BAHAN AJAR MATA KULIAH. Untuk digunakan di Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta Peminatan Teknologi Silikat

BAHAN AJAR MATA KULIAH

TEKNOLOGI KERAMIK II

Untuk digunakan di Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta Peminatan Teknologi Silikat

Disusun Oleh: Irfan Purnawan, ST, MChemEng

Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta 2010

- Bahan Ajar Teknik Pembakaran -

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI .................................................................................................................................... i DAFTAR TABEL DAN GAMBAR ............................................................................................... ii Chapter 1 Perpindahan Panas .......................................................................................................... 1 1.1. PP Konduksi ......................................................................................................................... 1 1.2. PP Konveksi ......................................................................................................................... 1 1.3. PP Radiasi ............................................................................................................................ 2 1.4. PP Keseluruhan .................................................................................................................... 2 a. PP di dinding tungku ....................................................................................................... 2 b. PP di luar dinding ............................................................................................................ 3 Chapter 2 Teknologi Pembakaran .................................................................................................. 5 2.1. Pembakaran .......................................................................................................................... 5 2.2. Aspek Ruangan Pembakaran ................................................................................................ 7 a. Keadaan Atmosfer Tungku .............................................................................................. 7 b. Tekanan Tungku .............................................................................................................. 8 c. Pencampuran Udara Bahan Bakar ................................................................................... 8 d. Nilai Panas....................................................................................................................... 8 e. Reaksi Kimia Pembakaran............................................................................................... 9 Chapter 3 Bahan Bakar Untuk Industri Keramik .......................................................................... 10 3.1. Macam Bahan Bakar .......................................................................................................... 10 3.2. Sifat-Sifat Asal Bahan Bakar ............................................................................................. 10 a. Bahan Bakar Padat......................................................................................................... 10 b. Bahan Bakar Cair .......................................................................................................... 11 c. Bahan Bakar Gas ........................................................................................................... 12 Chapter 4 Proses Pembakaran Keramik ........................................................................................ 15 4.1. Pendahuluan ....................................................................................................................... 15 4.2. Sistem Pembakaran ............................................................................................................ 17 4.3. Metode Pembakaran ........................................................................................................... 18 4.4. Prinsip Pembakaran ............................................................................................................ 19 a. Prinsip Pembakaran Umum ........................................................................................... 19 b. Pembakaran Bodi Ubin Keramik (Floor Tile) ............................................................ 21 4.5. Proses yang terjadi pada Puncak Pembakaran .................................................................. 23 Chapter 5 Pengendalian Pembakaran Barang Keramik ................................................................ 25 5.1. Trayek Pembakaran ............................................................................................................ 25 5.2. Peralatan Bakar (tungku dan burner) dan kontrol .............................................................. 25 5.3. Alat Kontrol Suhu Pembakaran.................................................................................. 26 5.4. Tes laboratorium barang yang dibakar pada suhu tinggi .......................................... 28 5.5. Tes laboratorium terhadap sifat-sifat produk keramik .............................................. 29 Chapter 6 Tungku Keramik (Kiln) ............................................................................................... 30 6.1 Pengertian Tungku ..................................................................................................... 30 6.2 Syarat Tungku yang Baik .......................................................................................... 30 6.3 Faktor-faktor yang Harus Dipertimbangkan dalam Memilih/merancang Tungku ..... 30 6.4 Klasifikasi Tungku Keramik ...................................................................................... 30 6.5 Pemilihan Tungku ...................................................................................................... 31 6.6 Karakteristik Tungku Keramik ................................................................................... 32 6.7 Pengoperasian Tungku: .............................................................................................. 33 6.8 Perkembangan Tungku/Kiln ...................................................................................... 33

- Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta -

i


DAFTAR TABEL DAN GAMBAR

DAFTAR TABEL Tabel 1: Komposisi udara pada kelembaban 80% dan 100% ......................................................... 6 Tabel 2: Karakteristik Pembakaran Bahan Bakar ......................................................................... 13 Tabel 3: Sifat-sifat Pembakaran dan Perbandingan Bahan Bakar ................................................. 14 Tabel 4: Perbandingan antara proses single firing dan double firing ............................................ 18 Tabel 5: Diagram of the Transformation Brought Abour in a Clay for Red Stoneware ............... 22 Tabel 6: Spesifikasi Orthone Cone................................................................................................ 27

DAFTAR GAMBAR Gambar 1: Segitiga Pembakaran ..................................................................................................... 5 Gambar 2: Unit Firing (pembakaran) ........................................................................................... 19 Gambar 3: Orthone Cone/Pancang Seger ...................................................................................... 27

- Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta -

ii


Chapter 1 Perpindahan Panas Perpindahan Panas (PP) dibedakan menjadi 3 macam: 1. PP Konduksi. 2. PP Konveksi 3. PP Radiasi. 1.1. PP Konduksi Adalah perpindahan/perambatan panas yang berlangsung tanpa adanya perpindahan molekul/materi dari benda yang dilalui. Perpindahan panas secara konduksi hanya terjadi jika ada perbedaan suhu sebagai driving force. Besar kecilnya perpindahan panas sebanding dengan besarnya perbedaan suhu dan berbanding terbalik dengan tahanan (heat resistance).

Menurut Hukum Fourier's: Kecepatan perambatan panas pada bahan tertentu sebanding dengan luas bidang yang dilalui, perbedaan suhu, jenis bahan dan berbanding terbalik dengan jarak yang dilalui.

dQ  k A dt  dt dL Persamaan di atas disederhanakan menjadi:

q

 k A (T1  T2 ) L

Dengan: q

= perambatan panas persatuan waktu, kal/jam

Tl

= suhu yang lebih tinggi, °C

T2 = suhu yang lebih rendah, °C k

= konduktivitas panas bahan, yang besarnya tergantung jenis bahan dan temperatur kerja, kal. m/j.m2.c

A

= luas permukaan tegak lurus arah aliran panas, m2

L

= jarak yang dilalui, m

1.2. PP Konveksi Aliran panas dibarengi aliran fluida, tetapi pada lapisan tipis dekat dinding fluida dianggap diam dan memiliki tahanan panas spesifik serta koefisien perpindahan panas permukaan (h), atau disebut juga tetapan film. Lapisan x1 dan x2 sangat tipis dianggap suatu tetapan sehingga: Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

1


x1

L

x2

T1

R1 

1 h1  A1

R2 

1 h2  A2

RL 

1 hL  AL

T2

Δt2 Δt3

Δt1

q

T1  T2 1 /( h1  A1 )  L /( hL  AL )  1 /( h2  A2 )

 t3  t1  t2 = = 1 /( h1  A1 ) L /( hL  AL ) 1 /( h2  A2 ) 1.3. PP Radiasi Perpindahan panas radiasi tidak memerlukan media sebagai transfer panas.

Q   . .T 4 A Dengan:

ε

= emisifitas

σ

= konstanta

1.4. PP Keseluruhan Dalam tungku

Dinding tungku

Dinding luar

Panas

Udara Konveksi

Konduksi

Konveksi

Radiasi

Radiasi

Perhitungan PP dalam keadaan tetap. Keadaan tetap: suhu, aliran panas, tidak ada perubahan waktu, tidak ada aliran udara. a. PP di dinding tungku

ti

ta t1 t2

to

l1

l2

l3

λ1

λ2

λ3

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

2


Dengan: λ

= Konduktivitas panas (Kkal/m.h.°C)

l

= tebal refraktori (m)

Q1 = jumlah PP yang melewati dinding (Kkal/m 2.h) ti

= temperatur dalam dinding (°C)

t1 = temperatur lapisan 1 (°C) t2 = temperatur lapisan 2 (°C) to = temperatur luar dinding (°C) ta = temperatur luar/udara (°C) (1) 3 lapisan

Q1 

ti  t 0 1 / 1  2 /  2  3 /  3

(2) n lapisan

Qn 

ti  t 0 1 / 1  2 /  2  ......  n / n

Temperatur masing-masing lapisan: t1 = ti - Q1 x l1/λ1 = ti -

ti t 0 x l1/λ1 1 / 1  2 /  2  3 /  3

t2 = t1 - Q1 x l1/λ1 = t1 -

ti t 0 x l2/λ2  2 /  2  3 /  3

b. PP di luar dinding (1) Radiasi



Q3 = jumlah panas

Q3 = hr (to - ta) kkal/m2.h Dengan: ta = temperatur luar/udara (°C) hr = koefisien PP radiasi (kkal/m2.h.°C)

4,88 x  x hr =

4    273  t 0    100  

to  ta



4  273  ta      100   

4

ε = untuk besi atau refraktori = 0.85


3


(2) Konveksi  Q4 = jumlah panas Q4 = hc (to - ta) kkal/m2.h Dengan: hc = koefisien PP konveksi (kkal/m2.h.°C) = bata (20°C) = 0.93 = pottery (glazed 20°C) = 0.92

dinding  hc = 1.5 x

4 to

 ta

atap

 hc = 2.1 x

4 to

 ta

lantai

 hc = 1.1 x

4 to

 ta

(3) Total panas: Q2 Q2 = Q3 + Q4 = (hc + hr) (to - ta) Jadi jumlah panas yang melewati dinding = jumlah emisi panas dari permukaan dinding luar Q1 = Q2 Jika to tidak diketahui: Q1 > Q2 (to primer < to sekunder) Q1 < Q2 (to primer > t0 sekunder)


