Sonar dan Instrumen Canggih untuk Pemantauan Tungku Tanur Tinggi yang Akurat
Sonar, Instrumen dan Pengukuran untuk Pemantauan Tungku Tanur Tinggi
Tungku tanur tinggi (BF) bekerja dengan prinsip pertukaran panas gas ke padat arus lawan dari balok tuyere ke garis stok dan pertukaran oksigen (O2) arus lawan dari zona leleh ke garis stok. Bahan beban padat yang terdiri dari bahan ferrous (bijih besi, sinter, dan pelet), kok, dan bahan fluks diisi ke dalam bagian atas tungku, sementara udara yang biasanya dikaya dengan O2, dan terkadang dengan bahan bakar tambahan diumpankan melalui tuyere di dekat dasar tungku. Waktu retensi biasa bahan beban ferrous dalam tungku mungkin hingga 8 jam, sementara itu gas adalah beberapa detik. Namun, waktu tinggal kok di perut jauh lebih panjang biasanya bervariasi dari 1 minggu hingga 4 minggu. Logam panas cair (HM) dan escoria cair dicoret pada interval teratur melalui sejumlah lubang cor yang terletak di dasar tungku. Escoria dipisahkan dari logam panas yang ditangani melalui cetakan HM. Tungku tanur tinggi perlu dioperasikan dengan produktivitas tinggi dan tingkat bahan bakar rendah dalam cara yang fleksibel, stabil, dan efisien dan harus memiliki umur kampanye yang panjang.
Tungku tanur tinggi sering disebut sebagai black box karena istilah seperti kondisi tungku dan tingkat panas tungku yang saat ini digunakan secara dominan serta karena proses tungku tanur tinggi memiliki banyak area yang tidak diketahui. Alasannya tampaknya karena kesulitan dalam pengukuran, karena, dalam tungku tanur tinggi, tiga fase gas, padat, dan cair coexist, reaksi berlangsung tidak seragam secara radial, proses diiringi oleh variasi yang bergantung pada waktu, dan parameter yang akan diukur selalu bergerak dalam atmosfer suhu tinggi, tekanan tinggi, dan yang mengandung debu.
Beberapa sonar yang umumnya digunakan dalam tungku tanur tinggi adalah (i) 'sonar radar' untuk pengukuran tingkat beban dan kecepatan penurunan beban, (ii) lancang ignitasi gas atas tungku tanur tinggi, (iii) sonar 'di atas beban' tetap untuk pengukuran suhu dan tekanan serta pengambilan sampel gas, (iv) profil meter 'di atas beban' bergerak untuk mengukur profil beban, kecepatan penurunan beban, suhu, tekanan dan untuk pengambilan sampel gas, (v) sonar 'di atas beban' bergerak untuk mengukur suhu, tekanan, kurva pengisian beban dan untuk pengambilan sampel gas, a(vi) sonar 'dalam beban' horizontal untuk mengukur suhu, tekanan, lapisan beban dan untuk pengambilan sampel gas. Sonar lain yang umum digunakan dalam tungku tanur tinggi adalah detektor garis stok, kamera termo-vision, profil meter, sonar yang menggunakan akustik untuk pengukuran suhu gas atas, sonar dampak, sonar vertikal menurun, sonar pemindaian, kamera termo inframerah dan sonar tuyere dll.
Operasi tungku tanur tinggi telah berubah secara bertahap dari aktivitas yang sepenuhnya berbasis pengalaman menjadi aktivitas yang didukung oleh prinsip-prinsip ilmiah dan metalurgi. Tungku tanur tinggi tidak lagi dianggap sebagai 'black box'. Sebagian besar penting dari evolusi ini adalah pengenalan dan penggunaan sonar dan perangkat pengukuran yang canggih yang mentransmisikan kepada operator BF informasi berguna tentang kondisi proses. Untuk operasi yang andal dari tungku tanur tinggi, penting untuk mengumpulkan berbagai parameter operasional dengan menggunakan berbagai perangkat sensi ini sehingga proses BF menjadi transparan bagi operator. Tungku tanur tinggi modern dilengkapi dengan sejumlah besar sonar, instrumen dan perangkat pengukuran yang mengimplyakan pemantauan sejumlah besar sinyal dan sinyal-sinyal ini perlu disajikan kepada operator BF dalam cara yang bermakna. Sonar, instrumen dan perangkat pengukuran tipikal yang digunakan dalam tungku tanur tinggi awal ditunjukkan dalam Gambar 1.
