Upload
zefa-erliana-yullah
View
57
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Perancangan Tungku Berapi
Citation preview
TUNGKU DAN REFRAKTORI
1. PENDAHULUAN
2. JENIS-JENIS TUNGKU, REFRAKTORI DAN ISOLASI
3. PENGKAJIAN TERHADAP TUNGKU
4. PELUANG EFISIENSI ENERGI
5. DAFTAR PERIKSA OPSI
7. REFERENSI
BAHAN KULUAH I
PENDAHULUAN
Bagian ini memperkenalkan tungku dan refraktori dan menjelaskan
berbagai aspek perancangan dan operasinya.
Apakah yang dimaksud dengan tungku?
Tungku adalah sebuah peralatan yang digunakan untuk
melelehkan logam untuk pembuatan bagian mesin (casting) atau
untuk memanaskan bahan serta mengubah bentuknya
Karena gas buang dari bahan bakar berkontak langsung dengan bahanbaku, maka jenis bahan bakar yang dipilih menjadi penting. Sebagaicontoh, beberapa bahan tidak akan mentolelir sulfur dalam bahan bakar.Bahan bakar padat akan menghasilkan bahan partikulat yang akanmengganggu bahan baku yang ditempatkan di dalam tungku. Untukalasan ini:
Hampir seluruh tungku menggunakan bahan bakar cair, bahan bakargas atau listrik sebagai masukan energinya.
Tungku induksi dan busur/arc menggunakan listrik untuk melelehkanbaja dan besi tuang.
Tungku pelelehan untuk bahan baku bukan besi menggunakan bahanbakar minyak.
Tungku yang dibakar dengan minyak bakar hampir seluruhnyamenggunakan minyak tungku, terutama untuk pemanasan kembali danperlakuan panas bahan.
Minyak diesel ringan (LDO) digunakan dalam tungku bila tidakdikehendaki adanya sulfur.
Idealnya tungku harus memanaskan bahan sebanyak
mungkin sampai mencapai suhu yang seragam dengan
bahan bakar dan buruh sesedikit mungkin. Kunci dari
operasi tungku yang efisien terletak pada pembakaran
bahan bakar yang sempurna dengan udara berlebih
yang minim. Tungku beroperasi dengan efisiensi yang
relatif rendah (serendah 7 persen) dibandingkan dengan
peralatan pembakaran lainnya seperti boiler (dengan
efisiensi lebih dari 90 persen). Hal ini disebabkan oleh
suhu operasi yang tinggi dalam tungku. Sebagai contoh,
sebuah tungku yang memanaskan bahan sampai suhu
1200 oC akan mengemisikan gas buang pada suhu
1200 oC atau lebih yang mengakibatkan kehilangan
panas yang cukup signifikan melalui cerobong.
Seluruh tungku memiliki komponen-komponen seperti yang
ditunjukkan dalam Gambar 1:
1. Ruang refraktori dibangun dari bahan isolasi untuk menahan
panas pada suhu operasi yang tinggi.
2. Perapian untuk menyangga atau membawa baja, yang terdiri dari
bahan refraktori yang didukung oleh sebuah bangunan baja,
sebagian darinya didinginkan oleh air.
3. Burners yang menggunakan bahan bakar cair atau gas digunakan
untuk menaikan dan menjaga suhu dalam ruangan. Batubara atau
listrik dapat digunakan dalam pemanasan ulang/ reheating
tungku.
4. Cerobong digunakan untuk membuang gas buang pembakaran
dari ruangan.
5. Pintu pengisian dan pengeluaran digunakan untuk pemuatan dan
pengeluaran muatan.
6. Peralatan bongkar muat termasuk roller tables, conveyor, mesin
pemuat dan pendorong tungku.
6Furnace Components
Furnace chamber:
constructed of
insulating materials
Hearth: support or
carry the steel.
Consists of
refractory materials
Burners: raise or
maintain chamber
temperature
Chimney:
remove
combustion
gases
Charging & discharging doors for
loading & unloading stock
Charging & discharging doors for
loading & unloading stock
Gambar 1: Komponen-komponen Tungku
Apa yang dimaksud dengan
refraktori?
Bahan apapun dapat digambarkan sebagai refraktorijika bahan ini dapat bertahan terhadap abrasi atau
korosi bahan padat, cair, atau gas pada suhu tinggi.
Karena penggunaannya yang bervariasi dalam
berbagai kondisi operasi, maka pihak manufaktur
memproduksi berbagai jenis refraktori dengan
berbagai sifat. Bahan-bahan refraktori dibuat dengan
kombinasi dan bentuk yang bervariasi tergantung
pada penggunaannya.
Persyaratan-persyaratan umum bahan refraktori adalah:
1. Tahan terhadap suhu tinggi
2. Tahan terhadap Perubahan suhu yang mendadak
3. Tahan terhadap lelehan terak logam, kaca, gas panas, dll.
4. Tahan terhadap beban pada kondisi perbaikan
5. Tahan terhadap beban dan gaya abrasi
6. Menghemat panas
7. Memiliki koefisien ekspansi panas yang rendah
8. Tidak boleh mencemari bahan yang bersinggungan
Tabel 1. Sifat-sifat Refraktori
Sifat Massa Panas Tinggi(Refraktori dengandensitas tinggi)
Massa Panas Rendah(Serat Keramik)
Konduktivitaspanas (W/m K)
1,2 0,3
Panas jenis(J/kg K)
1000 1000
Densitas(kg/m3)
2300 130
Tabel 1 membandingkan sifat-sifat panas bahan refraktoridengan densitas tinggi dan rendah
Jenis refraktori yang digunakan tergantung pada area penggunaannya
seperti boiler, tungku, kiln, oven dll., suhu dan tekanan yang
dibutuhkan. Pemasangan refraktori ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2a. Lining refraktori tungkuGambar 2b. Dinding bagian dalamrefraktori dengan blok burner
Beberapa sifat-sifat penting refraktori adalah:
Titik leleh: Bahan-bahan murni meleleh dengan seketika pada
suhu tertentu. Hampir kebanyakan bahan refraktori terdiri dari
partikel yang terikat bersama dan memiliki suhu leleh tinggi. Pada
suhu tinggi, partikel tersebut meleleh dan membentuk terak. Titik
leleh refraktori adalah suhu dimana piramida uji (kerucut)
gagal mendukung beratnya sendiri.
