8 ISSN 026-328 Sunardjo, dkk. OPTIMASI KONDISI OPERASI PELEBURAN KONSENTRAT ZIRKON MENGGUNAKAN ROTARY KILN Sunardjo, Sajima Jl. Babarsari Kotak Pos 60 YKBB Yogyakarta Email :ptapb@batan.go.id ABSTRAK : OPTIMASI KONDISI OPERASI PELEBURAN KONSENTRAT ZIRKON MENGGUNAKAN ROTARY KILN Telah dilakukan optimasi kondisi operasi peleburan konsentrat zirkon menggunakan rotary ki. Pada penelitian ini proses peleburan berjalan secara sinambung dengan variasi kecepatan putar, temperatur peleburan dan ukuran butir konsentrat. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses peleburan optimum pada putaran dapur 2 rpm, temperatur 800 o C dan ukuran konsentrat 50 µm. Pada kondisi operasi tersebut konsentrat zirkon terlebur sebesar 95,3 %. Kata Kunci : konsentrat, temperatur, ukuran, tungku ABSTRACT OPTIMIZATION OF OPERATING CONDITIONS THE ZIRCON CONCENTRATE SMELTING BY ROTARY KILN. Optimization of operating conditions the zircon concentrate smelting by rotary ki has been done. In this research the melting was by continuous process with rotary speed, a temperature and grain size konsentrat were variation. The results showed that the optimum melting process in the kitchen round 2 rpm, the temperature of 800oC and concentrations of 50 μm size. At the operating conditions of zircon concentrate absorbed 95.3%. Key word : concentrate, temperature, size, furnace. PENDAHULUAN ndonesia kaya akan mineral, sumber minyak, gas Ibumi, bahan hasil hutan. Mineral yang telah dimiliki khususnya zirkon dapat diolah menjadi barang yang bermanfaat dan mempunyai nilai ekonomis yang lebih tinggi serta memiliki prospek yang sangat besar []. Bahan ini merupakan mineral ikutan dari bijih timah atau emas dan sebagai bahan tambang yang masuk klasifikasi bahan galian golongan B karena zirkon merupakan salah satu bahan galian yang vital (2. Pada umumnya mineral zirkon ditemukan di alam dengan mutu atau kadar zirkon yang rendah dan belum siap dimanfaatkan. Pengolahan pasir zirkon diawali dengan proses fisika dilanjutkan dengan pemurnian secara kimiawi (3. Proses kimiawi dimulai dengan peleburan konsentrat zirkon menggunakan tungku peleburan (4. Peleburan yang dlakukan dalam penelitian ini menggunakan tungku dengan tipe rotary ki sebagai sumber panas. Perangkat dukung tungku peleburan dengan tipe ini antara lain screw feeder, screw mixer dan penyerap gas buang (5. Perpindahan panas pada benda berbentuk silinder pada jarak r dari pusat silinder, tabung atau pipa yang panjangnya L dan mempunyai jari-jari r dan jari-jari luar r 0, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut : Gambar. Perpindahan panas pada silinder Pada jarak r akan berlaku: dt Q r ka ( Pada jarak (r + berlaku: dqr Qr + Qr + (2 Dalam keadaan mantap laju aliran kalor pada jarak r dan (r+ akan sama sehingga: dqr 0 atau (3 d dt [ r ] (4
Sunardjo, dkk. ISSN 026-328 9 Sehingga didapat solusi persamaan tersebut dengan cara mengintegrasi: T C + C r 2 (5 Dengan kondisi batas temperatur: (i T T pada r r (6 (ii T T0 pada r r0 r T T r O 0 (7 T r TO r 0 karena A 2.π.r.L, maka laju aliran kalor akan berlaku: T T 0 Q 2π rl (8 r0 r Tahanan termal : r0 r R th (9 2π kl Dengan cara yang sama dan memasukkan konveksi pada permukan bagian dalam dan luar silinder, maka untuk pipa yang tiga lapis bahan komposit (A, B dan C akan berlaku: r2 r3 r4 r r2 r3 Rth + + + + hi Ai 2πk AL 2πk B L 2πk C L h0 A0 (0 Dimana : h i koefisien konveksi permukaan bagian dalam pipa A i luas permukaan perpindahan panas bagian dalam pipa h 0 koefisien konveksi permukaan bagian luar pipa A 0 luas permukaan perpindahan panas bagian luar pipa Dapur rotary ki dibagi menjadi beberapa zone proses pemanasan antara lain calsination zone, transition zone, burning zone dan cooling zone [5]. Pada calsination zone, material yang baru masuk ke dalam ki mulai terkalsinasi karena mendapatkan panas yang lebih tinggi dan mengakibatkan perubahan bentuk pada material. Transition zone, pada proses ini bahan material mendapatkan