Penuangan dalam Produksi Baja: Proses & Peralatan Esensial

Definisi dan Konsep Dasar

Pengelasan dalam industri baja mengacu pada proses utama menuangkan baja cair ke dalam cetakan untuk menghasilkan bentuk setengah jadi atau jadi. Ini adalah langkah dasar yang mengubah baja cair dari tungku menjadi bentuk padat, yang cocok untuk pemrosesan selanjutnya seperti penggulungan, penempaan, atau pemesinan.

Proses ini berfungsi sebagai tahap pembekuan awal, memungkinkan pembentukan berbagai geometri seperti ingot, billet, slab, atau bloom. Pengelasan menetapkan dasar untuk mengontrol mikrostruktur baja, kualitas internal, dan akurasi dimensi.

Dalam rantai pembuatan baja secara keseluruhan, pengelasan mengikuti tahap pemurnian dan paduan baja, di mana baja cair diambil dari tungku dan diarahkan ke peralatan pengelasan. Ini mendahului penggulungan panas atau proses pembentukan lainnya, bertindak sebagai jembatan antara produksi logam cair dan operasi deformasi mekanis.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Teknologi pengelasan bergantung pada prinsip termodinamika dan mekanika fluida untuk mengontrol aliran dan pembekuan baja cair. Proses ini melibatkan menuangkan baja cair suhu tinggi ke dalam cetakan, di mana ia mendingin dan membeku dalam kondisi yang terkontrol.

Komponen teknologi kunci termasuk tundish, cetakan, dan sistem pendinginan sekunder. Tundish bertindak sebagai reservoir, mengatur aliran dari tungku ke cetakan dan menyediakan buffer untuk memastikan pengelasan yang stabil. Cetakan, yang sering didinginkan dengan air, membentuk baja dan memulai pembekuan, sementara zona pendinginan sekunder lebih lanjut mengontrol laju pendinginan.

Mekanisme operasi utama melibatkan pengelasan kontinu atau ingot, dengan baja cair mengalir melalui ladle ke tundish, kemudian ke cetakan. Aliran dikontrol dengan hati-hati untuk mencegah turbulensi, yang dapat menyebabkan cacat. Alur proses melibatkan menuangkan yang disinkronkan, kontrol level cetakan, dan pemantauan pembekuan.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu menuang, level cetakan, kecepatan pengelasan, dan laju pendinginan. Suhu menuang yang khas berkisar antara 1.450°C hingga 1.550°C, tergantung pada grade baja dan metode pengelasan.

Kecepatan pengelasan bervariasi dari 0,2 hingga 1,0 meter per menit dalam pengelasan kontinu, mempengaruhi mikrostruktur dan kualitas permukaan. Laju pendinginan disesuaikan untuk mengoptimalkan struktur butir dan meminimalkan cacat, biasanya antara 10°C/menit hingga 50°C/menit.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata dan otomatisasi untuk memantau parameter seperti level cetakan, suhu, dan laju aliran. Loop umpan balik menyesuaikan laju aliran dan pendinginan untuk menjaga stabilitas proses dan kualitas produk.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi pengelasan yang khas mencakup tundish, cetakan yang didinginkan dengan air, dan mesin pengelasan kontinu. Mesin pengelasan dapat horizontal atau vertikal, dengan yang terakhir lebih umum di pabrik modern.

Panjang cetakan bervariasi dari 2 hingga 4 meter, dengan lebar yang disesuaikan untuk menghasilkan billet, bloom, atau slab. Panjang mesin pengelasan dapat mencapai 50 meter, menggabungkan zona pendinginan sekunder dan peralatan pelurusan.

Evolusi desain telah memperkenalkan konfigurasi cetakan melengkung, pengadukan elektromagnetik, dan sistem pendinginan canggih untuk meningkatkan kualitas dan produktivitas. Sistem tambahan termasuk pendinginan semprot cetakan, rem elektromagnetik, dan perangkat inspeksi permukaan.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Selama pengelasan, reaksi kimia utama melibatkan pembekuan baja dan penghilangan kotoran. Saat baja mendingin, karbon mengendap sebagai grafit atau semenit, tergantung pada komposisi paduan.