Ukuran: Bentuk dan ukuran refraktori merupakan bagian dari
rancangan tungku, karena hal ini mempengaruhi stabilitas struktur
tungku. Ukuran yang tepat sangat penting untuk memasang bentuk
refraktori dibagian dalam tungku dan untuk meminimalkan ruang
antara sambungan konstruksinya.
Bulk density: Bulk density merupakan sifat refraktori yang penting,
yakni jumlah bahan refraktori dalam suatu volum (kg/m3). Kenaikan
dalam bulk density refraktori akan menaikan stabilitas volum,
kapasitas panas dan tahanannya terhadap penetrasi terak.
Porositas: Porositas merupakan volume pori-pori yang terbuka, dimana
cairan dapat menembus, sebagai persentase volum total refraktori. Sifat
ini penting ketika refraktori melakukan kontak dengan terak dan isian
yang leleh. Porositas yang nampak rendah mencegah bahan leleh
menembus refraktori. Sejumlah besar pori-pori kecil biasanya lebih
disukai daripada sejumlah kecil pori-pori yang besar.
Cold crushing strength: merupakan resistansi refraktori terhadap
kehancuran yang sering terjadi selama pengiriman. Hal ini hanya
keterkaitan tidak langsung terhadap kinerja refraktori, dan digunakan
sebagai salah satu indikator resistansi terhadap abrasi.
Indikator lainnya adalah bulk density dan porositas.
Kerucut pyrometric dan kerucut pyrometric eqivalen/ Pyrometric Cones
Equivalent (PCE): Kerefraktorian batu bata (refraktori) adalah suhu dimanarefraktori melengkung yang disebabkan tidak dapat menahan beratnya lagi,
Kerucut pyrometric digunakan di industri keramik untuk menguji
kerefraktorian batu bata (refraktori). Kerucut ini terdiri dari campuran oksida
yang dikenal meleleh pada kisaran suhu yang sempit. Kerucut dengan
komposisi berbagai oksida diletakkan berurutan sesuai dengan suhu
lelehnya sepanjang bata refraktori dalam tungku. Tungku dibakar dan
suhunya akan naik. Satu kerucut akan melengkung bersama bata
refraktori. Nilai ini merupakan kisaran suhu dalam oC, di mana diatas suhu
tersebut refraktori tidak dapat digunakan. Hal ini disebut suhu Kerucut
Pyrometric Ekivalen (Gambar 3)
Gambar 3: Kerucut Pyrometric
Creep pada suhu tinggi: Creep merupakan sifat yang tergantung pada
waktu, yang menentukan rusaknya bentuk pada waktu dan suhu yang
diberikan pada bahan refraktori dengan penekanan
Stabilitas volum, pengembangan, dan penyusutan
pada suhu tinggi: kontraksi atau ekspansi refraktori dapat
berlangsung selama umur pakai. Perubahan yang
permanen dalam ukurannya dapat disebabkan oleh:
Perubahan dalam bentuk allotropic, yang dapat menyebabkan perubahan dalam specific gravity
Reaksi kimia, yang menghasilkan bahan baru dari specific gravity yang berubah
Pembentukan fase cair Reaksi sintering Penggabungan debu dan terak atau karena adanya
alkali pada refraktori semen tahan api, membentuk basa
alumina silikat. Hal ini biasanya teramati pada blast
furnace.
Ekspansi panas dapat balik: Bahan apapun akan
mengembang jika dipanaskan, akan menyusut jika
didinginkan. Pengembangan/ekspansi panas yang dapat
balik merupakan cerminan perubahan fase yang terjadi
selama pemanasan dan pendinginan
Konduktivitas panas: Konduktivitas panas tergantung
pada komposisi kimia dan mineral dan kandungan silika
pada refraktori dan pada suhu penggunaan. Konduktivitas
biasanya berubah dengan naiknya suhu. Konduktivitas
panas refraktori yang tinggi dikehendaki bila diperlukan
perpindahan panas yang melalui bata, sebagai contoh
dalam recuperators, regenerators, muffles, dll.
Konduktivitas panas yang rendah dikehendaki
untuk penghematan panas seperti refraktori yang
digunakan sebagai isolator. Isolasi tambahan
dapat menghemat panas namun pada saat yang
sama akan meningkatkan suhu panas
permukaan, sampai diperlukan refraktori yang
berkualitas lebih baik. Oleh sebab itu, atap bagian
luar dari tungku dengan perapian terbuka/ tungku
open hearth biasanya tidak diisolasi, karena akan menyebabkan runtuhnya atap.
Refraktori yang ringan dengan konduktivitas
panas yang rendah digunakan secara luas pada
tungku perlakuan panas suhu rendah, sebagai
contoh dalam tungku jenis batch dimana kapasitas
panas struktur refraktori yang rendah
meminimalkan panas tersimpan selama siklus
pemanasan dan pendinginan. Refraktori untuk
isolasi memiliki konduktivitas panas yang sangat
rendah. Hal ini biasanya dicapai dengan
penjebakan sebagian besar udara kedalam struktur. Beberapa contohnya adalah:
1. Bahan yang terjadi secara alami seperti asbes
merupakan isolator yang baik namun bukan
merupakan satu-satunya refraktori yang baik.
2. Wool mineral yang tersedia yang
memadukan sifat isolasi dengan resistansi
yang baik terhadap panas namun bahan ini
tidak kaku
3. Batu bata berpori yang kaku pada suhu tinggi
dan memiliki konduktivitas panas rendah.
JENIS-JENIS TUNGKU, REFRAKTORI DAN ISOLASI
Bagian ini menerangkan jenis-jenis tungku, refraktori dan bahan isolasi yang
digunakan dalam industri. Juga memberikan kriteria bagi pemilihan jenis
refraktori untuk hasil yang optimal.