4


Chapter 2 Teknologi Pembakaran 2.1. Pembakaran Arti pembakaran adalah suatu pencampuran yang cepat antara oksigen dengan elemen bahan bakar yang menghasilkan panas sebagai akibat reaksi kimia antara elemen bahan bakar dan oksigen. Syarat-syarat yang menentukan terjadinya pembakaran, seperti tergambar dalam segitiga pembakaran, yaitu: 1. Bahan Bakar (Fuel) 2. Oxidizer (O2) 3. Energi Aktivasi, Ea (Activated Energy)

Oxidizer

Fuel

Gambar 1: Segitiga Pembakaran (Combustion/Firing triangle) Activated Energy Tanpa salah satu komponen tersebut di atas, maka tidak akan terjadi proses pembakaran. Bahan bakar merupakan komponen yang terbakar yang memiliki nilai kalor tertentu tergantung dari bentuk dan jenisnya. Mengenai bahan bakar, akan dibahas tersendiri di chapter lain. Energi aktivasi adalah energi minimum yang dibutuhkan oleh suatu reaksi untuk melakukan reaksi. Oksigen pun merupakan komponen yang mempengaruhi terjadinya proses pembakaran. Tanpa oksigen, bahan bakar tidak akan teroksidasi menghasilkan panas untuk pembakaran. Reaksi umum pembakaran: C + O2  CO2 + panas/energi Oksigen yang berasal dari udara mempunyai bagian volume sebesar 21% dan selebihnya 78% Nitrogen dan 1% lainnya molekul-molekul gas lain. Sedangkan bahan bakar mempunyai elemen-elemen yang bisa terbakar menghasilkan panas yaitu karbon, hidrogen dan belerang. Unsur/senyawa lain yang bisa terkandung dalam bahan bakar, tetapi menyerap panas hasil pembakaran sehingga panas reaksi pembakaran bahan bakar berkurang besaran energinya, yaitu air (H2O) dan abu (senyawa yang tidak terbakar dan merupakan sisa/residu). Dalam keadaan kering, udara tersusun dari unsur/senyawa sebagai berikut: O2

= 20,99% volume atau 23,20% berat

N2


Argon


Lainnya


Air (H2O) = 0 %

volume atau 0 %


berat 5


Bila dalam keadaan kelembaban 80% dan 100% serta suhu 60 oF (± 16°C) maka komposisinya dapat dilihat pada table 1 berikut: Tabel 1: Komposisi udara pada kelembaban 80% dan 100% Unsur Udara 02

N2

Air

80% Kelembaban suhu 60°F 100% Kelembaban suhu 60°F 20,696% vol

20,623% vol

22,997% berat I

22,944% berat

76,938% vol

76.665% vol

74,806% berat

74.631% berat

0,927% vol

1,285% berat

1,288% berat H20

1,399% vol

1,749% vol

0,872% berat

1,096% berat

Ada 3 macam atmosfir/kondisi pembakaran: (1) Pembakaran Netral C + O2  CO2 + panas/energi Pembakaran berlangsung dengan sempurna bila perbandingan antara jumlah molekul bahan bakar dan oksigen tepat jumlahnya. Dalam hal bahan bakar terbakar habis dan tidak ada kelebihan oksigen. (2) Pembakaran Oksidasi C + 2 O2  CO2 + O2 + panas/energi Bila jumlah oksigen kelebihan, artinya semua unsur bahan bakar terbakar habis, tetapi dalam gas hasil pembakaran masih terkandung oksigen. (3) Pembakaran Reduksi (pembakaran tidak sempurna) 2 C + O2  CO2 + C + panas/energi Bila oksigen kurang jumlahnya dan bahan bakar lebih banyak sehingga di dalam gas hasil pembakaran masih mengandung unsur bahan bakar.

Nyala api pada pembakaran oksidasi cenderung lebih pendek dan lebih jernih. Sedang pada pembakaran reduksi, nyala api cenderung lebih panjang dan kadang-kadang berasap (hitam). Karena O2 diperoleh dari udara, maka volume udara yang diperlukan haruslah lebih banyak dibanding apabila digunakan oksigen murni. Didalam proses pembakaran, sering digunakan pengertian udara primer, udara sekunder dan udara tertier.


6


Udara primer adalah udara yang bercampur langsung dengan bahan bakar atau di dalam alat pembakar. Udara sekunder adalah udara luar dari sekitar pembakaran. Sedangkan udara primer adalah udara tambahan yang dialirkan dari luar alat pembakar. Faktor-faktor dalam pembakaran Udara yang dialirkan kedalam ruang pembakaran bahan bakar harus menjamin tercapainya pembakaran sempurna. Karena pembakaran sempurna bukanlah merupakan pembakaran yang efisien, maka penambahan udara lebih tidak boleh menyebabkan banyaknya oksigen terikut dalam gas produk pembakaran. (kelebihannya tertentu saja). Suplai udara mesti diperhitungkan kecepatannya dalam waktu yang tepat/cukup sehingga oksigen bergerak bebas dan bercampur dengan bahan bakar. Untuk bahan bakar padat, udara tidak saja harus nampak berkontak dengan elemen karbon bahan bakar (karbon terikat) tetapi juga zat terbang dalam bahan bakar (volatile matter). Gas hasil pembakaran harus dipertahankan pada atau di atas temperatur penyalaan bahan bakar, sehingga selalu terjadi pembakaran sempurna dari bahan bakar. 2.2. Aspek Ruangan Pembakaran Untuk mengantisipasi terjadinya ekspansi atau perbesaran volume gas hasil pembakaran karena kenaikan temperatur pembakaran terhadap waktu. Dengan perkataan lain jangan sampai terjadi hambatan aliran gas asap. a. Keadaan Atmosfer Tungku Atmosfer tungku disebut oksidasi bila di dalam tungku terdapat kelebihan oksigen atau udara. Kondisi oksidasi ini seringkali diperlukan untuk tujuan tertentu agar terjadi reaksi kimia tertentu dalam barang yang dipanasi oleh panas gas hasil pembakaran. Hal ini memberikan akibat terjadinya pemborosan bahan bakar dan timbulnya kerak-kerak karbon. Tetapi hal ini kadang diperlukan untuk menurunkan temperatur nyala dengan memasukkan udara dingin ketika temperatur pembakaran masih rendah. Atmosfer tungku disebut reduksi jika di dalam tungku masih kekurangan oksigen atau udara untuk mencapai pembakaran sempurna. Kondisi ini menyebabkan banyak bahan bakar tak terbakar sempurna terikut dalam gas yang keluar cerobong/tungku dan menurunkan temperatur. Atmosfer tungku netral jika bahan bakar terbakar sempurna dan temperatur pembakaran mencapai harga tertinggi dan menyatakan jumlah bahan bakar maksimum yang ekonomis dalam pembakaran.


7


b. Tekanan Tungku Tungku-tungku pembakaran keramik pada umumnya mempunyai tekanan 1 atmosfer atau sangat kecil lebihnya pada sepanjang proses pembakaran. Mengapa tekanan tungku mesti atmosferik? Hal ini penting, sebab jika tekanannya lebih besar dari 1 atmosfer maka akan terjadi semburan nyala gas dari dalam tungku keluar, melalui celah-celah dinding tungku. Sebaliknya bila tekanannya kurang dari 1 atmosfer maka akan terjadi hisapan udara luar oleh tungku. c. Pencampuran Udara Bahan Bakar Pencampuran yang baik diperlukan untuk mencapai pembakaran yang efisien. Campuran akan homogen jika tiap partikel bahan bakar berkontak langsung dengan partikel-partikel udara. Pada kebanyakan bahan bakar, terjadi perubahan fasa menjadi gas sebelum ia terbakar oleh udara dan campuran timbulan harus diusahakan agar terjadi campuran gasudara yang merata dan mudah terbakar pada temperatur penyalaannya. Bahan bakar cair biasanya diuapkan dahulu menjadi uap yang mudah terbakar menjadi gas pembakaran. Bahan bakar cair harus diatomisasi/dikabutkan untuk menghasilkan berjuta-juta partikel cairan yang mempunyai luas permukaan yang besar sehingga mudah menguap. Cara lain adalah dengan memecah ikatan karbon dengan nyala di sekitarnya menjadi ikatan hidrokarbon ringan yang mudah menguap dan kemudian terbakar. Sedang hidrokarbon yang padat/berat akan menghasilkan nyala kuning. Reaksi pembakaran bahan bakar pada temperatur kamar sesungguhnya telah terjadi, tetapi sangat lambat. Akumulasi panas dari hasil reaksi pembakaran akan makin besar, sehingga temperatur bahan bakar naik. Seiring dengan kenaikan temperatur bahan bakar, mempercepat kecepatan oksidasi dan seterusnya sampai pada suatu saat terjadi pembakaran spontan. Namun hal ini sangat sulit. Caranya dengan menyediakan sumber panas di luar bahan yang dibakar untuk mempercepat pemanasan bahan bakar sehingga terjadi penguapan partikel bahan bakar, dan terjadi pembakaran sendiri dari bahan bakar tersebut. Temperatur nyala bahan bakar. Ini penting untuk terjadinya proses pembakaran yang terus menerus. d. Nilai Panas Nilai panas adalah panas yang dibebaskan ketika bahan bakar terbakar oleh udara/oksigen, yaitu banyaknya panas/kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 satuan


8


massa per 1 satuan volum bahan bakar. Nilai panas bahan bakar dinyatakan sebagai BTU (British Thermal Unit), Kilokalori (kcal), joule, watt-detik. 

