Oscillasi: Kontrol Gerakan Kritis dalam Penuangan Berkelanjutan & Penggulungan

Definisi dan Konsep Dasar

Bergetar dalam industri baja mengacu pada gerakan bolak-balik yang terkontrol dan reciprocating yang diterapkan pada cetakan atau peralatan selama proses pengecoran atau penggulungan kontinu. Gerakan mekanis ini melibatkan pola perpindahan bolak-balik siklik dengan amplitudo, frekuensi, dan karakteristik bentuk gelombang tertentu. Osilasi sangat penting untuk mencegah lengket antara baja yang mengeras dan permukaan cetakan, mengurangi gesekan, dan mengontrol kualitas permukaan produk akhir.

Dalam pemrosesan metalurgi, osilasi mewakili parameter kontrol proses dasar yang menghubungkan prinsip rekayasa mekanik dengan ilmu material. Teknik ini telah berkembang dari solusi mekanis sederhana menjadi variabel yang dikendalikan dengan tepat yang berdampak signifikan pada pengembangan mikrostruktur, kualitas permukaan, dan produktivitas dalam operasi pembuatan baja modern.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di antara permukaan baja yang mengeras dan cetakan, osilasi menciptakan kondisi batas dinamis yang secara berkala mengubah mekanika kontak. Selama waktu strip negatif (ketika kecepatan cetakan melebihi kecepatan pengecoran), cetakan menjauh dari cangkang yang mengeras, memungkinkan bubuk cetakan meresap ke dalam celah. Peresapan ini menciptakan film pelumas yang mengurangi gesekan dan mencegah lengketnya baja yang mengeras pada dinding cetakan.

Siklus osilasi menginduksi medan stres lokal yang menyebar melalui cangkang yang mengeras. Stres siklik ini mempengaruhi pola pertumbuhan dendrit selama pembekuan, mempengaruhi nukleasi butir dan kinetika pertumbuhan. Modifikasi mikrostruktur yang dihasilkan dapat diamati sebagai tanda osilasi pada permukaan produk cor, yang mewakili manifestasi fisik dari siklus osilasi.

Model Teoretis

Model teoretis dasar yang menggambarkan osilasi dalam pengecoran kontinu adalah fungsi perpindahan sinusoidal, yang pertama kali diformalkan oleh Takeuchi dan Brimacombe pada tahun 1980-an. Model ini menggambarkan gerakan cetakan sebagai:

$s(t) = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi ft))$

Di mana pendekatan sebelumnya memperlakukan osilasi sebagai kebutuhan mekanis sederhana, model modern menggabungkan dinamika fluida, kinetika pembekuan, dan interaksi tribologis di antara baja dan cetakan.

Pendekatan teoretis kontemporer mencakup model osilasi non-sinusoidal yang mengoptimalkan waktu strip negatif sambil meminimalkan gaya dampak. Model komputasi sekarang mengintegrasikan parameter osilasi dengan transfer panas, aliran fluida, dan fenomena pembekuan dalam simulasi proses yang komprehensif.

Dasar Ilmu Material

Osilasi secara langsung mempengaruhi morfologi front pembekuan pada skala mikro. Variasi periodik dalam tekanan dan kondisi pelumasan mempengaruhi jarak dan orientasi lengan dendrit, terutama di zona pembentukan cangkang awal. Hubungan ini menjadi jelas dalam struktur butir yang dihasilkan dan distribusi fase primer dan sekunder.

Di batas butir, medan stres yang diinduksi oleh osilasi dapat mempromosikan atau menghambat segregasi elemen paduan. Aksi mekanis siklik memodifikasi laju pendinginan lokal dan pola redistribusi solut selama pembekuan. Efek mikrostruktur ini mengalir melalui langkah pemrosesan berikutnya, mempengaruhi sifat mekanis akhir.