Jenis-jenis tungku
Tungku secara luas dibagi menjadi dua jenis berdasarkan
metoda pembangkitan panasnya: tungku pembakaran yang
menggunakan bahan bakar, dan tungku listrik yang
menggunakan listrik. Tungku pembakaran dapat digolongkan
menjadi beberapa bagian seperti ditunjukkan dalam Tabel: jenis
bahan bakar yang digunakan, cara pemuatan bahan baku, cara
perpindahan panasnya dan cara pemanfaatan kembali
limbah panasnya. Tetapi, dalam prakteknya tidak mungkin
menggunakan penggolongan ini sebab tungku dapat menggunakan
berbagai jenis bahan bakar, cara pemuatan bahan ke tungku yang
berbeda, dll. Tungku yang paling umum digunakan akan dijelaskan
dalam bagian berikutnya.
Klasifikasi tungku
Tungku penempaan digunakan untuk pemanasan
awal bilet dan ingot untuk mencapai suhu
tempa. Suhu tungku dicapai pada sekitar 1200 sampai 1250 o C. Tungku penempaan
menggunakan sistim perapian terbuka dan hampir
seluruh panasnya ditransmisikan oleh radiasi.
Bebannya biasanya adalah 5 sampai 6 ton dengan
operasi tungku 16 sampai 18 jam setiap harinya.
Siklus operasi totalnya dapat dibagi menjadi (i)
waktu pemanasan (ii) waktu perendaman dan (iii)
waktu penempaan. Pemakaian bahan bakar yang
spesifik tergantung pada jenis bahan dan jumlah
pemanasan ulang/ reheatyang diperlukan
Tungku penempaan
a) Jenis batch
Tungku jenis kotak digunakan sebagai re-rolling mill jenis batch. Tungku
ini terutama digunakan untuk pemanasan skrap, ingot dan bilet kecil yang
beratnya 2 sampai 20 kg untuk re-rolling. Bahan dimasukkan dan dikeluarkan
secara manual dan hasil akhirnya berupa batang/ rod, strips, dll. Suhu
operasinya sekitar 1200 oC. Siklus waktunya dapat dikategorikan lebih lanjut
menjadi waktu pemanasan dan waktu re-rolling. Keluaran rata-rata dari tungku-
tungku ini bervariasi dari 180 sampai 280 kg batubara/ton bahan yang
dipanaskan.
b) Jenis pusher kontinyu
Aliran proses dan siklus operasi jenis pusher kontinyu sama dengan tungku
jenis batch. Suhu operasinya sekitar 1250 oC. Umumnya, tungku ini beropeasi
selama 8 sampai 10 jam dengan keluaran hasil 20 sampai 25 ton per hari.
Bahan atau stok memanfaatkan kembali sebagian panasnya dalam gas buang
ketika gas buang bergerak turun sepanjang tungku. Penyerapan panas oleh
bahan dalam tungku tergolong lambat, tetap dan seragam diseluruh
penampang dibanding dengan jenis batch.
Tungku re-rolling mill
Tungku pemanasan ulang yang kontinyu
Dalam pemanasan ulang/ reheating yang kontinyu, stok baja membentuk
aliran bahan yang kontinyu dan dipanaskan sampai mencapai suhu yang
dikehendaki ketika bahan ini berjalan melalui tungku. Suhu sebatang baja naik
antara 900 C da n 1250 oC, sampai bahan ini cukup lunak untuk dikempa
atau digulung menjadi bentuk dan ukuran yang dikehendaki. Tungku juga harus
memenuhi laju pemanasan stok yang spesifik untuk alasan metalurgi dan
produktivitas.
Untuk menjaga kehilangan energi pada nilai minimum, pintu masukan dan
keluaran harus berukuran minimal dan dirancang untuk menghindari
penyusupan udara. Tungku pemanasan ulang/ reheating kontinyu dapat
dikategorikan dengan dua metoda pengangkutan bahan yang melalui tungku:
Stok dijaga bersama membentuk aliran bahan yang didorong menuju tungku. Tungku semacam ini disebut tungku jenis pusher (pendorong).
Stok ditempatkan pada perapian yang bergerak/moving hearth atau struktur penopang yang mengangkut baja menuju tungku. Tungkunya terdiri dari
balok berjalan, perapian berjalan, tungku bogie dengan sirkulasi ulang
yang kontinyu, dan tungku dengan perapian berputar (rotary hearth
furnace).
PERBANDINGKAN JENIS UTAMA TUNGKU DENGAN PEMANASAN
ULANG KONTINYU YANG DIGUNAKAN DI INDUSTRI.
Tungku jenis Pusher Tungku dengan Balok Berjalan
Tungku dengan Perapian Berjalan
Tungku Bogie dengan Sirkulasi ulang yang Kontinyu
Tungku dengan Perapian Berputar
Jenis-jenis refraktori
Refraktori dapat digolongkan berdasarkan komposisi kimianya,
pengguna akhir dan metoda pembuatannya sebagaimana diperlihatkan
dibawah ini.
Metoda klasifikasiContoh
Komposisi kimia
ASAM, yang siap bergabungdengan basa
Silika, Semisilika, Aluminosilikat
BASA, terutama yangmengandung oksida logam yang tahan terhadap basa
Magnesit, Khrom- magnesit, Magnesit-chromit, Dolomit
NETRAL, yang tidakbergabung dengan asam
ataupun basa
Batu bata tahan api, K hrom, Alumina Murni
Khusus Karbon, Silikon Karbid, ZirkonPengguna Akhir
Blast furnace casting pit
Metoda pembuatan Proses kempa kering, fused cast , cetakan tangan, pembentukannormal, ikatan dengan pembakaran atausecara kimiawi, tidak
dibentuk (monolitik, plastik, ramming mass, gunning castable,
penyemprotan)
Klasifikasi Refraktori berdasarkan komposisi kimianya
Refraktori sementahan api
Batubata tahan api merupakan bentuk yang umum dari bahan
refraktori. Bahan ini digunakan secara luas dalam industri besi dan
baja, metalurgi non besi, industri kaca, kiln barang tembikar, industri
semen, dan masih banyak yang lainnya.
