## STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SEKAT PADA TUTUP DAPUR PELEBURAN CRUCIBLE NON FERROUS METAL TERHADAP TEMPERATUR RUANG BAKAR KAPASITAS 3 KG BERBAHAN BAKAR LPG
Chandro H. Butarbutar 1 *, Mahadi 2 , Indra 3 , Syahrul Abda 4 1,2,3,4 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara candro.butarbutar@gmail.com

## Abstrak
Industri  pengecoran  sangat  dibutuhkan  dalam  pengembangan  suatu  produk,baik  permesinan maupun  produk  rumah  tangga.Dapur  peleburan  logam  merupakan  suatu  alat  yang  penting  dalam menghasilkan  suatu  produk.Beberapa  dapur  peleburan  telah  dikembangkan  oleh  para  peneliti sebelumnya.Dalam  penelitian  ini  dilakukan  perancangan  dapur  peleburan crucible  nonferrous metal kapasitas  3  kg  berbahan  bakar  gas LPG dengan  penambahan  sekat  pada  tutup.Tujuan penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  pengaruh  penambahan  sekat  pada  tutup  terhadap  kalor yang  dibutuhkan  untuk  meleburkan  logam nonferrous metal  dan  konsumsi  bahan  bakar  yang digunakan.Metode  penelitian adalah  perancangan  ,pembuatan  dan  pengujian.Pengujian  dilakukan dengan  cara  meleburkan  1  kg  aluminium  didapur  lebur  tanpa  dan  memakai  sekat  dengan menggunakan  bahan  bakar LPG yang  dibantu  udara  dari  blower  dan  dilakukan  dilaboratorium Foundry  Teknik  Mesin  USU.Hasil  penelitian  adalah  kalor  yang  diserap  pada  dapur  peleburan memakai sekat penutup sebesar 20.051,608 kj dengan laju kalor yang terbuang sebesar 3.735,929 kj/jam dan banyaknya bahan bakar yang dihabiskan 0,42 kg dengan waktu peleburan 18 menit.Dan untuk dapur peleburan yang tidak memakai sekat  kalor yang diserap sebesar 31.912,738 kj dengan laju kalor yang terbuang sebesar 6.624,29 kj/jam dan banyaknya bahan bakar yang dihabiskan 0,68 kgdengan waktu peleburan 25 menit.
Kata kunci : Dapur peleburan, Logam nonferrous ,Bahan bakar LPG , Kalor

## 1. Pendahuluan
Pada  proses  pengecoran,  aluminium  harus  dipanaskan  sampai  lebur  selanjutnya dituang ke dalam cetakan. Proses pemanasan dan peleburan logam dilakukan pada dapur (furnance).  Dapur  peleburan  logam  berbagai macam jenisnya  baik  bentuk maupun  jenis bahan bakar yang digunakan[1].
Beberapa  dapur  peleburan  logam  berbahan  bakar  gas  LPG  telah  dikembangkan oleh para peneliti sebelumnya. Sebuah dapur crucible berbahan bakar gas untuk peluburan aluminium scrap telah dirancang dan difabrikasi oleh Esor. Model dapur dirancang sesuai
untuk  kebutuhan  laboratorium  dan  workshop.  Hasil  uji  coba  menunjukkan  bahwa  dapur yang  dirancang  dapat  meleburkan aluminium  scrap  sebanyak  5kg  pada temperatur  660  C selama 300 detik [2].
Dengan adanya perencanaan pemakaian bahan bakar,dan pemilihan bahan dapur yang tepat serta  pemakaian  penyekat  panas  maka  efisiensi  dan  keselamatan  kerja  dapat  ditingkatkan [3].
Penelitian ini merancang sebuah dapur pengecoran logam berbahan bakar gas LPG dengan dilakukan desain pada tutup dapur untuk mempersempit ruang bakar yang bertujuan untuk mengurangi panas yang terbuang pada dapur lebur.

## 2. Metode penelitian
Penelitian  dilakuakan  di  Laboratorium  Foundry  Teknik  Mesin  Universitas Sumatera Utara tepat di Jl. Dr. T. Mansur No. 9, Padang Bulan, Medan, Sumatera Utara, Indonesia.
Perencanaan Dapur

