Material Balance

Material Balance (Neraca Bahan) Teknik Pengecoran Logam dan

Injection Moulding

Perhitungan Dasar Peleburan

dengan Tanur Kupola

1. Volume Angin yang Dibutuhkan

• Volume angin dapat dihitung berdasarkan hasil reaksi antara karbon (C) dan oksigen (02)

C + O2 –> CO2

• 1 (satu) kg mol C beratnya atom 12 kg

• 1 (satu) kg mol dibutuhkan sebanyak 22,4 nm3

Jadi 1 kg C membutuhkan 02 sebanyak 22,4 nm3/12 =1,87 nm3

• Udara mengandung 21 % 02 .

Sehingga volume angin yang dibutuhkan =100/21 x 1,87 nm3= 8,9 nm3

• Pada kenyataannya tidak semua dari hasil reaksi pembakaran berubah menjadi CO2, tetapi sebagian menjadi CO dgn reaksi

C + 0.5 O2 –> CO

• Volume angin yang dibutuhkan = 0,5 x 8.9 nm3 = 4,45 nm3 .


• Perbandingan antara CO2 dengan total CO + CO2 disebut efisiensi pembakaran:

• Volume angin yang dibutuhkan dengan memperhitungkan ηv (efisiensi pembakaran) untuk per kg karbon (C) adalah:

dimana : V = volume angin [nm3/kgC] dan ηv = efisiensi pembakaran [%]


• Volume angin yang dibutuhkan untuk melebur besi sebanyak 100kg menggunakan formulasi:

2. Volume Angin yang Dibutuhkan Berdasarkan Jumlah Kokas yang Digunakan

dimana: V = volume angin yang dibutuhkan [nm3/100 kg Fe] K = jumlah kokas yang digunakan [%] atau [kg Kokas/100 kg Fe] k = kandungan karbon dari kokas [%]ηv = efisiensi pembakaran [%]

Dalam menghitung debit angin, yang harus diperhatikan adalah:

Diameter dalam kupola

Jumlah kokas yang dgunakan

Kandungan karbon dari kokas

3. Debit Angin yang Diperlukan oleh Kupola untuk Peleburan

• Formulasi empirik untuk perhitungan secara teoritik:

W = 4.5 D2 x K /60 [nm3/menit]

• dimana:W = debit angin [nm3/menit]D = diameter dalam kupola [dm]K = Jumlah kokas yang dipakai [%] (kg/100kg Fe), dengan kandungan karbon dari kokas harus > 85 %

3. Debit Angin yang Diperlukan oleh Kupola untuk Peleburan

• Kebutuhan kokas untuk peleburan dapat dihitung dari enerji yang dibutuhkan untuk melebur dan menaikan temperatur besi sampai 1500°C.

• Berdasarkan azas Black:

Panas yang dilepaskan = panas yang dibutuhkan,

4. Perhitungan Kokas yang Dipakai untuk Peleburan (Teoritik)

dimana: Hn(c) = panas spesifik karbon (C): 33.200 kJ/kg K = jumlah kokas yang digunakan (%) atau (kg Kokas/100 kg Fe) k = kandungankarbon (C) dari kokas (%) ΔH angin = panas spesifik angin yang terbakar [kJ/t Fe] ΔH elemen = panas pembakaran dari elemen C, Si, Mn [kJ/t Fe] η = Efisiensi [%] ΔH Fe (d °C) = Panas spesifik untuk melebur dan menaikan temperatur sampai 1500 °C [kJ/ton Fe]; untuk 1500 °C = 1398,391 103 kJ/t Fe


Berdasarkan formulasi diatas maka secara teoritik dapat dihitung jumlah kokas yang digunakan untuk melebur 1 (satu) ton besi dengan asumsi sebagai berikut:

K = kandungankarbon (C) dari kokas = 90% ΔH angin = 0 ΔH elemen = 0 η = 30 % Temperatur = 1500 °C

Jadi: {33.200 x 10 x Kk/100 x 0,3} = 1398.391 x 103

Kk/100 = Karbon (C) kg 33.200 x 10 x 0.3 C = 1,398,391 C = 1,398,391/99,600C = 14 kg /100 kg Fe atau 140 kg/1 ton Fe

Jika: k = 90%, maka: Kokas = 100/90 x 14 kg atau 15.5 kg/100 kg Fe » 15.5%. Jadi secara teoritik dibutuhkan kokas sebanyak 15.5% untuk 1 ton besi.


