Disain Vacuum Furnace

vacfurHadijaya, Alumni Prodi Pendidikan Kimia FKIP UT UPBJJ Jakarta;  HP/WA : 08128727937

Pendahuluan
Penelitian material logam pada umumnya membahas mengenai perubahan strukturmikro, komposisi, kekuatan tarik, kekerasan, ketahanan korosi dan sebagainya yang banyak berhubungan dengan proses perlakuan panas (Anealing). Perubahan strukturmikro dan komposisi kimia logam setelah mengalami perlakuan panas akan mempengaruhi sifat mekanik. Penelitian tentang material yang mengalami proses anealing biasanya menghasilkan data karakteristik material yang hendak diketahui[1]. Anealing adalah suatu metode karakterisasi perlakuan panas material pada suhu, waktu dan kondisi tertentu. Suhu pemanasan biasanya hampir mendekati titik leleh material. Waktu pemanasan dapat berlangsung hingga 3 x 24 jam dalam kondisi gas inert (2,5 psig argon) maupun kondisi vacum ( 3 x 10-3 psig).
Dalam hal pelaksanaan percobaan proses anealing dengan kondisi gas inert maupun dalam suasana vacum diperlukan chamber sampel yang hampir sama. Pada proses anealing dengan kondisi gas inert, maka kedalam chamber sampel dimasukkan gas argon dengan debet tertentu sesuai kebutuhan dengan tujuan agar gas argon dapat mengusir oksigen yang berada di chamber sampel sehingga peristiwa oksidasi selama anealing dapat diatasi. Lain halnya pada proses anealing dengan kondisi vacum, udara didalam chamber sampel disedot dan dibuang keluar dan setiap saat gas yang terjadi akibat pemanasan itu diisap menggunakan pompa vacuum pada tekanan mendekati nol atmosflr sehingga peristiwa oksidasi selama anealing dapat dicegah. Dalam mendapatkan keadaan vacum yang sangat rendah, perlu dirancang suatu sistem/ rangkaian pengukur kevakuman dan teknik mengatasi perubahan tekanan vacum karena pengaruh perubahan suhu pemanasan chamber. Vacuum furnace tersebut dirancang untuk dapat beroperasi melalui sistim controller serta memiliki jangkauan suhu sekitar 1000 °C.
Perancangan vacum furnace dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan model vacum yang layak pakai dan bila diperlukan dapat dibuat sendiri guna menunjang percobaan perlakuan panas (anealing) berbagai material logam paduan.

Tehnik Konstruksi
Sejumlah bahan utama, bahan dukung dan komponen elektrikal yang dibutuhkan untuk menciptakan satu unit tungku vacuum dapat dilihat pada Tabel-1 dan 2. Sedangkan peralatan kerja yang diperlukan seperti pada Tabel-3.
Tahap awal yang akan dilakukan yaitu membuat badan furnace menggunakan bahan pelat logam setebal 3 mm. Pelat dipotong-potong, dibor pada bagian-bagian tertentu misalnya lubang lintasan kabel, lubang lintasan heating element dan lubang lintasan thermokopel. Selanjutnya tiap sisi sambungan di-las sehingga diperoleh kabinet berbentuk kubus (Gambar 1, 2 dan 3) yang terdiri dari 3 bagian, yaitu unit tube chamber berikut vacum; unit thermal (heater) dan unit electrical.

vacum1

vacum2-3-4

Unit Tube Chamber dan Vacum Mc Leod
Unit tube chamber adalah ruang yang disediakan untuk tempat pemanasan sample, berupa tabung SS-304 yang dirancang khusus. Memiliki lubang saluran gas masuk (melalui sisi bawah) dan lubang saluran gas keluar (melalui sisi atas tabung) seperti pada Gambar-1 dan 3. Tutup tabung dan sebagian dari panjang tabung dibuat berongga untuk menyalurkan air pendingin bertekanan, sehingga tutup tabung tak panas ketika furnace beroperasi. Tabung dilengkapi dengan termokopel tipe K sebagai alat ukur suhu anealing. Ketika tungku beroperasi, tabung anealing divacumkan lebih dahulu menggunakan pompa vacum mekanik dan diikuti pemakuman dengan pompa vacum difusi tipe Hg. Pada tahapan tersebut dapat dianggap bahwa kevacuman bagian dalam tabung mencapai 3×10-3 psig. Sedangkan disaat pelaksanaan pengukuran, udara dibiarkan masuk keruang D dengan katup simpang dua T berisi air raksa (Hg) yang mendapat tekanan keatas melalui pipa S (Gambar-4). Tabung anil memperoleh panas dari unit thermal dengan suhu dan waktu anil yang direncanakan sebelumnya[2]. Pompa vacuum atau aliran inert gas dimatikan dulu ketika akan membuka pintu tabung.