## 1.Konstruksi dapur pelebur
Dapur crucible ini memakai bahan bakar Gas LPG yang memanasi sebuah cawan lebur  yang  terletak  di  tengah-tengah  sebuah  silinder  baja  yang  dilapisi  dengan  semen tahan api, dimana antara cawan lebur dan semen tahan api tersebut terdapat ruang bakar. Dapur  Pelebur  atau  Crucible  ini  dirancang  dengan  menambahkan  sekat  penutup  pada dapur  lebur.Penambahan  sekat  untuk  memperkecil  luas  ruang  bakar.Agar  suhu  diruang bakar  mengalami  kenaikan  yang  cepat,sehingga  mempercepat  proses  peleburan  logam nonferrous.Sekat penutup yang dirancang dilapisi dengan semen tahan api.
Gambar 2.1 Konstruksi Dapur peleburan
2) Cawan lebur
1
Cawan lebur ini mempunyai ukuran-ukuran sebagai berikut :
-Diameter luar : 110 mm
-Tebal       : 3 mm -Tinggi      : 110 mm
Cawan lebur yang dipergunakan adalah silinder baja yang terbuat dari  baja paduan yang pembuatannya melalui  proses  pengolahan  panas  dengan  berbentuk  lembaran  kandungan karbon rendah. Dapat diketahui temperatur cair dari bahan cawan lebur yaitu baja karbon rendah berkisar 1538  C dengan batas temperatur kerja atau sudah mengalami perubahan rekristalisasi  pada  suhu  810  C.  Sedangkan  dapur  ini  hanya  bekerja  pada  temperatur maksimum 750  C dan masih berada di bawah batas temperatur kerja dari baja karbon ini.

## Kapasitas Cawan Lebur
Kapasitas maksimum logam aluminium yang dapat ditampung pada cawan lebur adalah  :
wmax = Vc.  al
Dimana :  al = berat jenis aluminium = 2707 kg/m3
Vc  = volume cawan  =  .r 2 .t dimana : Dc = diameter alas cawan = 0,11 m tc = tinggi cawan  maksimum untuk peleburan  = 0,11 m maka : wmax  =  .0,055 2 .0,11.2700 = 2,82 kg kapasitas maksimum dari cawan lebur adalah 2,82 kg
Berat cawan lebur adalah : W 1 =  . . D c . x 1 . t / 4. . D c 2 . x 1
Dimana : Dc = diameter luar cawan yaitu 0,11 m
= 7801 kg/m 3 t   = 0,11 m x 1 = 0,003 m maka berat cawan lebur adalah :
W .7801.0,11.0,11.0,003 / 4.7801.0,11 2 .0,003
1,11 kg

## 3) Ruang Bakar
Ukuran dari ruang bakar dapur lebur (1) ditentukan dari : 1.Lebar = 2.1/3. diameter cawan lebur + diameter cawan + 20 = 2.1/3 . 120 + 120 +20 = 220 mm
2.Tinggi = tinggi cawan lebur + 30
= 140 mm
3.Volume ruang bakar = Volume π d2 t – volume cawan lebur
= π (0,22)2 0,14 – π (0,11)2 0,11  = 0,017 m3
Ukuran dari ruang bakar dapur lebur (2) ditentukan dari : 1.Lebar = 2.1/3. diameter cawan lebur + diameter    cawan + 20 = 2.1/3 . 120 + 120 +20 = 220 mm 2.Tinggi = tinggi cawan lebur + 30 + 150
= 290 mm
3.Volume ruang bakar = Volume π d2 t – volume cawan lebur
= π (0,22)2 0,29 – π (0,11)2 0,11 = 0,039 m3

## 4)Semen tahan api
Semen tahan api yang digunakan adalah semen tahan api C 16
W 2 = (  r a 2 .t a – v rb )  semen + (  r a 2 .t b )  semen + (  r c 2 .t c -  r b 2 .t c )  semen
Dimana :
W 2 = berat semen tahan api
r a = jari-jari luar semen tahan api = 500 mm v rb = volume ruang bakar = 0,017 m 3
 semen = massa jenis semen tahan api(C 16 ) = 2200 kg/m 3
t a = tinggi ruang bakar = 140 mm
t b = tinggi alas = 56 mm
t c = tinggi tutup = 200 mm
r b = jari-jari dalam lubang pada tutup = 110  mm r c = jari-jari luar lubang pada tutup = 220 mm
W 2 = (  .0,5 2 . 0.14 – 0,017) 2200 + (  .0,5 2 .0,056)2200 + (  .0,2 2 .0,2-
 .0.11 2 .0,22)2200 =  337,986 kg
5)Dinding luar
Dinding  luar  yang  dipakai  terbuat  dari  baja  karbon  dengan  pengerjaan tempa.  Ketebalan  dinding  adalah  3  mm.  Plat  baja  karbon  dirol  untuk  membentuknya menjadi  silinder  dengan  diameter  500  mm.  Untuk  dinding  penahan  bagian  bawah
dipasang  juga baja  ketebalan 3 mm.
Berat dinding luar adalah :
W 3 = berat dinding samping + berat dinding atas dan bawah
W 3 . Dd . t . x d1 . 2 . / 4. D d 2 . x d2 .
Dimana :
D d = diameter dinding luar yaitu 0,5 m t      = tinggi dinding = 0,396 m x d1 = tebal dinding samping = 0,003 m x d2 = tebal dinding bawah dan atas  = 0,003 ρ     = berat jenis dinding = 7833 kg / m 3
Maka
W=  .0,5.0,8.0,003.7833 + 2.  /4.(0,5) 2 .0,003.7833   = 47,93 kg
Gambar 2.2. Dimensi dapur lebur yang memakai sekat
Gambar 2.3 Dimensi dapur lebur tanpa sekat

