Cara tungku gas mentransfer panas dari api ke beban kerja menentukan kualitas produk, efisiensi energi, dan jangkauan proses yang dapat dilakukan tungku tersebut. Tiga pendekatan mendasar — pembakaran langsung, pembakaran tidak langsung dengan muffle, dan tabung radiasi — masing-masing memiliki tempatnya sendiri, dan memilih yang salah untuk aplikasi tersebut akan menyebabkan masalah kualitas, biaya energi yang berlebihan, atau keduanya.
MONTE INTELLIGENCE memasok tungku berbahan bakar gas dalam ketiga konfigurasi tersebut. Artikel ini membandingkan desain-desain tersebut berdasarkan kriteria yang penting untuk operasi perlakuan panas.
Tungku pembakaran langsung membakar gas alam (atau gas bahan bakar lainnya) langsung di ruang tungku, dan produk pembakarannya — nyala api dan gas buang panas — bersentuhan langsung dengan beban kerja. Pembakar menyala ke dalam ruang, gas panas bersirkulasi di sekitar beban kerja (didorong oleh konveksi alami atau kipas resirkulasi), dan gas buang keluar melalui cerobong asap. Ini adalah konfigurasi yang paling sederhana dan paling hemat energi karena tidak ada penghalang antara sumber panas dan beban kerja — semua energi pembakaran tersedia untuk memanaskan beban kerja, kecuali panas sensibel yang terbawa dalam gas buang.
Keterbatasan pemanasan langsung adalah bahwa beban kerja terpapar pada atmosfer pembakaran. Produk pembakaran mengandung karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O) — keduanya bersifat oksidatif terhadap baja pada suhu perlakuan panas. Baja yang dipanaskan dalam tungku pembakaran langsung akan mengembangkan lapisan oksida (mill scale) pada permukaannya. Untuk banyak aplikasi — pemanasan awal tempa, normalisasi, penghilangan tegangan, anil sebelum pemesinan — hal ini dapat diterima karena lapisan tersebut akan dihilangkan dalam pemrosesan selanjutnya atau tidak merugikan produk.
Pemanasan langsung tidak dapat diterima ketika kualitas permukaan sangat penting. Proses karburisasi, karbonitriding, pengerasan permukaan, dan proses apa pun yang membutuhkan potensi karbon tertentu tidak dapat mentolerir atmosfer produk pembakaran yang tidak terkontrol. Untuk aplikasi ini, produk pembakaran harus dipisahkan dari beban kerja, sehingga diperlukan konfigurasi pemanasan tidak langsung.
Tungku pembakaran tidak langsung menggunakan muffle — selubung paduan tahan panas atau keramik yang memisahkan ruang pembakaran dari ruang kerja. Pembakar menyala di luar muffle, memanaskan dinding muffle, yang kemudian memancarkan panas ke beban kerja di dalamnya. Suasana terkontrol — gas endotermik, nitrogen-hidrogen, dll. — dipertahankan di dalam muffle untuk melindungi beban kerja. Produk pembakaran tidak pernah bersentuhan dengan benda kerja.
Komponen utama dari jenis tungku ini adalah muffle (tungku pembakaran). Untuk suhu hingga sekitar 950°C, muffle dapat dibuat dari paduan tahan panas — biasanya RA330, Incoloy 800HT, atau paduan nikel tinggi cor — dengan masa pakai desain 3-5 tahun. Untuk suhu yang lebih tinggi, hingga 1150°C, digunakan muffle silikon karbida, tetapi muffle ini rapuh dan lebih mahal. Muffle merupakan biaya modal yang signifikan — biasanya 15-25% dari total biaya tungku — dan penggantiannya di kemudian hari merupakan biaya perawatan yang besar.
Kerugian energi dari tungku peredam panas adalah penurunan suhu di sepanjang dinding tungku. Untuk memanaskan ruang kerja hingga 850°C, suhu ruang pembakaran harus lebih tinggi—biasanya 950-1050°C—untuk memberikan gaya dorong bagi perpindahan panas melalui tungku peredam panas. Suhu ruang pembakaran yang lebih tinggi berarti suhu gas buang yang lebih tinggi dan kehilangan panas yang lebih besar, mengurangi efisiensi termal tungku sebesar 10-20% dibandingkan dengan tungku pembakaran langsung yang setara.
Pemanasan tabung radiasi adalah variasi dari konsep pembakaran tidak langsung yang telah menjadi standar untuk tungku kontinu, termasuk tungku sabuk jala. Alih-alih menggunakan satu muffle besar, tungku ini menggunakan beberapa tabung radiasi — tabung paduan tertutup yang melewati ruang tungku. Pembakar menyala di dalam tabung, produk pembakaran mengalir melalui tabung (seringkali dengan resirkulasi internal untuk meningkatkan keseragaman perpindahan panas), dan gas buang keluar di ujung yang berlawanan. Permukaan luar tabung memancarkan panas ke beban kerja.
Tabung radiasi menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan tungku tunggal. Tabung dapat disusun untuk memberikan pemanasan yang lebih seragam — biasanya dalam baris di atas dan di bawah beban kerja — daripada tungku, yang terutama memanaskan dari samping dan atas. Tabung individual dapat dilepas dan diganti tanpa membuka ruang tungku, sehingga mengurangi waktu henti perawatan. Diameter tabung cukup kecil (biasanya 100-200 mm) sehingga ketebalan dinding dapat sedang (5-8 mm) namun tetap memberikan kekuatan mekanik dan ketahanan korosi yang memadai.
Desain tabung radiasi yang paling umum adalah tabung U: pembakar menyala di salah satu kaki U, gas pembakaran mengalir ke ujung tertutup dan kembali melalui kaki lainnya ke saluran pembuangan. Desain ini memberikan perpindahan panas yang baik karena nyala api bersuhu tinggi berada di satu kaki dan gas buang yang lebih dingin di kaki lainnya, menghasilkan suhu permukaan tabung yang lebih seragam daripada desain lurus. Tabung W dan tabung recuperatif ujung tunggal (tabung SER) digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan pelepasan panas yang lebih tinggi per tabung.
Pemilihan material tabung bergantung pada suhu tungku. Untuk suhu hingga 950°C, tabung paduan cor HK-40 (25% Cr, 20% Ni) atau HP (25% Cr, 35% Ni) memberikan masa pakai yang memadai. Untuk suhu yang lebih tinggi atau untuk atmosfer yang mengandung gas karburisasi yang dapat menyebabkan debu logam, diperlukan paduan nikel yang lebih tinggi atau tabung keramik (silikon karbida). Masa pakai tabung dalam layanan perlakuan panas tipikal berkisar antara 2-5 tahun, dengan mode kegagalan termasuk pecah akibat rambatan (dari paparan jangka panjang terhadap suhu tinggi di bawah berat tabung itu sendiri), oksidasi (penipisan dinding tabung dari sisi pembakaran), dan karburisasi (penyerapan karbon yang membuat tabung rapuh).
MONTE INTELLIGENCE merekomendasikan konfigurasi pemanasan berdasarkan suhu proses, persyaratan atmosfer, volume produksi, dan anggaran modal. Untuk pemanasan awal dan normalisasi pada proses penempaan, pemanasan langsung memberikan rasio biaya-kinerja terbaik. Untuk perlakuan panas dengan atmosfer terkontrol, desain tabung radiasi atau muffle ditentukan berdasarkan geometri tungku dan suhu operasi.
Untuk rekomendasi konfigurasi tungku gas yang spesifik untuk proses Anda, hubungi helenxu@cnlymonte.com.
