p~ ~ N l H~ N~ k... ~ X K. 4, ISSN 1410-'76g6

PEMBUA TAN TUNGKU PENGEPRESAN-P ANAS SEBAGAI ALA T BANTUMODIFIKASI SIFAT BAHAN

Gunawan, Rilaz Anwar, Achmad Hindasyah, Agus Sunardi, Rusmaryanto

Puslitbang Iptek Bahan -BATAN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

PEMBUATAN TUNGKU PENGEPRESAN.PANAS SEBAGAI ALAT BANTU MODIFIKASI SIFAT BAHAN. Sebuah tungku untukpengepresan-panas telah dibuat di Puslitbang Iptek Bahan (P3IB) -BATAN. Tungku ini dibuat dalam bentuk tabung dengan elemen pemanasdari kawat kanthal yang dililitkan pada bagian luar tabung dudukan dari bahan keramik sehingga batangan dari alai tekan dapat dimasukkan kedalam tungku. Untuk mengontrol variasi pemanasan, tungku dilengkapi dengan sebuah pengontrol temperatur. Oari hasil pengujian diperoleh databahwa tungku yang dibuat telah dapat dioperasikan hingga 900 DC dan alai ini juga mampu dioperasikan tahap demi tahap hingga 500 DC denganlama waktu pemanasan 4 jam untuk masing-masing tahap pemanasan. Flukstuasi temperatur tungku cenderung mengecil dengan meningkatnyatemperatur pemanasan. Oengan pengembangan tungku ini, eksperimen pengepresan-panas untuk modifikasi sifat bahan dapat dilakukan di P3IB.

ABSTRACT

THE DEVELOPMENT OF AN HOT.PRESSED FURNACE AS A TOOL FOR THE MODIFICATION OF MATERIALSCHARACTERISTIC. The development of an hot-pressed furnace was performed at the Research and Development Center for Materials Scienceand Technology (P3IB)-BATAN. The fumace was made in a tube form with a kanthal heating element wound on the outside part of the ceramictube so that a rod of the pressed machine can be inserted into the furnace. To control the variation of heating temperature, this furnace isequipped with a temperature controller. Based on the test results, the furnace can be operated to 900°C and it is also able to be operated step bystep to 500 °C with an holding time of 4 hours at each step. By the dev61opment of this furnace, an hot-press experiment for the characteristicmodification of materials can be performed at the P3IB.

PENDAHULUAN

terbatas. Untuk mengatasi permasalahan ini, sebuahtungku yang dapat digunakan untuk kombinasi prosespemanasan dan pengepresan telah dibuat di P3IB. Data-data teknis dan unjuk kerja tungku yang dibuat akandiuraikan dalam makalah ini. Dengan tersedianya alat inidiharapkan modifikasi sifat bahan melalui kombinasiproses pemanasan dan pengepresan dapat dilakukan diP3IB.

Tungku merupakan alat pemanas yang banyakdigunakan dalam pengembangan iptek bahan. Prosespemaduan bahan misalnya, memerlukan tungku denganrentang temperatur yang bervariasi. Proses anil untukmengurangi deformasi kristal akibat perlakuan mekanikmembutuhkan tungku yang dapat dikontrol temperaturdan waktu pemanasannya. Selain proses tersebut, tungkUjuga diperlukan pada proses pembentukan bahan melaluiproses pengepresan atau pengerolan[l].

Saat ini berbagai jenis tungkU telah tersedia diPuslitbang lptek Bahan (P3IB) -BAT AN. Beberapadiantaranya adalah tungkU untuk pengeringan cuplikan,tungku untuk proses pemaduan serta tungku untuk prosesperlakuan panas. Seiring dengan perkembangan dibidang iptek bahan, kebutuhan tungkU dengan fungsikhusus terkadang sangat diperlukan. Tungkupengepresan-panas misalnya merupakan salah satu jenistungku yang mulai banyak dipakai dalam pengembanganiptek bahan, namun ketersediaannya baik di BA T ANmaupun lnstitusi lain di luar BAT AN masih sangat

TEORI

Perubahan energi listrik menjadi panas akanterjadi pada kawat elemen pemanas yang dialiri aruslistrik. Jika bahan kawat pemanas dialiri arus listrik,maka energi listrik E yang tersimpan dalam kawat dapatdinyatakan dengan persamaan berikut [2 ],

