Optimisasi Sistem Pendingin Tanur Tiang Bawah untuk Efisiensi dan Ketahanan yang Ditingkatkan

Dalam pertimbangan investasi modal besar yang diperlukan untuk relining tanur tiang bawah (TF), upaya besar telah dilakukan di masa lalu untuk memperpanjang umur kampanye TF. Perkembangan dalam proses pembuatan besi TF dan kemajuan dalam ilmu material telah meningkatkan produktivitas, konsumsi bahan bakar, kualitas produk, dan umur kampanye TF. Durasi kampanye TF hingga tahun 1990-an dipengaruhi terutama oleh umur shaft bawah, yaitu area dengan beban termal tertinggi. Jika transfer panas, stres termal, dan umur kampanye tanur tidak dianalisis, hal ini dapat menyebabkan kegagalan TF.

Pendingin yang efisien diperlukan untuk menyeimbangkan beban termal dan aus yang terkait pada lapisan dalam tanur, serta melindungi cangkang dan elemen pendinginnya. Sistem pendingin TF memainkan peran kunci dalam umur kampanye TF dan oleh karena itu biaya operasional. Elemen pendingin dengan air yang mengalir di dalamnya dipasang di antara cangkang TF dan lapisan refraktori di bagian atas tanur untuk melindungi komponen ini dari radiasi panas.

Fritz W Lurman, seorang ahli TF terkenal pada zamannya, berpendapat pada 1892 bahwa 'terlepas dari penggunaan bahan refraktori yang disebut demikian, cara terbaik untuk mempertahankan dinding TF adalah dengan air pendingin'. Fungsi sistem pendingin TF adalah untuk pendinginkan cangkang tanur dan mencegah kelebihan panas serta burn through yang menyusul. Sistem pendingin menghilangkan panas berlebih yang dihasilkan dalam TF yang jika tidak akan ditanggung oleh cangkang. Sistem pendingin oleh karena itu mencegah peningkatan suhu cangkang dan lapisan. Ada beberapa metode yang ada untuk pendinginan cangkang TF.

Sejarah dan Perkembangan Sistem Pendingin

Sistem pendingin TF telah dikembangkan sejak 1884. Awalnya (sampai tahun 1920-an) pendinginan hanya diterapkan pada area hearth dan bosh. Pada tahun 1930-an dan 1940-an, pendinginan juga diterapkan pada shaft. Secara bersamaan, metode pendinginan eksternal seperti shower dan jacket pendingin cangkang tanur dicoba. Metode ini bergantung pada ekstraksi panas melalui cangkang tanur ke medium pendingin, menghasilkan stres termal tinggi selama transfer panas dan oleh karena itu mengancam integritas cangkang.

Di masa lalu, selain memiliki pendingin sendiri, bagian cangkang yang berdekatan dengan hearth dan dasar tanur juga pada beberapa tanur didinginkan di luar dengan semprotan air. Selain itu, pada masa awal, cooling box dengan ukuran, jumlah dan desain yang berbeda digunakan untuk mentransfer panas tanur ke medium pendingin bersama dengan pendinginan eksternal (spray cooling, double shell).

TF dengan cooling stave besi cor telah beroperasi sejak pertengahan abad ke-20. Stave adalah perangkat pendingin yang memiliki satu atau lebih saluran air internal, dan dipasang dalam jumlah besar pada permukaan dalam TF untuk melindungi cangkang baja dari gas suhu tinggi dan bahan cair dalam tanur, serta mempertahankan profil di dalam tanur. Tiga properti yang terutama diperlukan dari stave adalah (i) umur panjang dan keandalan, (ii) kemampuan pendinginan yang tepat, dan (iii) kemampuan isolasi termal.

Properti Utama Stave

Yang pertama adalah umur panjang dan keandalan. Karena tidak mungkin untuk memperbaiki stave dari luar TF karena strukturnya, pekerjaan penggantian yang luas diperlukan ketika stave rusak. Stave yang rusak memiliki dampak serius buruk pada operasi TF, menyebabkan pemadam ledakan yang panjang dan penurunan suhu di dalam tanur karena kebocoran air, atau perubahan profil yang dapat menghasilkan kegagalan operasional. Karena alasan ini, umur panjang yang stabil diperlukan untuk stave.

Yang kedua adalah kemampuan pendinginan yang tepat. Untuk melindungi cangkang dari gas suhu tinggi sekitar 1.200 derajat C dan bahan cair, kemampuan pendinginan yang tepat diperlukan dari stave. Karena kemampuan pendinginan tinggi diperlukan untuk pendinginan bagian tanur antara bosh dan bagian bawah shaft yang terpapar suhu tinggi, stave tembaga digunakan untuk bagian ini dalam beberapa kasus.