Nilai panas kotor (Nilai kalor atas) Gross Heating Value atau Higher Heating Value atau Higher Caloritic Value adalah banyaknya panas/kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 satuan massa per 1 satuan volum bahan bakar dengan ketentuan H2O hasil pembakaran berada pada fase cair.



Nilai panas bersih (Nilai kalor bawah) Net Heating Value atau Lower Heating Value atau Lower Caloritic Value adalah banyaknya panas/kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 satuan massa per 1 satuan volum bahan bakar dengan ketentuan H2O hasil pembakaran berada pada fase gas.

Nilai panas kotor = Nilai panas bersih - panas penguapan air yang dihasilkan dari reaksi hidrogen dan oksigen. Pada temperatur yang tinggi gas hasil pembakaran bisa terurai/terdisosiasi, misalnya: 2 CO2 + PANAS  2 CO + O2 2 H2O + PANAS  2 H2 + O2 Temperatur mulai terjadinya proses disosiasi adalah antara 1870 - 2090 °C untuk kebanyakan bahan bakar. Temperatur nyala teoritis dapat dihitung dengan mengabaikan kehilangan panas ke sekelilingnya. Temperatur Nyala Teoritis



Nilai Panas Bersih  Panas untuk disosiasi (berat komponen  komponen bahan bakar ) x ( Panas jenis komponen bahan bakar )

Temperatur nyala aktual = temperatur nyala teoritis dikurangi panas yang hilang ke sekitarnya. Temperatur nyala akan menurun jika terdapat udara kelebihan dalam gas hasil pembakaran. Misalnya: udara ekses 16,2% (0,86 equivalent ratio) menurunkan temperature nyala sebesar 262°. Oleh karena itu, bila temperatur tungku harus tinggi maka ketelitian perbandingan bahan bakar/udara harus teliti atau dikontrol ketat sekali. e. Reaksi Kimia Pembakaran (1) C

+

O2



(l kg) (2 2/3 kg) (2) C

+

O2 O2

+ 8.056 kcal = 33,73 MJ

(3 2/3 kg) 

(l kg) (1 1/3 kg) (3) CO +

CO2 CO

+ 2.417 kcal = 10,12 MJ C

(3 1/3 kg) 

(1 1/3 kg) (1 1/3 kg)

CO2

+ 5.639 kcal = 23,61 MJ C (3 2/3 kg)


9


Chapter 3 Bahan Bakar Untuk Industri Keramik 3.1. Macam Bahan Bakar Berdasarkan keadaan fisika atau fasa-nya, terdapat 3 macam bahan bakar, yaitu: a. Bahan Bakar Padat Misalnya: kayu bakar/kayu hutan, sekam padi, jerami, daun tebu, serbuk gergaji, sabut & tempurung kelapa, batu bara dan sebagainya. b. Bahan Bakar Cair Misalnya: minyak bumi; yaitu minyak tanah atau kerosen, minyak solar atau minyak Disel putaran cepat (USD), minyak Disel Putaran lambat (ICO), minyak bakar jenis residu (minyak residu) c. Bahan Bakar Gas Misalnya: gas alam. Gas buatan (hasil penyulingan minyak bumi mentah/crude oil), gas kota (hasil penyulingan kokas/batu bara) dan sebagainya. Gas hasil penyulingan minyak bumi yang populer adalah gas ELPIJI (gas propane/butane) 3.2. Sifat-Sifat Asal Bahan Bakar a.

Bahan Bakar Padat 

Kayu bakar -

Kayu bakar kering matahari (setelah dijemur), biasanya mengandung air 15-20% berat kayu

-

Kayu bakar mengandung bahan bakar

-

80% berupa zat yang mudah menguap pada suhu penyalaannya

-

20% berupa arang karbon yang sukar terbakar tanpa udara yang cukup.

-

Kurang dari 5% abu.

-

Nilai panas kayu antara 3500 - 5500 kcal/kg (tergantung berat jenis kayu)

-

Berat jenis kayu bakar bervariasi antara 0,6 - 0,7 kg/dm3. Atau kira-kira 400 500 kg/m3 tumpukan kayu



Suhu penyalaan ± 300°C

Bahan bakar limbah pertanian  Sekam Padi -

Kadar abu tinggi (sampai 24%)

-

Zat yang mudah terbakar < 60%

-

Zat karbon < 30%


10


-

Kadar air + 10%

-

Nilai panas: 3000 - 3500 k cal/kg

 Sabut kelapa, jerami, daun tebu dan sebagainya. -

Zat mudah terbakar tinggi

-

Nilai panas: 300 - 400 Kcal/kg

 Tempurung kelapa -

Zat karbon tinggi

-

Zat mudah terbakar rendah

-

Nilai panas: 4000 - 5000 kcal/kg.

 Dan sebagainya. 

BatuBara Ada bermacam-macam batu bara 1. Jenis Peat (gambut) 2. Jenis Lignit 3. Jenis Bituminus 4. Jenis Antrasit Makin tinggi nilai panas pembakarannya, makin tinggi berat jenis batu baranya (sampai 1,3 g/cc) tetapi makin rendah kadar zat yang mudah terbakarnya. Nilai panas batu bara bertingkat-tingkat sesuai dengan jenisnya: Misalnya: - Jenis Peat (gambut) : 3000 - 4000 kcal/kg - Lignit

: 4000 - 5000 kcal/kg

- Bituminus

: 6000 - 7000 kcal/kg

- Antrasit

: 8000 - 9000 kcal/kg

Kadar abunya juga bervariasi dari yang rendah, yaitu kurang dari 5% sampai ada yang lebih dari 30%. b.

Bahan Bakar Cair Yang dimaksud bahan bakar cair dalam hal ini adalah bahan bakar cair hasil penyulingan minyak bumi. Untuk bahan bakar yang umum dipakai adalah: 

Minyak tanah atau kerosene Bahan bakar ini sebenarnya tidak boleh digunakan untuk bahan bakar bagi industri, karena diperuntukkan bagi kebutuhan rumah tangga sebagai salah satu dari 9 bahan pokok. Kerosene mempunyai berat jenis antara 0,7 - 0,8 g/cc dan warnanya tergantung dari lamanya berhubungan dengan udara. Bila berhubungan dengan udara, ada Nitrogen


11


yang terlarut sehingga memberi warna agak violet dalam warna yang asli (seperti air). Kerosen mudah menyala, bila suhu sekitarnya sekitar 150°C. 

Minyak Solar Minyak solar diperuntukkan sebagai bahan bakar untuk mesin-mesin disel yang berputaran cepat baik mesin disel kendaraan umum atau industri atau untuk pembakaran pada tungku-tungku di industri kecil. -

Berat jenis minyak solar: 0,82 - 0,87 gram/oC.

-

Minyak solar ini lebih kental sedikit dibanding minyak kerosen, tetapi lebih encer dibanding minyak disel putaran lambat.



-

Nilai panasnya rata-rata 10.400 kcal/kg

-

Tidak mudah menguap seperti bensin

Minyak Disel Nama lain dari minyak disel ini ialah I.D.O. (Industrial Disel Oil) atau MDF Minyak Disel mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:



-

Berat jenis 0,85 - 0,92 gram/cc

-

Lebih kental dari minyak solar (35-45 detik Redwood)

-

Nilai panas 10.000 kcal/kg

-

Warna lebih gelap dari pada minyak solar

-

Pada suhu kamar bentuknya cair

Minyak Bakar Nama lain adalah F.O. (Fuel Oil) atau M.F.O (Marine Fuel Oil) sering pula disebut sebagai minyak residu. Sifat-sifat:

c.

-

Berat jenis 0,92 - 0,99 gram/cc

-

Kental (400 - 1000 detik Redwood I pada suhu ± 40°C.

-

Nilai panas = 9.500 kcal/kg

-

Sering tidak mudah mengalir, terutama dalam pipa alir yang kecil dan panjang

-

Warna hitam gelap karena banyak karbon kasar dalam cairannya

Bahan Bakar Gas Yang umum digunakan oleh industri adalah gas alam (misalnya di industri kapur Palimanan Cirebon) dan gas ELPIJ1 atau gas yang dicairkan. Gas ELPIJI lebih mudah dibeli, karena disimpan dalam tabung-tabung khusus yang beratnya sampai 50 kg. Gas alam masih sulit dipakai bila tanpa membuat instalasi pipa pengalir dan daerah sumbernya.