Gambar 1 Sonar, instrumen dan perangkat pengukuran tipikal yang digunakan dalam tungku tanur tinggi awal
Selama 40 hingga 50 tahun terakhir, beberapa sonar dan perangkat pengukuran telah dikembangkan untuk kontrol proses dalam tungku tanur tinggi. Sebagai cara untuk mengetahui distribusi beban, sonar vertikal, sonar horizontal, dan kamera termo-vision di tenggorokan telah dikembangkan. Kombinasi sistem pengukuran distribusi aliran gas dan sistem kontrol distribusi beban telah memungkinkan kontrol tungku tanur tinggi dengan fleksibilitas. Setelah perkembangan ini, akurasi di mana distribusi beban diukur dan dikontrol telah ditingkatkan dengan pemanfaatan berbagai profil meter serta magnet meter. Perkembangan dalam gas analyzer telah dari kromatografi gas konvensional ke instrumen dengan interval pengukuran yang lebih pendek dan dengan presisi yang lebih tinggi, dan kemudian menuju mass spectrometer. Untuk pengukuran di sekitar tuyere, perkembangan telah berlanjut dengan termometer badan tuyere, televisi tuyere, dan sonar tuyere yang memberikan informasi tentang suhu di sekitar balok atau distribusi gas. Ini bersama dengan beberapa model matematika yang berdasarkan estimasi panas tungku dan estimasi zona leleh telah membantu dalam perbaikan sistem kontrol operasi BF secara keseluruhan.
Sinyal dalam tungku tanur tinggi modern, yang direalisasikan melalui sistem yang rumit dari sonar, instrumen dan perangkat pengukuran untuk pengumpulan data yang memadai dari total proses untuk analisis dan kontrol yang presisi, sangat banyak dalam jumlahnya. Jumlah total sinyal I/O (input-output) dari sonar, instrumen dan perangkat pengukuran ini dapat berurutan 24.000, dari ini sinyal I/O biner dapat bervariasi dari sekitar 18.500 hingga 19.000, sinyal suhu bervariasi dari 1.200 hingga 1.500, sinyal analog lainnya 4.000 dan sinyal penimbangan bervariasi dari sekitar 70.
Sonar dan perangkat pengukuran tungku tanur tinggi telah membuat kemajuan besar berdasarkan perkembangan terbaru pada elektronika, optik dan teknologi komputer. Dengan penggunaan komputer, kini telah menjadi memungkinkan untuk memantau parameter berbeda dari tungku tanur tinggi dengan cara yang lebih baik karena komputer tidak hanya memungkinkan penampilan variabel tetapi juga menggunakan model yang ditetapkan, membandingkan variabel yang berbeda, dan membangun database untuk menyimpan variabel dan evolusinya selama proses.
Aplikasi tipikal sonar dan perangkat pengukuran dalam tungku tanur tinggi modern diberikan dalam Gambar 2.
Gambar 2 Aplikasi tipikal sonar dan perangkat pengukuran dalam tungku tanur tinggi modern
Reaksi yang sedang berlangsung dalam tungku tanur tinggi sangat kompleks dalam sifatnya karena ketiga fase gas, padat, dan cair coexist dan reaksi berlangsung tidak seragam secara radial. Proses diiringi oleh variasi yang bergantung pada waktu, dan parameter yang akan diukur selalu bergerak dalam atmosfer suhu tinggi, tekanan tinggi, dan yang mengandung debu dan ini menciptakan kesulitan dalam pengukuran. Karena kesulitan dalam pengukuran parameter berbeda dari tungku tanur tinggi, tungku umumnya dibagi ke dalam zona yang berbeda. Zona yang berbeda dari tungku tanur tinggi dan pengukuran yang diinginkan dalam zona dijelaskan di bawah ini.