Refraktori semen tahan api, seperti batu bata tahan api, semen
tahan api silika dan refraktori tanah liat alumunium dengan
kandungan silika (SiO2) yang bervariasi sampai mencapai 78
persen dan kandungan Al2O3 sampai mencapai 44 persen. Tabel
berikut memperlihatkan bahwa titik leleh (PCE) batu bata tahan
api berkurang dengan meningkatnya bahan pencemar dan
menurunkan Al2O3 . Bahan ini seringkali digunakan dalam tungku,
kiln dan kompor sebab bahan tersebut tersedia banyak dan relatif
tidak mahal.
Sifat-sifat batu bata tahan api
Refraktori alumina tinggi
Refraktori silikat alumina yang mengandung lebih dari 45
persen alumina biasanya dikatakan sebagai bahan-bahan
alumina tinggi. Konsentrasi alumina berkisar dari 45 sampai
100 persen. Penerapan refraktori alumina tinggi meliputi
perapian dan batang as tungku hembus, kiln keramik,
kiln semen, tangki kaca dan wadah tempat melebur
berbagai jenis logam.
Batu bata silika
Batu bata silika (atau Dinas) merupakan suatu refraktori yang
mengandung paling sedikit 93 persen SiO2. Bahan bakunya
merupakan batu yang berkualitas. Batu bata silika berbagai kelas
memiliki penggunaan yang luas dalam tungku pelelehan besi dan baja
dan industri kaca. Sebagai tambahan terhadap refraktori jenis multi
dengan titik fusi yang tinggi, sifat penting lainnya adalah
ketahanannya yang tinggi terhadap kejutan panas (spalling) dan
kerefraktoriannya. Sifat batu bata silika yang terkemuka adalah bahwa
bahan ini tidak melunak pada beban tinggi sampai titik fusi terdekati.
Sifat ini sangat berlawanan dengan beberapa refraktori lainnya,
contohnya bahan silikat alumina, yang mulai berfusi dan retak pada
suhu jauh lebih rendah dari suhu fusinya. Keuntungan lainnya adalah
tahanan flux dan stag, stabilitas volum dan tahanan spalling tinggi.
Magnesit
Refraktori magnesit merupakan bahan baku kimia, yang mengandung
paling sedikit 85 persen magnesium oksida. Tersusun dari magnesit
alami (MgCO3 ). Sifat-sifat refraktori magnesit tergantung pada
konsentrasi ikatan silikat pada suhu operasi. Magnesit kualitas bagus
biasanya dihasilkan dari perbandingan CaO-SiO2 yang kurang dari dua
dengan konsentrasi ferrit yang minimum, terutama jika tungku yang
dilapisi refraktori beroperasi pada kondisi oksidasi dan reduksi.
Perlawanan terak sangat tinggi terutama terhadap kapur dan terak yang
kaya dengan besi.
Refraktori Khromit
Dibedakan dua jenis refraktori khromit:
1. Refraktori Khrom- magnesit, yang biasanya mengandung 15-35 per sen
Cr2 O3 dan 42-50 persen MgO. Senyawa-senayawa tersebut dibuat dengan
kualitas yang bermacam- macam dan digunakan untuk membentuk bagian-
bagian kritis pada tungku bersuhu tinggi.Bahan tersebut dapat tahan terhadap
terak dan gas yang korosif dan memiliki sifat refaktori yang tinggi.
2. Refraktori Magnesit-khromit, yang mengandung paling sedikit 60 persen
MgO dan 8-18 persen Cr2 O3 . Bahan tersebut cocok untuk pelayanan pada
suhu paling tinggi dan untuk kontak dengan terak/slag yang sangat dasar
yang digunakan dalam pelebur a n baja. Magnesit- khromit biasanya memiliki
tahanan spalling yang lebih baik daripada k hrom- magnesit.
Refraktori Zirkonia
Zirkonium dioksida (ZrO2) merupakan bahan polymorphic. Penting untuk
menstabilkan bahan ini sebelum penggunaannya sebagai refraktori,
yang dicapai dengan mencampurkan sejumlah kecil kalsium, magnesium
dan cerium oksida, dll. Sifatnya tergantung terutama pada derajat
stabilisasi, jumlah penstabil/stabiliser dan jumlah bahan baku
orisinalnya. Refraktori zirkonia memiliki kekuatan yang sangat tinggi
pada suhu kamar, yang dicapai sampai suhu setinggi
15000 C. Oleh karenanya bahan tersebut berguna sebagai bahan
konstruksi bersuhu tinggi dalam tungku dan kiln. Konduktivitas panas
zirkonium dioksid lebih rendah dari kebanyakan refraktori oleh karena
itu bahan ini d igunakan sebagai refraktori isolasi suhu tinggi.
Zirkonia memperlihatkan kehilangan panas yang sangat rendah dan tidak
bereaksi dengan logam cair, dan terutama berguna untuk pembuatan
wadah tempat melebur logam pada refraktori dan tempat lainnya untuk
keperluan metalurgi. Tungku kaca menggunakan zirkonia sebab bahan
ini tidak mudah basah oleh kaca yang meleleh dan tidak mudah bereaksi
dengan kaca.
Refraktori oksida (Alumina)
Bahan refraktori alumina yang terdiri dari alumunium oksida dengan
sedikit kotoran dikenal sebagai alumina murni. Alumina merupakan
satu dari bahan kimia oksida yang dikenal paling stabil. Bahan ini
secara mekanis sangat kuat, tidak dapat larut dalam air, steam lewat
jenuh, dan hampir semua asam inorganik dan alkali. Sifatnya
membuatnya cocok untuk pembentukan wadah tempat melebur
logam untuk fusi sodium karbonat, sodium hidroksida dan
sodium peroksida. Bahan ini memiliki tahanan tinggi dalam oksidasi
dan reduksi pada kondisi atmosfir. Alumina digunakan dalam industri
dengan proses panas. Alumina yang sangat berpori digunakan untuk
melapisi tungku dengan suhu operasi sampai mencapai 1850 oC.