12


Sifat-sifat Gas: 

Berat jenis diukur terhadap berat jenis udara = 1,225 kg/m3 (Pada t = 0°C, tekanan 1 atm)

Berat jenis udara

= 0,0765 lt/ft3 Berat jenis gas Propane (LPG) = 1.856 x 1,225 kg/m3 = 2,27 kg/m3 Bila berat jenis udara dianggap = 1 maka berat jenis propan

= 1,52

berat jenis butan 

= 2,0

Panas Pembakaran Gas Gas Propane:

21.600 BTU/lb atau

5443,20 kcal 0,454 kg

11.989,43 kcal/kg atau 12.000 kcal gas/kg. Gas Butane

= 21.200 BTU/lb

= 1.767,400 kcal/kg = 22.439,59 kcal/m3 Sifat-sifat Gas Gas Propane 

Berat jenis: 1,52 bila BD udara = 1, atau 1,862 kg/m3



Panas Pembakaran = 11.989 kcal/kg = ± 12.000 kcal/kg = 22.400 kcal/m3

Butan 

Berat jenis: 2 bila BD udara = 1, atau: 2,45 kg/m3 (Pada °C, 1 atmosfer)



Panas Pembakaran: 11.676 kcal/kg = ± 11.800 kcal/kg = 28.500 kcal/m3

Tabel 2: Karakteristik Pembakaran Bahan Bakar

Bahan Bakar

Minimum, Suhu Penyalaan (oC)

Temperatur Nyala Kecepatan Nyala Teoritis (°C) (M/Det)

Udara Teoritis (%)

1. Gas Butane

480

1973

0,4

97

2. CO Gas

609

1950

0,52

55

3. Bensin

280

-

-

-

4. Hidrogen

572

2045

2,83

57

5. Gas Alam

-

1941

0,30

100

500

1967

0,85

-

6. Propane


13


Tabel 3: Sifat-sifat Pembakaran dan Perbandingan Bahan Bakar Bahan bakar Bahan Bakar Gas Bahan Bakar Minyak Bahan Bakar Padat Sifat Pembakaran 1. Efisiensi pembakaran

Baik

Agak baik

Miskin (kecil)

2. Asap

Hampir tidak ada

Moderat

Banyak

3. S02 gas

Hampir tidak ada

Sedikit

Banyak

4. Abu

Hampir tidak ada

Sedikit

Banyak

5. Pengendalian pembakaran Mudah

Moderat

Sulit

6. Sifat nyala

Nyala pendek

Antara gas & padat

Panjang

7. Otomatisasi

Mudah

Tidak begitu sulit

Sulit

8. Ruang bakar

Paling kecil

Lebih besar dari gas

Paling besar

9. Harga per kalori

Paling mahal

Sedang

Sedikit mahal

10 Tempat penyimpan

Mahal

Moderat

Murah

11. Fasilitas pembakaran

Seperti minyak

Mahal

Tidak mahal

12. Pencegahan polusi

Tidak masalah

Makin berat minyak Masalah makin sulit/masalah

13. Residu/sisa

Tidak ada

Hampir tidak ada

Ada

14. Kerusakan ruang bakar

Kecil

Sedang

Signifikan

15. Pengukuran penghematan Mudah

Moderat

Sulit

16. Safety Precaution

Perlu

Perlu

Tidak perlu

17. Penggunaan peralatan

Mudah

Sukar untuk F.O

Sulit


14


Chapter 4 Proses Pembakaran Keramik 4.1. Pendahuluan Produk keramik sedikitnya telah mengalami satu kali pembakaran_untuk mengubah barang mentah berbentuk tertentu secara Irreversible menjadi produk yang keras, tahan lapuk oleh air dan kimia. Ceramic Tiles meliputi produk-produk Ubin Dinding (Floortiles), Granito dan Genteng Berglasur. Keramik berasal dari kata Yunani Kuno "KERAMOS" yang berarti api. Oleh karena itu, produk keramik dalam proses produksi meski sudah berbentuk barang keramik belum bisa disebut keramik selama belum dibakar. Baik produk Walltiles (WT) maupun Floortiles (FT) merupakan bahan bangunan yang nilainya dibanding seluruh produk keramik dunia bisa mencapai 80%. Indonesia merupakan negara yang maju cepat industri keramiknya pada periode 1992-1998 dari urutan 12 produksi dunia Ceramic Tiles melompat ke urutan 6 besar dunia, bahkan pernah ke urutan 5 besar dunia pada tahun 1998. Kapasitas terpasang produksi tiles Indonesia sekitar 400 juta m 2 per tahun, dimana sekarang ini bekerja pada 70% kapasitas terpasang. Italia sebagai negara nomor satu di dunia dalam produksi Ceramic Tiles mempunyai produksi 560 juta m 2 per tahun. Indonesia dalam pemakaian Ceramic Tiles baru mencapai 1.0 m 2 per kapita per tahun. Sedangkan untuk Italia sudah mencapai angka 14 m2 per kapita per tahun. Barang keramik yang berglasir secara tradisional dibakar dua kali yaitu pembakaran biskuit (Biscuit Firing) untuk semua bodi kecuali porselen keras harus sampai masak. Barang biskuit ini kemudian dilapisi bahan glasir dan dibakar glost (mengkilap) pada suhu yang lebih rendah untuk mematangkan glasir. Dalam hal porselen keras (hard porcelain) pembakaran biscuit tidak sampai masak bodinya, produk yang berpori yang ingin dihasilkan. Kemudian setelah diglasir dilakukan pembakaran glost pada suhu yang lebih tinggi sehingga bodi dan glasir masak bersama-sama. Kecenderungan modern adalah ingin menghilangkan pembakaran kedua dan barang yang berglasir mentah dapat dibakar sekali sehingga disebut once firing atau single firing. Kedua bodi dan glasir, komposisinya harus diatur agar cocok untuk metloda single firing ini agar sukses. Barang keramik dekoratif mengalami pembakaran lebih dari sekali. Dekorasi under glaze seringkali diterapkan dengan menggunakan minyak atau pernis yang harus dibakar habis dalam api pada suhu 700 - 800°C, sebelum dilapisi glasir, sedangkan dekorasi on glaze diterapkan pada


15


permukaan keramik berglasir dengan pembakaran hingga 600 - 900°C biasanya 750 - 850°C dalam tungku dekorasi (enamel kiln) yang mana harus berupa muffle kiln atau electric kiln. Warna yang berbeda memerlukan temperatur dekorasi yang berbeda pula, sehingga dapat memerlukan sejumlah pembakaran. Dalam pembakaran bodi keramik perubahan kimia dan fisika akan terjadi karena aksi panas yang bekerja pada bodi keramik. Perubahan ini makin kompleks bila campuran bodi keramik juga kompleks dan termasuk ada reaksi yang sempurna dan tidak sempurna, cepat dan lambat dan sebagainya. Geometri barang yang dibakar juga mempengaruhi. Dalam pembakaran barang keramik tertentu, tidak hanya agar dapat dicapai temperatur tinggi yang diinginkan tetapi penting, pula pengendalian kecepatan pemanasan dan pendinginan. Skejul pembakaran yang terbaik untuk bodi diatur sesuai reaksi yang bakal terjadi. Faktor-faktor yang berpengaruh dalam pembuatan skejul pembakaran: A. Komposisi Bodi - Air terikat dan air higroskopis dapat bebas diuapkan - Pembakaran dan pemisahan campuran dan pengotor organic - Pembakaran dan pemisahan pengotor berbelerang - Reduksi dan oksidasi konstituen bodi - Perubahan volume secara gradual - Perubahan volume mendadak ketika pemanasan/pendinginan - Temperatur kemasakan. B. Penyiapan Bodi - Ukuran butir konstituen bodi - Geometri barang keramik - Permeabilitas permukaan dapat dilewati gas, konduktifitas panas dan elastisitas pada temperatur berbeda. C. Metoda Pembakaran - Waktu dan panas diperlukan untuk memanaskan tungku dan perabotnya. - Beda waktu antara barang yang disusun yang berbeda lokasi untuk mencapai suhu yang ditetapkan. - Cara pengendalian metoda pemanasan. D. Pembakaran Glasir Faktor utama yang berpengaruh: - Pemanasan yang merata dan juga pendinginannya - Oksidasi endapan karbon sebelum glasir menutup permukaan - Kematangannya glasir tepat dan tidak mereduksi kekentalan glasir hingga mengalir meninggalkan barang. Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

16


Dalam perkembangannya proses pembakaran mengalami perubahan yang pesat dengan memunculkan teknik pembakaran cepat (Fast Firing) untuk keramik konvensional. Berkembangnya fast firing untuk komoditi ubin, sanitair, genteng dan table ware menyebabkan teknik pembakaran yang lama disebut conventional firing. 4.2. Sistem Pembakaran Bahan dan produk keramik dapat dibakar dalam bermacam-macam tipe tungku pembakaran baik yang beroperasi secara periodik ataupun secara kontinyu. Tungku keramik berdasarkan aliran nyala api di dalam tungku, dari sumber produksi nyala api di kantong api, ke susunan barang yang dibakar/dipanasi kemudian dibuang ke udara atmosfer ada tiga macam: -

Tungku Api Naik (Up Draft Kiln)

-

Tungku Api Berbalik (Down Draft Kiln)

