Pass: Operasi Gulung Kritis dalam Manufaktur & Pengolahan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Dalam industri baja, "pass" mengacu pada satu gerakan logam melalui pabrik penggulung atau cetakan yang menghasilkan pengurangan area penampang dan peningkatan panjang. Operasi dasar ini merupakan salah satu langkah paling kritis dalam pemrosesan baja, mengubah material cor menjadi produk berguna dengan dimensi spesifik dan sifat mekanik yang ditingkatkan.

Konsep pass sangat penting dalam operasi pembentukan logam, terutama di pabrik penggulung di mana baja mengalami deformasi progresif melalui beberapa pass untuk mencapai bentuk dan sifat yang diinginkan. Setiap pass berkontribusi pada rasio pengurangan keseluruhan, pengerasan regangan, dan evolusi mikrostruktur material.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, konsep pass menjembatani operasi pengecoran dan penyelesaian, mewakili cara utama di mana metalurgis mengontrol mikrostruktur dan sifat akhir produk baja. Urutan, jumlah, dan desain pass secara fundamental menentukan kualitas produk, efisiensi produksi, dan konsumsi energi dalam pembuatan baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pass penggilingan menyebabkan deformasi plastis melalui pergerakan dan perkalian dislokasi dalam kisi kristal baja. Dislokasi ini berinteraksi satu sama lain dan dengan hambatan seperti batas butir, presipitat, dan cacat kisi lainnya, menyebabkan pengerasan regangan.

Selama setiap pass, butir memanjang dalam arah penggilingan dan meratakan dalam arah normal, menciptakan orientasi kristalografi atau tekstur yang diutamakan. Struktur butir anisotropik ini secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik produk yang digulung, terutama kekuatan dan karakteristik formabilitasnya.

Zona deformasi, di mana material bersentuhan dengan rol, mengalami keadaan stres yang kompleks termasuk kompresi dalam arah normal dan ketegangan dalam arah penggilingan. Panas yang dihasilkan selama deformasi plastis dapat menyebabkan pemulihan dinamis atau rekristalisasi tergantung pada kondisi suhu dan laju regangan.

Model Teoretis

Teori penggilingan Sims mewakili model teoretis utama untuk penggilingan datar, menggambarkan hubungan antara gaya rol, torsi, dan variabel proses. Model ini, yang dikembangkan pada pertengahan abad ke-20, memperlakukan zona deformasi sebagai masalah kompresi strain-datar dengan gesekan di antarmuka rol-material.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris oleh metalurgis awal hingga model komputasi yang canggih. Karya awal oleh von Kármán (1925) dan Orowan (1943) menetapkan dasar untuk teori penggilingan modern melalui analisis bidang slip-line.

Pendekatan alternatif termasuk metode batas atas yang memperkirakan kebutuhan daya, model elemen hingga yang menangkap pola deformasi kompleks, dan model kecerdasan buatan yang memprediksi hasil penggilingan berdasarkan data historis. Setiap pendekatan menawarkan keuntungan yang berbeda dalam akurasi, efisiensi komputasi, dan penerapan pada kondisi penggilingan tertentu.

Dasar Ilmu Material

Deformasi pass secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan meningkatkan kerapatan dislokasi dan menciptakan tekstur kristalografi. Di batas butir, deformasi menyebabkan rotasi, gesekan, dan dalam beberapa kasus, pembentukan batas baru melalui rekristalisasi dinamis.

Mikrostruktur berkembang secara progresif melalui beberapa pass, dengan pemurnian butir terjadi melalui rekristalisasi antara pass (dalam penggilingan panas) atau melalui akumulasi regangan (dalam penggilingan dingin). Evolusi ini mengontrol ukuran butir akhir, distribusi fase, dan morfologi inklusi.

