascading mendukung proses penggerusan . Material dapat hancur apabila terjadi tumbukan antara bola baja dengan material. Setelah material tersebut hancur  menjadi  ukuran  yang  lebih  kecil  proses  penggerusanlah  yang  lebih  efektif menghaluskan material. Hasil akhir dari proses penghancuran materia l diidentifikasi dari banyaknya material yang lolos ayakan 24 mesh. Persentase material yang lolos dari ayakan tersebut dijadikan sebagai ukuran optimal dan  kurang optimalnya proses penghancuran material.

## METODE PENELITIAN
Raw  mill adalah suatu alat  yang berbentuk silinder yang  diputar pada sumbu aksialnya. Prinsip kerja  dari raw mill yaitu raw material yang diumpan ke dalam silinder  bergerak bersama dengan bola baja. Dengan adanya pergerakan bola baja di dalam silinder maka hal itu sangat memungkinkan terjadinya tumbukan dan gerusan dari bola baja tersebut.
Gambar 1 Tampak luar raw mill (Sumber: dokumen Pribadi)
Dinding bagian dalam ( shell ) raw mill didesain bergerigi  agar proses penghancuran dan penghalusan material lebih efektif dan efisien. Shell dibentuk dari susunan sirip ( lifter ).
Bentuk gerigi  dalam raw mill mempengaruhi efektivitas gerak bola baja. Dinding  dalam silinder didesain bergerigi, hal ini bertujuan untuk mempermudah terjadinya mode gerak cataracting .  Dengan  adanya  gerigi  ini,  kecepatan  sudut  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 .
Gambar 2. Bentuk shell di dalam silinder (Sumber: Dokumen pribadi)
Jika  ditinjau  dari  fenomena  fisika,  proses  penghancuran  dan  penghalusan  material melibatkan dua gaya yaitu gaya tekan dan gaya geser. Tekanan total ( P ) yang diterima oleh material yang ditumbuk adalah:
 = = n i i k i r F P
1 2 , 1  , (1)
dimana F i adalah gaya penumbukan bola baja ke- i dan r k,i adalah radius kontak material ke- i [2]. Jika bola baja yang digunakan memiliki ukuran yang sama, maka persamaan 1 dapat dituliskan,
2 r F n P  = , (2)
Sedangkan energi spesifik penumbukan dari bola dapat dituliskan sebagai berikut,
 = n i i s v m K 2 2 , (3)
dimana m adalah massa bola baja dan v i adalah kecepatan bola baja ke- i , dan n adalah banyaknya bola baja [2]. Jika ada n bola baja dengan massa dan kecepatan bola baja yang sama maka persamaan 3 dapat dituliskan,
2 2 v m n K b s = , (4)
Dalam proses penghancuran material, mode gerak yang sangat berguna adalah cataracting . Mode ini sangat  diharapkan karena memberikan impact yang maksimal dibanding mode gerak yang lain.
Dalam kasus material bergerak di dalam silinder yang berputar pada sumbu aksial dikenal suatu  bilangan  yaitu  bilangan  Froude.  Bilangan  Froude  dapat  didefinisikan  sebagai perbandingan antara gaya sentrifugal dengan gaya berat material. Sehingga dapat dituliskan sebagai berikut,
g r F r 2  = , (5)
dimana F r adalah bilangan Froude, ω adalah kecepatan sudut silinder, r adalah jari-jari silinder, dan g adalah percepatan gravitasi [3].
Gambar 3 Mode gerak material dalam silinder [5].
Bentuk bed dalam silinder berputar diketahui dua titik yaitu titik toe dan shoulder . Titik toe adalah titik saat bed menyentuh dinding setelah jatuh dari titik  tertinggi.  Sedangkan titik shoulder adalah titik tertinggi  bed di dalam silinder saat mulai terlepas dari dinding. Titik toe dan shoulder dipandang dari garis vertikal (0 o ) [4].
Titik toe dan shoulder timbul akibat pergerakan material. Momen gaya yang dihasilkan oleh bed akibat perpindahan bed dapat dituliskan sebagai berikut,
  sin m r mg = , (6)
dimana r m adalah jarak pusat massa bed terhadap titik pusat silinder, m adalah massa bed,  adalah sudut elevasi dari pusat massa, dan g adalah percepatan gravitasi.
Posisi titik shoulder dipengaruhi oleh kecepatan sudut dari silinder. Jika kecepatan silinder semakin besar  maka  posisi  titik shoulder semakin  tinggi.  Tetapi  jika  kecepatan sudut dinaikkan terus menerus maka akan terbentuk kecepatan kritis. Kecepatan kritis ini sangat dihindari  saat  melakukan proses  penghancuran material.  Kecepatan  kritis  merupakan kecepatan dimana material bed dan bola baja menempel pada dinding silinder atau dapat dikatakan bahwa tidak terjadi proses penghancuran material. Secara umum kecepatan kritis dari silinder dapat dituliskan sebagai berikut [1],
d D c − = 3 , 42  , (7)
dimana D adalah diameter silinder dan d adalah diameter bola baja. Angka 42,3 merupakan konstanta pembanding. Secara  umum  proses  penghancuran material  di  dalam  silinder menggunakan  kecepatan  65-82%  dari  kecepatan  kritis,  kadangkala  ada  juga  yang menggunakan kecepatan 90% dari kecepatan kritis [6].
Eksperimen  dilakukan dengan  skala  laboratorium. Diameter  bola  baja  yang  digunakan adalah 6,35 mm.  Sedangkan diameter silinder  dalam eksperimen adalah 40  cm. Dalam penelitian ini material yang digunakan sebagai sampel adalah bahan baku semen. Sampel tersebut berbentuk butiran dengan ukuran tidak kurang dari 0,75 mm. Sebelum dihancurkan, sampel  dikeringkan  terlebih  dahulu.  Pengeringan  butiran  dimaksudkan agar  tidak  ada material  halus yang menempel pada bola  baja dan dinding  silinder. Butiran yang  telah dihancurkan selanjutnya diayak menggunakan ayakan ukuran 24 mesh.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil eksperimen diperoleh dengan memvariasikan massa bola baja, kecepatan sudut, dan waktu. Dalam percobaan ini  massa material yang  dimasukkan ke dalam silinder  dibuat konstan yaitu 100 gram. Setelah dilakukan variasi massa bola baja, diperoleh hasil seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4 menunjukkan jumlah material yang lolos ayakan. Dari data tersebut diketahui bahwa nilai maksimum tingkat kelolosan diperoleh saat massa bola baja 500 gram. Nilai maksimum  kelolosan  material  adalah  80%.  Nilai  ini  menunjukkan  bahwa  proses penumbukan bola baja terhadap material sangat besar dibandingkan dengan massa bola baja lainnya. Hal  itu  ditunjukkan saat  massa bola  baja  ditamb ah terus  diperoleh hasil  yang menurun. Hingga saat massa bola baja 1750 gram, material yang lolos menjadi 67%. Hal ini menunjukkan adanya anomali pada proses penghancuran material.
Ada beberapa faktor yang memungkinkan timbulnya anomali diantaranya mode gerak yang dihasilkan dan munculnya hambatan dari bola baja itu sendiri. Semakin besar massa bola baja  yang  diumpan ke  dalam  silinder,  mode gerak  yang  timbul  sebagian besar  adalah cascading . Pada mode gerak  ini  proses penumbukan bola baja terhadap material kecil. Sehingga material yang lolos ayakan sedikit. Hambatan yang dimaksud disini yaitu saat bola baja menumbuk material terhalangi oleh  bola baja  yang lain  atau  bola baja melakukan tumbukan terhadap bola baja  yang lain.  Sehingga  tumbukan bola baja dengan material menjadi kecil. Karena tumbukan terhadap material kecil maka material yang hancur juga semakin sedikit.

