Tungku Pemanas Ulang: Jenis, Fungsi, dan Aplikasi Industri

Pengantar

Tungku pemanas ulang digunakan di pabrik hot rolling untuk memanaskan stok baja (billet, bloom atau slab) ke suhu gulir sekitar 1200 derajat C yang cocok untuk deformasi plastis baja dan oleh karena itu untuk gulir di pabrik. Proses pemanasan di tungku pemanas ulang adalah proses berkelanjutan di mana stok baja dimuat di masuk tungku, dipanaskan di dalam tungku, dan dikeluarkan di keluar tungku. Panas ditransfer ke stok baja (Gambar 1) selama melintasi tungku terutama melalui konveksi dan radiasi dari gas pembakar dan dinding tungku.

Gambar 1 Mekanisme transfer panas di tungku pemanas ulang

Suhu muatan stok baja dapat bervariasi dari suhu sekitar hingga 800 derajat C. Suhu target keluar stok baja ditentukan oleh persyaratan proses gulir yang bergantung pada kecepatan gulir, dimensi stok dan komposisi baja. Aspek kualitas baja membatasi gradien suhu dan suhu permukaan. Bahan bakar yang digunakan di tungku ini dapat berupa bahan bakar padat, cair, atau gas. Diagram skematik tungku pemanas ulang tipe pusher ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Diagram skematik tungku pemanas ulang tipe pusher

Ukuran tungku pemanas ulang biasanya diekspresikan sebagai kapasitas untuk menyediakan stok baja panas ke pabrik gulir dari stok dingin dan diekspresikan dalam ton per jam. Efisiensi energi tungku pemanas ulang biasanya didefinisikan sebagai peningkatan kandungan panas stok baja saat dipanaskan dari 10 derajat C hingga 1200 derajat C dibagi oleh energi bahan bakar (panas laten plus panas sensitif) yang digunakan untuk itu. Potongan lintang vertikal tipikal tungku pemanas ulang ditunjukkan dalam Gambar 3.

Gambar 3 Potongan lintang vertikal tipikal tungku pemanas ulang

Banyak fitur desain tungku mempengaruhi efisiensi energi. Ini termasuk (i) tipe pembakar, (ii) dimensi tungku, (iii) jumlah zona tungku, (iv) tipe isolasi dinding dan atap, (v) desain skid, dan (vi) pemanasan pra bahan bakar dan udara pembakaran di pemanah panas oleh gas buang panas yang keluar dari keluar tungku. Tungku yang efisien dirancang sedemikian rupa sehingga dalam waktu yang tertentu stok baja sesuai kapasitas tungku dipanaskan ke suhu yang seragam dengan bahan bakar dan jam kerja yang sekecil mungkin. Parameter yang penting untuk desain tungku meliputi (i) jumlah panas yang harus diberikan ke muatan, (ii) generasi panas yang cukup yang tersedia di dalam tungku untuk memanaskan stok baja serta untuk mengatasi semua kerugian baja, (iii) transfer panas yang dihasilkan ke permukaan stok baja yang akan dipanaskan, (iv) penyamakan suhu di dalam stok baja, dan (v) kerugian panas dari tungku ke minimum.

Praktik operasional juga penting untuk efisiensi energi. Situasi ideal adalah menjalankan tungku pada kapasitas terpadu dengan satu jenis stok baja dengan komposisi yang sama dan dimensi seragam. Namun dalam praktik, ini tidak terjadi dan faktor yang mempengaruhi efisiensi tungku adalah (i) stok baja dengan dimensi, komposisi dan suhu awal yang berbeda dapat tinggal di tungku pada waktu yang sama, (ii) keterlambatan gulir dapat memperlambat atau menghentikan gerakan stok baja di tungku, (iii) komposisi dan ketersediaan bahan bakar dapat bervariasi, dan (iv) pembakar dan kondisi internal tungku telah menurun.

Efisiensi energi tungku biasanya digambarkan oleh diagram Sankey. Diagram Sankey tipikal untuk tungku pemanas ulang dengan muatan dingin ditunjukkan dalam Gambar 4.

