Budi Sulistyo, dkk.

ISSN 0216 - 3128

149

RANCANG BANGUN DAN UJI FUNGSI PENGGERAK ELEKTRODA PEMANAS BUSUR LISTRIK PADA PEMBUATAN ZIRKON KARBIDA Budi Sulistyo, Tundjung Indrati Yulianti Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN

ABSTRAK RANCANG BANGUN DAN UJI FUNGSI PENGGERAK ELEKTRODA PEMANAS BUSUR LISTRIK PADA PEMBUATAN ZIRKON KARBIDA. Telah dilakukan rancang bangun alat penggerak elektrode pada pemanas busur listrik yang dapat beroperasi sampai mencapai suhu 2000 oC. Sistem pemanas meggunakan elektrode grafit dengan diameter 6 mm, dengan arus listrik sebesar 80 amper, dan tegangan 25 volt. Sebagai bahan tempat sampel atau umpan dibuat dari grafit. Supaya terjadi busur listrik jarak elektrode dari tempat sampel jaraknya 3 mm. Selama proses pemanasan elektrode selalu berkurang sebesar 1 mm/menit. Alat ini dirancang untuk menggerakan elektrode, ke atas atau ke bawah dengan kecepatan 1 mm/menit. Motor listrik jenis AC sebagai penggeraknya dengan kekuatan 150 watt, dan menggunakan trasmisi berbentuk ulir.

ABSTRACT DESIGN AND TRIAL RUN OF THE ELECTRODE ACTIVATOR FOR AN ELECTRIC ARC HEATER AT THE MAKING OF ZIRCON CARBIDE. The design of the electretrode activator for an electric arc heater operating up to the temperature of 2000 oC has been performed. The heater system uses graphite electrode with the 6 mm for its diameter, 80 amperes for its electric current, 25 volt for its voltage. The distance of electrode and sample is 3 mm for geiting electric bow made by. Was made by graffite. The sampling port was made of graphite. The distance of the electrode from the sampling port is 3 mm in order the electric arc occurs as the heating proceeder, the electrode always decrases as 1 mm/menite. This device was designed for driving the electrode up and down with the minimum speed of 1mm/minute. The electromotor of AC type as its activator with the power of 150 watts, and if used thread trasmision.

PENDAHULUAN

P

erlunya di sediakan alat pemanas untuk menunjang penelitian di bidang proses. Tungku pemanas suhu tinggi di atas 1800 oC, belum ada yang dapat digunakan. Alat tersebut sangat diperlukan untuk proses pembuatan bahan dukung. Untuk pengadaan alat yang baru sangat tidak mungkin karena anggaran yang terbatas dan harganya sangat mahal, mengingat keadaan tersebut maka perlu dibuat atau dirancang bangun alat tersebut yang akan diperlukan untuk penelitian. Alat pemanas system busur listrik., diharapkan sangat aplikatif untuk membuat pemanas pasir zirkon sehingga dihasilkan zirkon karbida. Pemanasan busur listrik terdiri dari tiga bagian, yaitu : trafo pembangkit listrik, elektrode, dan krus tempat pemanas. a.

Trafo pembangkit listrik, mempunyai kapasitas 3400 watt, dengan tegangan 28 volt, dan arus

b. c.

listrik sebesar 80 amper dengan arus bolak balik. Elektrode untuk mengubah arus listrik menjadi tenaga panas mempunyai ukuran panjang 30 cm dan diameter 6 mm, terbuat dari karbon. Krus sebagai kutup negatif dan sekaligus tempat pemanas, terbuat dari graft, di tempatkan sedemikian rupa dan di isolasi dengan batu tahan api setebal 5 – 7 cm supaya kedap udara.

Ukuran alat ini tergantung dari besar kecilnya transfomator, sebagai sumber listrik. Prinsip kerja alat ini adalah apabila kedua kutup ini didekatkan pada jarak tertentu terjadi loncatan listrik yang dikenal dengan busur listrik, busur listrik ini yang dimanfaatkan sebagai sumber pemanas, jarak busur listrik ini dipertahankan jangan sampai sambung dengan kedua kutub tersebut dan jangan sampai terlalu jauh karena busur listrik akan hilang. Jauh dekatnya busur

Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

150

Budi Sulistyo, dkk.

