OPTIMASI KONDISI OPERASI PELEBURAN KONSENTRAT ZIRKON MENGGUNAKAN ROTARY KILN

OPTIMASI KONDISI OPERASI PELEBURAN KONSENTRAT ZIRKON

MENGGUNAKAN ROTARY KILN

Sunardjo, Sajima

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 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 kiln. 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 800o_{C dan ukuran konsentrat 150 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 kiln 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 150 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 bumi, 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[1]_{. 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 kiln 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 r1 dan jari-jari luar r0, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 1. Perpindahan panas pada silinder Pada jarak r akan berlaku:

dr

dT

kA

Q

_r

=

−

(1)

Pada jarak (r + dr) berlaku:

dr

dr

dQ

Q

Q

r r dr r+

=

+

(2)

Dalam keadaan mantap laju aliran kalor pada jarak r dan (r+dr) akan sama sehingga:

0 dr dQr = atau (3) ] [ dr dT r dr d (4)

I

Sehingga didapat solusi persamaan tersebut dengan cara mengintegrasi: 2 1

ln

C

C

T

=

_r

+

(5)

Dengan kondisi batas temperatur:

(i)

T

=

T

₁

pada

r

=

r

₁ (6) (ii)

T

=

T

₀

pada

r

=

r

₀ 0 1 0 1 _ln ln r r r r T T T T O O ₌ − − ₍₇₎

karena A = 2.π.r.L, maka laju aliran kalor akan berlaku: 1 0 0 1 ln 2 r r T T rL Q = π − (8) Tahanan termal : kL r r R_th

π

2 ln 1 0 = (9)

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:

0 0 3 4 2 3 1 2 1 2 ln 2 ln 2 ln 1 A h L k r r L k r r L k r r A h R C B A i i th = +

_π

+

_π

+

_π

+ (10) Dimana :

hi = koefisien konveksi permukaan bagian dalam pipa

Ai = luas permukaan perpindahan panas bagian dalam pipa

h0 = koefisien konveksi permukaan bagian luar pipa A0 = luas permukaan perpindahan panas bagian luar pipa

Dapur rotary kiln 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 kiln 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 kiln 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 kiln. Panas yang dihasilkan di dalam tungku kiln tidak serta merta berimbas keluar karena pada dinding kiln dilapisi oleh bata tahan api yang mampu menahan panas yang sangat tinggi sehingga lingkungan yang di sekitar kiln tidak terlalu panas pada saat operator berada di sekitar area kiln. Kiln memiliki penyangga / support untuk dapat menahan berat kiln. Selain itu, salah satu support tersebut terdapat satu motor yang berfungsi untuk memutar dapur kiln saat beroperasi. Konsentrat yang tidak terlebur dihitung dengan persamaan : % 100 .. .. .. . = − × awal beratkons sisa beratkons awal beratkons terlebur Kons (11) Dari rumus- rumus tersebut dijabarkan dan

dibuat model matematis yang diawali dari persamaan reaksi berikut:

A + B ⎯⎯→k1 _{D + E (12)}

A + D ⎯⎯→k2 _{E + F (13)}

Maka kecepatan reaksinya adalah: rA = k1 CA.CB + k2 CA.CD

rD = k1.CA.CB – k2 CA.CD - rB = k1.CA.CB

rF = k2.CA.CD

Untuk menghitung neraca massa dapat digunakan rumus sebagai berikut:

C r r dL x v p d( , , E) _{( )ρ} 2 1− = (14)

Untuk menghitung neraca panas dapat digunakan rumus sebagai berikut:

D T T U dL dQ₌4 ( W − ) ₍₁₅₎ ρC = densitas padatan v = kecepatan Tw = suhu pemanas

Pemanasan dan reaksi yang terjadi bersamaan sampai suhu reaksi tercapai sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut:

a. Pemanasan sampai titik lebur NaOH ) ( ) ( ₁ S g PScamp O S _{T T} C F S ha dz dT _{= −} (16)

b. Peleburan NaOH ) ( ) ( 11 m g BO O S _{T T} x F S ha dz dT _{= −} λ (17)

c. Pemanasan dan reaksi yang terjadi bersamaan sampai suhu reaksi tercapai

) ( ) ) 1 ( ( ) ( ) ( ₁₁₁ S PlB BO O PSA AO O R O a AO L g S _T C x F C x F H F x kx T T S ha dz dT − + Δ − − − = (18) d. Perubahan konversi terhadap panjang reaktor

) 1 ( _A A _{k x} dz dx _{= −} (19) Keempat persamaan tersebut diselesaikan

dengan matlab secara simultan menggunakan tools ode15s.

TATA KERJA

Bahan yang digunakan

Konsentrat zirkon berasal dari daerah pertambangan Kalimantan sebagai bahan baku. Natrium hidroksida (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

Ditimbang konsentrat zirkon dengan 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 1 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 1 rpm, 1,25 rpm; 1,50 rpm; 1,75 rpm; 2,00 rpm, 2,25 rpm dan 2,5 rpm.

Temperatur Peleburan

Ditimbang konsentrat zirkon dengan 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 1 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

Ditimbang konsentrat zirkon dengan ukuran butir 150 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 800o_{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 1 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, jika dingin hasil ditimbang} sebagai konsentrat yang terlebur. Percobaan ini ukuran konsentrat divariasi dari 90; 150; 240; 425 dan 510 µm.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses peleburan menggunakan tungku dengan tipe rotary kiln merupakan proses peleburan secara sinambung.. Perangkat tungku peleburan tipe rotary kiln 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.

Gambar 2. Pengaruh Kecepatan putar dapur rotary kiln terhadap jumlah konsentrat zirkon yang terlebur.

Gambar 2. menunjukkan bahwa ketika proses peleburan dilakukan dengan kecepatan putar dapur peleburan 1 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 1 rpm (putaran lambat), sebagian natrium hidroksida atau reaktan (pada calcination zone) sudah mencair dan

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 kiln.

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 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 hidroksida} dengan konsentrat zirkon belum maksimal karena titik cair konsentrat zirkon, sebagian natrium

hidroksida 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 800o_{C, jumlah konsentrat terlebur} kenaikannya sudah tidak besar, hal ini menunjukkan bahwa temperatur peleburan 800o_C merupakan temperatur optimum proses peleburan konsentrat zirkon menggunakan tungku peleburan tipe rotary kiln.

Gambar 4 menunjukkan, ketika ukuran konsentrat dinaikkan dari 90 µm hingga 510 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 kiln merupakan proses peleburan secara sinambung. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses peleburan konsentrat zirkon dengan pereaksi natrium hidroksida (NaOH) optimum pada putaran dapur peleburan 2 rpm, suhu 800o_{C dan} ukuran konsentrat 150 µm. Pada kondisi operasi tersebut konsentrat zirkon terlebur sebesar 95,3 %.

DAFTAR PUSTAKA

1. 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 17-18 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 – 31 Maret 1983). 5. SUNARDJO., Rancang Bangun Tungku

Peleburan Pasir Zirkon Tipe Rotary Kiln., Yogyakarta, 2011.

6. NEZEKIEL., Proses Perpindahan Panas pada Dinding Rotary Kiln (Tanur Putar), Universitas Gunadarma, 2012.

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 1800 o_C.

Prayitno

− Apakah tolok ukur dari optimasi peleburan konsentrat zirkon menggunakan rotary kiln?

Sunardjo

• Sebagai tolok ukur dari optimasi peleburan konsentrat zirkon adalah beberapa parameter meliputi : kecepatan putar, suhu dan ukuran butir konsentrat pasir zirkon.