Billet: Kunci Perantara dalam Produksi Baja & Proses Manufaktur

Definisi dan Konsep Dasar

Seorang billet adalah produk baja setengah jadi, biasanya dalam penampang melintang persegi panjang atau persegi, yang berfungsi sebagai input utama untuk proses penggulungan atau penempaan selanjutnya untuk menghasilkan produk baja jadi seperti batang, batang baja, atau bagian struktural. Ini diproduksi langsung dari baja cair melalui metode pengecoran kontinu atau pengecoran ingot dan bertindak sebagai perantara dalam rantai manufaktur baja.

Dalam keseluruhan proses pembuatan baja, billet menempati posisi penting sebagai bentuk dasar dari mana berbagai produk panjang diproduksi. Mereka diproduksi setelah tahap pemurnian dan pengecoran baja dan kemudian dipanaskan kembali dan diproses di pabrik penggulung atau mesin penempaan. Peran billet adalah untuk menyediakan bentuk yang seragam dan dapat dikelola yang memfasilitasi deformasi dan pembentukan lebih lanjut menjadi produk akhir dengan sifat mekanik dan dimensi yang diinginkan.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Teknologi inti di balik produksi billet terutama melibatkan pengecoran kontinu atau, secara historis, pengecoran ingot. Pengecoran kontinu melibatkan menuangkan baja cair ke dalam cetakan yang didinginkan dengan air, di mana ia mengeras menjadi bentuk setengah jadi. Proses ini memungkinkan produktivitas tinggi, kualitas yang lebih baik, dan pengurangan konsumsi energi dibandingkan dengan pengecoran ingot.

Komponen teknologi kunci termasuk tundish, cetakan, sistem panduan strand, dan zona pendinginan sekunder. Tundish bertindak sebagai reservoir, mendistribusikan baja cair secara merata ke dalam cetakan. Cetakan, biasanya terbuat dari tembaga atau grafit yang didinginkan dengan air, membentuk baja menjadi penampang yang diinginkan. Strand dipandu melalui rol dan zona pendinginan sekunder, di mana pendinginan yang terkontrol mengerasakan billet secara merata.

Mekanisme operasi utama melibatkan kontrol suhu yang tepat, menuang secara kontinu, dan pemantauan solidifikasi. Material mengalir dari tundish ke dalam cetakan, di mana baja mulai mengeras. Strand kemudian melewati zona pendinginan, dengan parameter disesuaikan untuk mengoptimalkan mikrostruktur dan mencegah cacat.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu pengecoran, kecepatan pengecoran, laju pendinginan cetakan, dan intensitas pendinginan sekunder. Suhu pengecoran yang khas berkisar antara 1.450°C hingga 1.550°C, tergantung pada jenis baja. Kecepatan pengecoran bervariasi dari 0,5 hingga 2 meter per menit, menyeimbangkan produktivitas dan kualitas.

Laju pendinginan mempengaruhi mikrostruktur, sifat mekanik, dan kualitas permukaan billet. Pendinginan yang berlebihan dapat menyebabkan stres internal atau retakan permukaan, sementara pendinginan yang tidak cukup dapat menyebabkan segregasi atau porositas. Mempertahankan profil suhu yang stabil dan pendinginan yang seragam sangat penting.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata dan otomatisasi untuk memantau suhu, aliran air pendingin, dan posisi strand. Algoritma kontrol proses yang canggih mengoptimalkan parameter pengecoran secara dinamis, memastikan kualitas billet yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Fasilitas pengecoran billet yang khas memiliki caster kontinu dengan panjang cetakan 4 hingga 8 meter, tergantung pada kapasitas. Lebar caster mengakomodasi penampang dari 100 mm x 100 mm hingga 200 mm x 200 mm atau lebih besar, dengan insert cetakan yang dapat disesuaikan untuk ukuran yang berbeda.

Caster modern dilengkapi dengan konfigurasi cetakan melengkung atau lurus, dengan cetakan tembaga yang didinginkan dengan air memberikan ekstraksi panas yang cepat. Sistem pendinginan sekunder mencakup header semprot, jet air, dan tempat pendinginan atau konveyor untuk penanganan strand.

Evolusi desain telah berfokus pada peningkatan kecepatan pengecoran, perbaikan kualitas strand, dan pengurangan konsumsi energi. Inovasi termasuk pengadukan elektromagnetik untuk memperhalus mikrostruktur dan optimasi fluks cetakan untuk meminimalkan cacat permukaan.

