Pengoptimalan Pencetakan Berkelanjutan dengan Pendingin Udara Kabut

Pengantar

Mesin pencetakan berkelanjutan (CCM) diperlukan untuk mencetak secara efisien berbagai grade baja dalam lingkungan saat ini. Rentang ini bervariasi dari grade ultra low carbon dan low carbon hingga high carbon hingga low alloy dan grade pipeline berkualitas tinggi. Produksi yang konsisten dari produk prime quality membutuhkan fleksibilitas operasional dan pemeliharaan CCM yang ditingkatkan sehingga parameter pencetakan optimum dapat dipertahankan di CCM untuk setiap grade baja. Fleksibilitas ini tidak hanya meluas ke elemen mesin dan sistem kontrol, tetapi juga ke zona pendinginan sekunder mesin (Gambar 1) dan memerlukan spray cooling yang lebih efisien dan andal di zona tersebut. Oleh karena itu, zona pendinginan sekunder juga telah menjadi area fokus dalam lingkungan saat ini karena permintaan untuk kualitas produk yang ditingkatkan dan produktivitas CCM yang ditingkatkan. CCM saat ini membutuhkan sistem spray cooling yang sangat efisien di zona pendinginan sekunder.

Gambar 1 Diagram skematik zona pendinginan sekunder CCM

Pendinginan dengan air memainkan peran penting dalam mengekstrak panas dari baja cair yang mengerekan baik di cetakan dan setelah baja cetak keluar dari cetakan selama pencetakan berkelanjutan baja. Ini ditandai dengan fenomena uap yang kompleks. Laju ekstraksi panas selama pendinginan air, yang sangat bergantung pada suhu permukaan logam dan dapat berubah dengan cepat seiring waktu seiring strand didinginkan. Oleh karena itu, pendinginan yang tidak terkontrol dapat menyebabkan fluktuasi dalam gradien suhu di dalam cangkang baja yang mengerekan dan menghasilkan tekanan termal tarik di fronte pengerekan yang pada akhirnya dapat menyebabkan penampilan retak panas/crack dalam produk akhir. Tampilan skematik pendinginan sekunder dan hubungan antara fluks panas dan suhu permukaan baja ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2 Tampilan skematik pendinginan sekunder dan hubungan fluks panas dan suhu permukaan baja

Spray cooling adalah satu-satunya bagian yang dapat dikontrol dari proses pendinginan sekunder dan oleh karena itu adalah faktor utama dalam menentukan kualitas produk dan produktivitas proses pencetakan berkelanjutan. Sistem spray cooling menggunakan nozel untuk sinar air. Tujuan utama nozel adalah pendinginan permukaan strand. Susunan nozel sinar dan parameter proses menentukan karakteristik pendinginan air sinar. Susunan nozel sinar menentukan area permukaan strand di mana pendinginan sinar terjadi sementara parameter proses seperti tekanan operasi dan laju aliran menentukan intensitas pendinginan dan distribusi di permukaan strand. Ekstraksi panas dari permukaan strand yang menentukan proses pendinginan dan pengerekan adalah hasil dari baik susunan nozel dan parameter proses.

Kriteria utama untuk seleksi nozel sinar adalah koefisien transfer panas yang ditentukan oleh pola sinar, distribusi cairan (densitas), dan volume. Potensi optimasi dalam susunan nozel meliputi (i) alignment nozel, (ii) desain header dan segmen pipa, dan (iii) optimasi distribusi cairan. Untuk optimasi parameter proses, potensi terletak pada pilihan (i) tipe atomisasi (air mist atau air saja), (ii) kinetik sinar, (iii) potensi sinar, dan (iv) efisiensi pendinginan yang berkaitan yang diukur oleh koefisien transfer panas.