Yang ketiga adalah kemampuan isolasi termal. TF di mana oksida besi direduksi dan dilelehkan pada suhu tinggi diinginkan memiliki struktur isolasi panas sehingga tidak membuang energi termal. Di sisi lain, seperti yang dijelaskan di atas, stave didinginkan untuk mempertahankan profil di dalam TF dan melindungi cangkang. Oleh karena itu, ia menghilangkan energi termal dari gas dan bahan suhu tinggi. Menghilangkan panas oleh stave melibatkan konsumsi bahan bakar setara (koks), secara langsung menyebabkan peningkatan tingkat agen pengurangan (RAR). Peningkatan RAR dapat berakibat pada peningkatan emisi karbon dioksida dan meningkatkan harga satuan besi cair. Karena alasan ini, stave diperlukan untuk memiliki isolasi termal yang tepat (pembatasan pemindahan panas) yaitu kemampuan untuk meminimalkan energi panas yang diambil dari dalam tanur, serta kemampuan pendinginan yang tepat. Secara konvensional, batu bata dengan konduktivitas termal rendah ditanam di depan stave besi cor untuk mendapatkan kemampuan pendinginan dan kemampuan isolasi termal. Sementara itu, stave tembaga digunakan untuk membentuk lapisan isolasi termal dari bahan semi-cair yang terletak di depan stave dengan pendinginan bahan tersebut dengan kemampuan pendinginan tinggi agar menempel pada permukaan dalam stave.

Stave cooler pertama kali mulai dikembangkan sekitar pertengahan abad ke-20. Pendinginan stave besi cor awalnya adalah penemuan dari Uni Soviet dan dari sana menyebar awalnya ke India dan Jepang. Pada tahun 1970-an, stave pendingin besi cor telah menerima penerimaan di seluruh dunia. Sejak perkenalan stave cooler besi cor, pekerjaan pengembangan sistem pendingin TF dipercepat dan saat ini berbagai macam cooler seperti plate cooler, cigar cooler, dll. tersedia untuk pendinginan internal cangkang tanur untuk sesuai dengan kondisi stres ekstrim pada TF modern dengan kinerja tinggi. Keuntungan pendinginan stave dibandingkan pendinginan flat plate adalah efek pendingin selimut dari stave dibandingkan efek pendingin titik ke titik dari flat plate dan cigar cooler. Ini memastikan kinerja pendinginan yang lebih merata.

Untuk mayoritas TF dengan kapasitas besar yang beroperasi saat ini, para insinyur desain telah memutuskan untuk menggunakan stave untuk sistem pendingin karena mereka memungkinkan pendinginan intensif dan, di atas segalanya, merata pada tanur. Secara klasik, stave terbuat dari nodular cast iron, yang dicor di sekitar pipa pendingin air. Mereka dipasang di seluruh cangkang tanur, dari plate bawah hingga throat. Namun, seringkali stave tunduk pada stres berat yang disebabkan oleh beban panas tinggi, terutama di area bosh dan belly, yang dapat membatasi panjang kampanye tanur. Ini dapat menyebabkan kehilangan seluruh tubuh stave, dengan hanya pipa pengantar air yang tersisa. Dipercaya bahwa baik konduktivitas termal dari material besi cor maupun transfer panas antara pipa dan tubuh besi dapat menjadi masalah. Bahkan dengan sistem pendingin terbaik yang dikenal, area cangkang bawah tetap menjadi titik lemah TF.

Stave secara konvensional terbuat dari besi cor, tetapi kelayakan pembuatan mereka dari tembaga, yang memiliki konduktivitas panas yang luar biasa, dikonfirmasi di Jerman sekitar pertengahan tahun 1990-an, dan sejak itu stave tembaga telah digunakan untuk beberapa TF. Pada 1993, stave tembaga diperkenalkan untuk pertama kalinya di Jerman pada TF nomor 2 Thyssen Krupp di Schwelgern dan TF 'B' di Salzgitter. Pembuatan stave dari tembaga, menggunakan saluran air bor sebagai gantinya pipa, atau menyediakan saluran yang sesuai saat mencor slab tembaga, telah terbukti menjadi langkah signifikan dalam desain TF modern.

Teori bahwa konduktivitas termal tinggi tembaga mengarah pada dispersi panas proses yang meningkat telah dibantah. Konduktivitas tinggi tembaga menghasilkan suhu permukaan rendah dan pembentukan lapisan tipis yang cepat yang mengurangi pemindahan panas dari tanur. Efek pendingin begitu intens sehingga lapisan pelindung terbentuk dalam beberapa menit, bahkan di depan stave yang tidak dilindungi. Hasil terbaru menunjukkan bahwa tingkat panas yang dihilangkan dari tanur bahkan lebih rendah daripada yang dialami dengan stave besi cor.

Efek isolasi dari lapisan semacam itu mempertahankan kerugian panas pada minimum. Karena alasan ini, ketika TF nomor 2 Stahlwerke Bremen direline, tidak ada bahan refraktori permanen yang dipasang di depan stave di atas tuyere. Sebaliknya, hanya lapisan pelindung tipis yang ditiup yang dilapisi. Stave ini terbukti sangat berhasil sehingga saat ini penggunaan stave tembaga di area dengan beban termal tinggi adalah teknologi TF yang paling mutakhir. Stack bawah tidak lagi dianggap sebagai faktor pembatas umur kampanye TF. Sebaliknya, status hearth menentukan umur kampanye TF. Stave cooler tembaga saat ini mengisolasi cangkang luar dari panas proses yang dihasilkan dalam tanur yang sangat tertekan. Namun, tergantung pada posisi mereka dalam TF, mereka tunduk pada tingkat beban termal yang berbeda.