Unit Thermal (Heater)
Unit thermal (heater) adalah ruang sumber panas. Tempat lilitan heating element Khantal dan tempat head thermokopel. Bagian thermal ini dibuat secara konstruktif, kokoh dan tahan getaran. Selain itu juga dapat menahan panas sampai suhu 1000°C. Konstruksi bagian thermal terdiri dari 3 lapisan penahan panas, lapis paling dalam (lapis 1) adalah bata tahan api, lapis 2 adalah Unifiber Rock wool tipe R850 (Kao wool) dan lapis 3 (dinding luar) yaitu kabinet furnace. Untuk membuat lubang saluran gas keluar, yaitu lubang lintasan heating element serta lubang lintasan thermokopel maka bata tahan api dibor dulu kemudian masukkan keramic tube dilubang tersebut. Kawat heating element dan head thermokopel dipasang setelah pekerjaan pelapisan dinding penahan panas diselesaikan. Bata tahan api, unit fiber rockwool tipe R850 dipasang secara berurutan. Antara bata tahan api satu sama lainnya diperkuat dengan pasak dari ceramic tube agar bata tahan api tidak berjatuhan dan celah-celahnya yang renggang diisi dengan Refractories Durax supaya rapat dan faktor kehilangan panas dapat diperkecil[3]. Cup kabinet dipasang setelah pekerjaan lantai dan dinding termasuk heating element dan head thermokopel diselesaikan.

Unit Electrical
Bagian elektrikal adalah ruang yang disediakan untuk menempatkan beberapa komponen elektrikal seperti power supply, power regulator, temperature controller, ampheremeter, serta voltmeter. Tahap pekerjaan instalasi diawali setelah heating element dan head thermokopel terpasang di ruang thermal selanjutnya semua komponen elektrikal ditempatkan pada lubang kabinet yang tersedia disisi muka kabinet sedangkan power regulator ditempatkan didalam ruang kabinet. Keseluruhan komponen dihubungkan dengan power regulator. Dalam kaitan tersebut, power regulator berfungsi sebagai penerus arus listrik AC ke heating element dan arus DC ke temperatur controller. Thermokopel dihubungkan langsung ke temperatur controller (tidak melalui power regulator). Setelah semua komponen elektrikal terpasang selanjutnya kabel power supply dihubungkan dengan power regulator.

Perhitungan Heating Element
Perhitungan kawat heating element untuk jangkauan suhu 1000°C mengacu pada tabel Kanthal. Mengenai berapa panjang dan diameter lilitan kawat dihitung sebagai berikut :
Jika mengacu pada kondisi power supply yang tersedia, Tegangan; E = 220 Volt; Arus. i = 25 Amphere, maka Tahanan maksimum mengikuti Hukum Ohm[4] bahwa kuat arus (i) sebanding dengan tekanan (E) dan sebanding pula dengan kebalikan tahanan (R).

vacumaDari Tabel “Khantal-AF” kita dapatkan tahanan kawat elemen permeter (diameter kawat 2,2 mm) yaitu sebesar 0.366 Ω/M. Angka tersebut memberikan pengertian bahwa bila 1 meter kawat yang terbuat dari Pt-PtRh 13% dan penampangnya 2,2 mm maka tahanan kawat (f) adalah 0,366 Ohm. Konstanta Ct untuk pemakaian temperatur 1.000°C sebesar 1,06 diperoleh dari tabel yang sama. Konstanta Ct merupakan faktor pengali untuk mendapatkan tahanan kawat terkoreksi.

f’ = Ct.(f)
= 1,06 (0,366 Ω/M)
f’ = 0,388 Ω/M.