Prinsip pendingin udara kabut

Kebutuhan akan kualitas produk baja cetak yang baik dan produktivitas mesin pencetakan berkelanjutan yang ditingkatkan telah memfokuskan perhatian pada kebutuhan akan sistem pendinginan sekunder yang lebih efisien selama pencetakan berkelanjutan baja cair. Pendingin udara kabut di zona pendinginan sekunder CCM adalah langkah dalam arah ini. Nozel air mist menggunakan udara terkompresi dalam kombinasi dengan tekanan air untuk mengatomisasi air pendinginan sekunder. Ini memberikan rentang turun/kontrol yang jauh lebih luas yang diperlukan jika campuran produk mencakup berbagai grade baja. Nozel air mist juga menawarkan lewat bebas internal yang jauh lebih besar dibandingkan nozel single fluid dengan ukuran laju aliran yang sama.

Pendingin udara kabut bekerja dengan mendorong air melalui nozel mist yang dirancang secara khusus. Ini menciptakan mist (kabut) dari titik air ultra halus dengan ukuran rata-rata 25 mikron (0,025 mm) atau lebih kecil. Dengan pendinginan mist tekanan tinggi, seseorang dapat mendapatkan ukuran titik yang lebih kecil yang semakin kecil 5 mikron (0,005 mm). Ini menciptakan luas permukaan yang lebih besar dari lapangan besar dari hanya satu liter air. Luas permukaan yang lebih tinggi membantu air menguap sangat cepat. Titik air kecil ini (kabut) dengan cepat menyerap energi (panas) yang ada di lingkungan dan menguap, menjadi uap air (gas). Energi (panas) yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap air dieliminasi dari lingkungan sehingga mendinginkan lingkungan.

Kelembaban relatif udara di lingkungan memainkan peran penting dalam pendinginan udara kabut. Ini adalah jumlah kelembaban (air) dalam udara dibandingkan dengan jumlah kelembaban yang dapat diserap udara pada suhu yang sama. Ini adalah faktor kunci dalam menentukan potensi pendinginan udara kabut maksimum. Semakin rendah kelembaban relatif, semakin banyak air yang dapat diubah menjadi uap sehingga lebih banyak panas dapat dihilangkan. Dalam kasus pendinginan sinar air ketika air disinari pada permukaan baja di atas suhu tertentu, ia menghasilkan lapisan tipis uap di antara permukaan baja dan air. Kondisi ini sering disebut sebagai 'film boiling' (Gambar 2). Studi yang telah menggunakan nozel sinar hidrolis menunjukkan bahwa koefisien transfer panas sangat bergantung pada laju massa air yang dihasilkan oleh nozel sinar. Namun, penambahan udara ke sinar air menciptakan situasi yang kompleks. Udara menyebabkan atomisasi air yang membantu dalam pendinginan permukaan baja.

Istilah fenomena Leidenfrost diberikan pada tubuh fenomena yang diamati ketika sejumlah kecil cairan ditempatkan atau tumpah pada permukaan yang sangat panas. Ini dinamai dari dokter Jerman J. G. Leidenfrost. Fenomena Leidenfrost adalah fenomena di mana cairan, dalam kontak dekat dengan massa yang secara signifikan lebih panas dari titik didih cairan, menghasilkan lapisan uap isolasi yang mencegah cairan dari mendidih dengan cepat. Titik Leidenfrost menandai awal film boiling stabil. Ini mewakili titik pada kurva didih di mana fluks panas berada pada minimum dan permukaan sepenuhnya ditutup oleh selimut uap. Transfer panas dari permukaan ke cairan terjadi oleh konduksi dan radiasi melalui uap.

Densitas air spesifik yang lebih tinggi bukan satu-satunya faktor yang menentukan untuk koefisien transfer panas. Rasio udara/air juga harus dipertimbangkan dengan udara terkompresi yang menyediakan energi kinetik yang diperlukan untuk penetrasi melalui lapisan uap di atas permukaan strand. Ini penting di atas 650 derajat C karena fenomena Leidenfrost. Juga, sudut sinar nozel dan ketinggian sinar memainkan peran penting. Keduanya menentukan jejak sinar (lebar dan kedalaman sinar) dan oleh karena itu faktor yang mempengaruhi densitas jet air (fluks air) dan dampak jet. Selain dua variabel ini, rasio antara volume udara terkompresi dan aliran air harus dipertimbangkan sebagai faktor lain dalam proses pendinginan sekunder. Spray cooling pada strand melibatkan didihan dan pembentukan lapisan uap di permukaan baja. Udara terkompresi menyediakan energi kinetik yang diperlukan untuk penetrasi titik melalui lapisan uap.