Secara termodinamika, diagram fase Fe-C mengatur pembentukan mikrostruktur. Kinetika pembekuan mempengaruhi distribusi elemen paduan dan pembentukan inklusi.

Produk sampingan seperti entrainment terak atau inklusi dapat terbentuk jika kotoran atau fase non-logam tidak dikendalikan dengan baik. Penjebakan gas juga dapat terjadi, yang mengarah pada porositas.

Transformasi Metalurgi

Pengelasan menyebabkan transformasi mikrostruktur, termasuk pembentukan struktur dendritik dan zona segregasi. Pendinginan cepat dalam pengelasan kontinu menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus, meningkatkan sifat mekanis.

Transformasi fase seperti austenit menjadi ferit atau perlit terjadi selama pendinginan selanjutnya, tetapi pembekuan awal menetapkan dasar mikrostruktur. Kontrol laju pendinginan mempengaruhi ukuran butir, distribusi inklusi, dan pembentukan cacat.

Transformasi ini secara langsung mempengaruhi sifat seperti kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan. Kontrol yang tepat memastikan mikrostruktur yang seragam dan meminimalkan cacat seperti segregasi atau porositas.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting. Reaksi terak-logam dapat menyebabkan deoksidasi atau pembentukan inklusi, yang mempengaruhi kebersihan.

Bahan refraktori yang melapisi cetakan dan tundish mengalami tekanan termal dan kimia yang tinggi, yang menyebabkan keausan atau degradasi. Kontaminasi dari erosi refraktori dapat memperkenalkan elemen yang tidak diinginkan.

Gas atmosfer, seperti oksigen dan nitrogen, dapat larut ke dalam baja, menyebabkan cacat seperti porositas atau kerapuhan. Atmosfer pelindung atau pengelasan vakum digunakan untuk mengurangi efek ini.

Kontrol interaksi ini melibatkan pemilihan bahan refraktori yang kompatibel, mengoptimalkan kimia terak, dan menjaga lingkungan yang terkontrol.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah baja cair, biasanya diproduksi di tungku busur listrik atau tungku oksigen dasar, dengan spesifikasi termasuk komposisi kimia, suhu, dan kebersihan.

Bahan masukan tambahan termasuk elemen paduan, fluks, dan inokulan, yang ditambahkan untuk memodifikasi sifat atau memfasilitasi pengelasan. Penanganan melibatkan ladle, tundish, dan wadah transfer yang dirancang untuk meminimalkan kontaminasi dan kehilangan suhu.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi stabilitas pengelasan, kualitas permukaan, dan kebersihan internal. Baja masukan berkualitas tinggi menghasilkan lebih sedikit cacat dan sifat produk akhir yang lebih baik.

Urutan Proses

Urutan dimulai dengan transfer baja cair dari tungku ke tundish melalui ladle. Baja kemudian dituangkan ke dalam cetakan, di mana ia mulai membeku.

Pengelasan kontinu melibatkan penarikan strand yang telah membeku secara sinkron, dengan langkah pendinginan sekunder dan pelurusan yang terintegrasi sepanjang jalur. Siklus proses mencakup pengisian cetakan, pembekuan, penarikan strand, dan pemotongan.

Waktu siklus tergantung pada ukuran produk; misalnya, siklus pengelasan slab yang khas dapat berlangsung 30-60 menit, dengan kecepatan pengelasan 0,3-0,8 m/menit. Tingkat produksi dapat mencapai beberapa ratus ton per jam.

Titik Integrasi

Pengelasan menghubungkan unit pembuatan baja hulu dengan operasi penggulungan panas, penempaan, atau pemesinan hilir. Aliran material melibatkan transfer dari mesin pengelasan ke tungku pemanasan ulang atau langsung ke jalur pemrosesan.

Aliran informasi mencakup parameter proses, data kualitas, dan sinyal kontrol untuk mengoptimalkan operasi. Sistem buffer, seperti penyimpanan sementara atau pengisian panas, mengakomodasi fluktuasi dan memastikan produksi yang berkelanjutan.

Integrasi yang tepat meminimalkan keterlambatan, mengurangi konsumsi energi, dan menjaga kualitas produk di seluruh rantai manufaktur.

Kinerja Operasional dan Kontrol