## 6)Proses pembuatan dapur lebur
Proses  fabrikasi  dapur  peleburan  dilakukan  di  Laboratorium  Foundry  Teknik Mesin Unversitas Sumatera Utara selama kurang lebih 1  bulan. Adapun proses fabrikasi
terdiri  atas  :  proses  pembuatan  tutup,  proses  pembuatan  dinding  semen,  dan  proses pemilihan burner.
Gambar 2.4 Proses pembuatan tutup
Tutup  tungku  dibuat  dari  bahan  besi  dengan  ketebalan  3mm  dan  diameter 500mm.  Pada  tutup  tungku  ditambahkan  sekat  untuk  menambah  efisiensi  dari  dapur peleburan.  Tutup  tungku  juga  dilapisi  semen  refractory  SCR-16  setebal  50mm.  Untuk memperkuat  lapisan  pada  tutup  tungku  dilas  beberapa  besi  kecil  (angker)  untuk memperkuat lapisan semen.
Gambar 2.5Proses pembuatan dinding
Untuk  pembuatan  dinding  tungku,  bahan  yang  digunakan  adalah  SCR-16  dengan ketebalan  140mm.  Sebelum  penuangan  semen  ,  terlbih  dahulu  dilas  beberapa  angker untuk memperkuat dinding semen.
Gambar 2.5 Instalasi burner dan pengujian
Setelah  tutup  dan  dinding  selesai  kemudian  dilakukan  pemilihan  burner  yang  sesuai
dengan  tungku.  Burner  dan  blower  dimasukkan  melalui  saluran  yang  telah  disediakan untuk  segera  dilakukan  pengujian  temperatur.  Hasil  pengujian  dibaca  pada  komputer melalui data akuisisi dan kabel termokopel
3. Hasil dan pembahasan