ISSN 0216 - 3128

listrik ini tergantung dari besar kecilny tegangan listrik yang berasal dari sumber listrik. Luas dan tebal isolator tergantung dari arus listrik yang diberikan oleh trafo. Karena setiap saat elektrode mengeluarkan busur listrik ada sebagian dari elektrodenya terkikis (termakan), sehingga akan mempengaruhi jarak dari kutup positif dan negatif, makin lama jaraknya akan semakin jauh yang berakhir busur listrinya mati. Pada perancangan ini yang dititik beratkan supaya busur listrik yang terbentuk dapat stabil, karena jarak yang tetap. Pada alat ini dibuat tempat yang bisa memegang elektrode dan digerakkan turun pada yarak yang tepat dan tetap. Sebagai penggerak digunakan motor listrik. Elektrode yang digerakkan, kutup negatipnya sedangkan posisinya tetap. Telah direkayasa dan dibuat suatu peralatan untuk proses pemanasan suhu tinggi dengan tungku busur listrik, dengan menggunakan elektroda grafit sebagai elektroda pemanas untuk menimbulkan busur. Proses sebelumnya elektrode masih digerakkan secara manual/dengan gerakan tangan, dan telah diuji cara untuk proses produksi dalam skala laboratorium yang hasilnya masih perlu untuk penyempurnaan alat. Dengan perancangan ini diharapkan mengganti gerakan manual menjadi gerakan mekanik, sehingga busur listrik yang ditimbulkan akan lebih stabil, dan diperoleh suhu pemanasan yang lebih baik.

elektroda yang tetap. Adanya gerakan tetap diharapkan tidak terjadi pemutusan busur listrik, yang dapat menggangu proses pemanasan. Pada proses pemanasan menggunakan busur listrik, busur yang terbentuk harus tetap artinya tidak terhenti nyalanya. Sehingga diperlukan sistem penggerak elektroda grafit dengan menggunakan motor listrik, dengan kecepatan tetap, sehingga terbentuknya busur selama proses berjalan tetap nyala. A.1. Perhitungan berat pemegang elektrode : Bila obyek dengan berat W (kg) diangkat melawan gravitasi untuk l meter (m) pada kecepatan konstan, mengambil waktu t sekon (s), kakas F dan daya diperlukan P adalah sebagai berikut : F = Wl (kg.m) P = Wl/t (kg.m/s) Karena l/t adalah kecepatan v (m/s), jadi P = Wv (kg.m/s)

(1)

(2)

Apabila satuan gravitasi dinyatakan dalam kg.m diubah dalam nilai MKS, maka 1 (kg-m) = g (J) = 9,8 (J) (joule) 1 (kg.m/s) = 9,8 (J/s) = 9,8 (W) Akibatnya, persamaan (2) dapat diubah ke dalam unit MKS sebagai berikut P = 9,8 Wv (W) (3) Lebih lanjut, karena P adalah daya yang diperlukan untuk kerja, bila efisiensi mekanis tidak terhitung efisiensi motor adalah η (%), keluaran Pm motor adalah sebagai berikut :

TATA KERJA Alat Yang Digunakan Motor listrik AC dengan tegangan 170 Volt, kecepatan putar 70 rpm, tempat pegangan electrode dan sekaligus tempat motor listrik, tiang sebagai kedudukan pemegang elektrode, yang didalamnya dan peralatan pendukung yaitu dua roda gigi, sebagai reduser kecepatan dan roda gigi ulir sebagai transmisi. Tombol ON dan OFF, dan tombol untuk ke atas dan ke bawah, kontaktor, trasfomator tegangan dengan kapasitas 500 watt.