Gambar 4 Diagram Sankey tipikal tungku pemanas ulang

Klasifikasi Tungku Pemanas Ulang

Klasifikasi tungku pemanas ulang dapat dilakukan dalam empat cara yaitu (i) berdasarkan metode pemanasan, (ii) berdasarkan metode muatan tungku pemanas ulang, (iii) berdasarkan gerakan stok baja di tungku pemanas ulang, dan (iv) berdasarkan metode pemulihan panas.

Berdasarkan metode pemanasan, tungku pemanas ulang dapat berupa tipe pemanasan pembakaran atau tipe pemanasan listrik. Tungku tipe pemanasan pembakaran dapat menggunakan bahan bakar padat, cair, atau gas.

Berdasarkan metode muatan, tungku pemanas ulang dapat diklasifikasikan sebagai tipe batch atau tipe berkelanjutan. Di tungku batch, bahan yang dimuat tetap berada di posisi tetap di hearth hingga dipanaskan ke suhu gulir / forging sementara di tungku berkelanjutan bahan yang dimuat bergerak melalui tungku dan dipanaskan ke suhu gulir saat melintasi tungku.

Berdasarkan gerakan stok baja di dalam tungku, tungku berkelanjutan dapat lebih diklasifikasikan sebagai pusher furnace, rotary hearth furnace, walking beam furnace, walking hearth furnace, dan roller hearth furnace.

Berdasarkan pemulihan panas, tungku pemanas ulang dapat berupa tipe regeneratif atau tipe rekuperatif. Tungku pemanas ulang tipe regeneratif menggunakan pembakar regeneratif sementara tungku tipe rekuperatif menggunakan rekuperator untuk pemulihan panas dari gas buang.

Berbagai jenis tungku pemanas ulang dijelaskan di bawah.

Tungku Batch

Ini adalah tipe tungku yang lebih lama yang mampu memanaskan semua grade dan ukuran baja. Stok baja yang akan dipanaskan di tipe tungku ini dimuat dan ditarik melalui pintu depan oleh mesin muatan. Tungku ini bervariasi ukuran dari hearth kurang dari satu meter persegi dengan satu pintu akses hingga yang memiliki hearth sekitar 6 meter (m) dalam kedalaman dan sekitar 15 m dalam panjang dan dengan 5 hingga 6 pintu akses. Tungku batch dapat dioperasikan untuk memanaskan material ke suhu sekitar 1320 derajat C dengan lebih memuaskan dibandingkan tungku berkelanjutan. Mereka juga dapat digunakan sebagai wadah untuk menyimpan material panas langsung dari pabrik primer untuk gulir nanti di pabrik finishing.

Kelemahan tungku batch adalah (i) biaya modal tinggi per unit produksi, (ii) efisiensi luas hearth rendah, (iii) jam kerja tinggi yang diperlukan per ton produk yang dipanaskan, (iv) praktis tidak ada fleksibilitas, dan (v) keterbatasan panjang potongan yang akan dipanaskan.

Tungku Tipe Pusher

Di tipe tungku pusher, stok baja dingin didorong ke depan dengan bantuan pusher di sisi muatan. Awalnya, tungku ini dirancang untuk memanaskan billet atau bagian yang lebih kecil dari bloom. Hearth tungku awal pendek dalam panjang dan miring ke bawah secara longitudinal menuju ujung pembuangan untuk memungkinkan laluan yang mudah stok baja melalui tungku. Saat ini tungku pusher lebih panjang dengan hearth sekitar 25 m hingga 30 m panjang. Tungku ini dilengkapi dengan pemanasan atas atau pemanasan atas dan bawah. Tungku ini biasanya memiliki tiga zona yaitu (i) zona pemanasan pra, (ii) zona pemanasan, dan (iii) zona soaking. Tungku multi zona seperti tungku pemanas ulang slab lima zona juga telah dirancang dan dioperasikan.