Untuk tapping temperatur yang berbeda-beda maka jumlah kokaspun akan berbeda, sebagaimana ditampilkan pada tabel berikut:


5. Perhitungan Kapasitas Peleburan dari Kupola Secara Teoritik

• Untuk menentukan kapasitas peleburan secara teoritik, digunakan perbandingan antara debit udara tiup yang sebenarnya dibandingkan dengan volume udara yang dibutuhkan untuk melebur 1 ton besi.

• Umumnya kapasitas peleburan kupola dinyatakan dalam (ton/jam).

dimana:W = debit angin [nm3/menit] K = jumlah kokas yang digunakan [%] atau [kg Kokas/100 kg Fe] k = kandungan karbon dari kokas [%]ηv = efisiensi pembakaran [%]

5. Perhitungan Kapasitas Peleburan dari Kupola Secara Teoritik

6. Optimasi Kinerja Tanur Kupola dengan Menggunakan Diagram Net

6. Optimasi Kinerja Tanur Kupola dengan Menggunakan Diagram Net

Penjelasan Diagram Net : • Jika debit udara naik, sedangkan kokas yang dimasukkan

tetap, maka kapasitas peleburan naik demikian juga dengan temperatur akan naik sampai batas tertentu kemudian temperatur akan menjadi tetap, sedangkan kapasitas peleburan naik.

• Jika debit udara tetap dan kokas yang dimasukkan jumlahnya dinaikkan, maka temperatur akan naik, sedangkan kapasitas peleburan akan turun.

• Untuk menaikkan temperatur dan kapasitas peleburan, maka debit udara tiup dan jumlah kokas yang dipakai juga diatur perubahannya sesuai dengan temperatur dan kapasitas peleburan yang diinginkan.

Latihan Soal

1. Hitunglah volume udara yang dibutuhkan untuk melebur 100 kg Fe menggunakan kupola angin dingin, jika kokas yang digunakan (K) =13 % dan kadar karbon dalam kokas (k) = 90% dan efisiensi pembakarannya (ηv) berdasarkan pengukuran = 50%.

2. Hitunglah kapasitas peleburan kupola jika diketahui dia. dalam kupola 500 mm. Tapping temperatur 1480 °C. Kokas yang digunakan 14 kg/100 kg Fe atau 14%. ηv = 55% ; kandungan karbon dalam kokas = 90%.

Latihan Soal

Jawab (1)

= 78,09 nm3/100 kg Fe atau = 0,7809 nm3/kg Fe

Jawab Soal (2)

Debit udara tiup : W = 4.5 D2 K/60 nm3/menit = (4.5 x 52 x 14)/60 = 26.25 nm3 /menit. Kapasitas peleburan :

PERHITUNGAN MATERIAL BAHAN BAKU PROSES PELEBURAN

MATERIAL BALANCE/NERACA BAHAN

Pendahuluan

• Suatu bahan besi cor dengan kandungan unsur C=3%, Si=2% dan Mn=0.4% akan diubah menjadi besi cor dengan kandungan unsur C=3.2%, Si=2,2% dan Mn=0,6%. Bahan korektur yang digunakan adalah besi kasar dengan kandungan C=4%, Si=2,8% dan Mn=1,2%.Berapa % masing-masing bahan harus dimasukkan?

• Peramuan bahan baku peleburan untuk menghasilkan komposisi cairan tertentu dapat dilakukan secara matematis maupun tabelis. Konsep dari perhitungan peramuan adalah mencapai sedekat mungkin komposisi yang dikehendaki melalui pengaturan jumlah masing-masing bahan baku, penggunaan bahan paduan hanya untuk melengkapi kekurangannya saja.

Perhitungan Matematis Secara matematis perhitungan dapat dilakukan sebagai berikut:

• BT = 100 – A (dalam %).

• Dimana:BT = Bahan yang harus ditambahkan (korektur).

A = Bahan sebelum koreksi.

• Kita nyatakan kandungan unsur didalam A adalah k1, kandungan unsur didalam BT adalah k2 dan kandungan unsur yang akan dicapai didalam bahan cair adalah k3.