HASIL DAN PEMBAHASAN a. Perancangan Alat Pada perancangan ini, adalah melengkapi peralatan sebagai tahap untuk penyempurnaan sistem penggerak elektroda grafit, yang dapat diusahakan dengan gerakan manual/penggerak dengan tangan, diganti dengan gerakan mekanik motor listrik, agar didapatkan kecepatan gerakan

Pm = 9,8Wvx

100 100 (W) = 9,8Wvx10-3x (kW) (4) η η

Akan tetapi, untuk menentukan keluaran motor sebenarnya, perlu untuk diperhatikan kakas geser yang berubah-ubah, kopel asut dan tegangan poros, dan faktor keselamatan dari rancangan dan produksinya. 1.

Menentukan arus nominal motor jenis rotor sangkar untuk motor induksi 1 fasa dengan daya (P) sebesar 155 watt.

2.

In =

746.P η .V . cos ϕ

(5)

dengan In adalah arus nominal motor (A), 746 sama dengan 1 HP (watt), P daya motor (kilowatt), η efesiensi motor, V tegangan jalajala (volt), dan cos ϕ faktor kerja. Sehingga dari persamaan 5, In dapat dihitung sebagai berikut :

Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

Budi Sulistyo, dkk.

In = 3.

151

ISSN 0216 - 3128

0,00005 m/detik. η = 85% maka gaya (F) dan Daya (P) yang diperlukan :

746 x0,155 = 1,7 A 0,85 x100 x 0,8

Faktor keamanan 1,1.In = 1,1x 1,7= 1,87 A

A.2. Menentukan Daya yang diperlukan Untuk Pembebanan Konstan

Untuk pengangkatan obyek (ke atas) Beban yang diterima motor adalah beban yang bersifat aksial yaitu beban tekan dan tarik, motor digunakan untuk menaikkan dan menurunkan beban yang beratnya konstan yaitu beban obyek W = 20 kg diangkat melawan gravitasi setinggi 40 cm (0,4 m) dengan kecepatan V = 3 mm/menit atau

F = W.l (kg.m) = 20x0,4 = 8 kg.m (6) P = W.V (kg.m/det) (7) = 20x0,00005 = 0,001 kg.m.det apabila satuan gravitasi dinyatakan dalam kg.m diubah dalam nilai MKS, maka : 1 kg.m = gravitasi (g) J = 9,8 (joule) 1 kg.m/s = 9,8 (J/s) = 9,8 W. Persamaan (7) diubah ke dalam unit MKS, sebagai berikut : P = 9,8 W.V = 9,8x20x0,00005 = 0,0098 kw = 9,8 Watt P adalah daya yang diperlukan untuk kerja, bila η mekanik tidak terhitung η motor adalah η (%). Keluaran Pm motor adalah :

100 100 ( watt ) = 9,8.WV .10 − 3. (kilowatt ) η η 100 ( 9,8 x 20 x 0,005 x10 − 3 x100) = 9,8 x 20 x0,005 x10 − 3 = = 0,115kW 0,85 0.85 Pm = 9,8 WV .

P motor = 0,115 kW, motor yang ada adalah = 155 watt= 0,155 kW Disamping itu faktor yang menghambat gerakan dapat dianalis sebagai berikut : 1. Permukaan kontak antara obyek terjadi gesekan (antara roda gigi dan bantalan) 2. Perbedaan tekanan atmosfer menimbulkan daya penyerapan 3. Daya adhesif terjadi antara obyek 4. Permukaan kontak antara obyek terpengaruh tekanan vertikal karena berat dari benda dan gravitasi bumi (g=9,8 m/s2).

kopel beban penuh =

Tekanan vertikal dinyatakan dengan W satuannya newton, sehingga daya keluaran motor Pm, harus bisa mengatasi keempat point diatas. Hubungan antara perputaran dari kopel, daya dan beban yang diperlukan untuk menjalankan beban pada perputaran yang normal, dan berubahubah disebut karakteristik perputaran kopel dari beban. Bila keluaran normal (kW/Pm) motor dan rpm diketahui atau ada pada name plate, maka besarnya kopel beban penuh (kgm) dapat dihitung dengan persamaan ( 8 ) sebagai berikut :

keluaran nominal (kW) x 974 (kg/m) (8.) putaran beban penuh (ppm)

pada motor penggerak ini, mempunyai kopel beban penuh sebagai berikut :

kopel beban penuh =

A.3. Perancangan Transmisi

Sistem

Mekanik

dan

Sistem penggerak elektroda memerlukan transmisi untuk pemindahan daya dan putaran dari motor listrik. Dalam pemilihan transmisi diperlukan pertimbangan teknik yang memenuhi persyaratan dan efisiensi, diantaranya adalah bahwa jarak antara poros motor dan poros beban cukup dekat, dan