Kunci Operasi Sistem Pendingin yang Berhasil

Kunci operasi yang sukses dari sistem pendingin pada TF dengan beban panas tinggi adalah pembentukan skull pada wajah panas elemen pendingin. Skull ini terdiri dari uap yang menguap, logam dan escat yang menyekuai permukaan elemen pendingin dengan mencicik, menetes dan membeku padanya. Ketebalan dapat bervariasi hingga 20 mm. Stabilitas skull terutama tergantung pada kapasitas pendinginan dan kemampuan melekat mekanis elemen pendingin yang padanya ia melekat. Kehebatan aliran gas di dinding juga mempengaruhi retensi skull. Skull adalah isolator alami jika konten logam rendah. Selama periode beban panas ekstrim (misalnya jet gas suhu tinggi atau gangguan proses) skull dapat terpelesat, lalu terbentuk kembali setelahnya. Jatuh dan terbentuknya skull menyebabkan fluktuasi signifikan dalam beban panas pada dinding tanur dengan beban puncak dalam rentang 300.000 watt per meter persegi (W/m²) hingga 500.000 W/m².

Oleh karena itu, desain lapisan dan pendingin biasanya harus mampu menangani beban panas tersebut untuk menghindari kegagalan dini. Investigasi terperinci telah mengungkapkan bahwa semakin efisien kemampuan pendinginan elemen pendingin, semakin stabil skull dan semakin lama ia melekat pada elemen pendingin dan mempertahankan properti isolasi dan pelindungnya. Hasilnya adalah sistem pendingin yang sangat efisien biasanya menghasilkan kerugian panas keseluruhan yang lebih rendah dari tanur.

Sementara mayoritas TF adalah tipe bebas berdiri tanpa dukungan pada cangkang tanur, beberapa desain tanur menggabungkan mantle di mana tanur didukung dari tingkat tanah baik oleh kolom baja atau beton. Penggunaan mantle biasanya menghilangkan area belly. Mantle adalah bagian integral dari desain tanur pada tanur ini dan harus dilindungi dari kelebihan panas dalam kondisi yang sama seperti yang dialami di area belly dari TF bebas berdiri. Pendinginan lapisan tanur di area mantle menggunakan plate tembaga sulit karena akses yang terbatas untuk penggantian dan panjang plate cooler yang harus digunakan. Penggunaan stave di area ini memiliki keuntungan memberikan cakupan pendinginan yang lengkap pada mantle. Fig 1 menunjukkan susunan pendingin stave di mantle serta berbagai jenis susunan pendingin dalam TF.

Fig 1 Berbagai jenis susunan pendingin dalam tanur tiang bawah

TF modern dapat memiliki tingkat produksi lebih dari 3 ton besi panas per meter kubik volume kerja per hari. Tingkat produktivitas ini di TF dicapai dengan menggunakan bahan muatan yang ditingkatkan, teknik distribusi muatan, kontrol proses, suhu angin panas tinggi, enrichisasi oksigen dan injeksi bahan bakar tambahan. Namun, praktik produktivitas tinggi ini menghasilkan beban panas tinggi dan fluktuasi beban panas yang bekerja pada dinding TF. Meskipun zona spesifik dan magnitudo beban panas puncak dapat bervariasi secara signifikan antara tanur, area belly dan stack bawah biasanya mengalami fluktuasi panas tertinggi seperti yang ditunjukkan dalam Fig 2.

Fig 2 Fluktuasi beban panas di berbagai wilayah tanur tiang bawah

Area tempat beban panas tertinggi dialami berkaitan erat dengan posisi dan bentuk zona kohesif dan pola pengisian spesifik dari tanur. Penyebab utama fluktuasi panas tinggi adalah jet gas kecepatan tinggi yang tidak teratur yang mengeluarkan diri menuju dinding tanur melalui celah koks dalam muatan. Suhu tinggi dan fluktuasi adalah beban utama yang harus ditangani oleh elemen pendingin dalam TF. Komposisi dan kualitas muatan telah diamati mempengaruhi beban panas dan fluktuasi panas secara signifikan. Muatan TF dengan lebih dari 70 % sinter dapat menghasilkan beban puncak 100.000 W/m² hingga 200.000 W/m², sedangkan muatan dengan persentase pellet atau lump yang tinggi dapat menghasilkan beban panas puncak di atas 400.000 W/m². Tergantung pada beban panas yang diharapkan, berbagai elemen pendingin harus diterapkan. Tab 1 memberikan gambaran umum tentang berbagai desain pendingin dan refraktori dengan kemampuan beban panas puncak maksimum mereka.