pemanasan yang lebih tinggi dari pada proses pemanasan awal dimana pada proses ini material hampir mendekati cair. Proses burning zone dimana pada proses ini material benar-benar mendapatkan pemanasan secara penuh dari ki sehingga material tersebut mencair dan bereaksi. Cooling zone, pada proses ini material yang telah masuk ke cooler mendapatkan pendinginan secara cepat atau proses pendinginan yang dikagetkan karena pada cooler ini panas pada material lebih dingin dibandingkan di dalam ki. Panas yang dihasilkan di dalam tungku ki tidak serta merta berimbas keluar karena pada dinding ki dilapisi oleh bata tahan api yang mampu menahan panas yang sangat tinggi sehingga lingkungan yang di sekitar ki tidak terlalu panas pada saat operator berada di sekitar area ki. Ki memiliki penyangga / support untuk dapat menahan berat ki. Selain itu, salah satu support tersebut terdapat satu motor yang berfungsi untuk memutar dapur ki saat beroperasi. Konsentrat yang tidak terlebur dihitung dengan persamaan : beratkons.. awal beratkons.. sisa Kons. terlebur 00% beratkons.. awal ( Dari rumus- rumus tersebut dijabarkan dan dibuat model matematis yang diawali dari persamaan reaksi berikut: A + B k D + E (2 A + D 2 E + F (3 Maka kecepatan reaksinya adalah: r A k C A.C B + k 2 C A.C D r D k.c A.C B k 2 C A.C D - r B k.c A.C B r F k 2.C A. C D Untuk menghitung neraca massa dapat digunakan rumus sebagai berikut: d ( p, v, x ( r r C dl 2 ρ (4 Untuk menghitung neraca panas dapat digunakan rumus sebagai berikut: dq 4U ( TW T dl D (5 ρ C densitas padatan v kecepatan T w suhu pemanas Pemanasan dan reaksi yang terjadi bersamaan sampai suhu reaksi tercapai sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut: a. Pemanasan sampai titik lebur NaOH dts ( ha S ( Tg TS (6 dz F C O PScamp
0 ISSN 026-328 Sunardjo, dkk. b. Peleburan NaOH dts ( ha S ( Tg Tm (7 dz FO xboλ c. Pemanasan dan reaksi yang terjadi bersamaan sampai suhu reaksi tercapai dt ( ha S( Tg TL ( kx AO ( xa FO ΔH R S ( TS dz FO x AOCPSA + FO xbocplb (8 d. Perubahan konversi terhadap panjang reaktor dx dz A k x (9 ( A Keempat persamaan tersebut diselesaikan dengan matlab secara simultan menggunakan tools ode5s. TATA KERJA Bahan yang digunakan Konsentrat zirkon berasal dari daerah pertambangan Kalimantan sebagai bahan baku. Natrium hioksida (NaOH teknis sebagai reaktan. Aquades sebagai pelarut dalam pelindian. Larutan HCl digunakan untuk proses pelindian natrium zirkonat. Alat yang digunakan Satu set tungku peleburan untuk proses peleburan. Motor penggerak dilengkapi rantai dan gear berfungsi untuk menggerakkan bagian dapur. Screw feeder merupakan perangkat pengumpan awal (bahan baku dan reaktan. Screw mixer adalah pencampur bahan baku dan reaktan sebelum masuk tungku peleburan. Penyerap gas buang yaitu perangkat yang berfungsi untuk menangkap dan menghisap gas sisa hasil proses peleburan. Satu set reaktor tangki berpengaduk untuk proses pelindian. Timbangan digunakan untuk menimbang bahan. Cara Kerja Kecepatan Putar Tungku ukuran butir 240 µm seberat 4.000 gram kemudian dimasukkan ke dalam screw feeder (I dan NaOH teknis seberat 4.400 gram dimasukkan ke dalam screw feeder (II. Motor penggerak screw feeder dihidupkan. Apabila bahan sudah mencapai pada screw mixer maka motor penggerak screw mixer dihidupkan. Tungku peleburan dipanaskan dan pengatur temperatur diatur pada 750 o C. Motor penggerak dapur dihidupkan dan diatur kecepatan putarnya. Apabila temperatur dapur sudah mencapai 750 o C maka umpan yang ada pada screw mixer segera dialirkan. Setelah proses peleburan berjalan dan hasil proses mencapai daerah penampungan, hasil proses peleburan diambil kemudian dilindi menggunakan aquades dengan perbandingan gram leburan dalam 30 ml aquades. Hasil proses pelindian dipisahkan dengan cara penyaringan. Padatan sebagai natrium zirkonat dilindi menggunakan HCl kemudian disaring. Ampas yang diperoleh dipanaskan pada temperatur 750 o C, apabila sudah dingin hasil ditimbang