## Gambar 4 Variasi massa bola baja vs material yang lolos 24 mesh
Sehingga pada variasi massa bola baja dapat disimpulkan bahwa nilai maksimum diperoleh pada variasi bola baja 500 gram. Hal ini  dikarenakan jumlah tumbukan antara bola baja dengan material sangat besar saat massa bola baja 500 gram.
Percobaan selanjutnya adalah variasi kecepatan sudut dari silinder. Dalam percobaan ini massa bola baja dibuat konstan yaitu 500 gram dan massa material dibuat konstan yaitu 100 gram. Massa bola baja dibuat konstan 500 gram karena pada perlakuan pertama diperoleh bahwa  pada massa  bola  baja  tersebut  nilai  kelolosan material  maksimum. Plot  antara persentase material  yang  lolos  ayakan 24  mesh  terhadap kecepatan sudut  dari  silinder ditunjukkan pada Gambar 5.
45 80 67 40 50 60 70 80 90 50 550 1050 1550 2050 lol os ( % ) massa bola baja (gram)
Gambar 5 Variasi kecepatan sudut vs material yang lolos 24 mesh
Gambar 5 menunjukkan bahwa nilai kelolosan maksimum diperoleh saat kecepatan silinder 9 rad/detik. Nilai maksimum yang diperoleh adalah 78%. Saat kecepatan silinder diperbesar hingga 84,78 rad/detik tingkat kelolosan material turun menjadi 15%. Penurunan nilai ini dikarenakan semakin besar kecepatan silinder maka semakin mendekati kecepatan kritis. Saat bola baja mendekati kecepatan kritis maka semakin banyak bola baja dan material yang menempel pada dinding sehingga tidak menimbulkan tumbukan.
Saat  silinder diputar  dengan kecepatan 94,2 rad/detik, baik material  maupun bola baja menempel pada dinding silinder. Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan kritis dari silinder adalah 94,2  rad/detik. Kecepatan kritis  silinder  mengakibatkan tidak  adanya tumbukan antara bola baja dengan material. Sehingga mengakibatkan tidak ada material yang lolos dari ayakan 24 mesh.

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat diketahui beberapa faktor yang berpengaruh terhadap proses penghancuran material antara lain  massa bola baja yang diumpan ke dalam silinder dan kecepatan silinder. Nilai maksimum kelolosan material dari ayakan 24 mesh diperoleh untuk massa bola baja 500 gram.  Sedangkan pada variasi kecepatan silinder, nilai  ma ksimum kelolosan material diperoleh pada kecepatan 56,52 rad/detik.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Saya ucapkan terimakasih kepada LP2M Universitas Jember yang telah memberikan dana DIPA PNBP tahun 2018 melalui program hibah penelitian yaitu Penelitian Dosen Pemula.

## DAFTAR PUSTAKA
[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] 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. Chineese Physics B , 21 (7), 078201.
78 15 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 lo lo s ( % ) kecepatan sudut (rad/detik)
[3] 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.
[4] Lameck,  N.  N.  S.  (2006). Effects  of  grinding  media  shapes  on  ball  mill performance (Doctoral dissertation).
[5] 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.
[6] King,  R.  P.  (2012). Modeling  and  simulation  of  mineral  processing  systems . Elsevier.