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 12 Kg

1 (satu) kg mol dibutuhkan sebanyak 22,4 n m³

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

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 η_v (efisiensi pembakaran) untuk per kg karbon (C) adalah:

dimana :

V = volume angin [nm³/kgC]

η_v = efisiensi pembakaran [%]

2. Volume Angin Yang Dibutuhkan Berdasarkan Jumlah Kokas Yang Digunakan

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

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 [%]

η_v = efisiensi pembakaran [%]

Contoh:

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 (η_v) berdasarkan pengukuran = 50%.

Jawab:

= 78,09 nm³/100 kg Fe atau

= 0,7809 nm³/kg Fe

3. Debit Angin Yang Diperlukan Oleh Kupola Untuk Peleburan

Dalam menghitung debit angin, yang harus diperhatikan adalah:

• Diameter dalam kupola
• Jumlah kokas yang dgunakan
• Kandungan karbon dari kokas

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 %

Contoh:

Hitunglah debit angin yang dibutuhkan jika diameter dalam 550 mm dan kokas 13% atau 13kg/100kg Fe

Jawab:

W = 4.5 D² x K /60 [nm³/menit]

= 4.5 x (5.5)² x 13 / 60

= 29.49 [nm³/menit]

4. Perhitungan Kokas Yang Dipakai Untuk Peleburan Secara Teoritik

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,

dimana:

H_n(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 = 1,398,391/99,600

C = 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 [%]

η_v = efisiensi pembakaran [%]

Contoh:

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%. h_v = 55% ; kandungan karbon dalam kokas = 90%

Jawab :

Debit udara tiup :

W = 4.5 D² K/60 nm³/menit

= (4.5 x 5² x 14)/60

= 26.25 nm³ /menit.

Kapasitas peleburan :

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.

Optimasi kinerja tanur kupola dengan menggunakan Diagram Net.

Contoh :

Diameter dalam kupola = 550 mm

Temperatur cairan yang diinginkan sewaktu tapping 1475 °C

Tentukan:  Debit angin [nm³/m² menit]

Karbon (C) % (kokas)

Daya lebur ton/jam

Jawab:

Luas penampang diameter dalam kupola = π/4 x (0.55)² [m²]= 0.2375 [m²]

Dari Diagram Net didapat:

Debit angin spesiftk 110 [nm³/m² menit]

Karbon 12% ÷ 13.5% kokas

Daya lebur spesifik 8.5 [ton/m² jam]

Maka:

Debit angin = 110 [nm³/m² menit] x 0,2375 [m²] = 26,125 [nm³/menit]

Karbon 12% ÷ 13.5% kokas

Daya lebur = 8.5 [ton/m² jam] x 0,2375 [m²] = 2 [ton/jam]