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%