## 3.1 Hasil pengujian
Setelah dilakukan pengujian waktu untuk meleburkan 1kg aluminium pada dapur 1 atau  yang memakai sekat adalah 18 menit.Dan pada dapur 2 atau yang tidak memakai sekat  adalah  25  menit.Pengujian  dilakukan  dengan  mengukur  suhu  Cawan  lebur,ruang bakar,dinding dalam, dan dinding luar menggunakan kabel thermokopel.Suhu diukur dari mulai  gas  dinyalakan  sampai  aluminium  melebur.  Berikut  data  dalam  bentuk  tabel  dan diagram  perbandingan  pengukuran  suhu  cawan,ruang  bakar,dinding  dalam  dan  dinding luar pada dapur lebur yang memiliki sekat dan yang tidak memiliki sekat.
Gambar 3.1 Letak titik pengujian
Tabel 3.1 Suhu pengujian
Letak pengujian
Suhu akhir peleburan(  C) Dapur lebur yang memakai sekat(18 menit) Dapur yang tidak memakai sekat (25 menit) Dinding cawan 630 630 Ruang bakar 826 812 Dinding dalam dapur 490 498 Dinding Luar Dapur 54 53 3.2 Perhitungan pemakaian bahan bakar
1)pemakaian bahan bakar dapur yang memakai sekat
a.) Kalor untuk melebur alumunium (Q1)
Q 1 = QA + QB + QC
= mal . Cp 1 .  t 1 + mal . h + mal . Cp 2 .  t 2
Dimana : m al = Massa aluminium yang akan dilebur = 1 kg
Cp 1 = Panas jenis aluminium padat [10] = 0,215 kkal/kg 0 C
Δt 1 = Perbedaan suhu dari titik cair aluminium dengan suhu kamar = (660 - 27) 0 C = 633 0 C h = Panas latent Aluminium [10] = 95 kkal / kg
Cp 2 = Panas jenis aluminium cair [10]
= 0,26 kkal/kg 0 C
Δt 2 = Perubahan suhu dari temperatur penuangan ke titik cair= (750-660) 0 C = 90 0 C Maka  kalor  untuk  melebur  Aluminium  sebesar  :Q 1 =  (1×0,215×633)  +  (1×95)  + (1×0,26×90)  = 254,495 kkal = 1.064,8 kj
b) Kalor yang diserap dinding dalam (Q2)
Q 2 =m b . Cp 3 .dt
Dimana : m b = Massa dinding dalam yang menerima panas
Berat semen yang menerima panas adalah : m = ¼ . π . (D1 b 2 – D 2b 2 ) . t b . p dimana :
D 1b = diameter luar semen = 0,5 m
D 2b = diameter dalam semen = 0,22 m t b = tinggi semen yang menerima panas = 0,14 m ρ   = berat jenis semen tahan api c16 = 2200 kg / m 3
Maka : m= ¼ . π . (0,5 2 – 0,22 2 ) . 0,14. 2200              = 48,74 kg
Sehingga didapat: m  =  48,74 kg
Cp 3 = Panas Jenis semen tahan api = 0,23 (kkal/kg o C)
Dt    =    Perubahan  suhu  di  semen  tahan  api  Suhu  rata-rata  semen  tahan  api  bagian  luar adalah (27+45)/2 = 36 o C
Suhu rata-rata semen bagian dalam
= 490 o C.
Maka suhu rata-rata semen = (490+36)/2 = 263  C
Dengan demikian perubahan suhu (dt) = 263 0 C -27 0 C = 236 0 C.
Sehingga banyak panas yang diserap semen adalah : Q 2 =  48,74.0,23.236 = 2.645,6 kkal = 11.069,19 kj c.) Kalor yang Diserap Dinding Plat Luar (Q 3 )
Besarnya kalor yang diserap dinding plat luar ini adalah :
Q 3 = m p1 . Cp 4 . dt
Dimana : m p1 = massa plat luar
Cp 4 = panas jenis plat luar [10]
= 0,46 kkal / kg 0 C dt    = perubahan suhu plat Massa plat yang mengalami perubahan suhu adalah : m pl = π . D p . t p . x p . ρ Dimana :
D p = diameter plat luar = 0,506 m
t p = tinggi plat yang mengalami perubahan suhu  = 0,396 m x p = ketebalan dinding plat = 0,003 m ρ  = berat jenis dinding plat = 7833/m 3
Maka :
m = π . 0,506. 0,396 . 0,003 . 7833
= 14,78 Kg
Suhu  pada  plat  yang  tertinggi  adalah  54 0 C,  dan  suhu  pada  titik  0,396  m  adalah 27 0 C.
Maka suhu rata-rata yang dialami dinding plat ini adalah : (54 + 27) / 2 = 40,5 o C
Maka perubahan suhu (d 1 ) yang terjadi adalah 40,5-27 = 13,5  C
Maka :
Q 3 = 14,78 kg . 13,5 0 C . 0,46 kkal / kg 0 C = 91,78 kkal = 384,007 kj d.) Panas yang Diserap Cawan Lebur (Q 4 )
Cawan lebur adalah bagian yang paling besar mengalami perubahan suhu.
Besarnya kalor yang diserap cawan lebur ini adalah :
Q 4 = m cl . Cp 5 . dt
Dimana : m cl = massa cawan lebur = 1,11 kg
Cp 5 = panas jenis cawan lebur [4]
= 0,169 kkal/kg o C dt = perubahan suhu   = (t t – t 0 ) dimana :
t t = suhu akhir cawan lebur = 630  C t 0 = suhu awal cawan lebur = 34  C dt = 630-34 = 596  C
Maka :
Q 4 = 1,11 kg . 0,169 kkal / kg 0 C .596 0 C =111,803 kkal = 467,7 kj e.) Panas yang Diserap Plat Atas (Q 5 )
Kalor yang diserap plat atas ini dapat dicari dengan rumus :
Q 5 = m pl .C P6 .dt
Dimana  :
m pl = 1 / 4 .  . (D luar 2 -D dalam 2 ).t. ρ
= 1 / 4 . 3,14 .(0,22 2 – 0,11 2 ). 0,003 . 2200 m = 12,53 kg
C p6 = Panas jenis plat atas = 0,46 (kkal/kg  C)
Plat akan mengalami perubahan suhu dari 27 0 C sampai ke 320 0 C. Maka besarnya perubahan suhu yang terjadi adalah dt = 320 – 27 = 293 0 C
Dengan demikian :
Q 5 = 12,53 kg . 0,46 kkal/kg 0 C . 293 0 C = 1.688,79 kkal = 7.065,911 kj Maka kalor total (Q tot ) = 20.051,608 kj
Setelah dilakukan perhiungan banyaknya laju aliran kalor yang terbuang dalam proses peleburan ini adalah :
q tot = q 1 + q 2 + q 3 = (2.052,41 + 1.330,39 + 353,129)kJ/jam = 3.735,929 kj/jam
Setelah  dilakukan  pengujian  waktu  yang  dibutuhkan  untuk  meleburkan  1  kg aluminium padat menjadi cair adalah 18 menit.
Dengan  demikian  didapatnya  waktu  peleburan  maka  banyaknya  kalor  yang terbuang selama proses peleburan dapat diperoleh dengan :
Q t2 = q t . t   = 3.735,929 kJ/jam ×0,3 jam = 1.120,77 kJ
Bahan  bakar  yang  dipakai  dalam  proses  peleburan  ini  adalah  gas  LPG.  Bahan bakar  ini  termasuk  bahan  bakar  gas  yang  mempunyai  nilai  pembakaran  tinggi  (HHV) yaitu 50400 kj/kg.
Maka  jumlah  bahan  bakar  yang  dibutuhkan  adalah  perbandingan  dari  jumlah kalor  yang  terserap  dan  jumlah  keseluruhan  laju  aliran  kalor  dengan  jumlah  kandungan energi per massa bahan bakar (HHV) yaitu :
m bb = Q t1 + Q t2 HHV
m bb =20.051,608 kj + 1.120,77 kJ 50400 kJ/kg
mbb  =  0,42  kg          Maka  kebutuhan  bahan  bakar  untuk  melebur  satu  kilogram aluminium pada dapur lebur yang memakai sekat adalah sebesar 0,42 kg