Stok baja dingin dapat dimuat di tungku ini baik dari ujung atau melalui pintu sisi. Dalam keduanya, stok baja dipindahkan ke depan dengan mendorong potongan terakhir yang dimuat dengan pusher di ujung muatan. Dengan setiap dorongan stok baja dingin terhadap garis material yang berkelanjutan, potongan yang dipanaskan dikeluarkan di ujung pembuangan baik oleh gravitasi melalui pintu ujung ke roller table yang memberi makan pabrik gulir, atau didorong melalui pintu sisi ke roller table pabrik oleh cara manual atau mekanis yang sesuai, atau ditarik melalui pintu ujung oleh ekstraktor mekanis.

Keuntungan tungku tipe pusher meliputi (i) produksi tinggi per unit investasi modal, (ii) efisiensi luas hearth yang tinggi, (iii) produksi spesifik yang lebih tinggi per unit ruang yang digunakan, (iv) biaya pemeliharaan rendah, (v) kemudahan muatan dan pembuangan material, (vi) perbedaan suhu yang lebih rendah antara dua potongan material yang didorong, (vii) kontrol lebih besar terhadap laju pemanasan pada semua level suhu, (vi8) kenaikan bertahap suhu memungkinkan muatan semua grade material dingin, dan (ix) dapat dibangun untuk panjang potongan yang lebih besar yang akan dipanaskan untuk hasil pabrik gulir yang lebih tinggi.

Kelemahan tungku tipe pusher meliputi (i) membatasi penampang stok baja karena permukaan kontak harus persegi untuk mencegah tumpukan stok baja di tungku, (ii) praktis tidak ada fleksibilitas untuk memanaskan secara efisien jumlah kecil atau ketebalan stok baja, (iii) pemeliharaan skid pendingin air sulit, (iv) skid pendingin air menghasilkan garis dingin pada stok baja yang dipanaskan, (v) membatasi ketebalan stok baja hingga maksimum 300 mm hingga 350 mm ketika skid pendingin air digunakan, (vi) tumpukan skala di hearth menyebabkan masalah dan pengosongan tungku di akhir jadwal mahal, (vii) tidak diinginkan untuk mendorong ukuran campuran stok baja melalui tungku.

Tungku Rotary Hearth

Tungku rotary hearth digunakan untuk memanaskan billet bundar di pabrik gulir pipa dan untuk memanaskan bloom atau billet pendek di pabrik forging. Tungku rotary hearth terdiri dari tungku dan peralatan pendukung untuk muatan dan pembuangan. Tungku memiliki atap tungku tetap, yang didukung oleh dinding tungku tetap, dan hearth lingkaran berputar, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5. Tekanan positif dipertahankan di tungku untuk mencegah udara dingin eksternal masuk ke tungku. Tungku memiliki seal air internal dan eksternal untuk mempertahankan tekanan di tungku.

Pembakar dipasang pada dinding eksternal dan internal atau atap tungku. Dinding eksternal tungku memiliki pintu muatan dan pembuangan tungku, dan muatan dan pembuangan dilakukan dengan bantuan mesin muatan dan pembuangan. Muatan dan pembuangan berlangsung secara bersamaan. Ketika billet bundar ditempatkan di tungku, dasar berputar dengan sudut tertentu. Billet bundar mengikuti jalur radial di dalam tungku dan diatur dalam satu baris atau multi baris. Hearth rotary tungku dibagi menjadi zona pemanasan pra, pemanasan, dan soaking. Tidak ada pembakar di zona pemanasan pra. Lubang gas buang diatur di dinding sisi di dekat pintu muatan tungku. Gas buang suhu tinggi mengalir ke arah berlawanan melalui rotary hearth, masuk ke saluran dan bayu di luar tungku, dan keluar ke atmosfer. Selama proses aliran gas buang suhu tinggi, billet di zona pemanasan pra terutama dipanaskan oleh konveksi. Panjang zona pemanasan pra sekitar satu-empat dari panjang lingkaran tungku rotary. Panjang zona soaking sekitar tiga-dua puluh dari panjang lingkaran tungku rotary hearth. Selain itu, tidak ada billet bundar dan pembakar yang ada di antara pintu muatan dan pembuangan tungku. Dinding pemisah ditempatkan di tengah. Jarak antara pintu muatan dan pembuangan tungku sekitar satu-sepuluh dari panjang lingkaran tungku rotary.