Perlu ditekankan di sini bahwa beban panas puncak ini adalah faktor penentu primer untuk kelangsungan hidup jangka panjang lapisan tanur atau elemen pendingin.

Berbagai elemen pendingin yang dikembangkan untuk sistem pendingin TF adalah (i) stave besi cor dari berbagai generasi, (ii) plate cooler tembaga dengan jarak rapat, (iii) cigar cooler, dan (iv) stave pendingin tembaga. Elemen pendingin ini dijelaskan di bawah ini.

Stave Cooler Besi Cor

Untuk stave cooler besi cor, awalnya gray iron perlitik leging digunakan tetapi saat ini telah digantikan oleh ductile iron atau nodular iron, karena kurang mudah retak pada suhu di atas 760 derajat C. Baru-baru ini, stave baja cor sebagai gantinya stave besi cor juga telah berhasil diuji. Efek pendinginan dari stave besi cor ditentukan oleh ukuran dan bentuk tabung air pendingin di dalam stave cooler. Dimensi typikal stave besi cor terdiri dari panjang 1,8 m hingga 2,4 m, lebar 0,8 m hingga 1,1 m dan tebal 0,25 m hingga 0,6 m. Berbagai jenis stave pendingin besi cor ditunjukkan dalam Fig 3. Type C cooler jauh lebih tipis dan dirancang untuk menghemat ruang di dalam tanur untuk meningkatkan volume kerjanya.

Fig 3 Berbagai jenis stave besi cor

Sejak memperoleh teknologi stave besi cor dari Uni Soviet pada 1969, Jepang telah melakukan berbagai perbaikan untuk meningkatkan daya tahan stave. Ini termasuk penyempitanan jarak pipa dan pemasangan pipa pendingin sudut dan pipa serpentine belakang. Stave generasi keempat dikarakterisasi oleh fakta bahwa mereka memiliki dua bidang pendingin, empat tabung vertikal di bidang sisi panas dan satu tabung serpentine di bidang sisi dingin. Stave dilengkapi dengan hidung pendingin dan / atau braket untuk dukungan bahan refraktori. Lebih lanjut, sudut-sudut stave didinginkan secara intensif. Bahan refraktori dicor ke dalam lubang dukungan khusus di stave. Perbaikan yang dilakukan dari generasi pertama hingga generasi keempat dari stave cooler besi cor ditunjukkan dalam Fig 4.

Fig 4 Perbaikan pada stave cooler besi cor

Stave besi cor di area bosh dan stack TF memiliki umur pakai rata-rata sekitar 8 tahun hingga 10 tahun. Stave besi cor biasanya gagal karena kehilangan material besi cor dan paparan internal coil pipa. Besi cor retak dalam operasional karena beban panas tinggi yang diterimanya. Celah acak antara tabung pendingin dan besi cor mengurangi jumlah panas yang dihilangkan. Juga perbedaan antara koefisien ekspansi termal dari material tabung dan cooler itu sendiri dapat menyebabkan besi memisahkan dari tabung dan menghancurkan cooler. Penggunaan cooler besi cor di mana tabung lebih dekat pada besi cor membingungkan desain cangkang sambil tidak selalu meningkatkan umur sistem pendingin.

Mekanisme kegagalan stave besi cor di bawah beban panas yang fluktuatif tinggi adalah karena konduktivitas termal rendah (sekitar 45 W/m.K) dari besi cor. Stave besi cor memiliki efisiensi pendinginan yang lebih rendah dibandingkan stave tembaga karena konduktivitas relatif rendah dari besi cor dan kehadiran lapisan isolasi. Lapisan ini menghasilkan barier termal antara tabung pendingin air dan tubuh stave besi cor mengurangi transfer panas. Transfer panas yang tidak efisien menghasilkan suhu wajah panas yang jauh lebih tinggi dari stave besi cor (di atas 700 derajat C) dan deformasi termal yang menyusul dari stave besi cor. Tubuh besi cor juga mengalami transformasi volume fase pada suhu yang ditingkatkan, menghasilkan retak lelah, kehilangan material tubuh stave, dan paparan pipa pendingin baja langsung terhadap panas tanur.

Copper Flat Plate Coolers

Copper flat plate coolers, sebagaimana namanya menjelaskan, adalah plate datar yang disusun secara horizontal ke dalam cangkang tanur. Plate cooler datar ini telah digunakan hampir di semua TF Eropa. Cooler ini diweld atau dicor dalam tembaga elektrolitik. Dengan yang terakhir, tidak ada masalah pada las dan ada keseragaman properti material yang lebih besar di seluruh elemen pendingin. Tipe cooler ini biasanya digunakan di area dari bosh hingga termasuk stack bawah. Biasanya dirancang untuk mempertahankan kecepatan air yang tinggi di seluruh cooler, sehingga memberikan koefisien transfer panas yang merata dan tinggi. Copper flat plate coolers typikal ditunjukkan dalam Fig 5.

