Penggilingan Kasar: Proses Penggilingan Panas Utama dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Roughing adalah proses deformasi logam utama dalam produksi baja di mana logam panas secara bertahap dikurangi dalam penampang melalui serangkaian proses penggulungan untuk mencapai produk setengah jadi yang intermediat. Proses ini mengubah struktur baja cor menjadi bentuk yang ditempa dengan sifat mekanik dan karakteristik dimensi yang lebih baik.

Roughing mewakili tahap transisi kritis antara pembuatan baja primer dan operasi penyelesaian, membangun mikrostruktur dasar yang mempengaruhi kualitas produk akhir. Proses ini memecah struktur dendritik yang dicor, memperhalus ukuran butir, dan mulai memberikan sifat arah pada baja.

Dalam istilah metalurgi, roughing menempati posisi penting antara produksi baja mentah dan pembentukan akhir, berfungsi sebagai langkah deformasi panas awal yang secara fundamental mengubah struktur kristalografi material dan perilaku mekaniknya melalui deformasi plastis yang terkontrol.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, roughing menyebabkan deformasi plastis yang parah yang memecah struktur dendritik kasar yang terbentuk selama pembekuan. Gaya kompresif yang diterapkan menyebabkan dislokasi berlipat ganda dan bergerak melalui kisi kristal, menghasilkan pemurnian butir melalui proses rekristalisasi dinamis dan pemulihan.

Selama roughing, suhu tinggi (biasanya 1100-1250°C) menjaga baja dalam fase austenitiknya, memungkinkan aliran plastis yang signifikan dengan persyaratan gaya yang relatif moderat. Energi deformasi sebagian dikonversi menjadi panas dan sebagian lagi menjadi energi yang tersimpan dalam bentuk peningkatan kerapatan dislokasi.

Siklus deformasi berulang selama beberapa proses roughing menciptakan pemurnian progresif mikrostruktur, dengan butir baru yang bebas regangan yang muncul di lokasi energi tinggi seperti batas butir sebelumnya dan pita deformasi.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk operasi roughing didasarkan pada teori deformasi plastis, khususnya model tegangan aliran yang mengaitkan resistensi deformasi dengan regangan, laju regangan, dan suhu. Parameter Zener-Hollomon ($Z = \dot{\varepsilon} \exp(Q/RT)$) berfungsi sebagai deskriptor dasar yang menggabungkan efek-efek ini.

Pemahaman historis berkembang dari praktik pabrik empiris pada abad ke-19 menjadi pendekatan ilmiah pada pertengahan abad ke-20 dengan pengembangan teori penggulungan oleh peneliti seperti Orowan, Ford, dan Sims, yang menetapkan hubungan antara gaya gulung, torsi, dan sifat material.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) untuk memprediksi aliran material dan evolusi mikrostruktur, model variabel keadaan internal berbasis fisik yang melacak evolusi kerapatan dislokasi, dan metode kecerdasan buatan yang menggabungkan data pemrosesan historis untuk mengoptimalkan parameter roughing.

Dasar Ilmu Material

Roughing secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan memecah butir kolumnar yang dicor dan mempromosikan pembentukan butir austenit yang ekuiaxed melalui rekristalisasi dinamis. Deformasi suhu tinggi menciptakan banyak batas butir energi tinggi yang berfungsi sebagai lokasi nukleasi untuk butir baru yang bebas regangan.

Evolusi mikrostruktur selama roughing melibatkan mekanisme bersaing dari pengerasan kerja, pemulihan dinamis, dan rekristalisasi. Keseimbangan antara proses-proses ini menentukan distribusi ukuran butir akhir dan perkembangan tekstur, yang secara signifikan mempengaruhi pemrosesan hilir dan sifat mekanik akhir.