Monolitik
Refraktori monolitik adalah sebuah cetakan tunggal dalam
pembentukan peralatan, seperti sendok besar seperti yang
ditunjukkan dalam Gambar 9. Refraktori ini secara cepat
menggantikan refraktori jenis kovensional dalam banyak digunakan
termasuk tungku-tungku industri. Keuntungan utama monolitik adalah:
Penghilangan sambungan yang merupakan titik kelemahan Metoda penggunaannya lebih cepat Tidak diperlukan keak hlian khusus untuk pemasangannya Mudah dalam penanganan dan pengangkutan Cakupan yang lebih baik untuk mengurangi waktu penghentian dalam
perbaikan
Cakupannya sungguh mengurangi tempat penyimpanan danmenghilangkan bentuk khusus
Penghematan panas Tahanan spalling yang lebih baik Stabilitas volum yang lebih besar
Penempatan monolitik menggunakan berbagai macam metoda, seperti
ramming, penuangan, gunniting, penyemprotan, dan sand slinging. Ramming
memerlukan tool yang baik dan kebanyakan digunakan pada penggunaan
dingin dimana penggabungan bahan merupakan hal yang penting. Dikarenakan
semen kalsium aluminat merupakan bahan pengikat, maka bahan ini harus
disimpan secara benar untuk mencegah penyerapan kadar air. Kekuatannya
mulai berkurang setelah 6 sampai 12 bulan.
Gambar 9. Pelapisan Monolitik untuk Ladel
Bahan-bahan isolasi4
Bahan-bahan isolasi sangat mengurangi kehilangan panas
yang melalui dinding. Isolasi dicapai dengan memberikan
sebuah lapisan bahan yang memiliki konduktivitas panas
rendah antara permukaan panas dibagian dalam tungku dan
permukaan luar, jadi menjaga suhu permukaan luar tetap
rendah.
Bahan-bahan isolasi dapat dikelompokkan sebagai berikut :
1. Batu bata isolasi
2. Castables isolasi
3. Serat keramik
4. Kalsium silikat
5. Pelapis keramik
Bahan-bahan isolasi memiliki konduktivitas yang rendah terhadap
pori-porinya sementara kapasitas panasnya tergantung pada bulk
density dan panas jenisnya. Bahan isolasi udara terdiri dari pori-pori
yang sangat kecil dan diisi oleh udara, yang memiliki konduktivitas
panas sangat rendah. Panas berlebih merugikan seluruh bahan isolasi,
namun pada suhu berapa hal ini terjadi sangat bervariasi. Oleh karena
itu pemilihan bahan isolasi harus didasarkan pada kemampuannya
menahan konduktivitas panas dan pada suhu tertinggi dimana bahan ini
maz dapat bertahan. Salah satu bahan isolasi yang paling banyak
digunakan adalah diatomite, juga dikenal dengan kiesel guhr, yang
terdiri dari sejumlah massa kerangka tanaman air yang sangat
kecil yang terendapkan ribuan tahun didasar lautan dan danau.
Komposisi kimianya adalah silika yang tercemari oleh lempung dan
bahan organik. K isaran luas dari refraktori isolasi dengan
perpaduan luas yang sekarang sudah tersedia. Tabel 6 memperlihatkan
sifat fisik penting dari beberapa refraktori isolasi.
Sifat-sifat fisik bahan-bahan isolasi
Castables dan beton
Pelapisan monolitik bagian tungku dapat dibangun dengan penuangan isolasi
refraktori dari beton, dan penggunaan agregat ringan ke tempat yang pantas untuk
disambung. Penggunaan lainnya adalah dasar gerbong kiln terowongan yang
digunakan di industri keramik. Bahan- bahannya sama dengan bahan isolasi yang
digunakan untuk pembuatan refraktori, kecuali betonnya mengandung semen
Portland atau semen alumina tinggi.
Serat keramik
Serat keramik merupakan bahan isolasi massa panas yang rendah, yang merombak
rancangan tungku sistim pelapisan. Serat keramik dibuat dengan cara pencampuran
dan pelelehan alumina dan silika pada suhu 1800 2000o C, dan mematahkan aliran lelehan dengan menghembuskan udara bertekanan atau menjatuhkan aliran lelehan ke
cakram berputar membentuk serat keramik lepasan atau dalam kumpulan yang
besar. Serat dalam jumlah besar digunakan untuk memproduksi berbagai produk
isolasi termasuk selimut/mantel, bilah/ strip, vernis dan modul jangkar, kertas, papan
dan potongan yang dibentuk vakum, tali, felt basah, semen mastik, dll. Serat biasanya
dihasilkan dalam dua jenis suhu terga ntung pada kandungan Al2O3 . Produk yang baru
adalah ZrO2 yang ditambahkan serat alumino-silikat, yang membantu mengurangi
tingkat penyusutan dan oleh karenanya membuat serat cocok untuk suhu yang lebih
tinggi. Suhu operasi kontinyu yang direkomendasikan untuk serat-serat diberikan
Suhu operasi kontinyu yang direkomendasikan untuk serat-serat
Serat keramik biasanya dihasilkan dalam bentuk wool ukuran besar
dan dijahitkan ke mantel dengan masa jenis yang bervariasi
berkisar dari 64 sampai190 kg/m3 . Produk -produk yang diubah
dan lebih dari 40 jenis berbeda dibuat dari mantel untuk memenuhi
berbagai permintaan. Karakteristik serat keramik merupakan
kombinasi yang luar biasa dari sifat-sifat refraktori dan bahan isolasi
tradisional.
a) Konduktivitas panas yang lebih rendah
Dikarenakan konduktivitas panas yang rendah (0,1 kKal/m per jam per oC pada 600 oC untuk mantel dengan massa jenis 128 kg/m3 ) maka
memungkinkan untuk membuat lapisan yang lebih tipis dengan
efisiensi panas yang sama dengan refraktori konvensional. Sebagai
hasil dari lapisan yang lebih tipis, volum tungku menjadi lebih besar.