-

Tungku Api Mendatar (Cross Draft Kiln). Tungku api naik umumnya untuk pembakaran produk keramik secara tradisional yang

efisiensi pembakarannya rendah yaitu kurang dari 20%. Produk yang dibakar misalnya bata merah, genteng, dan gerabah kasar (Mayolica). Tungku api berbalik umumnya digunakan untuk membakar genteng natural atau berglasir suhu rendah antara 800 - 900°C dan tungku api berbalik jenis shuttle kiln yaitu lantai/ruang penyusunan barang dikonstruksi di atas lori yang bisa didorong keluar dan masuk dan dilengkapi tutup pintu tungku. Barang yang dibakar dalam tungku Shuttle lebih beragam, demikian juga temperatur pembakarannya bervariasi lebar (800 oC - 1400 °C). Barang keramik di dalam Shuttle kiln disusun di atas dudukan refraktori yang berupa plat atau Saggers (kotak/silinder) dan penyangga dari refraktori untuk menyusun plat-plat secara bersusun (shelves). Apabila digunakan susunan yang tertutup, tidak diperlukan penyangga (refractory supporter) dan tungku shuttle ini berfungsi sebagai tungku "muffle" yang diaplikasi apabila barang yang dibakar diinginkan tidak bersinggungan dengan nyala api (pembakaran netral). Tungku Shuttle berkembang menjadi lebih produktif dan beroperasi kontinyu/semi kontinyu, yaitu menjadi tunnel kiln dan kemudian menjadi Roller Hearth Kiln. Perkembangan proses pembakaran dengan tunnel kiln dan Roller Hearth Kiln merubah teknologi produksi keramik, dari mulai mutu bahan mentah, penyiapan bahan baku, proses pembentukan dan pengeringan yang harus mampu memfasilitasi implementasi fast firing (proses pembakaran yang lebih cepat). Lama pembakaran yang sebelumnya mencapai 24-50 jam dalam shuttle Kiln atau Tunnel Kiln kini menjadi hanya 30-90 menit untuk pembakaran ubin, 2-4 jam genteng/table wares dan 6-7 jam untuk Sanitair Wares. Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

17


Proses pembakaran keramik merupakan unit operasi yang padat energi, sehingga perbaikan teknologi diarahkan kepada peningkatan efisiensi bahan bakar dari sekitar 30-40% menggunakan tungku konvensional (shuttle & tunnel kiln) kini bisa dicapai efisiensi hingga 60% dengan Roller Hearth Kiln. 4.3. Metode Pembakaran Berdasarkan metode pembakarannya, secara umum terdapat 2 cara pembuatan keramik, yaitu: -

Single Firing Proses single firing adalah proses pembuatan keramik dengan menggunakan satu kali pembakaran yaitu pembakaran glasur atau glost firing. Proses utamanya meliputi persiapan bahan baku, penggilingan, pengeringan, pencetakan dan pengeringan cepat, pengglasuran dan pembakaran. Bodi keramik yang telah dicetak di mesin pres langsung diglasur tanpa dibakar terlebih dahulu. Proses ini lebih sederhana dibandingkan proses double firing dan biasanya digunakan untuk pembuatan keramik lantai (floor tile).

-

Double Firing Proses double firing adalah proses pembuatan keramik dengan menggunakan dua kali pembakaran yaitu pembakaran biskuit atau bodi keramik dan pembakaran glasur atau glost firing. Proses utamanya hampir sama dengan single firing, yaitu meliputi persiapan bahan baku, penggilingan, pengeringan, pencetakan dan pengeringan cepat, pembarakan biskuit, pengglasuran dan pembakaran glasur. Bodi keramik yang telah dicetak mesin pres dibakar terlebih dahulu sebelum diglasur. Kemudian setelah pengglasuran, keramik di bakar lagi. Proses ini biasanya digunakan untuk pembuatan keramik dinding (wall tile) Tabel 4: Perbandingan antara proses single firing dan double firing Single Firing 



Double Firing

Bodi keramik lebih mudah dilapisi



Bodi keramik telah lebih dulu

glasur daripada bodi keramik yang sudah

dibakar sehingga lebih sulit dilapisi

dibakar matang.

glasur.

Untuk membakar bodi keramik sampai



Saat pembakaran kedua kali, bodi

matang diperlukan waktu yang lebih

keramik sudah matang sehingga

lama, sehingga memberi cukup waktu

pembentukan intermediate layer

kepada

kurang sempurna.

glasur

untuk

membentuk

intermediate layer (lapisan tipis hasil reaksi antara bodi dan glasur). Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

18

- Bahan Ajar Teknik Pembakaran 

Memiliki ketahanan yang lebih besar



terhadap crazing (retak-retak) dan cacat

Ketahanan terhadap crazing lebih rendah dibanding single firing.

pembakaran lainnya. 

Proses lebih sederhana.



Proses lebih kompleks.



Investasi lebih kecil.



Investasi lebih besazr.

4.4. Prinsip Pembakaran Pembakaran merupakan langkah proses yang paling penting dalam pambuatan keramik. Fungsi pembakaran adalah merubah green tile/keramik yang masih mempunyai kekuatan rendah (dengan breaking load ± 27 kg/cm2), mudah pecah dan mempunyai permukaan yang kurang bagus menjadi keramik matang dengan breaking load tinggi, lebih besar dari 450 kg/cm2, mempunyai permukaan yang halus, mengkilap baik polos maupun berdekorasi dan tidak mudah pecah.

Gambar 2: Unit Firing (pembakaran) Selama pembakaran, terjadi perubahan-perubahan fisika dan kimia yang sangat kompleks seperti dijelaskan berikut ini. a. Prinsip Pembakaran Umum Untuk menentukan parameter pembakaran tersebut diperlukan 1 seri pemeriksaan laboratorium. Berikut adalah hal-hal pokok yang terjadi selama pembakaran ubin keramik: a. Sampai dengan temperatur 110 oC, air higroskopik dalam bodi dan glasur akan keluar menguap. b. Sampai dengan temperatur 200 oC, air yang menyeliputi kristal, akan menguap. c. Pada temperatur 350 – 650 oC, humus yang terdapat dalam bahan baku bodi seperti tanah liat, kaolin dan feldspar, akan terbakar mengeluarkan gas CO 2. Reaksinya:

Cx Hy + O2



CO2 + H2O

Sulfida dan sulfat yang terdapat sebagai impuritas, juga akan berdisosiasi. FeS2 + O2 o

800 C



Fe2O3 o

1000 C

Na2SO4 akan berdisosiasi menjadi Na2O + SO3 Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

19


d. Pada temperatur 450-650 oC air kristal yang ada pada bahan-bahan bodi akan pecah, air keluar sebagai uap sehingga terjadi kerusakan kristal. Proses ini terjadi pada tanah liat, kaolin, mika dan chlorite. 

Kaolin dan tanah liat (clay) Al2O3 . 2 SiO2 . 2 H2O



Al2O3 + 2 SiO2 + 2 H2O

Mika K2O . 3 Al2O3 . 6 SiO2 . 2 H2O

K2O + 3 Al2O3 + 6 SiO2 + 2 H2O

Mika berdekomposisi pada 850-1000 oC dan dekomposisi berakhir pada temperatur 1000 oC. 

Chlorite Mg3 (Mg3-X AlX) (Si4-X AlX) O10 (OH)8 , dengan x = 1 dan 2. Chlorite berdekomposisi pada temperatur 700 oC, dengan reaksi sebagai berikut, misalnya pada Chlorite dengan x = 1. MgO.4 Mg(OH)2.Al2O3. 3 SiO2  5 MgO + Al2O3 + 3 SiO2 + 4 H2O + 2 O2

e. Antara temperatur 210-280 oC akan terjadi perubahan kristal-kristal Quartz. -crystobalite  -crystobalite, dengan perubahan volume 2 % Pada temperatur 573 oC -quartz  -quartz, dengan perubahan volume 5 % Pada kedua temperatur di atas, pembakaran harus dilakukan dengan rate of heating lamban (kenaikan temperatur lambat). f. Dalam body ubin keramik terdapat sedikit beberapa senyawa kalsium, magnesium/dolomit sebagai impuritas, meskipun jumlahnya sedikit, tetapi akan mengganggu karena dapat mengakibatkan terjadinya reaksi dekomposisi pada temperatur 800-950 oC. CaCO3

CaO + CO2

MgCO3

MgO + CO2

(Dolomit) MgCO3. CaCO3

CaO + MgO + 2 CO2

g. Campuran antara K2O, Al2O3dan SiO2 sebagian akan mulai melebur pada temperatur 732 oC. Semakin tinggi temperatur, maka akan makin bertambah tingkat meleburnya. Begitu pula antara Na2O, Al2O3dan SiO2 mulai melebur pada temperatur 695 oC dan tingkat leburan akan bertambah bila temperatur terus naik. h. Pada temperatur 700 oC akan terjadi pembentukan kristal dari senyawa silikat atau senyawa silikon aluminit kompleks. Reaksi silika dan alumina akan membentuk tekstur bodi keramik yang membuat bodi keramiknya lebih keras dan mempunyai breaking load lebih tinggi. Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