0,115 x 974 = 0,888 kg/m 170 dipasang secara horisontal sejajar, maka dipilih transmissi roda gigi lurus (spur gear), karena transmisi dengan roda gigi mempunyai banyak keuntungan, diantaranya : Bebas slip, dapat digunakan untuk pemindahan daya dari ukuran kecil maupun yang sangat besar yang dapat digunakan pada putaran penggerak maupun beban yang tinggi, sedang ataupun putaran rendah.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

152

ISSN 0216 - 3128

Pada perencanaan ini adalah motor listrik dipasang secara sejajar mendatar dengan poros beban. Jarak antara kedua poros (a) adalah 65 mm, dengan putaran motor penggerak (n1) adalah 170 rpm, koefisien transmisi (i) adalah 2,5, dan modul roda gigi (M) adalah 1,5. Dengan menggunakan persamaan ( 9 ) dan ( 10 ) dapat dihitung sebagai berikut :

Z1 = Z1 = Z2 = Z2 =

2.a (1 + i ).M 2.65 = 24,76 ≈ 24 (1 + 2,5).1,5 2.a.i (1 + i ) M 2.65.2,5 = 61 (dibuat 60) (1 + 2,5).1,5

(9 )

(10)

dari perhitungan di atas didapat bahwa Z1 = 24 dan Z2 = 60. Perbandingan transmisi

i=

Z 2 d 2 n2 60 = = == = 2,5 Z 1 d 1 n1 24

Dalam hal ini Z adalah : jumlah roda gigi. n : kecepatan putar Dengan mengetahui Z1 = 24, Z2 = 60, n1 = 170 rpm, maka nilai n2 dapat dicari dengan persamaan (11)

Z .n n2 = 1 1 Z2 24.170 n2 = = 68 rpm 60 perbandingan transmisi (i) =

(11)

n2 170 = = 2,5 n1 68

Budi Sulistyo, dkk.

kecepatan rata rata (v) penggerak elektroda adalah 3 mm/menit, seperti pada tabel berikut ini. tabel.1. Tabel 1. Hasil pengamatan dari percobaan pendahuluan, data awal pemanasan pasir zirkon, tegangan listrik 25 volt, arus listrik 80 amper. Waktu pemanasan 5 10 15 (menit) Elektroda termakan 15 23 35 (mm) Kecepatan rata-rata elektroda termakan mm/menit.

20 40 = 2,6

Sehingga perlu dibuat perancangan transmisi sebagai berikut :  Putaran motor (n1) = 170 rpm, (n2) = 70 rpm  Jumlah roda gigi (Z1) = 24 buah, jumlah gigi (Z2) = 60 buah  Diameter roda gigi 1 (d 1) = 38 mm, diameter roda gigi 2 (d2) = 90 mm, dan kecepatan penggerak elektroda adalah 3 mm/menit. Jika perbandingan roda gigi cacing dan ulir cacing sebagai roda gigi reduksi (perbandingan poros dan roda gigi) adalah 60 : 1 (artinya 60 putaran ulir merubah posisi mur 4 mm). Jadi 1 putaran roda gigi (Z2)

1 xs 68 1 Z2 = x 4mm = 0,058 68 Z2 =

(12)

perubahan mur pada waktu 1 menit (60 detik) = 0,058x60 = 3,53 mm

Gambar 1. Perbandingan transmisi dan jarak poros dua roda gigi Dari data percobaan awal, sebelum transmisi ini dibuat dan elektroda masih digerakkan dengan tangan. Dari data percobaan peleburan didapatkan

Gambar 2. Sistem mekanik dan transmisi pada peralatan penggerak elektroda

Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

Budi Sulistyo, dkk.