sebagai pasir yang tidak terlebur. Pada percobaan ini kecepatan putar motor divariasi dari rpm,,25 rpm;,50 rpm;,75 rpm; 2,00 rpm, 2,25 rpm dan 2,5 rpm. Temperatur Peleburan ukuran butir 240 µm sebanyak 4.000 gram kemudian dimasukkan ke dalam screw feeder (I dan NaOH teknis seberat 4.400 gram dimasukkan ke dalam screw feeder (II kemudian motor penggerak screw feeder dihidupkan. Apabila bahan sudah mencapai pada screw mixer maka motor penggerak screw dihidupkan. Tungku peleburan dipanaskan dan pengatur suhu diatur pada suhu yang telah ditentukan. Motor penggerak dapur dihidupkan dan diatur pada kecepatan 2 rpm. Apabila suhu dapur sudah tercapai, maka umpan yang ada pada screw mixer segera dialirkan dan hasil peleburan ditampung. Hasil proses peleburan diambil kemudian dilindi menggunakan aquades dengan perbandingan gram leburan dalam 30 ml aquades. Hasil proses pelindian menggunakan air dipisahkan dengan cara penyaringan. Padatan sebagai natrium zirkonat dilindi menggunakan HCl kemudian disaring. Ampas yang diperoleh dipanaskan pada temperatur 750 o C, apabila dingin hasil ditimbang sebagai pasir yang tidak terlebur. Pada percobaan ini temperatur divariasi dari 550 o C; 600 o C ; 650 o C; 700 o C; 750 o C ; 800 o C dan 850 o C. Ukuran butir konsentrat zirkon ukuran butir 50 µm sebanyak 4.000 gram kemudian dimasukkan ke dalam screw feeder (I dan NaOH teknis seberat 4.400 gram dimasukkan ke dalam screw feeder (II kemudian motor penggerak screw feeder dihidupkan. Apabila bahan sudah mencapai pada screw mixer maka motor penggerak screw dihidupkan. Tungku peleburan dipanaskan dan pengatur temperatur diatur pada 800 o C. Motor penggerak dapur dihidupkan dan diatur pada kecepatan 2 rpm. Apabila suhu sudah tercapai, maka umpan yang ada pada screw mixer segera dialirkan dan hasil proses peleburan ditampung. Sebagian hasil proses peleburan diambil kemudian dilindi menggunakan air dengan perbandingan gram leburan dalam 30 ml aquades. Hasil proses pelindian menggunakan air dipisahkan dengan cara penyaringan. Padatan sebagai natrium
Sunardjo, dkk. ISSN 026-328 zirkonat dilindi menggunakan HCl kemudian disaring. Ampas yang diperoleh dipanaskan pada temperatur 750 o C, jika dingin hasil ditimbang sebagai konsentrat yang terlebur. Percobaan ini ukuran konsentrat divariasi dari 90; 50; 240; 425 dan 50 µm. HASIL DAN PEMBAHASAN Proses peleburan menggunakan tungku dengan tipe rotary ki merupakan proses peleburan secara sinambung.. Perangkat tungku peleburan tipe rotary ki antara lain motor penggerak, pengontrol suhu, screw feeder, screw mixer dan penyerap gas buang. Motor penggerak dilengkapi rantai dan gear yang berfungsi menggerakkan bagian dapur. Pengontrol suhu merupakan komponen elektronik yang berfungsi mengukur dan mengatur suhu proses peleburan secara langsung. Screw feeder merupakan perangkat pengumpan awal (bahan baku dan reaktan. Screw mixer merupakan perangkat dukung yang berfungsi sebagai pencampur bahan baku dan reaktan sebelum masuk ke dalam tungku peleburan. Penyerap gas buang adalah perangkat yang berfungsi untuk menangkap dan menghisap gas sisa hasil proses peleburan dilewatkan dalam pipa-pipa melewati penjerap gas menuju cerobong untuk diencerkan dengan udara luar. Hasil pengamatan pengaruh kecepatan putar dapur peleburan terhadap konsentrat yang tidak melebur disajikan pada gambar berikut. menguap terlebih dahulu sebelum bereaksi dengan konsentrat zirkon (burning zone karena material berjalan terlalu lambat. Selain itu, ketika kecepatan putar dapur peleburan dinaikkan terus hingga pada kecepatan putar 2,5 rpm, jumlah konsentrat terlebur kenaikannya sudah tidak besar, hal ini menunjukkan bahwa putaran dapur peleburan 2 rpm merupakan kecepatan putar optimum proses peleburan konsentrat zirkon menggunakan tungku peleburan tipe rotary ki. Hasil pengamatan pengaruh temperatur peleburan terhadap konsentrat yang terlebur disajikan pada gambar berikut Gambar 3. Pengaruh temperatur terhadap jumlah