Gambar 5 Tungku pemanas ulang rotary hearth

Stok baja di tungku rotary hearth bergerak ke maju baik di hearth horizontal atau miring sedang. Dengan demikian ia tidak memiliki kelemahan dari hearth yang terlalu miring dari tungku pusher berkelanjutan. Tungku ini memiliki cara kontrol yang lebih baik terhadap laju pemanasan pada semua level suhu dibandingkan dengan tungku tipe batch. Kelemahan tungku ini meliputi (i) biaya modal tinggi per unit produksi, (ii) rasio ruang yang tinggi per unit, (iii) efisiensi luas hearth rendah, dan (iv) refractory dinding dan seal di level hearth membutuhkan tingkat pemeliharaan yang tinggi.

Tungku Walking Beam

Awalnya tungku walking beam dirancang dengan walking beam baja alloy yang diekspos langsung pada panas tungku dan juga terkena korosi panas. Oleh karena itu tungku ini dioperasikan pada suhu maksimum 1065 derajat C. Tungku ini tidak cocok untuk memanaskan baja di mana suhu pemanas ulang hingga 1320 derajat C.

Saat ini walking beam terbuat dari anggota baja pendingin air yang dilapisi refractory sehingga hanya refractory yang diekspos pada panas tungku. Secara alternatif, balang dan dukungan dibuat dari bagian pipa pendingin air dengan tombol pada permukaan atas untuk menjaga material panas dari kontak langsung dengan pipa pendingin air. Tungku walking beam kini digunakan untuk memanaskan ulang billet, bloom dan slab.

Tungku walking beam memiliki dua set balang. Stok baja beristirahat di balang statis atau tetap. Untuk bergerak maju, stok baja diangkat oleh balang bergerak yang bergerak maju pada jarak yang ditetapkan dan menempatkan stok ke langkah berikutnya di hearth. Setelah menempatkan stok di langkah berikutnya di hearth, balang bergerak kembali ke posisi asli. Ini ditunjukkan dalam Gambar 6.

Gambar 6 Mekanisme walking beam

Tungku walking beam biasanya dirancang dengan muatan dan pembuangan ujung atau sisi. Balang dapat dioperasikan baik hidrolis maupun mekanis. Cross firing dengan pembakar dinding sisi di atas dan bawah stok material yang dipanaskan digunakan. Di beberapa tungku, material dipanaskan dengan pembakar atap tipe radiant atau dengan pembakar yang ditempatkan di atap dan di bawah material.

Keuntungan tungku walking-beam adalah (i) material yang akan dipanaskan dapat dipisahkan satu sama lain untuk menghindari sticker, (ii) tumpukan di tungku dan waktu retensi di tungku dikurangi, (iii) memungkinkan untuk mengosongkan tungku dari kedua sisi dengan mengaktifkan mekanisme balang, (iv) tidak ada tanda skid karena tidak ada kontak garis dengan skid pendingin air, (v) aus hearth dan kerusakan material praktis tidak ada karena tidak ada gesekan antara material dan dengan hearth, (vi) pemanfaatan hearth yang lebih baik dapat diperoleh saat muatan ukuran campuran dengan memilih jumlah walking beam yang tepat, dan (vii) ada potensi untuk perluasan panjang tungku keseluruhan untuk meningkatkan pemanfaatan gas buang tungku dan mengurangi konsumsi bahan bakar.

Kelemahan tungku walking beam adalah (i) kompleksitas sistem, (ii) biaya modal tinggi, (iii) pemeliharaan tinggi dari seal hearth dan refractory hearth dan (iv) masalah yang disebabkan oleh skala yang jatuh selama pemanasan material.