20


b. Pembakaran Bodi Ubin Keramik (Floor Tile) Perubahan-perubahan yang terjadi pada pembakaran bodi ubin keramik dapat diamati dari analisis diffraktometri (x-rays), yaitu sebagai berikut: (1) Terjadi perusakan kristal kaolin / tanah liat mulai pada temperatur 500 oC. (2) Chlorite berdekomposisi pada temperatur 700 oC. (3) Kristal mika pecah dengan cepat pada temperatur 850 – 1000 oC. K2O . 3 Al2O3 . 6 SiO2 . 2 H2O



K2O + 3 Al2O3 + 6 SiO2 + 2 H2O

(4) Quartz mulai mencair sebagian pada temperatur 950 oC dan semakin banyak yang mencair bila temperatur naik, tetapi tidak pernah seluruhnya mencair walaupun sampai temperatur tinggi (1160 oC). (5) Feldspar masih belum berubah sampai pada temperatur 1000 oC, tetapi mulai melunak dan mencair total pada temperatur 1100oC. (6) Pada temperatur 1100 oC, terbentuk spinel yang menyebabkan bodi keramik bertambah kuat. MgO + Al2O3

MgO . Al2O3

(7) Pada temperatur 1100 – 1160 oC mulai terbentuk mullite yang makin banyak terbentuk bila temperaturnya tinggi, kemudian mulai mengkristal. 3 Al2O3 + 2 SiO2

3 Al2O3 . 2 SiO2

(8) Beberapa fase cair sudah mulai terbentuk pada temperatur 900 oC dan semakin banyak pada saat temperatur dinaikkan. Hampir semua quartz mencair dan bereaksi dengan oksida-oksida lain. Hampir terjadi seluruh perubahan mineralogi material pada temperatur 1100 oC. Bodi keramik berubah menjadi amorf atau fase vitreous yang mempunyai kekerasan dan breaking load yang lebih tinggi sesudah didinginkan. Diagram perubahan dari raw material menjadi vitreous body/red stone ware terlampir. (9) Pada temperatur lebih dari 1100 oC tergantung dari komposisi body, senyawa silicon aluminat semakin banyak terbentuk yang merupakan fase vitreous. Dengan hilangnya gas-gas karbon, pori-pori menjadi menyempit dan terjadi penyusutan sampai terbentuk body vitreous yang mempunyai kekerasan dan breaking load yang tinggi. Kaolin dan tanah liat akan berubah menjadi mullite dan vitreous silica dari temperatur 650 oC sampai 1160 oC. 3 (Al2O3 . 2 SiO2 . 2 H2O)

650 – 1160 oC


3 Al2O3 . 2 SiO2 + 4 SiO2 + 6 H2O muliite

vitreous

21


Pada temperatur 800-1160 oC, talc akan berubah menjadi enstalite dan amorphous silika. 3 MgO . 4 SiO2

800 – 1160 oC

3 MgO . SiO2 + SiO2 enstalite amorphous silica

Setelah pembakaran sampai puncak temperatur, maka body keramik mengalami pendinginan secara cepat dengan memperhatikan harus didinginkan secara lambat pada daerah 573 oC. Pendinginan dilakukan sampai sedikit di atas suhu kamar, sehingga keramik yang keluar kiln tidak mengalami retak. Transformasi yang terjadi pada ubin keramik yaitu perubahan fisika dan kimia yang dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 5: Diagram of the Transformation Brought Abour in a Clay for Red Stoneware Temperature, oC

400

Compounds

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Kaolinite Al2O3 . 2 SiO2 . 2 H2O

Quartz, SiO2

Components

K2O . 3 Al2O3 . 6 SiO2 . 2 H2O

NeoFormation

Micas

Raw Material

MgO.4 Mg(OH)2.Al2O3. 3 SiO2

Components Of

Chlorite

Feldspars Na2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O SiO2-Al2O-Fe Compounds Spinel (MgO-Al2O3) Mullite (3 Al2O3-2 SiO2) Vitreous phase

Reaksi-reaksi utama yang terjadi (Reaksi peleburan pada floor tile): 

Pembentukan Spinel MgO + Al2O3



MgO . Al2O3

(Spinnel)

3 Al2O3 . 2 SiO2

(Mullite)

Pembentukan Mullite 3 Al2O3 + 2 SiO2 900 oC


1200 oC

22




Pembentukan feri-silika-alumina SiO2 + Al2O3 + Fe2O3

SiO2 . Al2O3 . Fe2O3 (fsa)

Pada temperatur 770 oC, K2O dari feldspar akan bereaksi dengan Silika, dengan reaksi sebagai berikut: K2O + 4 SiO2

K2O . 4 SiO2 atau

K2Si4O9

(770 oC)

Kemudian K2O dari feldspar yang mencair pada temperatur 1045 oC akan bereaksi dengan silika, dengan reaksi sebagai berikut: K2O + 2 SiO2

K2O . 2 SiO2 atau K2Si2O5 (1045 oC)

K2O dari feldspar bereaksi dengan alumina silika membentuk Leucite K2O + Al2O3 + 4 SiO2 

K2O . Al2O3 . 4 SiO2 (Leucite)

Pembentukan Cordierite 2 MgO + 2 Al2O3 + 5 SiO2



2 MgO . 2 Al2O3 . 5 SiO2

Pembentukan Nepheline Na2O + Al2O3 + 2 SiO2

Na2O . Al2O3 . 2 SiO2

(Nepheline)

Selama pembakaran ubin keramik selalu terjadi perubahan-perubahan fisik seperti bahan baku mineral yang banyak berbentuk kristal, pada temperatur tinggi berubah menjadi amorf dan fase vitreous. Perubahan ini menyebabkan bodi menjadi kompak dan pori-pori mengecil, sehingga penyerapan air pun lebih kecil (3 – 6 %). Selama pembakaran pun banyak terjadi reaksi kimia, baik reaksi dekomposisi maupun reaksi pembentukan seperti telah dijelaskan sebelumnya. Dalam reaksi tersebut, ada sebagian bodi yang diubah menjadi titik-titik gelas. 4.5. Proses yang terjadi pada Puncak Pembakaran Proses yang terjadi pada puncak (suhu maksimal) pembakaran, yaitu: a. Sintering Pada proses sintering, butiran-butiran yang paling halus pada body (tergantung dari bahan dan jenis keramik) bereaksi dengan flux (Na 2O, K2O dan SiO2) membentuk lapisan gelas tipis. Proses sintering berhubungan dengan pengikatan (bonding), perekatan (adhesi) dan pemadatan (solidification) dari bahan-bahan yang diolah. Hal ini dapat ditinjau dari perubahan volumenya. Semakin kecil butiran bahan, akan memudahkan proses sintering (mendekati titik lebur) tanpa terjadinya retak-retak dan deformasi (perubahan bentuk). Bila temperatur dinaikkan, permukaan gas-gas mengembang dan menguap, mejadikan partikel bebas bergerak saling mendekati dan membentuk ikatan yang lebih kuat. Karakteristik


23


hasil sintering dapat dilihat pada sifat-sifat fisik body, yaitu penyusutan (shrinkage), penyerapan/keporosan (porosity) dan kekuatan mekanik (CRC). b. Vitrifikasi Vitrifikasi merupakan proses peleburan awal dari oksida-oksida Na2O / K2O pelebur dalam body keramik yang berbutir halus. Pada proses ini, flux (Na2O, K2O, CaO + SiO2) berubah menjadi massa vitrous (massa gelas). Vitrikfikasi terjadi pada temperatur antara 1050 - 1320 oC tergantung dari bahan dan jenis keramik. c. Fusion Fusion atau secara umum dikenal dengan istilah melting terjadi pada glazur (karena paling banyak mengadung flux). Fusion terjadi pada titik lebur glazur, flux pada glazur menyebabkan glazur meleleh/mencair (melt). Untuk beberapa saat, kondisi yang terjadi pada titik maksimum pembakaran ini dipertahankan agar glazur meleleh sempurna dan terdistribusi merata (homogen) di atas permukaan body. Kemudian lelehan ini akan menggelas pada proses pendinginan.


24


Chapter 5 Pengendalian Pembakaran Barang Keramik

Jenis dan komposisi keramik sangat banyak dan memerlukan kondisi dan cara pembakaran yang berbeda. Untuk mendapatkan hasil bakaran yang baik, perlu ada persiapan dan pengendalian yang baik. 5.1. Trayek Pembakaran Trayek Pembakaran Barang Keramik adalah: Kurva yang menyatakan hubungan antara waktu dan suhu pembakaran. Trayek berguna bagi operator sebagai pemandu pembakaran sehingga dapat mengatur kecepatan pembakaran. Tiap jenis barang keramik memiliki kurva trayek pembakaran berbeda dan spesifik. Karenanya trayek pembakaran suatu barang tidak dapat digunakan begitu saja untuk barang lain. Kurva trayek pembakaran dapat dibuat dari data pembakaran atau dilatometer benda coba dari massa barang bersangkutan. Secara garis besar trayek pembakaran sebagai berikut: - Periode penggarangan kecepatan rendah. - Periode pra pemanasan dapat dipercepat, tetapi bahan yang mengandung kuarsa cukup banyak harus pelan pada suhu 600 - 800° C. - Pemanasan dapat dipercepat setelah periode pra pemanasan lewat, yaitu diatas 900° C. - Setelah mencapai suhu akhir pembakaran ditahan ± 2 - 4 jam tergantung susunan barang dalam tungku dan kapasitasnya. Periode Pendinginan dikendalikan dengan mengatur skep tungku dan pengaturan pembukaan udara pada lubang bakar (untuk tungku periodik). 5.2. Peralatan Bakar (tungku dan burner) dan kontrol Pengukuran, Pengamatan atau pengaturan yang perlu dalam pengendalian: 

Temperatur.