[Joule] (1)E=rRt=Vlt

57~I 6 J~ 2001

P~T

p~ T+ p~-p~ St¥ A~ ~ M~ ~ ~l;-o4tII-, ~

dengan R adalah tahanan kawat pemanas [Ohm], I adalaharus listrik [A], t adalah waktu [detik], Vadalah tegangan

kedua ujung kawat [Volt]

Jika seluruh energi diubah menjadi panas, makamenurut N.S. Khare dan S.S. Srivastava[3] jurnlah energipanas yang dihasilkan dapat ditentukan denganpersamaan,

yZ t

RH =0,24 [Kalori] (2)

Menurut N.S. Khare dan S.S. Srivastava [3 ], panas yangdiradiasikan sebanding dengan pangkat 4 dari temperaturabsolut dan tahanannya sebanding dengan temperaturabsolut. Oleh karena itu, hubungan panas dengantemperatur dapat dinyatakan dengan persamaan,

dimasukkan ke dalam kelongsong isolator panas untukdisambung ke sumber tegangan listrik dari PLN.

Selanjutnya dibuat isolator panas. Isolator panasini dibuat secara berlapis menggunakan bahan kastabelaluminium oksida (AlzO3), glass wool, ashes kain daDbahan gipsum atau kalsium sulfat (CaZSO4) daD dipasangpada bagian luar dari tabung dudukan elemen pemanassehingga tabung elemen pemanas mudah dimasukkanatau dikeluarkan dari sistem tungku. Untuk memperkuatdaD melindungi konstruksi tungku ini, pada bagian luardari isolator panas tersebut ditutup dengan casing yangdibuat dari pelat daD kerangka besi. Mengingat tungkuini akan digunakan sebagai alat proses pengepresan-panas, maka konstruksi tungku dirancang sedemikianrupa sehingga sebuah batangan alat tekan dapatdimasukkan ke dalam tungku.

Untuk mengetahui unjuk kerja sistem tungkuyang dibuat, pengujian sistem dilakukan denganrnengoperasikan tungku secara bertahap. Pada tahapawal dilakukan uji pengeringan, kemudian dilanjutkan

dengan uji pemanasan yang terdiri dari pemanasandengan waktu penahanan 1 jam daD 4 jam serta ujipemanasan untuk mengetahui fluktuasi temperatursebagai fungsi waktu. Kemampuan menahan beban daridudukan cuplikan diuji dengan memberikan lekananmaksimum 7,5 ton baik dengan pemanasan maupuntanpa pemanasan.

y2rTS (3)

= 0 24 ,

2crkf

dengan r adalah jejari kawat pemanas [m], I adalah~anjang kawat [m], cr adalah konstanta Stefan [Wm-2det-°K-4], k adalah konstanta Boltzmann [J ~-1

TAT A KERJA

HASIL DAN PEMBAHASANBahan dan AlatTungku pengepresan-panas dibuat dengan

menggunakan beberapa jenis bahan, yaitu elemenpemanas, isolator panas, termokopel dan bahan penutupluar(casing). Sebagai elemen pemanas digunakan kawatkanthal berdiameter 1,5 mm yang dililit dalam bentukspiral dengan panjang 2300 mm. Sebagai dudukanelemen pemanas digunakan bahan keramik yangmengandung senyawa utama aluminium silikat, yaitubahan yang tahan terhadap temperatur tinggi[4]. Sebagaiisolator panas digunakan bahan kastabel, glass-wool,kain ashes dan gipsum. Sebagai bahan casing digunakanpelat besi.

Dalam pembuatan tungku ini diperlukanbeberapa peralatan seperti gergaji besi, bor, panci plastik,sendok pengaduk, cetakan bahan isolator panas, sensortemperatur tipe K, multimeter, dan pengontroltemperatur. Untuk pengepresan-panas digunakan alattekan dengan sistem pompa hidrolik.

Metoda pembuatan dan pengujianProses pernbuatan tungku dirnulai dengan

penyiapan elernen pernanas, pernbuatan alur untukdudukan elernen pernanas, pernbuatan isolator panas daDpernbuatan casing. Alur berbentuk spiral dibuat padabagian luar tabung dudukan elernen pernanas.Selanjutnya, elernen pernanas dililitkan pada alur tersebutdan ditutup dengan bahan kastabel yang banyakmengandung alumina. Kedua ujung kawat elernenpemanas dikopel dengan kawat penghantar listrik yang

Sebuah tungku pengepresan-panas telah dapatdibuat di P3IB-BATAN. Tungku ini terdiri dari

beberapa komponen, yaitu sumber panas, isolator panas,sistem kontrol temperatur dan alat tekan. Foto peralatan

tungku pengepresan-panas yang dibuat ditunjukkan padaGambar I.

Sebagai sumber' pemanas digunakan kawatkanthal. Hasil pengukuran tahanan menggunakan Ohm-meter menunjukkan bahwa kawat kanthal yangdigunakan memiliki tahanan total sebesar 14,3 Ohm.Kawat elemen pemanas ini dililitkan dalam suatu alurpada bagian luar tabung keramik yang banyakmengandung senyawa aluminium silikat.

Pada bagian luar dari bahan elemen pemanasdilingkupi dengan bahan isolator panas yang dibuatsecara berlapis dalam bentuk tabung. Lapisan iniberguna untuk menahan atau mengurangi radiasi panaske arab luar tungku. Tabung isolator ini dipasang terpisahdengan tabung elemen pemanas agar tabung elemenpemanas mudah dikeluarkan dari tungku atau mudahdimasukkan ke dalam tungku sehingga perbaikan mudahdilakukan bila terjadi kerusakaan pada elemenpemanasnya. Untuk memperkuat konstruksi tungku,tabung pemanas daD tabung isolator panas tersebutdimasukkan ke dalam casing yang dibuat dari kerangkadaD pelat besi.

Pengujian tungku telah dilakukan secarabertahap melalui proses pengeringan daD pemanasan.

58 ~, ~ J~ 2001

p~ T'4~ p~-p~ ~AlA ~ H~ ~ ~G--, .lU

Proses pengeringan dilakukan dengan mengoperasikantungkU pada temperatur 50DC hingga 250 DC denganselang kenaikan temperatur 50 DC daD lama waktupemanasan masing-masing I jam. Pengujian inidimaksudkan untuk menghilangkan atau mengurangikandungan air yang terdapat di dalam bahan dudukanelemen pemanas maupun di dalam tabung isolator.Selanjutnya dilakukan uji pemanasan daTi 300 DC hingga900 DC dengan selang kenaikan temperatur 100 DC daDlama waktu pemanasan masing-masing I jam. Untukmengetahui ketahanan tungku, uji pemanasan dilakukandaTi temperatur 50 DC hingga 500 DC dengan lama waktupemanasan 4 jam.

~- -:: : : : ~~~~~;-: ~~-s;-;~~ ~ ~.':: : -:_ST-200$,c;i.f:4ci~;.-"~:.:

-~ "! ,iff;;;";i~;}~':;i;;~:iffi~:;j,:~:; ~::-ST.500

600

500~

E 400.

300;;

200'...1004~~' , , , , .::."""".:

..., , , ,0' I I I I I I I I I '

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Waktu [men It)

100

Gambar 2. Data fluktuasi temperatur setelah 30men it dari temperatur minimum pertama

5T = Temperatur setting.

Gambar 1. Tungku pengepresan-panas P31B

5 10 15 20 25 30 35 40

Wak1u [menlt)

Gambar 3. Hasil pengamatan fluktuasitemperatur tungku setiap 1 men it

ST= temperatur setting

Dari hasil pengujian tekan terhadap dudukancuplikan diketahui bahwa bahan dudukan cuplikan darigrafit mampu menahan tekanan sebesar 2,5 ton, 5 tondan 7,5 ton. Dengan alat tekan yang tersedia, tekanantidak dapat dipertahankan tetap, tetapi tekanan cenderungmenurun sebagai fungsi waktu. Pacta penekanan 7,5 ton,tekanan menurun relatif cepat yaitu sekitar 2 ton dalamwaktu 5 menit. Sedangkan pacta penekanan 5 ton,tekanan menurun lebih lambat yaitu sekitar 1 ton dalam30 menit dan tekanan berkurang sebesar 0,5 ton dalam 30menit untuk penekanan dengan tekanan 2,5 ton.Penurunan tekanan tersebut kemungkinan disebabkankarena sistem seal pacta pompa yang kurang sempurnaataupun perubahan dimensi pacta cuplikan akibatpenekanan. Sistim penekanan dilakukan dari sisi alasfurnace agar proses penyiapan dan pengepresan cuplikandapat dilakukan lebih mudah.