penggerak, sehingga didapatkan parameter yang tepat untuk mencapai hasil yang optimal. Dari data dan pengamatan, bahwa daerah optimal untuk batang penggerak elektroda adalah : pada titik minimal/batas bawah adalah 15 cm dari titik nol. Untuk titik maksimal/batas atas adalah skala penggaris 45 cm. Pada batas atas itu bila motor dipaksa dijalankan melewati garis daerah titik bawah dan titik atas tersebut, maka penyangga dan ulir akan terjadi getaran dan ulir transmisi bergerak turun dengan cepat, yang bisa mengakibatkan patahnya batang elektroda. Hal ini disebabkan karena pada pemasangan ulir transmisi antara pemasangan di atas dan di bawah tidak terpusat (center), sehingga berakibat roda gigi dipaksa mendesak batang yang tidak sejajar dan mengakibatkan motor bekerja lebih berat.

B. Uji Fungsi Dari data pengujian dan didapatkan hasil sebagai berikut : B.1. Pengujian Beban

153

ISSN 0216 - 3128

Penggerak

pengukuran

Elektroda

tanpa

Tabel 2. Data kecepatan rata-rata (vr) penggerak elektroda (turun), pada skala, tegangan 100 V, dengan arus 0,4 A. Waktu Jarak yang Kecepatan (Menit) ditempuh (mm/menit) 1 1 3,5 3,5 2 2 11,75 5,8 3 3 17,5 5,8 4 4 22,8 5,7 5 5 28 5,6 Kecepatan rata-rata = 5,28 mm/menit No.

B.2. Pengujian dengan Sampel Percobaan ini bertujuan untuk mengetahui skala ampere pada trafo agar didapatkan kecepatan yang sesuai, juga arus pada proses pemanasan yang tepat agar dihasilkan berat sampel yang maksimal. Percobaan ini menggunakan umpan seberat 5 gram, yang terdiri dari 75% pasir zirkon dan 25% karbon. Pada percobaan ini menggunakan skala trafo bervariasi yaitu skala 40, skala 50, skala 60, skala 70, skala 80, skala 90, skala 100, dan skala 110.

Pada pengujian ini, elektroda grafit belum dipasang pada batang penggerak. Percobaan ini bertujuan untuk mengetahui kinerja mesin dan kendali motor, serta untuk mengetahui kecepatan batang penggerak elektroda secara naik dan turun, dan melihat arus dan tegangan yang dipakai. Selain itu, juga hal-hal yang terjadi pada batang

Tabel 3. Pengujian kecepatan elektrode termakan (mm/detik), terhadap besar arus yang terpasang No.

Skala pada alat

Arus (Amper)

Tegangan (Volt)

1 2 3 4 5 6 7 8

40 50 60 70 80 90 100 110

80 78 76 74 72 70 69 67

24 24,5 25 25,5 26,0 26,5 27 28

Dari data percobaan (Tabel. 3.) dapat disimpulkan bahwa, pada skala 70 A dan 80 A putaran/kecepatan penggerak elektroda dengan elektroda yang termakan untuk peleburan putarannya bisa mendekati sinkron, sehingga mulai tidak terjadi konduksi, juga dihasilkan pemanasan dan berat sampel yang paling efektif. Tetapi pada skala 90 – 110 A, pada proses pemanasan/peleburan, pada saat pemanasan berlangsung terdapat semburan bunga api yang sangat putih dan kuat yang mendorong sampel

Panjang Eleketrode 15 cm 25 cm (mm/menit) (mm/menit) 0,0477 0,02875 0,1412 0.0548 0,2302 0,2162 0,275 0,1330 0,1747 0,3914 0,3484 0,4246 0,5079 0,559 0.6043 0,842

keluar ke segala arah. Hal tersebut terlihat pada tumpahan sampel keluar dari tempatnya, serta silikat yang terpisah dari pasir zirkon, menyebar dan menempel cukup tebal pada seluruh permukaan krus, hal ini disebabkan arus listrik yang cukup besar (90 s/d 100 A). Penyebab terjadinya konduksi pada proses pemanasan adalah kecepatan elektroda termakan tidak seimbang dan arus listrik yang dibutuhkan, berakibat elektroda dan kutup negatip menempel, terjadilah hubung singkat (short) antara katoda dan anoda,

Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

154

ISSN 0216 - 3128

mengakibatkan batang elektroda menjadi membara dan trafonya berbunyi dengung. B.3. Pengujian Elektroda

Penentuan

Tabel 4. Pengujian elektroda

Jarak

penentuan

jarak

Mati mati

Kecepatan elektroda termakan (mm/detik) I II 80 24 2,643 2,576 75 25 3,69 3,2 70 26 3,62 2,78 Keterangan : I = panjang elektroda 24 cm II = panjang elektroda 15 cm Arus (A)

Tegangan (V)

Pengujian pertama dilakukan dengan menggunakan elektroda standart yang masih baru dengan panjang (p) = 24 cm dan diameter (d) = 6 mm. Pengujian kedua dengan menggunakan elektroda dengan panjang (p) = 15cm dan diameter (d ) = 6 mm. Dari data hasil percobaan, didapat : untuk panjang elektroda I (24cm) dan panjang elektroda II (15cm) pada permulaan pemanasan, baik elektroda I maupun II terjadi busur listrik yang lebih lama. Dari kejadian tersebut dapat disimpulkan, bahwa panjang elektroda tidak mempengaruhi arus dan waktu pada proses busur listrik, atau perbedaan tahanan antara elektroda dengan panjang standart (24 cm) dan panjang 15 cm sangat kecil, sehingga untuk proses pemanasan, lebih baik digunakan elektroda dengan panjang standart, supaya tidak cepat mengganti elektroda.

KESIMPULAN a. b.

c.

d.

e.

Berhasil dibuat sistem kendali konvensional penggerak elektroda. Berhasil dirakit alat tersebut pada pemanas busur listrik yang dibuat sebelumnya yaitu satu peralatan untuk proses pemisahan zirkonium dengan silikon pada pasir zirkon. Telah berhasil diuji coba dalam keadaan tanpa sampel, untuk mengetahui sistem kerja, baik sistem kelistrikan, isolasi dan sistem mekaniknya. Telah berhasil diuji coba untuk proses pemanasan dengan berat umpan 5 gram dengan variasi arus, waktu dengan hasil kecepatan penggerak elektroda mendekati kecepatan sinkron. Besarnya arus pada regulator transformator, berpengaruh terhadap cepat dan lambatnya elektroda grafit termakan.

Budi Sulistyo, dkk.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Tukiman, mahasiswa STTN, Yogyakarta dan semua pihak yang telah membantu terwujutnya makalah dan alat tersebut.

DAFTAR PUSTAKA 1.

LUSTMAN, B AND KERZE, F, The Metallurgy of Zirconium, Mc GrawHill, Book Company Inc., New York, (1955).

1.

MILLER, G.L., The Metallurgy of Rarer Metals, Butterworths Scientific, Publications, (1957).

2.

BUDI SULISTYO, SUNARDJO, DWIRETNANI SUDJOKO, PRISTI HARTATI, Pengruh Waktu dan Tegangan Listrik pada Pemanasan Pasir Zirkon Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah, Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, P3TM-BATAN, Yogyakarta, (2005).

3.

SUMANTO, Mesin Listrik Arus Bolak Balik, Motor Sinkron dan Motor Induksi, Adi Offset , Yogyakarta, edisi I, (1993).

TANYA JAWAB Subroto Dengan input motor 170 rpm dirubah menjadi 2,6 mm/menit (out-put) saja, dengan perbandingan itu apakah motor tidak timbul panas yang berlebihan, mohon informasi perbandingan input dengan out-put nya ? Budi Sulistyo Perbandingan kecepatan yang aman adalah 2/3 sampai dengan 1,0 dalam perancangan ini perbandingan 60 : 30 atau 2 : 1 tidak masuk perbandingan, tetapi karena prosesnya tidak lebih dari 60 menit, timbulnya panas masih diabaikan.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006