Kecepatan burner



Waktu



Tarikan Cerobong



Suasana Pembakaran (Oksidasi, Reduksi atau Netral).

Kontrol pembakaran dibagi menjadi 3 (tiga) kelompok: 

Alat kontrol suhu pembakaran



Tes laboratorium barang yang dibakar pada suhu tinggi



Tes laboratorium terhadap sifat-sifat produk hasil bakar.


25


5.3. Alat Kontrol Suhu Pembakaran Sebagai alat kontrol suhu pembakaran ada 3 (tiga) macam yaitu optic (pyrometer), thermoskop dan thermocoupple. a. Alat Optik (Pyrometer) Alat ukur panas yang berdasarkan warna nyala atau warna barang dibakar. Warna ini ditangkap oleh pirometer yang akan menunjukkan tingginya temperatur yang diamati. Kekurangannya tidak dapat mengukur barang yang tidak membara. Pirometer radiasi: langsung menunjukkan tinggi suhu. Pirometer optik: membandingkan warna nyala dengan warna kawat pijar dalam alat tersebut. Alat optik mirip seperti camera atau teropong yang bila diarahkan pada barang panas yang dibakar, terdapat dua lingkaran merah besar dan kecil satu pusat, yang warna merahnya berbeda intensitas. Tugas kita untuk membuat warna kedua lingkaran tersebut sama dengan memutar-mutar lensa. Setelah warna sama, maka suhu benda panas dapat dibaca pada perunjuk b. Thermoskop Alat pengukur temperatur berdasarkan jumlah panas yang diterima alat ini. Thermoskop terbuat dari campuran bahan keramik dengan komposisi berbeda. Bila thermoskop terkena panas maka akan melebur dan berubah bentuk pada suhu tertentu. Ada 4 macam thermoskop yang biasa digunakan, yaitu: 

Pancang Seger atau Orthon Cone Batang keramik yang dicetak berbentuk piramid kecil dengan diberi nomor tertentu sesuai temperatur. Pancang ini dipasang miring 81 derajat di atas pelat tahan api, taruh di tungku dan ditempatkan di tempat yang mudah dilihat dari luar. Untuk mengamati suhu biasanya dipasang beberapa pancang (± 3). Pancang Seger dan Orthon bentuknya sama, namun orthon lebih kecil dan penunjukkan suhu berbeda sedikit. Pancang tidak menunjukkan suhu nominal tetapi lebih menunjukkan jumlah kerja panas yang diterima. Disebut orthone cone (buatan USA) dan seger kegel (buatan Jerman). Prinsip Orthon atau Seger akan membengkok pada temperatur tertentu. Orthon atau Seger diletakkan di antara barang yang dibakar. Untuk melihat suhu pembakaran ada tabel antara nomor Orthon atau Seger dan suhu (lihat table 6 di bawah).


26


Gambar 3: Orthone Cone/Pancang Seger Tabel 6: Spesifikasi Orthone Cone



CONE NO.

END POINT

CONE NO.

END POINT

012

840oC

1

1125oC

011

875

2

1135

010

890

3

1145

09

930

4

1165

08

945

5

1180

07

975

6

1190

06

1005

7

1210

05

1030

8

1225

04

1050

9

1250

03

1080

10

1260

02

1095

11

1285

01

1110

12

1310

13

1350

14

1390

Batang Hardcorft Alat pengukur temperatur sejenis pancang namun bentuknya segiempat. Pada pemakaiannya diletakkan di atas penyangga, biasanya empat buah. Pada suhu tertentu batang ini akan melengkung.



Cincin Bullers Alat pengukur temperatur berbentuk cincin terbuat dari bahan keramik dengan komposisi seperti barang yang dibakar, biasanya 6 buah. Tiap waktu cincin diambil, didinginkan dan diukur diameternya dengan alat khusus.


27




Pencatat Watkin Alat pengukur temperatur berbentuk pelet terbuat dari campuran bahan keramik yang melebur pada temperatur berbeda. Pelet dipasang pada bahan tahan api ukuran 5x1,3x1,3 cm berlubang dengan diameter 6,3 mm untuk penempatan pelet. Setelah pembakaran selesai baru dapat dilihat pelet mana yang melebur.

c. Termokopel Alat pengukur panas terbuat dari 2 macam kawat yang ujungnya dihubungkan dengan las. Jika ujung sambungan terkena panas maka timbul tegangan listrik yang dapat diukur dengan alat ukur listrik (galvanometer). Prinsipnya adalah dua logam yang berbeda (Pt dan Rf - Rh) yang disambung pada ujung Coupple. Bila kena panas, maka akan terjadi arus listrik - voltage dikonversi ke suhu, Thermocoupple menunjukkan suhu atmosfer pembakaran, bukan suhu keramik yang dibakar. 5.4. Tes laboratorium barang yang dibakar pada suhu tinggi Ada 3 (tiga) macam tes laboratorium pada suhi tinggi yaitu: a. Thermal-Expansion Analysis (TEA) / Dilatometer TEA adalah suatu analisis lab yang mempelajari pertambahan panjang sampel bodi dengan fungsi temperatur. Pada umumnya sampai dengan temperatur 800 oC sampel selalu bertambah panjang, dan kemudian menyusut drastis mulai pada temperatur tersebut. Test piece sepanjang 50 mm dipanaskan pada alat Dilatometer sampai temperature 900 oC. Perubahan panjang yang terjadi antara 30°-900°C itulah yang diukur, dinyatakan dengan:

 x 100% o dan angkanya biasanya terletak antara 4 - 9 x 10-6. Angka tersebut diberi nama C.O.E (Coeffisien of Expansion). b. Differential Thermal Analysis (DTA) DTA adalah suatu analisis yang mempelajari apabila bodi / glasur keramik dipanaskan, maka sampel tersebut akan menyerap / mengeluarkan panas. Contoh body keramik diletakkan pada alat DTA dan dipanaskan sampai 1000 oC. Sepanjang pemanasan tersebut pada tiap tahap suhu akan ditunjukkan terjadi reaksi endotermis atau eksotermis. Hasil DTA berupa grafik.


28


c. Thermal Gravimetric Analysis (TGA) TGA adalah suatu jenis analisis yang memeriksa hubungan antara berat bahan, fungsi, temperatur. Sampel dibakar di dalam alat thermogravimetric sampai temperatur 1100 oC. Penyusutan berat dari temperatur kamar sampai temperatur 1100 oC tersebut digambarkan dalam suatu grafik. Contoh body keramik diletakkan pada alat TGA dan dipanaskan sampai suhu 1100°C. Maka akan terjadi pengurangan berat dari contoh yang disebabkan senyawa yang berdekomposisi dan mengeluarkan serta humus yang terbakar. 5.5. Tes laboratorium terhadap sifat-sifat produk keramik a. Pengisapan Air (PA) Berat contoh keramik sesudah dibakar W1. Kemudian contoh direbus selama 3 jam didinginkan dan permukaannya dilap dengan kain basah. Berat basah W2. Maka pengisapan air adalah:

PA 

W 2  W1 x 100% W1

b. Penyusutan Bakar Panjang contoh sebelum dibakar L1 Panjang contoh setelah dibakar L2 Penyusutan =

L1  L2 x 100% L1

c. Bending Strenght (BS) Dihitung dengan rumus sbb:

BS 

3 x Rd x L 2 x h2 x b

Rd : pembacaan skala pada alat h

: tebal contoh dalam cm

L

: jarak pisau penopang di bawah contoh

b

: lebar sampel pada tempat yang patah pada pengukuran ini

d. Loss of Ignition Yaitu jumlah prosentase berat yang hilang sewaktu dibakar sampai 1200°C untuk body FT dan 1140 oC untuk body WT.