Lapisan ini 40 persen lebih efektif daripada batu bata isolasi kualitas
baik dan 2,5 kali lebih baik dari asbes. Serat keramik merupakan bahan
isolasi yang lebih baik dari kalsium silikat..
b) Ringan
Massa jenis rata-rata serat keramik adalah 96 kg/m3. Nilai ini
sepersepuluh berat batu bata isolasi dan sepertiga berat papan
asbes/kalsium silikat. Untuk tungku yang baru, penyangga struktur
bangunan dapat berkurang 40 persen.
c) Penyimpan panas yang lebih rendah
Lapisan serat keramik menyerap sedikit panas disebabkan masa
jenisnya yang lebih rendah. Oleh karena itu tungku dapat dipanaskan
dan didinginkan pada laju yang lebih cepat. Biasanya panas yang
disimpan dalam sistim pelapisan serat keramik berkisar antara 2700 -
4050 kkal/m2 (1000
1500 Btu/ft2 ) dibandingkan terhadap sistim pelapisan secara konvensional yang berkisar 54200-493900 kkal/m2 (20000 250000 Btu/ft2 ).
d) Tahan terhadap goncangan panas
Pelapis serat keramik menahan goncangan panas karena matrik
yang berpegas. Hal ini juga me njadikan siklus pemanasan dan
pendinginan lebih cepat, dengan demikian memperbaiki
kemampuandan produktivitas tungku.
e) Tahan kimia
Serat keramik menahan hampir seluruh serangan kimia dan tidak
dipengaruhi oleh hidrokarbon, air dan steam yang ada dalam gas
buang.
f) Pegas mekanik
Gaya pegas mekanik yang tinggi dari serat keramik memungkinkan
untuk membuat tungku
berlapis serat di luar pabrik, mengirimnya ke lokasi dalam bentuk rakitan
tanpa resiko rusak.
g) Biaya pemasangan yang rendah
Dikarenakan serat keramik merupakan proses yang sudah distandarisasi,
maka tidak diperlukan keakhlian khusus. Pelapis serat tidak memerlukan
waktu pengeringan atau waktu curing dan tidak terdapat resiko retak
atau spalling bilamana dipanaskan setelah pemasangan.
h) Mudah dalam perawatan
Dalam hal kerusakan fisik, bagian serat keramik yang rusak dapat
dengan segera dibuang dan diganti dengan yang baru. Seluruh bagian
panel dapat dipasang sebagian terlebih dahulu untuk pemasangan cepat
dengan waktu penghentian yang minimal.
i) Mudah dalam penangananSeluruh bentuk produk mudah ditangani dan hampir seluruhnya dapat dengan cepat dipotong oleh pisau atau gunting. Produk yang dibentuk oleh vakum memerlukan pemotongan dengan menggunakan gergaji/band saw.
j) Efisiensi panasEfisiensi panas sebuah tungku yang dilapisi dengan serat keramik diperbaiki dalam dua cara. Pertama, konduktivitas panas yang rendah dari serat keramik me njadikan lapisan lebih tipis dan ole h karena itu tungkunya dapat menjadi lebih kecil. Kedua, respon cepat serat keramik terhadap perubahan suhu juga me njadikan pengendalian distribusi suhu yang lebih akurat dalam tungku.
Keuntungan lain yang diberikan oleh serat keramik adalah:
Tungkunya ringan
Pekerjaan fabrikasi bajanya sederhana
Waktu penghentian pabriknya sedikit
Produktivitas meningkat
Kapasitas tambahan
Biaya perawatan rendah
Umur layanan yang lebih panjang
Efisiensi panas lebih tinggi
Responnya lebih cepat
Pelapisan emisivitas yang tinggi
Emisivitas (yakni ukuran kemampuan bahan untuk menyerap dan
meradiasikan panas) seringkali dianggap sebagai sifat fisik yang
sudah melekat yang biasanya tidak berubah (contoh lainnya
adalah masa jenis, panas jenis dan konduktivias panas). Walau
begitu, perkembangan pelapis dengan emisivitas tinggi
menjadikan emisivitas bahan meningkat. Pelapis dengan
emisivitas tinggi diterapkan pada permukaan interior tungku.
Gambar 10 memperlihatkan bahwa emisivitas berbagai bahan
isolasi berkurang dengan meningkatnya suhu proses. Keuntungan
pelapis dengan emisivitas tinggi adalah bahwa emisivitas kurang
lebih konstan.
Emisivitas Bahan Refraktori pada Berbagai Suhu
Emisivitas tungku yang beroperasi pada suhu tinggi adalah 0,3. Dengan
menggunakan pelapis beremisivitas tinggi nilai ini akan naik mencapai 0,8,
mengakibatkan naiknya perpindahan panas melalui radiasi.
Manfaat lain dari pelapisan dengan emisivitas tinggi dalam ruang tungku
adalah pemanasan yang seragam dan memperpanjang umur refraktori
dan komponen logam seperti pipa radian dan elemen pemanas.
Untuk tungku intermittent atau dimana diperlukan pemanasan
cepat, penggunaan pelap is seperti itu akan menurunkan penggunaan
bahan bakar atau daya 25 45
EVALUASI KINERJA TUNGKU BERAPI
Bagian ini menjelaskan berbagai metoda dan teknik yang
digunakan untuk menentukan jumlah kehilangan panas dari
tungku dan metoda untuk melakukan pengkajian kinerja tungku.
KEHILANGAN PANAS YANG MEMPENGARUHI KINERJA TUNGKU
Idealnya, seluruh panas yang dimasukkan ke tungku harus digunakan
untuk memanaskan muatan atau stok. Namun demikian dalam
prakteknya banyak panas yang hilang dalam beberapa cara
sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 11.
Kehilangan panas dalam tungku tersebut meliputi1. Kehilangan gas buang : merup akan bagian dari panas yang
tinggal dalam gas pembakaran dibagian dalam tungku. Kehilangan
ini juga dikenal dengan kehilangan limbah gas atau kehilangan
cerobong.