## 2)Pemakaian bahan bakar dapur tanpa sekat
Setelah dilakukan pengujian pada dapur lebur tanpa sekat,untuk meleburkan 1 kg aluminium dibutuhkan waktu 25 menit.
Karena  tidak  adanya  sekat,kalor  yang  diserap  (Q 2 ’) dan  kalor  yang  terbuang  (q 1 ’)  oleh dinding dalam mengalami perubahan.
Perubahan  ini  terjadi  karena  bertambahnya  dimensi  dari  tinggi  dinding  dalam  yang menerima panas.Maka :
Q 2 ’ = 22.930,32 kj
Dan     . q 1 ’ = 4.941,11 kj/jam.
Sehingga  didapat  total  kalor  yang  diserap  (Q t1 ’)  =  31.912,738  kj  dan  q t ’  = 6.624,29.
Dengan demikian banyaknya kalor yang terbuang selama peleburan (Q t2 ’) Q t2 ’ =  6.624,29 . 25/60
= 2.760,12 kj
Maka  jumlah  bahan  bakar  yang  dibutuhkan  untuk  meleburkan  aluminium  1  kg  pada dapur lebur tanpa sekat (m bb ’)
m bb ’= Q t1 ’ + Q t2 ’ HHV =  31.912,738 + 2.760,12 50.400 = 0,68 kg

## 4 Kesimpulan
1. Jenis dapur yang digunakan adalah dapur pelebur jenis krusibel dengan sumber api yang berasal dari GAS LPG
2. Kapasitas peleburan adalah 2,82 kg
3. Cawan lebur
− Tinggi cawan : 110 mm
− Diameter cawan : 110 mm
− Tebal cawan : 3 mm
4. Jenis semen tahan api yang digunakan adalah semen tahan api C 16
5. Pebandingan dapur lebur memakai sekat dan tanpa sekat penutup

## Referensi
[1]            Groover,  M.  P.,  2010,  Fundamentals  of  Modern  Manufacturing:Materials, Processes,  and      systems,  4 th edition,  John  Wiley  &  Sons,Inc.,  New  York,
United States.
[2]        Faisal,  Muhammad  yusuf,  Rancang  Bangun  Dapur  Peleburan  Logam  Nonferrous berbahan  bakar  Gas  Sebagai  Sarana  Pembelajaran  di  Laboratorium  Teknik Manufaktur,Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2016, 2016
Dapur lebur memakai sekat penutup Dapur Lebur tanpa sekat penutup Waktu pengujian untuk meleburkan 1 kg aluminium 18 menit 25 menit Bahan bakar yang digunakan 0,42 kg 0,68 kg Jumlah panas yang diserap 20.051,608 kj 31.912,738 kj Jumlah laju aliran panas yang terbuang 3.735,929 kj/jam 6.624,29 kj/jm
[3]        Ginting,  Bramanta.,  2008,  Rancangan  Dapur  Pelebur  Untuk  Melebur  Aluminium
Dan Paduannya Kapasitas 30kg ,USU Repository.