Nozel air mist

Pendekatan awal untuk sistem pendinginan sekunder untuk CCM didasarkan pada penggunaan nozel sinar single fluid. Teknologi nozel telah mengalami perbaikan sejak itu meskipun beberapa mesin masih berjalan pada sistem pendinginan hanya air dan mencapai produktivitas tinggi dan kualitas produk tinggi. Namun, dalam lingkungan saat ini, CCM membutuhkan fleksibilitas yang tinggi dalam hal grade baja dan variasi ukuran bagian dan ini memerlukan fleksibilitas yang tinggi dalam sistem pendinginan sekunder dan oleh karena itu CCM dilengkapi dengan nozel air mist.

Fitur esensial nozel air mist modern adalah mixing chamber, extension pipe, dan adapter inlet air dan air serta geometri internal dan geometri ujung nozel. Komponen ini harus dirancang dengan presisi untuk memastikan koefisien transfer panas yang sangat tinggi, sudut sinar yang stabil dan distribusi air yang seragam. Nozel air mist memiliki karakteristik tidak tersumbat dan tidak ada bagian yang aus di mixing chamber udara dan air. Lebar sinar dari nozel ini stabil dalam rentang luas tekanan air. Dengan demikian, nozel ini memiliki karakteristik sinar yang konstan dan seragam.

Nozel air harus memenuhi persyaratan (i) atomisasi air pendinginan menjadi kabut halus untuk pendinginan yang seragam baja, (ii) sinar sudut lebar dari aliran kabut untuk mengurangi jumlah pemasangan nozel, (iii) peningkatan ukuran keluar nozel untuk pengurangan tersumbatan nozel dan peningkatan rentang volume air yang dikeluarkan, dan (iv) ukuran nozel harus memfasilitasi pemasangannya di antara roll. Faktor penting dalam pendinginan udara kabut yang berkontribusi pada kondisi transfer panas yang efektif adalah (i) flux densitas sinar air mist, dan (ii) kecepatan sinar.

Diharapkan untuk memiliki nozel air mist dengan rentang turun yang luas untuk menjaga jumlah tipe nozel yang dipasang di CCM pada jumlah minimum. Ini membantu baik dalam pemeliharaan serta menjaga inventaris nozel pada level rendah.

Karena nozel air mist beroperasi dengan udara terkompresi selain air, lewat bebas yang diperlukan untuk memberikan laju aliran air yang sama meningkat dibandingkan nozel single fluid. Lewat bebas yang meningkat kurang rentan terhadap tersumbatan internal nozel yang biasanya disebabkan oleh kualitas air sinar yang buruk dan sebagai solcher menunjukkan umur nozel yang lebih ditingkatkan dan beban kerja pemeliharaan yang berkurang. Gambar 3 dan Tabel 1 membandingkan nozel single fluid dengan nozel air mist.

Gambar 3 Perbandingan nozel single fluid dan nozel air mist

Dalam sistem pendinginan sekunder CCM, perlu untuk nozel memberikan distribusi air yang seragam di seluruh permukaan strand dan di seluruh rentang turun. Toleransi +/- 15 % dari nilai rata-rata dapat dicapai dengan susunan multi-nozel pada tekanan air berkisar antara 1 kg/sq cm dan 7 kg/sq cm. Distribusi sinar yang seragam yang diberikan oleh nozel air mist baik pada rentang turun minimum dan maksimum ditunjukkan dalam Gambar 4.