Fig. 5 Copper flat plate cooler

Ukuran plate normal dari copper flat plate coolers terdiri dari panjang 0,5 m hingga 1,0 m, lebar 0,4 m hingga 0,8 m dan tinggi sekitar 75 mm. Jarak vertikal cooler adalah 0,3 m hingga 0,6 m. Di zona dengan beban panas tinggi, terutama di area bosh dan stack bawah, jarak sering dikurangi menjadi 0,25 m. Copper flat coolers memiliki keseragaman properti material yang lebih besar di seluruh elemen pendingin. Di wilayah TF yang tunduk pada kerusakan mekanis, sisi depan elemen pendingin biasanya diuatkan dengan bahan khusus. Cooler ini sebagian besar diweld ke cangkang TF untuk memastikan penyegelan gas yang rapat. Copper flat plate coolers biasanya memiliki beberapa saluran dengan satu atau dua kamera independen. Kehilangan tekanan air minimum dijamin baik dalam pipa maupun elemen itu sendiri.

Salah satu desain caper flat plate cooler memiliki enam pass dengan kamera tunggal. Cooler ini dirancang untuk mempertahankan kecepatan air yang tinggi di seluruh cooler, sehingga memiliki koefisien transfer panas yang merata dan tinggi.

Kegagalan copper flat coolers dikaitkan dengan empat mekanisme kegagalan. Mereka adalah (i) defleksi, (ii) kegagalan las pipa, (iii) kegagalan las plug, dan (iv) abrasi permukaan. Perbandingan copper plate cooler dengan cast iron stave cooler diberikan dalam Tab 2.

Cigar Coolers

Cigar coolers digunakan untuk pendinginan yang lebih intensif atau dengan jarak flat plate cooler yang tidak mencukupi. Ini juga dikenal sebagai copper jackets. Cigar coolers digunakan di area terbuka antara plate coolers ketika pendinginan yang lebih intensif diperlukan atau jarak flat plate cooler yang ada tidak mencukupi. Ini juga kadang digunakan untuk perbaikan pada sistem pendingin yang ada selama kampanye. Cigar cooler biasanya dipoles dari batang tembaga padat untuk membentuk inti silinder dan satu saluran ditambahkan dengan bor dan penutup.

Cigar cooler biasanya dimasukkan pada garis tengah antara plate coolers yang berdekatan pada bidang horizontal dan vertikal. Untuk tujuan pemasangan cigar cooler biasanya lubang silinder dibor melalui cangkang tanur dan lapisan refraktori yang ada dengan core drill. Penggunaan cigar cooler di area bosh, belly, dan stack bawah meningkatkan luas sistem pendingin. Karena area ini di TF memiliki suhu dan fluktuasi suhu tertinggi, penggunaan cigar cooler dapat meningkatkan ketahanan lapisan refraktori terhadap mekanisme serangan kimia dan mekanis. Namun karena penggunaan cigar cooler menghasilkan peningkatan lubang di tanur, diperlukan untuk memeriksa kekuatan cangkang sebelum penggunaannya. Cigar cooler typikal dan posisinya antara plate coolers seperti yang dilihat dari luar cangkang TF ditunjukkan dalam Fig 4.

Fig 6 Cigar cooler dan posisinya antara plate coolers

Copper Stave

Dalam pertimbangan investasi modal besar yang diperlukan untuk relining TF, upaya besar telah dilakukan untuk memperpanjang umur kampanye TF. Teknologi copper stave adalah salah satu hasil dari upaya tersebut.

Stave besi cor, karena karakteristik materialnya, menyebabkan degradasi material di bagian bawah tanur tiang bawah, yang terpapar beban panas tinggi. Ini telah membuat sulit untuk mencapai umur tanur stabil 20 tahun menggunakan stave besi cor. Sebagai alternatif pendingin untuk stave besi cor mempertimbangkan beban panas tinggi, rolled copper stave dikembangkan. Tipe stave ini terbuat dari plate tembaga gulungan di mana lubang dibuat dan pipa pasokan dan pembuangan air diweld untuk membentuk saluran air. Penggunaan rolled copper stave dimulai di Jerman pada pertengahan tahun 1990-an, dan telah menyebar ke TF di beberapa negara.

Copper stave lain yang dikembangkan hingga saat ini termasuk cast copper stave dengan saluran air yang dibentuk menggunakan core dalam proses pencetakan, dan cast-in monel pipe copper stave dengan saluran air yang dibentuk menggunakan pipa monel yang dibentuk menjadi bentuk saluran dan dicor.