Tungku Walking Hearth

Mirip dengan tungku walking beam dengan respecto terhadap laluan stok baja melalui kamar pemanasan. Perbedaan terletak pada metode pengangkutan di kedua tungku ini. Di tungku walking hearth, stok baja beristirahat di pier refractory tetap. Pier ini meluas melalui pembukaan di hearth dan puncaknya di atas permukaan hearth selama waktu material diam di tungku. Gas tungku dapat beredar di antara sebagian besar permukaan bawah pekerja dan hearth.

Untuk gerakan material menuju ujung pembuangan tungku, hearth diangkat vertikal untuk pertama kali menyentuh material dan kemudian diangkat lebih jauh untuk jarak pendek di atas pier. Hearth kemudian bergerak maju ke jarak yang ditetapkan, berhenti, menurunkan material pada posisi baru di atas pier, terus menurun ke posisi terendahnya dan kemudian bergerak mundur ke posisi awalnya menuju ujung muatan tungku untuk menunggu stroke berikutnya. Keuntungan dan kelemahan tungku walking hearth mirip dengan tungku walking beam. Mekanisme tungku pemanas ulang walking hearth ditunjukkan dalam Gambar 7.

Gambar 7 Mekanisme tungku pemanas ulang walking hearth

Tungku Pemanas Ulang Roller Hearth

Tungku roller hearth digunakan dengan baik saat memanaskan billet, bloom atau slab yang sangat panjang di situasi di mana tidak praktis untuk memanaskan di tungku pusher atau walking beam. Di tungku roller hearth, hearth terdiri dari serangkaian roller pendingin air yang diangkat di mana stok baja bergerak maju. Potongan lintang tungku roller hearth ditunjukkan dalam Gambar 8.

Gambar 8 Potongan lintang tipikal tungku roller hearth

Keuntungan tungku pemanas ulang roller hearth adalah (i) memiliki kemampuan untuk menangani potongan yang sangat panjang, (ii) kontrol zona di tungku ini lebih sederhana ketika cross-firing digunakan, (iii) material menderita sedikit atau tidak ada kerusakan mekanis, (iv) tidak ada tanda skid, dan (iv) tungku roller hearth self emptying.

Kelemahan tungku roller hearth meliputi (i) biaya awal tinggi per unit kapasitas, (ii) jika roller tidak terisolasi dengan baik maka terjadi kerugian panas yang meningkat karena pendinginan air roller, dan (iii) tungku roller hearth lebih sempit dan lebih panjang dibandingkan tungku tipe pusher atau walking beam dengan kapasitas yang sama.

Masalah Umum yang Berkaitan dengan Tungku Pemanas Ulang

Ada beberapa masalah umum yang berkaitan dengan tungku pemanas ulang berkelanjutan. Tungku dengan pemanasan satu zona terkait dengan kerugian skala yang lebih tinggi. Tungku dengan pemanasan satu zona juga memiliki kecenderungan yang lebih tinggi untuk menyebabkan decarburization baja carbon tinggi dibandingkan tungku dengan pemanasan atas dan bawah karena baja diexpos pada gas tungku dengan kombinasi hidrogen dan uap air selama durasi yang lebih lama. Skaling kadang-kadang dilakukan secara sengaja untuk menghilangkan lapisan permukaan yang didekarburisasi. Tungku dengan pemanasan atas memiliki hearth yang lebih panjang untuk produksi yang sama dibandingkan tungku dengan pemanasan atas dan bawah. Tungku pembuangan sisi memiliki infiltrasi udara yang lebih sedikit di ujung panas dibandingkan tungku pembuangan pintu ujang. Pembuangan pintu ujang tipe gravitasi biasa menarik udara dingin ke dalam tungku oleh efek bayu di ujung pembuangan tungku. Namun pembuangan pintu ujang secara mekanis lebih sederhana untuk menghapus material yang dipanaskan. Hearth yang rata menghilangkan efek bayu dari hearth yang miring ke atas menuju ujung muatan. Efek bayu ini menarik udara dingin ke dalam tungku di ujung panas dan oleh karena itu menyebabkan konsumsi bahan bakar yang lebih tinggi dan kerugian skala.