Walking Beam Furnace: Teknologi Pemanasan Lanjutan untuk Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Furnace Beam Berjalan adalah sistem pemanasan kontinu yang digunakan dalam produksi baja di mana bahan baku diangkut melalui ruang pemanas pada balok yang didinginkan dengan air yang bergerak dalam gerakan berjalan, mengangkat dan memajukan bahan secara bertahap. Desain furnace khusus ini memungkinkan pemanasan yang merata dari billet baja, slab, atau bloom sambil meminimalkan kerusakan permukaan dan pembentukan skala.

Mekanisme beam berjalan mewakili kemajuan signifikan dibandingkan furnace tipe pendorong yang lebih tua, memungkinkan pemrosesan termal yang lebih tepat dari produk baja. Teknologi ini sangat penting di pabrik baja modern untuk mempersiapkan bahan untuk operasi pembentukan selanjutnya seperti penggulungan, penempaan, atau ekstrusi.

Dalam pemrosesan metalurgi, furnace beam berjalan menempati posisi penting antara pembuatan baja primer dan operasi pembentukan hilir. Mereka menyediakan pengkondisian termal yang diperlukan untuk mencapai plastisitas material yang tepat sambil mempertahankan keseragaman suhu yang ketat, yang secara langsung mempengaruhi kualitas produk akhir dan efisiensi proses.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Furnace beam berjalan beroperasi berdasarkan prinsip transfer panas konvektif dan radiasi ke bahan baja. Pada tingkat mikrostruktur, pemanasan yang terkontrol memfasilitasi proses difusi atom dan transformasi fase dalam baja. Siklus pemanasan memungkinkan karbon dan elemen paduan untuk mendistribusikan secara merata di seluruh struktur kisi material.

Furnace menciptakan gradien suhu dari permukaan bahan ke intinya, dengan panas menembus secara progresif ke dalam. Gradien ini harus dikelola dengan hati-hati untuk mencegah stres termal yang dapat menyebabkan retak atau perubahan mikrostruktur yang tidak diinginkan. Gerakan berjalan mencegah overheating lokal dan memastikan distribusi panas yang merata.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang mengatur operasi furnace beam berjalan adalah persamaan transfer panas untuk konduksi transien, yang menggambarkan bagaimana energi termal bergerak melalui bahan baja:

Transfer panas dalam furnace beam berjalan dimodelkan menggunakan persamaan konduksi panas Fourier yang dikombinasikan dengan kondisi batas radiasi dan konveksi. Pemahaman historis berkembang dari model keadaan tetap sederhana pada tahun 1950-an hingga pendekatan dinamika fluida komputasional (CFD) dan analisis elemen hingga (FEA) yang canggih saat ini.

Model modern menggabungkan metode zona, yang membagi furnace menjadi zona termal diskrit dengan karakteristik transfer panas tertentu. Ini dibandingkan dengan pendekatan dinamika fluida komputasional yang mensimulasikan aliran gas yang kompleks dan proses pembakaran. Setiap pendekatan menawarkan keuntungan yang berbeda dalam akurasi dibandingkan dengan efisiensi komputasi.

Dasar Ilmu Material

Efektivitas furnace beam berjalan berkaitan langsung dengan evolusi struktur kristal selama pemanasan. Ketika suhu baja meningkat, fase austenit kubik berpusat wajah (FCC) terbentuk, yang mempengaruhi sifat mekanik dan perkembangan mikrostruktur selanjutnya.

Profil suhu furnace mempengaruhi kinetika pertumbuhan butir, dengan suhu yang lebih tinggi dan waktu rendaman yang lebih lama mendorong ukuran butir yang lebih besar. Batas butir menjadi lebih mobile pada suhu tinggi, memungkinkan rekristalisasi dan pengasaran butir yang secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik akhir.