Zona Butir Besar
Dalam zona ini reduksi indirekt berlangsung dalam tungku. Parameter yang diinginkan dari zona yang harus diketahui oleh operator BF adalah distribusi suhu, permeabilitas gas, derajat reduksi, kecepatan penurunan beban, dan perubahan properti fisik beban. Untuk parameter ini, pengukuran yang diperlukan adalah jumlah dan distribusi ukuran partikel, dan distribusi lapisan campuran untuk bahan beban padat dan jumlah, komposisi, suhu dan tekanan dalam hal gas naik. Biasanya pengukuran yang dilakukan adalah profil permukaan beban dan distribusi ketebalan lapisan, suhu permukaan beban, komposisi gas, suhu dan distribusi tekanan.
Pengukuran langsung di zona butir besar relatif mudah dan ini memungkinkan pengembangan berbagai sensor yang memberikan banyak informasi. Dalam zona ini, area pengukuran yang paling penting adalah distribusi beban, distribusi aliran gas, dan perubahan mereka seiring waktu, semuanya mempengaruhi reduksi, pertukaran panas, permeabilitas gas, dan perilaku penurunan beban. Tiga faktor yang membantu dalam estimasi distribusi beban adalah (i) ketebalan lapisan, (ii) ukuran beban, dan (iii) distribusi ruang kosong. Dari ketiga faktor ini, hanya distribusi ketebalan lapisan yang dapat diukur dengan berbagai profil meter. Namun, kemampuan profil meter buruk karena mereka hanya mengukur profil permukaan dan bukan perubahan profil permukaan karena pengisian beban. Selanjutnya pengukuran tidak valid untuk pengukuran lapisan campuran. Akhir-akhir ini sebuah sensor telah dikembangkan yang menggunakan magnet meter. Sensor ini membuat pengukuran perubahan profil permukaan beban menjadi mungkin, untuk distribusi ketebalan lapisan termasuk lapisan campuran, dan distribusi kecepatan penurunan.
Distribusi aliran gas adalah hasil dari distribusi beban. Ini adalah pengukuran yang sangat penting karena mempengaruhi operasi tungku tanur tinggi. Distribusi aliran gas ditentukan oleh empat faktor yaitu (i) debit, (ii) suhu, (iii) komposisi, dan (iv) tekanan. Parameter normal yang diukur adalah distribusi suhu, komposisi dan tekanan karena parameter ini mudah diukur. Penggunaan sonar horizontal dan vertikal dan manometer dinding tungku memberikan nilai pengukuran yang cukup memuaskan untuk distribusi suhu, komposisi dan tekanan. Pengukuran langsung dari distribusi debit aliran gas di dalam beban diinginkan namun saat ini metode pengukuran yang sangat akurat belum dikembangkan. Oleh karena itu distribusi debit aliran gas di dalam beban diperkirakan dengan bantuan model matematika menggunakan data yang tersedia untuk suhu, komposisi dan tekanan gas.
Zona Kohesi
Semua tiga tipe reaksi yaitu (i) reaksi reduksi tidak langsung, (ii) reaksi reduksi langsung, dan (iii) reaksi kerugian larutan sedang berlangsung di dalam tungku tanur tinggi. Ketiga reaksi mempengaruhi zona kohesi. Oleh karena itu semua pengukuran yang diperlukan untuk zona butir besar bersama dengan pengukuran level dan profil beban adalah pengukuran yang penting untuk zona kohesi.
Zona kohesi menunjukkan resistensi terbesar terhadap aliran gas dalam tungku tanur tinggi, dan oleh karena itu membentuk indeks untuk stabilitas operasi melalui distribusi gas dalam tungku dan penurunan beban. Oleh karena itu, pengukuran posisi dan profil zona kohesi dianggap sebagai pengukuran yang sangat penting. Saat ini posisi dan profil zona kohesi tidak dapat diukur secara langsung dan parameter yang diukur langsung dengan berbagai sonar digunakan untuk memperkirakan zona kohesi dengan menggunakan model matematika.