Gambar 2 menunjukkan hasil pengukurantemperatur tungku sebagai fungsi waktu. Pencatatantemperatur dimulai saat tungku mencapai temperatursetting(ST), kemudian pacta saat mencapai temperaturmaksimum pertama daD temperatur minimum pertama.Selanjutnya pencatatan dilakukan lagi setelah 30 menitkemudian dengan selang waktu pencatatan 5 menit.Garis lurus pacta kurva antara data temperatur minimumpertama sampai dengan data temperatur 30 menitkemudian tidak mewakili data-data temperatur diantarakedua titik pengukuran tersebut. Dari data pacta Gambar2 diketahui bahwa perbedaan temperatur maksimum daDminimum cenderung semakin rendah denganmeningkatnya temperatur pemanasan. Kecenderungan initerjadi karena pacta awal pemanasan lingkungan tungkubelum stabil daD panas relatif lebih banyak terserap olehmaterial-material tungku. Setelah 30 menit daritemperatur minimum pertama, tungku memiliki tluktuasitemperatur yang relatif kecil.

Hasil pengamatan temperatur selama 38 menitdengan selang waktu pencatatan I menit mulai dari saatstart pemanasan ditunjukkan pacta Gambar 3. Dari datapacta Gambar 3 tampak bahwa tluktuasi temperatursemakin mengecil dengan meningkatnya temperatursetting (ST). Hal ini juga sesuai dengan hasil pengamatansebelumnya seperti pacta Gambar 2.

KESIMPULAN

Sebuah tungkU pengepresan-panas telah dapatdibuat di P3IB. Tuogku ini telah dapat dioperasikanhingga 900 °c daD mampu dioperasikan tahap demi tahapdari 50 °c hingga 500 °c dengan lama waktu pemanasan

~, 6 J~ 2001 59

p~ T~ p~-p~ ~ Aw ~ H~ ~ ~G.-.w-. ~

DAFfARPUSTAKA4 jam untuk masing-masing tahap pemanasan. Fluktuasi

temperatur tungku cenderung mengecil denganmeningkatnya temperatur pemanasan.

Bahan graftt yang digunakan sebagai dudukancuplikan mampu menahan tekanan hingga 7,5 ton.Tekanan menurun sebagai fungsi waktu dan kecepatanpenurunannya meningkat dengan meningkatnya tekanan.

UCAP AN TERIMAKASIH

Terima kasih kami sampaikan kepada Drs. BambangSugeng,MT. daD Drs. Wagiyo, MT. serta rekan-rakandari Bidang Keselamatan Kerja daD lnstrumenntasi P3lByang telah memberikan bantuan tenaga daD pemikiransehingga tungku pengepresan-panas ini dapat terwujud.

[I]. W.F. SMITH, Principles of Materials Science andEngineering, McGraw-HilI, Inc., New York, 1996,haI251-254.

[2]. M.FOGIEL, The Physics Problem Solver, Staff ofResearch and Education Association, New York,1985, halo 452-453.

[3]. N.S. KHARE AND S.S. SRIVASTAVA, Magnetismand Electricity, Atrna Ram & Sons, 1982, hal 237-243.

[4]. TATA SURDIA DAN S. SAITO, PengetahuanBahan teknik, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1995,haI301-314.

TANYA-JAWAB

Penanya: Andon Insani(P3IB-BATAN)

Apakah alat pengontrol suhu dapat kita set sesuai dengan yang kita kehendaki ?

Jawaban

Suhu pemanasan dapat kita set sesuai yang diinginkan dalam batas kemampuan tungku. Mengenai lajupemanasan sementara ini hanya dapat dipilih dengan low mode ataufast mode.

Penanya: Marzuki Silalahi (P3IB-BATAN)

2.Berapa kecepatan pengepresan yang dilakukan ?Kalau dimungkinkan supaya dirancang untuk pemanasan di alas 1000 °C (sekitar 1700 °C)

Jawaban

Kecepatan pengepresan dapat diatur secara manual tergantung pada pengguna. Kecepatan pengepresandapat diperkirakan dari indikator tekanan yang ada pada sistem / alat tungku ini.

Penanya : Parikin (P3IB-BA TAN)

Suhu maksimum yang mampu dicapai tungkU ini berapa ?

Jawaban

Suhu maksimum yang mampu dicapai tungku ini adalah 900 °c

~, 6 J~ 200160