29


Chapter 6 Tungku Keramik (Kiln)

6.1 Pengertian Tungku Tungku adalah peralatan yang digunakan untuk melakukan pembakaran. 6.2 Syarat Tungku yang Baik 1. Mencapai suhu yang diinginkan dengan mudah. 2. Suhu seluruh bagian tungku merata. 3. Pemakaian bahan bakar irit/efisien. 4. Umur pakainya lama (awet). 5. Pengoperasian dan pemeliharaan mudah dan murah. 6.3 Faktor-faktor yang Harus Dipertimbangkan dalam Memilih/merancang Tungku 1. Kapasitas pembakaran 2. Suhu dan kondisi pembakaran. 3. Jenis barang yang dibakar. 4. Jenis bahan bakar. 6.4 Klasifikasi Tungku Keramik 1) Menurut bentuk: o Tungku bulat. o Tungku persegi. o Tungku ring (melingkar). o Tungku terowongan. o Tungku botol. 2) Menurut mode operasi: o Tungku berkala (periodik). o Tungku terus menerus (kontinyu). o Tungku semi kontinyu. 3) Menurut kontak panas: o Tungku api langsung. o Tungku api tak langsung (muffle). o Tungku semi muffle. Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

30


4) Menurut arah aliran panas: o Tungku api naik (up draught). o Tungku api berbalik (down draught). o Tungku api datar (Horizontal draught). 5) Menurut bahan bakar: o Tungku bahan bakar kayu. o Tungku bahan bakar minyak. o Tungku bahan bakar gas o Tungku bahan bakar batubara 6) Menurut pemakaiannya: o Tungku pembakaran biskuit. o Tungku pembakaran glasir. o Tungku peleburan frit. o Tungku dekorasi. 7) Menurut nama penemunya: o Tungku Hoffmann. o Tungku Dessler. o Tungku Bull. Dalam industri keramik, tungku diberi nama gabungan dari klasifikasi tersebut. 6.5 Pemilihan Tungku Untuk memilih tungku yang sesuai dengan keperluan, perlu diperhatikan beberapa keunggulan dan kekurangan masing-masing tungku. 1. Keuntungan Tungku Persegi -

Memerlukan tempat lebih kecil daripada tungku bulat untuk kapasitas yang sama.

-

Lebih mudah menyusun dan membongkar barang yang dibakar dibandingkan dengan tungku bulat.

-

Dapat dibuat untuk kapasitas yang besar.

-

Konstruksinya lebih mudah.

2. Keuntungan Tungku Bulat -

Suhu dalam tungku lebih merata, tidak ada titik mati.

-

Dibandingkan dengan tungku persegi, konsumsi bahan bakarnya lebih irit dan bahan konstruksinya lebih sedikit.


31


3. Keuntungan Tungku Kontinyu. -

Bahan bakarnya lebih irit.

-

Distribusi suhu lebih baik.

-

Waktu yang dipergunakan lebih pendek (kapasitas besar).

-

Lebih mudah penyusunan dan pembongkaran barang.

-

Memerlukan tempat yang lebih kecil untuk memproduksi jumlah barang tertentu.

4. Keuntungan Tungku Berkala. -

Produksinya fleksibel (dapat disesuaikan dengan kondisi pasar).

-

Pengoperasiannya lebih mudah.

-

Pemeliharaannya mudah/sederhana.

-

Biaya investasi lebih murah daripada tungku kontinyu.

6.6 Karakteristik Tungku Keramik 1. Tungku Api Datar . Gas panas mengalir dari ruang bakar masuk ke ruang pemanasan sejajar lantai, memanaskan barang, kemudian keluar melalui cerobong. Temperatur yang paling tinggi terletak dekat ruang bakar dan menurun ke arah cerobong. Perbedaan temperatur antara tempat dekat lubang bakar dan cerobong cukup besar.

2. Tungku Api Naik. Gas panas dari ruang bakar di bagian bawah mengalir ke ruang pemanas di atasnya, memanaskan barang dan keluar dari cerobong di bagian alas. Tungku ini dapat dibuat sederhana dan biaya rendah. tetapi konsumsi bahan bakarnya relatif tinggi (boros) dan perbedaan temperatur antara bagian bawah dan atas cukup besar. sehingga mutu produknya bervariasi (tidak seragam). Tungku api naik dapat berbentuk bulat atau persegi. Tungku persegi banyak digunakan pada industri bata genteng. sedang tungku bulat digunakan pada industri keramik halus khususnya gerabah. Ciri-Ciri tungku api naik: -

Pemakaian bahan bakar agak boros, karena kehilangan panas pada pendinginan.

-

Suhu pembakaran relatif rendah (< 1000 oC).

-

Perbedaan suhu bagian atas dan bawah cukup besar.

-

Cara pengoperasian mudah.

-

Biaya konstruksi dan pemeliharan lebih murah dibandingkan tungku jenis lain.


32


3. Tungku Api Berbalik. Bentuk tungku ini dibuat untuk mengurangi kelemahan tungku api datar dan naik. Gas panas dari ruang bakar dipaksa mengalir ke atas oleh jembatan api, oleh atap tungku dan tarikan cerobong dihisap ke lantai tungku melalui barang yang dibakar. Setelah memanaskan barang, gas panas dikumpulkan melalui saluran di bawah lantai tungku (kanal) dan keluar melalui cerobong. Mode aliran gas pada tungku api berbalik ini digunakan pada tungku-tungku tipe lain yang berkembang kemudian antara lain tungku shuttle dan lain-lain. Tungku api berbalik dapat berbentuk bulat maupun persegi. Ciri-ciri tungku api berbalik: -

Tungku ini dapat menciptakan suhu dalam tungku yang lebih merata.

-

Suhu pembakaran relatif lebih tinggi (sampai 1400° C).

-

Perbedaan suhu bagian atas dan bawah tidak terlalu besar.

-

Atmosfir tungku dapat diatur melalui skep yang dipasang pada saluran kanal gas antara tungku dan cerobong.

-

Banyak digunakan pada pembakaran barang porselen maupun bata tahan api.

6.7 Pengoperasian Tungku: -

Pengisian/penyusunan barang.

-

Penutupan pintu tungku.

-

Pembakaran.

-

Pendinginan.

-

Pembongkaran.

6.8 Perkembangan Tungku/Kiln Kiln adalah tungku pembakaran keramik, baik keramik pecah-belah, sanitar maupun Wall Tile (WT) dan Floor Tile (FT). 1. Snake Kiln Sejarah perkembangan kiln dimulai dari Zaman Tiongkok Kuno, dimana SNAKE KILN (kiln ular) yang panjang terdiri dari 10 unit kiln dibangun berantai ke atas pada lereng gunung yang berfungsi sebagai penghematan energi. Bila kiln 1 dibakar dan didinginkan, maka kiln 2 yang berada sedikit lebih tinggi dalam keadaan dipanaskan dengan menggunakan gas hasil pembakaran dan gas panas dari kiln 1. Demikian diteruskan dengan kiln 3 dan seterusnya. Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta

33


2. Periodik Kiln Periodik kiln adalah kiln yang berbentuk kubah yang di dalamnya berbentuk kubus dengan bagian atap yang melengkung. Gas hasil pembakaran menuju cerobong asap yang tinggi 1525 m melalui lubang-lubang kecil di lantai dan kanal yang menuju cerobong. Periodik kiln merupakan batch kiln yang mempunyai satu siklus sbb: Diisi dengan barang-barang keramik dan disusun ke atas menggunakan saggor - pintu ditutup - pembakaran - pendinginan - pengeluaran produk dan mulai diisi kembali untuk siklus berikutnya. Konsumsi panas sangat tinggi dan bisa mencapai 2600 kcal per kg produk yang dibakar. Tentu saja kiln seperti ini tidak efisien lagi untuk zaman sekarang. Dengan perbaikan design dan menggunakan bahan Glasswol dan Ceramic Tiles, maka pemakaian bahan bakar dapat diturunkan menjadi ± 1900 kcal per kg produk. Kiln periodik jenis ini masih sangat cocok sampai sekarang untuk pembakaran isolator-isolator besar dan barang sanitair. 3. Tunnel Kiln Tunnel kiln adalah sebuah tungku pembakaran keramik yang bekerja secara terus-menerus dan berkesinambungan. Jadi bukan batch kiln lagi. Barang keramik yang akan dibakar masuk kiln secara terus-menerus dan produk keramik keluar secara terus-menerus juga yang disusun pada kereta-kereta kiln. Kiln menyerupai terowongan kereta api yang panjangnya antara 60-150 m. Konsumsi panas sudah ada perbaikan menjadi sekitar 1500 kcal per kg produk. Sebagian besar tunnel kiln bertahan sampai 1975, kecuali yang dipakai untuk membakar pecah-belah dan sanitair masih digunakan sampai sekarang. 4. Roller Kiln Pembakaran keramik adalah rakus akan energi, tebukti perlu 1500-1900 kcal per kg produk. Pada tahun 1975 saat harga minyak mentah dunia meningkat hebat dari USD 2 menjadi USD 12 per barrel, maka terjadi revolusi teknologi pada design kiln. Lahirlah yang disebut ROLLER KILN. WT dan FT satu lapisan berada di atas roller-roller yang berputar sepanjang kiln sambil dibakar dengan burner dari kiri ke kanan. Mulai saat itu, pembakaran WT dan FT yang semula 30-50 jam cycle-nya turun drastis. menjadi 30-50 menit. Keperluan energi turun drastic menjadi 350 kcal per kg produk atau hanya 22% dari sebelumnya. Oleh karena itu, pemakaian Roller Kiln berkembang secara pesat sekali.


34


Chapter 4 Pengeringan Produk Keramik

4.1 Keterangan Umum 4.1.1 Kelembaban Gas dan Kebasahan Bahan Padat. Kelembaban Relatif

PENGERINGAN PRODUK KERAMIK


35

BAHAN AJAR MATA KULIAH. Untuk digunakan di Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta Peminatan Teknologi Silikat

Recommend Documents