Prinsip dasar ilmu material yang mendasari osilasi adalah penggabungan antara gaya mekanis dan kinetika transformasi fase selama pembekuan. Penggabungan ini menentukan seberapa efektif parameter osilasi dapat dimanipulasi untuk mengontrol pembentukan cacat, kualitas permukaan, dan struktur internal produk baja cor.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang menggambarkan gerakan osilasi sinusoidal adalah:

$s(t) = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi ft))$

Di mana:
- $s(t)$ adalah perpindahan pada waktu $t$ [mm]
- $s_0$ adalah stroke (amplitudo puncak-ke-puncak) [mm]
- $f$ adalah frekuensi [Hz]
- $t$ adalah waktu [s]

Formula Perhitungan Terkait

Waktu strip negatif (NST), parameter kritis dalam kontrol osilasi, dihitung sebagai:

$NST = \frac{1}{2\pi f}\cos^{-1}(1-\frac{2v_c}{s_0 \pi f})$

Di mana:
- $NST$ adalah waktu strip negatif [s]
- $v_c$ adalah kecepatan pengecoran [mm/s]

Jarak strip negatif (NSD) ditentukan oleh:

$NSD = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi f \cdot NST)) - v_c \cdot NST$

Kedalaman tanda osilasi dapat diperkirakan menggunakan:

$d = C \cdot \frac{NSD^2}{t_s}$

Di mana:
- $d$ adalah kedalaman tanda osilasi [mm]
- $C$ adalah konstanta empiris
- $t_s$ adalah ketebalan cangkang di meniskus [mm]

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku khusus untuk pola osilasi sinusoidal dan mengasumsikan perilaku cetakan yang kaku tanpa deformasi elastis. Model menjadi kurang akurat pada frekuensi yang sangat tinggi (>500 Hz) di mana efek inersia menjadi signifikan.

Perhitungan waktu strip negatif mengasumsikan kondisi pelumasan yang sempurna dan kontraksi termal yang seragam. Dalam praktiknya, variasi dalam sifat bubuk cetakan dan gradien termal dapat menyebabkan penyimpangan dari prediksi teoretis.

Model matematis ini biasanya mengabaikan efek variasi tekanan ferrostatis dan fenomena pembengkakan yang terjadi dalam operasi pengecoran yang sebenarnya. Faktor koreksi tambahan mungkin diperlukan saat menerapkan formula ini pada pola osilasi non-sinusoidal.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ISO 13404:2007 - Pengecoran kontinu baja - Metode pengukuran untuk osilasi cetakan
• ASTM A1030 - Praktik Standar untuk Mengukur Karakteristik Datar Produk Lembaran Baja
• JIS G 0415 - Metode untuk pengukuran tanda osilasi pada slab yang dicor secara kontinu

ISO 13404 menyediakan prosedur komprehensif untuk mengukur parameter osilasi di lingkungan industri. ASTM A1030 membahas penilaian kualitas permukaan terkait dengan efek osilasi. JIS G 0415 fokus secara khusus pada kuantifikasi karakteristik tanda osilasi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Transformator diferensial variabel linier (LVDT) umum digunakan untuk mengukur perpindahan cetakan yang sebenarnya selama osilasi. Sensor ini memberikan data perpindahan presisi tinggi dengan waktu respons mikrodetik.

Accelerometer yang dipasang pada rakitan cetakan mengukur karakteristik getaran dan dapat mendeteksi penyimpangan dari pola osilasi yang dimaksudkan. Prinsipnya bergantung pada mengubah data percepatan menjadi perpindahan melalui integrasi ganda.

Sistem canggih menggunakan interferometri laser untuk pengukuran non-kontak parameter osilasi dengan presisi sub-mikron. Teknik ini menggunakan pola interferensi cahaya laser yang dipantulkan untuk menentukan perpindahan dengan akurasi yang luar biasa.

Persyaratan Sampel

Untuk analisis tanda osilasi, permukaan sampel baja harus disiapkan dengan penggilingan ringan untuk menghilangkan skala sambil mempertahankan geometri tanda. Dimensi sampel standar biasanya adalah bagian 100mm × 100mm yang dipotong tegak lurus terhadap arah pengecoran.

Persiapan permukaan memerlukan pemolesan progresif hingga hasil akhir 1μm untuk pemeriksaan mikroskopis tanda osilasi. Penggoresan dengan larutan nital 2% biasanya dilakukan untuk meningkatkan visibilitas tanda.

Sampel harus di