Copper stave pertama kali digunakan di TF pada akhir tahun 1970-an sebagai elemen pendingin dinding beban panas tinggi terbaik. Seiring dengan meningkatnya produktivitas TF dan tujuan umur kampanye yang diinginkan meningkat hingga 20 tahun, menjadi jelas bahwa copper stave memiliki potensi terbaik untuk memenuhi atau melebihi permintaan ini. Meskipun penggunaan copper stave menjadi prevalen pada pertengahan tahun 1990-an, mayoritas instalasi ada pada atau setelah tahun 2000. Pengembangan copper stave dilakukan baik di Jepang maupun Jerman untuk digunakan di wilayah bosh, belly, dan stack bawah untuk menghadapi beban panas tinggi dan fluktuasi suhu yang besar. Sementara Jepang memilih cast copper stave, copper stave Jerman adalah plate tembaga gulungan dengan toleransi luar yang ketat dan bor dilakukan untuk saluran pendingin. Drilled and plugged copper stave typikal dirancang untuk empat pipa air dalam garis lurus di atas dan empat pipa air dalam garis lurus di bawah. Material untuk coil pipa internal termasuk monel, tembaga, atau baja. Tidak seperti stave besi cor, copper stave dimaksudkan untuk dilekatkan pada pipa pendingin.

Saluran air dari copper stave sebagian besar dibentuk dengan membuat lubang ke dalam plate tembaga gulungan dan meweld pipa air di ujung lubang, dan kadang dibentuk dengan pencetakan menggunakan core pasir yang dapat dibuang, namun, pekerjaan weld tembaga tidak dapat dihindari dalam keduanya. Sementara copper stave konvensional terbukti luar biasa dalam kapasitas pendinginan, pembuatannya membutuhkan beberapa langkah kerja, dan oleh karena itu, mereka mahal.

Saat ini, tipe copper stave yang paling populer adalah rolled copper stave, proses pembuatannya melibatkan pembuatan lubang pada plate tembaga. Ujung saluran air dari stave ini di plug-weld. Cast-in steel pipe copper stave, yang telah dikembangkan, dibuat dengan mencetak pipa baja yang dibengkokkan ke dalam tembaga, proses pembuatan yang sama sekali berbeda dari rolled copper stave konvensional. Metode pembuatan unik ini telah memungkinkan pencapaian efisiensi energi tinggi dan umur panjang TF, yang tidak dapat dicapai menggunakan rolled copper stave.

Rolled copper stave terkadang memiliki tiga masalah yaitu (i) deformasi, (ii) retak las karena kelelahan termal, dan (iii) aus. Masalah pertama adalah deformasi. Rolled copper stave meruncing karena perbedaan ekspansi termal antara permukaan dalam stave, yang terpapar gas suhu tinggi, dan permukaan luar stave yang didinginkan. Mereka serius terdeformasi ketika stave terlalu panjang atau ketika posisi bout perbaikan tidak tepat. Deformasi semacam ini dapat menyebabkan aus pada bagian yang melampaui dan breakage las karena gas suhu tinggi mengalir ke joint stave dan permukaan belakang. Masalah kedua adalah retak las. Akibat kelelahan termal, ini terjadi karena las rolled copper stave tunduk pada stres termal berulang. Akibat fluktuasi suhu, rolled copper stave menghasilkan retak dan breakage. Masalah ketiga adalah aus. Bijih besi, sinter, dan koks memiliki kekerasan yang lebih tinggi daripada tembaga. Bahan ini mengaus copper stave ketika mereka menyentuh permukaan stave dan menurun. Secara umum, tingkat aus dari copper stave bergantung pada gaya kontak dan kecepatan penurunan material yang menyentuh permukaan stave, kekerasan tembaga dan material, dan bentuk material.

Pengembangan cast-in copper stave telah mempertimbangkan aspek-aspek berikut. Menurut aspek pertama, untuk pencegahan deformasi, desain yang tepat dari panjang stave dan titik pembatasan bout penting. Aspek pertama adalah bahwa penggunaan cast-in steel pipe copper stave dengan desainnya sendiri bermanfaat untuk mengurangi risiko deformasi secara efektif. Fig 7 menunjukkan titik pembatasan rolled copper stave dan cast-in steel pipe copper stave. Rolled copper stave dibatasi pada cangkang dengan montase bout dan pin. Untuk mencegah las di dasar pipa naik dari rusak karena stres, piping naik terhubung ke cangkang melalui expansion joint. Karena struktur ini, ujung atas dan bawah stave dapat berpindah secara bebas, menyebabkan stave mudah terdeformasi. Beban panas besar yang berulang diterapkan pada copper stave selama fluktuasi operasi TF, dll., menyebabkan plastic strain yang bertambah secara bertahap, dan menghasilkan deformasi besar. Ada kasus di mana deformasi di ujung atas telah mencapai 50 mm atau lebih dan las telah patah, dalam kondisi stave terlalu panjang, posisi bout yang tidak tepat, atau beban panas tinggi yang melebihi kondisi desain.