Maka:

jumlah perhitungan yang harus dilakukan untuk bahan paduan dengan n unsur adalah n-1 kali. Maka untuk bahan paduan 2 unsur cukup dilakukan 1 kali perhitungan, sedangkan untuk paduan 3 unsur harus dilakukan 2 kali perhitungan dan seterusnya.

Paduan Dua Unsur

Suatu bahan paduan tembaga (Cu) timah putih (Sn) dengan komposisi Sn=10% dan Cu=90% akan dikoreksi dengan menggunakan paduan CuSn dengan komposisi Sn=14% dan Cu 86% menjadi paduan dengan komposisi Sn=12% dan Cu=88%.Berapa % masing-masing bahan harus dimasukkan?

Paduan Dua Unsur (Solusi)

Kandungan unsur Cu adalah:didalam bahan awal, k1 = 90%didalam bahan korektur, k2= 86%didalam cairan yang akan dicapai, k3 = 88%

Maka:

Sehingga:

BT = 100 – 50%BT = 50%

Jadi untuk mendapatkan bahan dengan komposisi Sn=12% dan Cu=88%, digunakan campuran bahan baku antara bahan dengan Sn=10% dan Cu=90% sebanyak 50% ditambah bahan dengan Sn=14% dan Cu=86% sebanyak 50%.

Paduan Tiga Unsur

Diketahui:

a. Komposisi target: C=3.2%, Si=2,2% dan Mn=0,6%.

b. b. Bahan baku 1: Besi cor dengan komposisi C=3%, Si=2% dan Mn=0.4%

c. c. Bahan baku 2: Besi kasar dengan komposisi C=4%, Si=2,8% dan Mn=1,2%

Berapa % masing-masing bahan harus dimasukkan?

Paduan Tiga Unsur (Solusi)

Pertama-tama kita hitung kandungan C sebagai berikut:didalam bahan awal, k1 = 3%didalam bahan korektur, k2= 4%didalam cairan yang akan dicapai, k3 = 3,2% Maka: Dengan demikian besi kasar yang harus ditambahkan: BT = 100 – 80 = 20% Dalam hal kandungan Si, dimana:didalam bahan awal, k1 = 2%didalam bahan korektur, k2= 2,8%

http://hapli.files.wordpress.com/2013/09/pic-3-formula.jpg


• Bila ditambah dengan Si yang terkandung didalam besi kasar sebanyak 20%, maka k3 menjadi:

• Sampai saat ini kandungan unsur Si masih kekurangan sebanyak 0,04%, sehingga diperlukan bahan paduan ferosilikon (FeSi). Selain itu masih harus diperhatikan bahan hilang terbakar (melting loss) unsur Si pada setiap peleburan adalah 10%.

• Perhitungan berikutnya adalah untuk menentukan kandungan unsur Mn, sebagai bertikut:didalam bahan awal, k1 = 0,4%didalam bahan korektur, k2= 1,2%


• Bila ditambah dengan Mn yang terkandung didalam besi kasar sebanyak 20%, maka k3 menjadi:

• Sebagaimana Si, kandungan unsur Mn pun masih kekurangan sebesar 0,04%. Maka bahan paduan feromangan (FeMn) perlu ditambahkan dengan memperhatikan faktor bahan hilang terbakar untuk unsur Mn adalah antara 15% – 20%.



Perhitungan Tabelis

• Untuk melakukan perhitungan peramuan paduan dengan banyak unsur, cara matematis seperti diatas dirasakan kurang praktis. Perhitungan matematis pada akhirnya hanya digunakan pada kasus-kasus koreksi, yaitu apabila dalam suatu pengujian terhadap cairan pada proses peleburan diketahui adanya kekurangan pada salah satu kandungan unsur paduannya.

• Metode tabel, apalagi bila ditunjang dengan perangkat lunak spreadsheet akan jauh lebih mudah dilakukan terhadap bahan paduan dengan unsur yang berjumlah banyak.