Prinsip dasar ilmu material yang mengatur operasi pass mencakup pengerasan kerja, pemulihan, rekristalisasi, dan transformasi fase. Mekanisme ini menentukan bagaimana material merespons deformasi dan bagaimana sifatnya berkembang melalui pass berturut-turut.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Draft atau pengurangan ketebalan per pass didefinisikan sebagai:

$$r = \frac{h_0 - h_1}{h_0} \times 100\%$$

Di mana:
- $r$ adalah persentase pengurangan per pass
- $h_0$ adalah ketebalan masuk
- $h_1$ adalah ketebalan keluar

Formula Perhitungan Terkait

Gaya rol yang diperlukan untuk sebuah pass dapat dihitung menggunakan:

$$F = w \cdot L \cdot Y_{avg} \cdot Q$$

Di mana:
- $F$ adalah gaya rol
- $w$ adalah lebar strip
- $L$ adalah panjang kontak yang diproyeksikan
- $Y_{avg}$ adalah tegangan aliran rata-rata material
- $Q$ adalah faktor yang memperhitungkan gesekan dan deformasi tidak homogen

Torsi rol dapat ditentukan dengan:

$$T = F \cdot a \cdot 2$$

Di mana:
- $T$ adalah torsi per rol
- $F$ adalah gaya rol
- $a$ adalah lengan tuas (biasanya 0.4-0.5 kali panjang kontak)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku di bawah kondisi deformasi strain-datar, yang valid ketika lebar material setidaknya 10 kali lebih besar dari ketebalannya. Untuk strip sempit atau profil khusus, efek tepi menjadi signifikan dan memerlukan model yang lebih kompleks.

Model ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan kondisi isotermal, yang mungkin tidak berlaku untuk penggilingan kecepatan tinggi atau material dengan gradien suhu yang signifikan. Selain itu, formula ini menjadi kurang akurat pada pengurangan yang sangat tinggi (>50% per pass) di mana deformasi parah terjadi.

Kebanyakan teori penggilingan mengasumsikan rol kaku, tetapi dalam praktiknya, pemipihan dan pembengkokan rol terjadi, terutama dalam penggilingan strip lebar. Model canggih menggabungkan deformasi rol melalui koefisien pengaruh atau analisis elemen hingga.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A1030: Praktik standar untuk mengukur karakteristik datar produk lembaran baja.

ISO 6892: Material logam — Pengujian tarik, digunakan untuk mengevaluasi sifat mekanik setelah pass penggilingan.

ASTM E112: Metode pengujian standar untuk menentukan ukuran butir rata-rata, penting untuk mengevaluasi perubahan mikrostruktur setelah pass.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Sel beban dan transduser tekanan mengukur gaya rol selama operasi penggilingan industri. Perangkat ini mengubah tekanan mekanis menjadi sinyal listrik yang sebanding dengan gaya yang diterapkan.

Pengukur ketebalan berbasis optik dan laser terus-menerus memantau ketebalan sebelum dan setelah pass. Sistem non-kontak ini menggunakan prinsip refleksi atau transmisi cahaya untuk mengukur dimensi dengan presisi tinggi.

Karakterisasi canggih mencakup pabrik penggulung yang dilengkapi dengan meter torsi, akselerometer, dan kamera termal untuk memberikan data komprehensif tentang perilaku deformasi, karakteristik getaran, dan evolusi suhu selama pass.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk pengujian mekanik pasca-penggilingan biasanya mengikuti dimensi ASTM E8, dengan panjang gauge 50mm dan penampang persegi panjang proporsional berdasarkan ketebalan material.

Persiapan permukaan untuk analisis mikrostruktur memerlukan penggilingan progresif, pemolesan hingga hasil cermin (biasanya suspensi berlian 1μm), dan etsa yang sesuai (misalnya, 2% Nital untuk baja karbon) untuk mengungkap batas butir dan fase.

Spesimen harus diambil dengan orientasi yang konsisten relatif terhadap arah penggilingan, biasanya ditunjuk sebagai arah longitudinal (L), transversal (T), dan normal (N), karena sifat bervariasi secara signifikan dengan arah setelah penggilingan.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20±5°C) kecuali sifat panas sedang dievaluasi secara khusus. Kelembaban lingkungan harus dikontrol di bawah 60% untuk mencegah oksidasi permukaan selama pengujian.

Kecepatan pem