konsentrat zirkon yang terlebur. Hasil pengamatan pengaruh ukuran butir konsentrat zirkon terhadap jumlah konsentrat yang terlebur disajikan pada gambar berikut Gambar 2. Pengaruh Kecepatan putar dapur rotary ki terhadap jumlah konsentrat zirkon yang terlebur. Gambar 2. menunjukkan bahwa ketika proses peleburan dilakukan dengan kecepatan putar dapur peleburan rpm, konsentrat zirkon yang terlebur masih rendah yaitu berkisar 58 %, namun ketika kecepatan putar dapur peleburan ditambah hingga 2 rpm, konsentrat terlebur mengalami kenaikkan secara signifikan (90%. Hal ini menunjukkan bahwa pada putaran rpm (putaran lambat, sebagian natrium hioksida atau reaktan (pada calcination zone sudah mencair dan Gambar 4. Pengaruh ukuran konsentrat terhadap jumlah konsentrat yang terlebur. Gambar 3. menunjukkan bahwa ketika suhu peleburan dilakukan pada suhu 600 o C, konsentrat zirkon yang terlebur masih rendah yaitu berkisar 69 %, namun ketika suhu peleburan ditambah hingga mencapai 800 o C, konsentrat terlebur mengalami kenaikan secara signifikan (95%. Hal ini menunjukkan bahwa pada temperatur 600 o C reaksi antara natrium hioksida dengan konsentrat zirkon belum maksimal karena titik cair konsentrat zirkon, sebagian natrium
2 ISSN 026-328 Sunardjo, dkk. hioksida atau reaktan (pada zone kalsinasi sudah mencair dan menguap terlebih dahulu sebelum bereaksi dengan konsentrat zirkon (burning zone karena material berjalan terlalu lambat. Selain itu, ketika kecepatan putar suhu peleburan dinaikkan terus hingga 800 o C, jumlah konsentrat terlebur kenaikannya sudah tidak besar, hal ini menunjukkan bahwa temperatur peleburan 800 o C merupakan temperatur optimum proses peleburan konsentrat zirkon menggunakan tungku peleburan tipe rotary ki. Gambar 4 menunjukkan, ketika ukuran konsentrat dinaikkan dari 90 µm hingga 50 µm pada proses peleburan, berakibat jumlah konsentrat terlebur mengalami penurunan. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar ukuran butir (luas muka konsentrat semakin kecil mengakibatkan kontak antara butiran konsentrat dengan reaktan menurun. KESIMPULAN Peleburan konsentrat zirkon menggunakan tungku tipe rotary ki merupakan proses peleburan secara sinambung. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses peleburan konsentrat zirkon dengan pereaksi natrium hioksida (NaOH optimum pada putaran dapur peleburan 2 rpm, suhu 800 o C dan ukuran konsentrat 50 µm. Pada kondisi operasi tersebut konsentrat zirkon terlebur sebesar 95,3 %. DAFTAR PUSTAKA. FAHRIZAL ABUBAKAR., Pengelolaan Zirkon di PT Timah Tbk., Workshop Keselamatan dan Keamanan Pertambangan Zirkon Bagi Pekerja, Masyarakat dan Lingkungan., Yogyakarta, 24 Juni 2009. 2. SUDARTO, DYAH KALISTA, DEDI HERMAWAN., Kajian Teknis Aspek Pengawasan Bahan Nuklir dalam Pasir Zirkon., Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi II, Universitas Lampung 7-8 November 2008. 3. SUPRIYONO., Pemisahan dan Ekstraksi Zr- Hf dari Tailing Pencucian Timah Bangka., Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Mineral dan Batubara, 2006. 4. DWIRETNANI., Penentuan Kondisi Optimum pada Proses Peleburan Pasir Zirkon dengan Cara Peleburan Memakai Soda Api., Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah, PPBMI- BATAN Yogyakarta (28 3 Maret 983. 5. SUNARDJO., Rancang Bangun Tungku Peleburan Pasir Zirkon Tipe Rotary Ki., Yogyakarta, 20. 6. NEZEKIEL., Proses Perpindahan Panas pada Dinding Rotary Ki (Tanur Putar, Universitas Gunadarma, 202. TANYAJAWAB Sucipto Apakah pada suhu 750 o C zirkon sudah bisa melebur? Sunardjo Pada suhu 750 o C zirkon belum bisa melebur tetapi yang melebur baru pengotor yang menempel yang berbentuk pasir zirkon. Untuk titik leleh zirkonium sendiri diatas 800 o C. Prayitno Apakah tolok ukur dari optimasi peleburan konsentrat zirkon menggunakan rotary ki? Sunardjo Sebagai tolok ukur dari optimasi peleburan konsentrat zirkon adalah beberapa parameter meliputi : kecepatan putar, suhu dan ukuran butir konsentrat pasir zirkon.