• Contoh diatas adalah, perhitungan peramuan untuk suatu bahan besi cor dengan komposisi tertentu, kandungan unsur-unsur pada setiap bahan baku yang digunakan (misalnya besi bekas, besi kasar, besi kasar hematite dan bahan daur ulang) disusun sedemikian rupa dalam suatu tabel. Kemudian kontribusi (%) masing masing dihitung dan dijumlahkan, sehingga akan menghasilkan kontribusi total yang mendekati komposisi yang diinginkan.

Langkah-langkah Perhitungan Langkah 1: Buat kolom-kolom tabel sebagaimana contoh. Jumlah baris disesuaikan dengan jumlah bahan baku yang akan digunakan dan jumlah lajur disesuaikan dengan jumlah unsur yang akan dihitung.

Langkah-langkah Perhitungan Langkah 2: Isi kolom komposisi yang diinginkan sebagai acuan perhitungan.

Langkah-langkah Perhitungan Langkah 3: Isi kolom bahan baku serta lengkapi kolom-kolom kandungan unsur didalam bahan baku. Pilih bahan baku yang memiliki kandungan unsur-unsur mendukung perhitungan.

Langkah-langkah Perhitungan Langkah 4: Perkirakan peresentase bahan baku yang akan digunakan. Catatan, gunakan bahan baku terbanyak yang termurah. Ingat, jumlah persen total harus 100%.

Langkah-langkah Perhitungan Langkah 5: Hitung kontribusi kandungan unsur-unsur terhadap komposisi, yaitu dengan mengalikan setiap unsur paduan dengan persentase penggunaan bahan baku. Kemudian jumlahkan kebawah untuk mendapatkan hasil subtotal kontribusi.

Langkah-langkah Perhitungan Langkah 6: Hitung tambahan bahan paduan maupun bahan-bahan terbakar dan tambahan unsur S dari kokas. Kemudian jumlahkan hasilnya dengan subtotal kontribusi sehingga menghasilkan komposisi hasil perthitungan.

Langkah-langkah Perhitungan Langkah 7: Teliti komposisi hasil perhitungan. Bila tidak sesuai dengan komposisi yang diharapkan ubah-ubah persentase penggunaan bahan baku sedemikian rupa sehingga hasil perhitungan dapat mendekati komposisi yang diharapkan. Ingat jumlah persen harus tetap 100%.

Hasil berat masing-masing bahan baku.

• Untuk selanjutnya persentase hasil perhitungan dikalikan dengan jumlah muatan total tanur.

Jangan lupa mengalikan tambahan bahan paduan FeMn, yaitu 0,2% x 200 kg = 0,4 kg. Karena kandungan Mn didalam bahan paduan FeMn adalah 45%, maka bahan paduan FeMn yang harus diberikan menjadi: FeMn = 0,4/45% = 0.9 kg.

http://hapli.files.wordpress.com/2013/09/pic-13-table-berat.jpg

APLIKASI DAN PEMROSESAN LOGAM FERRO

MATERIAL BALANCE/NERACA BAHAN

Contoh Kasus I

Contoh Kasus II

1 1

Contoh Kasus II (Jawab)


Ada senyawa yang tidak terhitung disini karena berfungsi sebagai pembakar kalori. Senyawa tersebut dapat diperiksa berdasarkan kesetimbangan oksigen seperti Terlihat pada slide berikut.

Soal

Untuk setiap 800 kg Pig iron dengan komposisi 95% Fe , 1% Si dengan Mn dan C masing masing 2% yang dihasilkan suatu DAPUR TINGGI tenyata diperlukan 5 ton bijih besi , 2,5 ton Kokas dan Flux sebanyak 250 Kg. Jika diperiksa komposisinya ternyata komposisi kimia senyawa-senyawa tersebut memiliki komposi sebagai berikut :

BIJIH BESI : 60 % Fe2O3 25 % FeO 7,5 % Mn2O3 SiO2 7,5 %

KOMPOSISI KOKAS : C 90% H 2% O 5% dan N 3% dan

KOMPOSISI FLUKS adalah 5% Al2O3 91%SiO2 dan 4% CaO .

Jika diumpamakan bahwa Kandungan Gas Buang yang terjadi ternyata memiliki komposisi CO2 = 20% N2 = 55% CO = 25% .

Buatlah Neraca Kesetimbangan Bahan pada Dapur Tinggi tersebut.

Material Balance

Documents

Transcript of Material Balance