2. Kehilangan dari ka dar air dalam bahan bakar: bahan bakar yang
biasanya mengandung kadar air dan panas digunakan untuk
menguapkan kadar air dibagian dalam tungku.
3. Kehilangan dikarenakan hidrogen dalam bahan bakar yang
menga k ibatkan terjadinya pembentukan air
4. Kehilangan mel alui pembukaan dalam tungku: kehilangan
radiasi terjadi bilamana terdapat bukaan dalam penutup tungku dan
kehilangan tersebut dapat menjadi cukup berarti terutama untuk
tungku yang beroperasi pada suhu diatas 540 C. Kehilangan yang
kedua adalah melalui pe nyusupan udara sebab draft tungku/
cerobong menyebabkan tekanan negatif dibagian dalam tungku,
menarik udara melalui kebocoran atau retakan atau ketika pintu
tungku terbuka.
5. Kehilangan dinding tungku/permukaan, juga disebut kehilangan
dinding: sementara suhu dibagian dalam tungku cukup tinggi, panas
dihantarkan melalui atap, lantai dan dinding dan dipancarkan ke
udara ambien begitu mencapai kulit atau permukaan tungku.
6. Kehilangan lainnya: terdapat beberapa cara lain dimana panas hilang
dari tungku, walupun menentukan jumlah tersebut seringkali sulit.
Beberapa diantaranya adalah:
Kehilangan panas tersimpan: bila tungku mulai dinyalakan maka struktur
dan isolasi tungku juga dipanaskan, dan panas ini hanya akan
meninggalkan struktur lagi jika tungku dimatika n. Oleh karena itu
kehilangan panas jenis ini akan meningkat dengan jumlah waktu tungku
dihidup-matikan.
Kehilangan selama penanganan bahan: peralatan yang digunakan
untuk memindahkan stok melalui tungku, seperti belt conveyor, balok
berjalan, bogies, dll. juga menyerap panas. Setiap kali peralatan
meninggalkan tungku mereka akan kehilangan panasnya, oleh karena itu
kehilanga n panas meningkat dengan sejumlah peralatan dan frekuensi
dimana mereka masuk dan keluar tungku
Kehilangan panas media pendingin: air dan udara digunakan untuk
mendinginkan peralatan, rolls, bantalan dan rolls, dan panas hilang
karena media tersebut menyerap panas.
Kehilangan dari pembakaran yang tidak sempurna: panas hilang jika
pembakaran berlangsung tidak sempurna sebab bahan bakar atau
partikel yang tidak terbakar menyerap panas akan tetapi panas ini tidak
disimpan untuk digunakan
Kehilangan dikarenakan terjadinya pembentukan kerak.
Instrumen untuk mengkaji kinerja tungku
Efisiensi tungku dihitung setelah pengurangan berba gai kehilangan panas.
Dalam rangka untuk mencari efisiensi dengan menggunakan metoda tidak
langsung, berbagai parameter harus diukur seperti pemakaian minyak tungku
setiap jam, keluaran bahan, jumlah udara berlebih, suhu gas buang, suhu
tungku pada berbagai zona, dan yang lain-lainnya. Tangga l untuk
beberapa parameter dapat diperoleh dari catatan produksinya sementara yang
lainnya harus diukur dengan instrumen pemantau khusus. Tabel 8 memberi
daftar instrumen yang diperlukan untuk mengukur parameter-parameter tersebut.
Instrumen untuk Pengukuran Kinerja Tungku
Penghitungan kinerja tungku
Efisiensi tungku meningkat bila persentase panas yang dipindahkan ke
stok atau beban dibagian dalam tungku meningkat. Efisiensi tungku
dapat dihitung dengan dua cara, sama halnya dengan boiler: metoda
langsung dan metoda tidak langsung. Kedua metoda tersebut
diterangkan dibawah ini.
Metoda langsung
Efisiensi tungku dapat ditentukan dengan mengukur jumlah panas yang
diserap oleh stok dan membaginya dengan jumlah total bahan bakar
yang dipakai.
Jumlah panas (Q) yang akan dipindahkan ke stok dapat
dihitung dengan persamaan ini: Q = m x Cp (t1 t2)
Dimana , Q = Besarnya panas stok dalam kkal
m = Berat stok dalam kg
Cp= Panas jenis stok rata-rata dalam kal /kg oC
t1 = Suhu akhir stok dalam o C
t2 = Suhu stok mula- mula sebelum masuk tungku dalam o C
Metoda tidak langsung
Efisiensi tungku dapat juga ditentukan mela lui metoda
tidak langsung, mirip dengan evaluasi efisiensi boiler.
Prinsipnya sederhana: kehilangan panas d ikurangkan dari
panas yang dipasok ke tungku. Effisiensi panas untuk
tungku industri yang umum diberikan dalam Tabel
Effisiensi panas untuk tungku industri yang umum
Contoh perhitungan efisiensi tungku
Hitung efisiensi tungku pemanas ulang dengan pembakaran menggunakan minyak dengan
metoda langsung dan tidak langsung menggunakan data dibawah ini.
Suhu operasi: 1340 oC
Suhu gas buang keluar setelah pemanas awal: 750 oC
Suhu ambien: 40 oC
Suhu udara yang diberi pemanasan awal: 190 oC
Specific gravity bahan bakar minyak: 0,92
Pemakaian bahan bakar minyak rata-rata: 400 liter /jam = 400 x 0,92 =368 kg/jam
Nilai kalor minyak: 10000 kKal/kg
Persentase O2 rata-rata dalam gas buang: 12 persen
Kadar air dalam 1 kg bahan bakar minyak: 0,15 kg
H2 dalam 1 kg bahan bakar minyak: 0,1123 kg
Udara teoritis yang diperlukan untuk membakar
1 kg minyak: 14 kg
Berat stok: 6000 kg/jam
Panas jenis bilet : 0,12 kK al/kg/0C
Ketebalan dinding tungku (D): 460 mm
Saluran keluar ekstraksi bilet (X): 1 m x 1 m
Suhu permukaan rata-rata zona pemanasan dan
soaking 122 oC
Suhu permukaan rata-rata area selain zona
pemanasan dan soaking : 80 oC
Luas area zona pemanasan dan
soaking: 70,18 m2
Luas area selain zona pemanasan dan
soaking: 12,6 m2
Perhitungan dengan metoda langsung
Panas yang masuk sebesar 400 liter per jam. Specific
gravity bahan bakar digunakan untuk merubah besaran
diatas menjadi kg. Oleh karena itu: 400 l/jam x 0,92 kg/l =
368 kg/ jam
Panas yang keluar dihitung sebagai berikut:
= m x Cp x ? T
= 6000 kg x 0,12 x (1340 40)= 936000 kKal
Efisiensinya adalah
= (panas stok/panas bbm ) x 100
= [(936000 / (368 x 10000)] x 100 = 25,43 persen
Perkiraan kehilangan panas 100% 25% = 75%
Metoda tidak langsung
Kehilangan panas yang berbeda dihitung seperti dibawah ini.