Zona Tetes, Balok, dan Deadman
Dalam zona tetes, balok dan deadman aktivitas yang sedang berlangsung dalam tungku tanur tinggi adalah (i) pembentukan escoria, (ii) pembakaran kok dan/atau bahan bakar tambahan, (iii) sirkulasi metaloid seperti seng, sulfur dan alkalis, dan (iv) reduksi langsung dan reaksi kerugian larutan yang tersisa. Pengukuran yang diinginkan dalam zona ini adalah permeabilitas cair, distribusi aliran logam dan escoria, reaksi metaloid, penurunan kok, pembakaran kok, pembentukan deadman, dan penyebaran balok. Pengukuran tipikal yang dilakukan dalam zona ini adalah (i) volume pengiuran pada setiap tuyere, (ii) panjang balok, (iii) kecerahan balok, (iv) gerakan kok, (v) ukuran kok, dan (vi) suhu badan tuyere.
Dalam zona ini fenomena seperti penurunan kok, pembentukan deadman, aliran logam panas dan escoria, pembakaran kok di balok tuyere, reaksi metaloid, dan desulfurisasi sedang terjadi. Untuk pemahaman yang lebih baik tentang fenomena, permeabilitas gas dan cair serta tingkat suhu dianggap penting. Zona ini adalah tempat kondisi akhir logam panas dan escoria ditentukan dan oleh karena itu beberapa informasi penting perlu diukur dan dipahami. Namun, pengukuran aktual yang saat ini mungkin dalam zona ini adalah (i) distribusi suhu dari pelapis pendingin, (ii) suhu badan tuyere, dan (iii) kondisi balok di tuyere. Perkembangan perangkat pengukuran dalam zona ini telah berjalan dengan kecepatan yang sangat lambat, karena metode pengukuran di area ini sulit dan juga ada kebingungan dalam filosofi tentang apa yang harus diukur dan bagaimana mengatur fenomena. Untuk zona ini, model estimasi menggunakan berbagai model matematika biasanya digunakan untuk memperkirakan kondisi akhir logam panas dan escoria secepat mungkin dan untuk mengontrol kondisi.
Zona Perut
Dalam zona ini, pengumpulan dan pemisahan serta penyimpanan logam panas dan escoria cair dilakukan. Satu-satunya aktivitas yang terjadi dalam zona ini adalah desulfurisasi dan karbonisasi logam panas. Permeabilitas cair juga penting dalam zona ini. Pengukuran yang diinginkan dalam zona ini adalah (i) level logam panas dan escoria dan perilaku mereka, (ii) pasokan kok dan pengeliminasinya karena pembakarannya, (iii) desulfurisasi dan karbonisasi logam panas, dan reaksi metaloid. Pengukuran tipikal dalam zona ini yang diperlukan adalah pemantauan perilaku logam panas dan escoria cair serta pemantauan penggantian kok perut dan untuk ini model estimasi menggunakan berbagai model matematika saat ini sedang digunakan.
Metode Pengukuran yang Digunakan untuk Kontrol Proses BF
Beberapa metode pengukuran yang saat ini digunakan untuk kontrol proses BF adalah sebagai berikut.
- Distribusi beban – Metode pengukuran yang saat ini digunakan adalah (i) profil meter tipe kontak, (ii) profil meter tipe non-kontak, dan (iii) magnet meter. Profil meter tipe kontak hanya mengukur profil permukaan beban. Ia tidak mengukur perubahan profil permukaan karena pengisian maupun mengukur lapisan campuran. Selanjutnya ada kesalahan pengukuran yang besar terutama ketika ada distribusi beban yang terganggu. Profil meter tipe non-kontak lebih baik karena tidak mengganggu distribusi beban. Dalam kasus magnet meter, ia mengukur bagian dalam beban dan memungkinkan pengukuran perubahan profil permukaan karena pengisian dan lapisan campuran.
- Distribusi aliran gas – Metode pengukuran untuk distribusi kecepatan aliran gas yang saat ini digunakan adalah (i) meter aliran fluida, (ii) meter aliran gas tipe kawat panas, (iii) metode termocoppel dipanaskan, dan (iv) metode pelacak gas. Biasanya jumlah aliran gas diperoleh dari tekanan, suhu dan komposisi gas dalam hal tiga metode pertama. Metode pelacak gas adalah pengukuran sejenak yang tidak mengganggu distribusi beban.