Furnace beam berjalan terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang transformasi fase, rekristalisasi, dan pemulihan. Lingkungan pemanasan yang terkontrol memungkinkan manipulasi yang tepat dari fenomena ini, yang menentukan mikrostruktur akhir baja dan, akibatnya, sifat mekanik dan fisiknya.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan transfer panas dasar yang mengatur operasi furnace beam berjalan adalah:

$$\rho c_p \frac{\partial T}{\partial t} = \nabla \cdot (k \nabla T) + q_v$$

Di mana:
- $\rho$ adalah densitas material (kg/m³)
- $c_p$ adalah kapasitas panas spesifik (J/kg·K)
- $T$ adalah suhu (K)
- $t$ adalah waktu (s)
- $k$ adalah konduktivitas termal (W/m·K)
- $q_v$ adalah generasi panas volumetrik (W/m³)

Formula Perhitungan Terkait

Waktu pemanasan yang diperlukan untuk bahan baku dalam furnace beam berjalan dapat diperkirakan dengan:

$$t_{heat} = \frac{\rho c_p V (T_{final} - T_{initial})}{A \cdot q_{net}}$$

Di mana:
- $t_{heat}$ adalah waktu pemanasan (s)
- $V$ adalah volume bahan baku (m³)
- $T_{final}$ adalah suhu target (K)
- $T_{initial}$ adalah suhu awal (K)
- $A$ adalah luas permukaan (m²)
- $q_{net}$ adalah fluks panas bersih (W/m²)

Formula ini diterapkan saat menghitung kapasitas throughput furnace dan merancang siklus pemanasan untuk grade dan dimensi baja tertentu.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini berlaku dalam kondisi di mana sifat material tetap relatif konstan, yang tidak sepenuhnya benar untuk baja yang mengalami transformasi fase. Model ini mengasumsikan koefisien transfer panas yang seragam di sepanjang permukaan bahan baku.

Kondisi batas menjadi kompleks di titik kontak beam berjalan, di mana transfer panas konduktif ke balok yang didinginkan dengan air menciptakan pendinginan lokal. Model ini biasanya mengabaikan pembentukan skala, yang secara progresif mengisolasi permukaan baja dan mengurangi efisiensi transfer panas.

Kebanyakan perhitungan mengasumsikan aliran panas satu dimensi untuk kesederhanaan, yang wajar untuk slab tipis tetapi kurang akurat untuk bloom atau billet tebal di mana efek tiga dimensi menjadi signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ISO 13579: Furnace industri dan peralatan pemrosesan terkait - Metode pengukuran keseimbangan energi dan perhitungan efisiensi
• ASTM E2902: Praktik Standar untuk Pengukuran Laju Aliran Gas dalam Peralatan Pemrosesan Termal
• EN 746-2: Peralatan thermoprocessing industri - Persyaratan keselamatan untuk sistem pembakaran dan penanganan bahan bakar

Setiap standar membahas aspek yang berbeda dari kinerja furnace, mulai dari efisiensi energi hingga persyaratan keselamatan dan parameter operasional.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Furnace beam berjalan biasanya menggunakan termokopel yang tertanam pada berbagai kedalaman dalam potongan bahan uji untuk mengukur profil suhu. Kamera pencitraan termal inframerah menyediakan pengukuran suhu permukaan tanpa kontak dan mengidentifikasi potensi titik dingin atau panas.

Analyzer oksigen memantau efisiensi pembakaran dengan mengukur oksigen residu dalam gas buang. Prinsipnya bergantung pada sensor zirkonia yang menghasilkan tegangan yang sebanding dengan perbedaan konsentrasi oksigen antara udara referensi dan gas buang.

Fasilitas canggih menggunakan sistem verifikasi dinamika fluida komputasional yang membandingkan pengukuran suhu aktual dengan nilai yang diprediksi untuk mengoptimalkan operasi furnace dan mengidentifikasi kebutuhan pemeliharaan.

Persyaratan Sampel

Potongan bahan uji biasanya sesuai dengan dimensi material produksi, dengan termokopel yang dibor pada kedalaman tertentu (permukaan, seperempat ketebalan, dan inti). Persiapan permukaan harus memastikan kondisi bebas skala pada awal pengujian untuk menetapkan karakteristik transfer panas dasar.

Potongan uji memerlukan pengukuran dimensi yang tepat sebelum dan setelah pemanasan untuk mengkuantifikasi ekspansi termal dan pembentukan skala. Komposisi material harus diverifikasi untuk memastikan sifat termal sesuai dengan nilai yang diharapkan yang digunakan dalam perhitungan.

Parameter Uji

Pengujian standar dilakukan pada suhu produksi normal, biasanya 1100-1300°C untuk baja karbon dan hingga 1250°C untuk baja paduan. Kondisi lingkungan mencakup rasio udara-bahan bakar yang terkontrol dan tekanan furnace yang biasanya dipertah