Roughing mencerminkan prinsip-prinsip dasar ilmu material dari pemrosesan termomekanik, di mana deformasi yang terkontrol pada suhu tinggi memungkinkan rekayasa mikrostruktur. Proses ini memanfaatkan hubungan antara pemrosesan, struktur, dan sifat untuk mengubah struktur cor dengan cacat bawaan menjadi material yang ditempa dengan karakteristik mekanik yang ditingkatkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang mengatur operasi roughing adalah hubungan antara gaya gulung yang diterapkan dan deformasi yang dihasilkan:

$$F = L \cdot w \cdot \bar{p}$$

Di mana $F$ adalah gaya gulung (N), $L$ adalah busur kontak yang diproyeksikan (mm), $w$ adalah lebar strip (mm), dan $\bar{p}$ adalah tekanan gulung spesifik rata-rata (MPa).

Formula Perhitungan Terkait

Draft (pengurangan ketebalan) dalam roughing dapat dihitung sebagai:

$$d = h_0 - h_1$$

Di mana $d$ adalah draft absolut (mm), $h_0$ adalah ketebalan masuk (mm), dan $h_1$ adalah ketebalan keluar (mm).

Rasio pengurangan, parameter kritis dalam roughing, dinyatakan sebagai:

$$r = \frac{h_0}{h_1}$$

Di mana $r$ adalah rasio pengurangan (tanpa dimensi).

Panjang busur kontak yang diproyeksikan dihitung sebagai:

$$L = \sqrt{R \cdot d}$$

Di mana $R$ adalah jari-jari gulung (mm) dan $d$ adalah draft absolut (mm).

Konsumsi energi spesifik selama roughing dapat diperkirakan dengan:

$$E_{specific} = \frac{P}{Q} = \frac{F \cdot v}{w \cdot h_1 \cdot v} = \frac{F}{w \cdot h_1}$$

Di mana $E_{specific}$ adalah energi spesifik (J/mm³), $P$ adalah daya (W), $Q$ adalah throughput volumetrik (mm³/s), dan $v$ adalah kecepatan penggulungan (mm/s).

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan deformasi homogen dan paling akurat untuk rasio lebar terhadap ketebalan yang lebih besar dari 10, di mana kondisi regangan datar mendominasi. Mereka menjadi kurang dapat diandalkan ketika efek tepi menjadi signifikan.

Model biasanya mengasumsikan kondisi isotermal, meskipun roughing yang sebenarnya melibatkan gradien suhu yang signifikan baik melalui ketebalan maupun sepanjang arah penggulungan. Koreksi suhu harus diterapkan untuk perhitungan yang tepat.

Persamaan ini didasarkan pada perilaku material kaku-plastis dan tidak memperhitungkan deformasi elastis dari gulungan (rata gulung), yang menjadi signifikan pada gaya yang lebih tinggi dan dapat mengubah geometri kontak yang sebenarnya.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A370: Metode dan Definisi Pengujian Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja - mencakup pengujian sifat mekanik yang relevan untuk produk yang telah di-rough.

ISO 6892: Material logam — Pengujian tarik — menyediakan metode standar untuk mengevaluasi sifat mekanik material yang telah di-rough.

ASTM E112: Metode Pengujian Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata - berlaku untuk mengevaluasi evolusi mikrostruktur selama roughing.

ASTM E45: Metode Pengujian Standar untuk Menentukan Kandungan Inklusi Baja - relevan untuk menilai deformasi dan distribusi inklusi setelah roughing.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Sel beban pabrik dan meter torsi mengukur gaya dan konsumsi daya yang sebenarnya selama operasi roughing industri. Sistem ini biasanya menggunakan teknologi gauge regangan yang dikalibrasi untuk memberikan umpan balik waktu nyata untuk kontrol proses.

Pabrik penggulungan laboratorium dengan gulungan yang terinstrumentasi memungkinkan simulasi eksperimental yang terkontrol dari kondisi roughing. Ini biasanya mencakup sensor gaya, torsi, dan posisi dengan sistem akuisisi data berkecepatan tinggi.

Peralatan mikroskopi optik dan elektron memungkinkan karakterisasi mikrostruktur dari sampel yang telah di-rough. Mikroskopi optik cahaya mengungkapkan struktur butir setelah etsa, sementara mikroskopi elektron pemindaian memberikan analisis resolusi lebih tinggi dari fitur deformasi.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar memerlukan pemotongan yang hati-hati