Fig 7 Titik pembatasan rolled dan cast-in pipe copper stave

Keandalan tinggi dan biaya pembuatan rendah terwujud dalam kasus cast-in steel pipe copper stave melalui teknologi pencetakan untuk menyematkan pipa baja dalam cor tembaga yang diterapkan pada produksi copper stave tipe baru. Teknologi pencetakan ini telah dikembangkan berdasarkan pembuatan stave besi cor. Copper stave tipe baru yang memiliki pipa baja yang disematkan memiliki keuntungan (i) kapasitas pendinginan tinggi karena pencetakan tembaga murni tinggi memastikan kapasitas pendinginan yang setara dengan copper stave konvensional, (ii) keandalan tinggi karena penyematkan pipa baja dalam cor tembaga menghilangkan weld tembaga dalam pembentukan saluran air dan kemungkinan kebocoran air, (iii) fleksibilitas desain yang luas karena pembuatan dengan pencetakan dan penyematkan pipa baja memungkinkan fleksibilitas yang jauh lebih besar dalam desain stave daripada copper stave konvensional dalam hal bentuk stave dan pengaturan saluran air, dan (iv) biaya rendah.

Cast-in steel pipe copper stave memiliki fitur tahan deformasi berikut. Seperti yang ditunjukkan dalam Fig 7, cast-in steel pipe copper stave memiliki gas seal boxes selain bout yang digunakan untuk memasang pipa pelindung di ujung stave. Ini menerapkan pembatasan perpindahan pada ujung atas dan bawah stave. Lebih lanjut, karena pipa pelindung dicor dalam tubuh copper stave, tidak ada las dengan risiko breakage yang digunakan.

Lebih lanjut, cast-in steel pipe copper stave menggunakan pipa baja, yang lebih kaku daripada tembaga dan berfungsi sebagai rangka. Penggunaan pipa baja memberikan struktur yang lebih tahan deformasi daripada copper stave konvensional. Permukaan dalam cast-in steel pipe copper stave dibuat bergerombol. Karena rolled copper stave memiliki bentuk potongan segi empat, suhu meningkat pada lokasi pada permukaan dalam stave yang jauh dari saluran air. Di sisi lain, cast-in steel pipe copper stave menggunakan permukaan bergerombol untuk membuat jarak antara permukaan dalam stave dan setiap saluran air secara Konstanta di sekitar saluran air. Ini memungkinkan permukaan dalam stave untuk didinginkan secara merata. Pendinginan merata semacam ini berbalik mengurangi perbedaan suhu antara permukaan dalam dan luar stave, dan menekan stres termal serta deformasi.

Selain itu, di bawah beban panas besar, compression plastic strain terjadi pada permukaan dalam rolled copper stave oleh perbedaan suhu antara permukaan dalam dan luar stave, yang dapat menyebabkan deformasi stave. Di sisi lain, permukaan dalam cast-in steel pipe copper stave terisolasi di setiap rombok, sehingga membuat compression stres kurang mungkin bekerja pada stave dan menekan plastic strain. Oleh karena itu, permukaan bergerombol dari cast-in steel pipe copper stave mengurangi stres dan strain yang bekerja pada stave, dan menekan deformasi. Juga, karena cast-in steel pipe copper stave membentuk saluran air menggunakan pipa baja, plug welding atau pipe connection welding, yang tidak dapat dihindari untuk membuat rolled copper stave, tidak diperlukan. Dengan menghindari penggunaan welding, yang merupakan bagian yang lemah secara struktural, risiko breakage las dapat dihilangkan.

Copper stave mencegah aus oleh scabs yang terbentuk menggunakan kemampuan pendinginnya tinggi, sehingga menghindari kontak langsung dengan material yang menurun di depan stave. Namun, akumulasi semacam ini sering jatuh karena fluktuasi selama operasi tanur. Tanpa akumulasi, aus copper stave bergantung pada gaya kontak dan kecepatan penurunan material di depan stave, kekerasan tembaga dan material, dan bentuk material. Dalam hal ini, langkah-langkah penanggulangan aus yang dapat dilakukan untuk stave termasuk mengurangi gaya kontak dan kecepatan penurunan material ketika tidak ada akumulasi, selain mempertahankan akumulasi secara stabil, serta tidak membiarkan kekerasan tembaga berkurang. Sementara grooves untuk rolled copper stave dibentuk dengan pemesinan, cast-in steel pipe copper stave membentuk rib dengan pencetakan terintegrasi, memungkinkan pembentukan bentuk rib sesuai keinginan. Berdasarkan fitur ini, cast-in copper stave biasanya memiliki struktur rib yang menghadap ke atas dengan ketahanan aus. Kekerasan tembaga bergantung pada kemampuan pendinginan.

Jika tidak ada akumulasi di permukaan dalam tanur rolled copper stave, material yang sekali masuk antara rib jarak bergerak karena rib kecil. Oleh karena itu, material di depan stave menurun tanpa dipengaruhi oleh rib. Di sisi lain, karena rib cast-in steel pipe copper stave menghadap ke atas dan besar, material yang telah masuk antara rib dibuang kembali ke dalam tanur, menciptakan aliran (pemindahan beban). Saat ini, material dibuang ke atas. Aliran ke atas ini mendorong material di depan stave kembali ke dalam tanur, menyebabkan gaya kontak dan kecepatan penurunan material berkurang di ujung rib.