Gambar 4 Kinerja distribusi sinar nozel air mist

Keuntungan utama nozel air mist dibandingkan nozel single fluid adalah rentang turun air yang ditingkatkan. Rentang turun air dihitung dari laju aliran pada tekanan air operasi maksimum (biasanya 7 kg/sq cm) dibagi oleh laju aliran pada tekanan operasi minimum (biasanya 0,5 kg/sq cm untuk nozel air mist dan 1 kg/sq cm untuk nozel single fluid). Nozel menunjukkan distribusi air sinar yang stabil dalam rentang tekanan operasi ini. Rentang turun air tipikal untuk nozel air mist bervariasi dalam kisaran 10:1 hingga 30:1, sementara untuk nozel single fluid bervariasi biasanya dalam kisaran 2,6:1 hingga 3,7:1. Rentang turun yang ditingkatkan memberikan fleksibilitas yang lebih tinggi dalam hal variasi transfer panas. Ini diilustrasikan dalam Gambar 5.

Gambar 5 Perbandingan rentang turun dan koefisien transfer panas nozel single fluid dan air mist

Nozel air mist untuk pencetakan billet dan bloom

Ketika pendinginan udara kabut menjadi untuk billet atau bloom CCM, nozel flat jet umumnya bukan pilihan terbaik. Ini terutama ketika 'retak setengah jalan' dialami. Retak setengah jalan terbentuk karena pemanasan ulang permukaan strand setelah melewati zona ekstraksi panas yang tajam di bawah sinar spray. Selama proses pemanasan ulang ini, permukaan mengembang dan memaksakan tegangan tarik pada material dalam yang lebih panas dan lebih lemah yang kemudian dapat retak. Penggunaan nozel flat jet memperkuat efek ini.

Nozel full cone atau oval cone memberikan pendinginan yang lebih lembut dengan mengekstrak panas melalui area permukaan yang diperluas. Dua pola sinar ini adalah standar untuk sistem pendinginan sekunder air single fluid, namun, belum ada versi yang memadai menggunakan air mist. Nozel full cone air mist umum menunjukkan kinerja sinar yang tidak stabil, konsumsi udara yang sangat tinggi, dan kecenderungan tersumbat dengan sangat mudah. Nozel oval cone air mist dengan multi-slot orifice. Pola sinar yang tidak seragam dan slot yang sangat sempit dan mudah tersumbat, telah membuat nozel ini hanyalah sekedar kompromi.

Dengan pengembangan generasi baru nozel full dan oval cone air mist, sekarang memungkinkan untuk menggunakan pendinginan udara kimut secara efektif di billet dan bloom CCM. Desain blok kompak memungkinkan pemasangan baik pada spray bar horizontal maupun pada header nozel vertikal 'banana'. Nozel full cone tipe air mist ditunjukkan dalam Gambar 6.

Gambar 6 Nozel full cone air mist tipikal

Dengan nozel ini, rentang turun 1:14 telah dicapai pada rentang tekanan air 1 kg/sq cm dan 10 kg/sq cm pada tekanan udara konstan 2 kg/sq cm. Sudut sinar nominal untuk nozel full cone lingkaran bervariasi dari 0 derajat hingga 90 derajat. Lewat bebas dengan diameter 2 mm sekitar 3 kali lebih tinggi dari sebelumnya untuk ukuran nozel dengan aliran berkisar dari 0,5 liter per menit (l/min) pada tekanan air 1 kg/sq cm dan 5 l/min pada tekanan air 7 kg/sq cm pada tekanan udara konstan 2 kg/sq cm.

Tabel 2 memberikan perbandingan kinerja pendinginan air mist dan spray cooling di beberapa pabrik baja Jepang

Manfaat pendinginan air mist dalam mesin pencetakan berkelanjutan adalah (i) insiden yang lebih rendah retak permukaan dan sudut serta segregasi pusat karena perbaikan dalam distribusi cair dan pengurangan aliran air pendinginan, (ii) peningkatan kecepatan pencetakan dan kapasitas produksi, (iii) peningkatan kondisi operasional CCM untuk campuran produk yang lebih luas karena rentang turun yang lebih luas dan optimasi rasio udara/air, (iv) biaya pemeliharaan dan pipa yang secara signifikan berkurang karena pemasangan dan pipa sinar nozel yang sederhana dan kokoh, dan (v) perbaikan keselamatan operasional karena alignment yang sempurna dari nozel dan pipa sinar serta pengurangan tersumbatan nozel.