a) Kehilangan panas dalam gas buang
Udara berlebih (EA)
= O2 persen/(21 O2 persen)= 12/(21 12)= 133 %
Massa udara yang dipasokkan
= (1 + EA/100) x Udara teoritis
= (1+ 1,13) x 14
= 32,62 kg/kg bahan bakar minyak
Dimana ,
m = berat gas buang (udara + bahan bakar) = 32,62 + 1,0 = 33,62 kg/kg minyak
Cp = panas jenis
? T = perbedaan suhu
% Kehilangan panas = {33,62 x 0,24 x (750 40)} x 100 = 57,29%10000
b) Kehilangan panas dari kadar air dalam bahan bakar
% Kehilangan panas dari kadar air dalam bahan bakar = M x {584 + Cp (Tf Tamb)} x 100GCV bahan bakar
Dimana ,
M = kg kadar air dalam 1 kg bahan bakar minyak
Tfg = Suhu gas buang, 0 C Tamb = Suhu ambien,
0 C
GCV = Nilai Kalor Kotor bahan bakar, kk al/kg
% Kehilangan panas = 0,15 x {584 + 0,45 (750 40)} x 100 = 1,36%10000
Catatan:air:mp: 334,4 kJ / kg (79,9 kkal / kg) pada 0 C;Penguapan: 2257 kJ / kg (539 kkal / kg) pada 100 C.
c) Kehilangan dikarenakan hidrogen dalam bahan bakar
Dimana ,
H2 = kg H2 dalam1 kg bahan bakar minyak (= 0,1123 kg/kg bahan bakar minyak )
% Kehilangan panas = 9 x 0,1123 x {584 + 0,45 (750 40)} x 100 = 9,13%10000
Catatan:air:mp: 334,4 kJ / kg (79,9 kkal / kg) pada 0 C;Penguapan: 2257 kJ / kg (539 kkal / kg) pada 100 C.
%Kehilangan panas dari bukaan pada tungku= {(Faktor radiasi black body) x
emisivitas x area bukaan x 100}/Jumlah minyak x GCV minyak
Faktor radiasi yang melewati bukaan dan radiasi black
body dapat dicapai dari grafik standar seperti yang
ditunjukkan dalam Gambar 12 dan Gambar 13.
Faktor radiasi (mengacu ke Gambar 12) = 0,71
Radiasi black body pada1340 0 C (mengacu ke Gambar
13) = 36 kKal/kg/cm2/jam
Area bukaan adalah 100 cm x 100 cm = 10000 cm2
Emisivitas = 0,8
% Kehilangan panas dari bukaan tungku = 36 x 0,8 x 0,71 x 10000 x 100 = 5,56%
368 x 10000
e) Kehilangan panas melalui kulit tungkuUntuk menentukan kehilangan panas yang melalui kulit tungku,
pertama kehilangan panas melalui atap dan sisi dinding dan
melalui area lain harus dihitung secara terpisah.
i). Kehilangan panas melalui atap/langit-langit dan dinding (=zona pemanasan dan
soaking):
Total suhu permukaan rata-rata = 122 oC
Kehilangan panas pada 122 oC (Mengacu ke Gambar 14) = 1252 kKal /m2 jam
Total area zona pemanasan + soaking = 70,18 m2
Kehilangan panas melalui atap tungku = Kehilangan panas dari atap dan dinding
Luas atap dan dinding
Total kehilangan panas = 1252 kkal / m2 jam x 70,18 m2 = 87865 kKal/ jam
ii) Kehilangan panas dari area selain zona pemanasan dan soaking
Total suhu permukaan rata-rata = 80 oC
Kehilangan panas pada 80 oC (Mengacu ke Gambar14) = 740 kKal / m2 jam
Total area = 12,6 m2
Kehilangan Panas dari Langit-langit,
Dinding dan Perapian Tungku
Kehilangan panas melalui area lainnya = Kehilangan panas dari atap dan area lainnya
Luas area lainnya
Total kehilangan panas = 740 kkal / m2 jam x 12,6 m2 = 9324 kk al/jam
% Kehilangan panas melalui kulit tungku = (Kehilangan panas i + kehilangan panas ii) x 100
GCV minyak x Jumlah minyak per jam
% Kehilangan panas melalui kulit tungku = (87865 kK al/ jam + 9324 kKal/jam) x 100 = 2,64%
10000 kKal/kg x 368 kg/jam
f) Kehilangan yang tidak terhitung
Kehilangan yang tidak terhitung tidak dapat dihitung kecuali jika
kehilangan jenis lainnya diketahui.
Efisiensi tungku
Dengan menjumlahkan kehilangan-kehilangan a sampai f memberikan
kehilangan total:
a) Kehilangan gas buang = 57,29 %
b) Kehilangan dikarenakan kadar air dalam bahan bakar = 1,36 %
c) Kehilangan dikarenakan H2 dalam bahan bakar = 9,13 % d)
d) Kehilangan dikarenakan bukaan dalam tungku = 5, 6 %
e) Kehilangan melalui kulit tungku = 2,64 %
Total kehilangan = 75,98 %
Efisiensi tungku d ihitung melelui metoda tidak langsung = 100 75,98 = 24,02%