Sistem tambahan termasuk pemanasan ladle, mekanisme osilasi cetakan, dan otomatisasi untuk transfer dan pemotongan strand. Tempat pendinginan pasca-pengecoran atau stasiun pemotongan inline mempersiapkan billet untuk pemrosesan lebih lanjut.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Selama pengecoran, reaksi kimia utama melibatkan solidifikasi baja dari fase cair, dengan reaksi kimia minimal yang terjadi di zona solidifikasi. Namun, reaksi oksidasi di permukaan baja dapat terjadi jika atmosfer tidak dikendalikan dengan baik, yang mengarah pada dekarburisasi permukaan atau pembentukan inklusi.

Secara termodinamika, komposisi baja tetap stabil selama pengecoran, tetapi faktor kinetik seperti laju pendinginan mempengaruhi transformasi fase dan perilaku inklusi. Penambahan elemen paduan seperti karbon, mangan, atau silikon mempengaruhi perilaku solidifikasi dan pengembangan mikrostruktur.

Produk reaksi yang signifikan termasuk inklusi oksida, yang dapat berasal dari oksidasi atau pengangkutan terak, dan senyawa intermetallic yang terbentuk selama solidifikasi. Pengendalian atmosfer yang tepat meminimalkan reaksi yang tidak diinginkan dan pembentukan inklusi.

Transformasi Metalurgi

Perubahan metalurgi kunci selama pengecoran billet melibatkan transformasi dari baja cair menjadi mikrostruktur padat. Pendinginan cepat mendorong pembentukan ferit atau pearlit butir halus, sementara pendinginan yang lebih lambat dapat menyebabkan mikrostruktur yang lebih kasar.

Perkembangan mikrostruktur dipengaruhi oleh laju pendinginan, kandungan paduan, dan desain cetakan. Front solidifikasi awal bergerak dari dinding cetakan ke dalam, dengan struktur dendrit yang terbentuk di antarmuka. Homogenisasi elemen paduan terjadi selama pendinginan sekunder dan pemanasan kembali selanjutnya.

Transformasi fase termasuk pembentukan ferit, pearlit, bainit, atau martensit, tergantung pada kondisi pendinginan dan paduan. Transformasi ini secara langsung mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, duktilitas, dan ketangguhan.

Transformasi metalurgi juga melibatkan pengurangan stres residual dan pemurnian ukuran butir melalui pendinginan terkontrol dan perlakuan panas sekunder.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk kualitas billet. Terak berinteraksi dengan permukaan baja, mempengaruhi kandungan inklusi dan kualitas permukaan. Komposisi dan manajemen terak yang tepat mencegah kontaminasi dan oksidasi.

Refraktori yang melapisi tundish dan cetakan terkena suhu tinggi dan serangan kimia. Keausan refraktori dapat memperkenalkan kotoran atau menyebabkan kegagalan cetakan, memerlukan inspeksi dan penggantian secara teratur.

Pengendalian atmosfer sangat penting untuk mencegah oksidasi dan dekarburisasi. Gas pelindung seperti argon atau nitrogen sering digunakan dalam atmosfer tundish dan cetakan untuk meminimalkan cacat permukaan dan pembentukan inklusi.

Mekanisme transfer material termasuk reaksi terak-logam, penjebakan inklusi, dan proses difusi. Mengendalikan interaksi ini melibatkan pengoptimalan kimia terak, suhu, dan kondisi aliran.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Input

Bahan input utama adalah baja cair berkualitas tinggi, yang diproduksi melalui metode tungku oksigen dasar (BOF) atau tungku busur listrik (EAF). Jenis baja bervariasi dari baja struktural karbon rendah hingga baja alat paduan tinggi.

Baja input harus memenuhi spesifikasi komposisi kimia dan suhu yang ketat. Sebelum pengecoran, baja cair disaring untuk menghilangkan kotoran dan menyesuaikan kandungan paduan.

Penanganan melibatkan transportasi ladle, penyesuaian suhu melalui tungku pemanasan awal atau pemanasan kembali, dan metalurgi ladle untuk memastikan komposisi yang seragam. Kualitas baja input secara langsung mempengaruhi mikrostruktur billet, sifat mekanik, dan tingkat cacat.

Urutan Proses

Proses dimulai dengan pemurnian baja di tungku, diikuti dengan perlakuan ladle untuk menyesuaikan komposisi dan suhu. Baja cair dipindahkan ke tundish, kemudian dicor menjadi billet melalui caster kontinu.

Proses pengecoran melibatkan menuang