- Level dan profil zona kohesi – Level dan profil zona kohesi diukur baik dengan metode langsung atau tidak langsung. Dalam metode tidak langsung perhitungan didasarkan pada beberapa asumsi dan beberapa parameter yang diukur terutama distribusi tekanan, suhu dan komposisi aliran gas. Sonar horizontal biasanya digunakan untuk distribusi suhu dan komposisi gas. Ini lagi adalah metode pengukuran sejenak. Distribusi tekanan aliran gas diukur dengan mengukur tekanan gas dinding tungku yang merupakan pengukuran berkelanjutan tanpa mengganggu beban. Pengukuran langsung zona kohesi dilakukan dengan metode sonar vertikal tipe sisipan, metode RI, dan metode time domain reflectometry (TDR). Dari ketiga, TDR adalah pengukuran berkelanjutan sementara yang lainnya adalah pengukuran sejenak. Sonar vertikal memiliki keuntungan menyediakan data suhu, tekanan dan komposisi juga.
Pemeliharaan Cangkang BF
Untuk operasi yang sangat efisien dan stabil dari cangkang dan pelapis refraktori tungku tanur tinggi, instrumen didasarkan pada profil dalam pelapis refraktori tungku tanur tinggi dan pemeliharaan cangkang tungku. Karena umur pelayanan yang panjang dari tungku tanur tinggi sangat berkontribusi pada pengurangan biaya, ada signifikansi pengukuran untuk pemeliharaan cangkang tungku untuk tujuan memberikan informasi tentang aus pelapis refraktori tungku, penumpukan rangka, dan untuk melindungi peralatan pendingin dan peralatan yang terpasang pada tungku dari kerusakan.
Secara konvensional, pengukuran cangkang dan pelapis tungku terutama adalah suhu dengan titik pengukuran yang meningkat dengan persyaratan yang diperluas. Kemajuan terbaru dalam metode pengukuran termasuk metode pulsa potensi listrik atau metode respons termocoppel yang secara langsung mengukur ketebalan pelapis refraktori. Pemeliharaan cangkang BF juga cenderung untuk menggabungkan sistem kontrol cangkang tungku ke dalam komputer untuk mengatasi jumlah titik pengukuran yang meningkat dan dengan penggunaan model matematika estimasi garis aus pelapis refraktori. Berbagai instrumen yang umum digunakan untuk pemeliharaan cangkang BF dan pemeliharaan pelapis refraktori dijelaskan di bawah ini.
- Aus pelapis dan penumpukan rangka – Ada beberapa metode. Metode termocoppel adalah metode yang ditetapkan tetapi titik pengukuran terbatas dan bergantung pada suhu tungku. Metode kamera termo inframerah menghasilkan grafik sebagai pola dan juga bergantung pada suhu tungku. Dalam kasus metode meter flux panas, titik pengukuran terbatas dan bergantung pada suhu tungku. Metode lain adalah (i) metode respons termocoppel, (ii) metode pulsa potensi, (iii) metode RI tersemat, dan (iv) metode bor. Metode ini mengukur ketebalan dinding tetapi tidak mendeteksi peningkatan ketebalan dinding. Dalam kasus metode RI tersemat hanya satu titik yang dapat diukur per RI sementara metode bor sulit selama operasi normal.
- Perlindungan peralatan pendingin tungku – Beberapa pengukuran dilakukan untuk tujuan perlindungan peralatan pendingin tungku dan untuk mendeteksi kerusakan dalam tahap awal. Pengukuran ini adalah (i) pengukuran jumlah CO yang terlarut dalam air pendingin, (ii) pengukuran debit diferensial air pendingin, (iii) pengukuran suhu air pendingin masuk dan keluar, dan (iv) pengukuran hidrogen dalam gas atas tungku tanur tinggi. Metode kedua sensitif terhadap kualitas air. Metode ketiga memberitahu beban panas pada peralatan pendingin sementara metode keempat tidak mendeteksi bagian yang rusak.
- Perlindungan peralatan yang terpasang pada tungku tanur tinggi – Peralatan yang terpasang pada tungku tanur tinggi harus dilindungi dari kegagalan. Dalam kasus peralatan pembersihan gas ini dilakukan dengan mengukur dan mengontrol suhu dan tekanan gas atas sementara tuyere dan pipa pengiuran dilindungi dengan mengukur volume pengiuran dan jumlah bahan bakar tambahan pada setiap tuyere.