Selain keuntungan teknis dalam memperpanjang umur dan menghemat energi, cast-in steel pipe copper stave juga memiliki karakteristik fleksibilitas desain yang tinggi. Ketika stave besi cor atau cooling plate yang digunakan TF patah dan sesuatu perlu dilakukan untuk memperpanjang umur, penggantian dengan copper stave menggunakan pembukaan cangkang yang ada mungkin diperlukan. Dalam kasus rolled copper stave, karena saluran air dibentuk dengan bor, tata letak saluran air terbatas, membuat sulit untuk membentuk saluran air secara bebas dengan cara yang disesuaikan dengan pembukaan cangkang yang ada. Di sisi lain, saluran air cast-in steel pipe copper stave, yang dibentuk menggunakan pipa baja yang dibengkokkan, memungkinkan tata letak fleksibel dengan menggunakan pipa baja untuk pembukaan cangkang yang ada. Fig 8 menunjukkan fleksibilitas tinggi tata letak saluran pendingin dalam cast-in steel pipe copper stave.

Fig 8 Fleksibilitas tinggi tata letak saluran pendingin

Tata Letak Sistem Pendingin

Sistem pendingin air biasanya dirancang untuk beroperasi dalam loop tertutup daripada sistem konvensional terbuka. Ini memungkinkan pipa untuk dibersihkan secara kimiawi, dan dengan mengontrol kimia air selama kampanye, permukaan bersih ini dapat dipertahankan, sehingga memastikan transfer panas maksimum. Pengembangan penyegelan tabung pendingin ke cangkang berarah ke penggunaan expansion joint logam yang semakin tipis, 'lebih lembut'. Untuk kedua sistem, yaitu flat plate coolers atau stave, penggunaan rubber bend dan hose semakin meningkat.

Series independen adalah typikal untuk distribusi air dalam flat coolers. Dengan stave cooler, biasanya menyediakan sejumlah header aliran dan kembali independen sesuai dengan jumlah tabung. Ini memastikan bahwa dalam hal kegagalan satu sistem pemasukan, tabung stave yang tersisa menerima pendinginan yang cukup. Nose dan corner tube terhubung ke sirkuit air tambahan.

Peningkatan produktivitas TF diiringi dengan permintaan yang lebih besar untuk sistem pendingin yang efisien. Sistem pendingin berkinerja tinggi diperlukan untuk memastikan proses operasional berjalan lancar bahkan di bawah stres tersebut. Solusi sistem pendingin yang andal dan efektif diperlukan di zona yang sangat tertekan TF. Ada tiga tipe sirkuit pendingin yang biasanya digunakan untuk sistem pendingin TF. Ini adalah (i) sirkuit pendingin loop tertutup, (ii) sirkuit pendingin loop tertutup gabungan, dan (iii) sirkuit pendingin semi-tertutup atau terbuka atau sirkuit pendingin evaporasi.

Sirkuit Pendingin Loop Tertutup

Sirkuit sistem pendingin ini biasanya dirancang dengan dua atau tiga sirkuit air loop tertutup yang ditekan nitrogen dengan forced recirculation. Keuntungan sistem seperti ini, dibandingkan dengan sirkuit pendingin loop terbuka adalah (i) sirkuit dapat dioperasikan dengan air yang dirawat, lunak, (ii) tidak ada korosi, fouling, dan penyumbatan pipa dan elemen pendingin, (iii) biaya rendah untuk aditif kimia, (iv) konsumsi air rendah, (v) tidak ada kontak dengan oksigen udara sekitar, (vi) deteksi kebocoran yang sangat sensitif mungkin, (vii) peningkatan suhu evaporasi air pendingin karena operasi di bawah tekanan nitrogen yang dapat disesuaikan (mis. tekanan – 8 bar, suhu evaporasi – 170 derajat C), (ix) konsumsi daya listrik rendah, karena hanya penurunan tekanan yang harus ditutupi oleh pompa dan ketinggian diferensial tidak perlu dipertimbangkan, (x) penyesuaian aliran dan kontrol yang mudah untuk berbagai elemen pendingin, (xi) biaya pemeliharaan rendah, dan (xii) umur pakai yang lebih lama dari peralatan sirkuit dan elemen pendingin yang menghasilkan ketersediaan yang tinggi dan oleh karena itu produktivitas tinggi.

Sirkuit Pendingin Loop Tertutup Gabungan

Sirkuit ini merupakan solusi ekonomis, namun masih efisien, andal, dan aman. Air pendingin digunakan untuk pendingin secara serial berbagai blok elemen pendingin, sambil tetap memenuhi persyaratan operasional elemen pendingin individual. Total debit aliran sangat berkurang sementara selisih suhu air pendingin masih dalam rentang yang dapat diterima dan cooling tower beroperasi dengan efisien.

Sirkuit Pendingin Semi-Tertutup atau Terbuka atau Sirkuit Pendingin Evaporasi

Ini juga dapat digunakan sebagai opsi sesuai kondisi lokasi. Solusi ini terutama baik untuk upgrade biaya minimum pada TF yang ada.