Selanjutnya kebutuhan panjang kawat (L) dihitung dengan cara Tahanan maksimum power supply yang tersedia (R) dibagi Tahanan kawat terkoreksi (f’) :

vacumbMengingat bahwa kawat heating element 22,68 meter akan dipasang disepanjang lubang unit themal dalam bentuk spiral berdiameter 0,30 meter maka, untuk mengetahui berapa jumlah lingkaran adalah dengan membagi panjang kawat terhadap (π diameter).

Jumlah lingkaran = (22,68 meter)/[3,14 (0,3 meter)] = 24 lingkaran
Sehingga diperoleh hasil = 24 lingkaran. Berdasarkan perhitungan tersebut lalu ditetapkan panjang sisi ruang Chamber menjadi 35 cm + toleransi 1 cm = 36 cm. Satu hal yang cukup prinsif bahwa dimensi ruang chamber yang relatif kecil akan menghasilkan kalor yang maksimal. Unit element tersebut merupakan rangkaian seri. Jika heating element menunjukkan arus listrik bekerja 25 Amphere dan tegangan 220 Volt (dapat dibaca dari voltmeter dan ampheremeter pada furnace) maka Jumlah kalor yang dilepaskan heating element ditentukan oleh jumlah daya listrik yang bekerja disepanjang kawat element, dalam hal ini heating element merupakan sumber panas[5].
Daya listrik; Watt = Volt x Amphere
= 220 x 25
= 5500 Watt = 5,5 kilo Watt.
Pada tabel konversi diketahui :
1 kilo Watt = 0,9476 Btu/sec
atau    1 kilo Watt = 3.411 Btu/hr
Daya 5,5 kilo Watt = q = 5,5 (3.411) Btu/hr
q = 18.762 Btu/hr

Hal ini berarti jumlah panas yang dihasilkan heating element (sumber panas) setiap jam sebesar 18,762 BTU. Tungku perlakuan panas biasanya digunakan berdasarkan kebutuhan temperatur antara 400°C – 700°C untuk pemakaian yang terus-menerus atau temperatur antara 700°C – 1000 °C untuk pemakaian berkala.

Kesimpulan
Disain Vacum Furnace yang memiliki jangkauan suhu sampai 1000°C telah diselesaikan. Perencanaan disusun berdasarkan fungsi dan kapasitas furnace yang diinginkan. Pemilihan komponen yang compatible serta mudah ditemukan dipasar lokal meliputi komponen inti seperti power regulator, temperature controller dan heating element. Pra rancangan ini berkaitan dengan model/ bentuk furnace, perhitungan kebutuhan kawat heating element, perhitungan kebutuhan pelapis penahan panas (batu tahan api, dan ceramic wool) serta perhitungan kalor ruang chamber. Vacum furnace dapat digunakan untuk keperluan anealing.

Pustaka
1. Books, Charlie R, Heat Treatment, Structure and Properties of Non-ferrous Alloys, ASM, Metal Park OHIO 44073, 1982.
2. Drs. Peter Soedojo, BSc, Pengantar Teknik Vakum, Universitas Gajahmada, 1977.
3. Brosur (Product Data Sheet); Unifiber Rockwool; Controller Temperature; Power Regulator; The series C of High  Quality Insulating Bricks; Kanthal; dll. Via PT.Putrawinong, 1997.
4. RM. Francis.D.Yury, Pokok-pokok Ilmu Elektronika untuk Keterampilan, M2S Bandung, 1984.
5. Holman, J.P., Heat Transfer 5th Edition, Mc.Graw-Hill International Book Co, 1981.

LAMPIRAN

Tabel 1. Daftar Peralatan kerja.

tabel 1 vacum

Tabel 2. Suku Cadang untuk pembuat Body Furnace

tabel 2 vacum

Tabel 3. Daftar Suku Cadang untuk Bagian Elektrikal

tabel 3 vacum

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *