Penuangan Sentrifugal dalam Produksi Baja: Proses, Peralatan & Aplikasi

Definisi dan Konsep Dasar

Pengelasan sentrifugal adalah proses pengecoran logam di mana logam cair dituangkan ke dalam cetakan yang berputar, memanfaatkan gaya sentrifugal untuk mendistribusikan material secara merata di sepanjang permukaan dalam cetakan. Teknik ini terutama digunakan untuk memproduksi komponen berongga, simetris, dan berkualitas tinggi seperti pipa, tabung, bantalan, dan cincin, terutama dalam pembuatan baja dan paduan.

Dalam rantai produksi baja, pengecoran sentrifugal berfungsi sebagai proses sekunder atau penyelesaian yang mengubah baja cair menjadi komponen yang presisi, akurat secara dimensi, dan minim cacat. Proses ini biasanya ditempatkan setelah tahap peleburan dan pemurnian primer, seperti operasi tungku busur listrik atau tungku oksigen dasar, dan sebelum perlakuan panas akhir atau pemesinan.

Tujuan mendasar dari pengecoran sentrifugal dalam pembuatan baja adalah untuk mencapai komponen berongga berkualitas tinggi yang bebas cacat dengan sifat mekanik yang sangat baik, penyelesaian permukaan, dan akurasi dimensi. Ini memungkinkan produksi bagian dengan geometri kompleks yang sulit dicapai melalui metode pengecoran tradisional, sehingga meningkatkan efisiensi dan kualitas produk baja secara keseluruhan.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Pengecoran sentrifugal bergantung pada prinsip rekayasa penerapan gaya sentrifugal pada logam cair untuk memfasilitasi aliran dan pembekuan di dalam cetakan yang berputar. Proses ini memanfaatkan fisika gerakan rotasi, di mana logam cair didorong keluar melawan dinding cetakan, menghasilkan pengecoran yang padat, seragam, dan bebas cacat.

Komponen teknologi kunci termasuk rakitan cetakan berputar, sistem pencurahan, dan kontrol pendinginan serta pembekuan. Cetakan, yang sering terbuat dari baja atau grafit, dipasang pada spindle atau poros berputar berkecepatan tinggi, yang mampu mencapai kecepatan rotasi dari beberapa ratus hingga beberapa ribu putaran per menit (rpm). Logam cair diperkenalkan melalui sistem gerbang yang memastikan pencurahan yang terkontrol dan meminimalkan turbulensi.

Selama operasi, cetakan berputar pada kecepatan yang telah ditentukan, dan logam cair dituangkan ke dalamnya. Gaya sentrifugal mendorong logam ke luar, mengisi rongga cetakan dari permukaan dalam ke dalam, yang mendorong pembentukan struktur yang padat dan homogen. Saat logam mendingin dan membeku, rotasi terus berlanjut selama periode tertentu untuk memastikan mikrostruktur yang seragam dan meminimalkan porositas.

Parameter Proses

Variabel proses yang kritis termasuk kecepatan rotasi, suhu pencurahan, suhu cetakan, dan laju pendinginan. Kecepatan rotasi yang khas berkisar antara 300 hingga 3000 rpm, tergantung pada ukuran komponen dan sifat material. Kecepatan yang lebih tinggi umumnya menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dan penyelesaian permukaan yang lebih baik tetapi memerlukan peralatan yang lebih kuat.

Suhu pencurahan harus dikontrol dengan hati-hati, biasanya antara 1500°C dan 1600°C untuk baja, untuk memastikan aliran yang tepat dan meminimalkan cacat seperti porositas atau inklusi. Suhu cetakan dipertahankan untuk mengoptimalkan laju pembekuan dan mencegah stres termal, sering kali sekitar 100°C hingga 300°C.

Hubungan antara parameter proses dan karakteristik output adalah langsung: peningkatan kecepatan rotasi meningkatkan kepadatan dan kualitas permukaan, sementara kecepatan yang berlebihan dapat menyebabkan stres internal atau distorsi. Sistem kontrol yang tepat, termasuk pengontrol logika terprogram (PLC) dan sensor waktu nyata, memantau parameter seperti kecepatan rotasi, suhu, dan getaran untuk menjaga kondisi optimal.

Sistem kontrol menggunakan umpan balik dan otomatisasi untuk menyesuaikan parameter secara dinamis, memastikan kualitas yang konsisten. Metode pengujian non-destruktif (NDT), seperti inspeksi ultrasonik atau radiografi sinar-X, digunakan setelah pengecoran untuk memverifikasi integritas internal.

Konfigurasi Peralatan

Peralatan pengecoran sentrifugal yang khas terdiri dari rakitan cetakan berputar vertikal atau horizontal, tungku atau ladle berkapasitas tinggi untuk pasokan logam cair, dan sistem pendinginan. Cetakan dipasang pada spindle yang digerakkan oleh motor listrik yang mampu beroperasi pada kecepatan variabel, dengan seluruh sistem ditempatkan dalam pelindung.

Dimensi cetakan bervariasi sesuai dengan ukuran komponen, mulai dari pipa berdiameter kecil hingga cincin dinding tebal yang besar. Instalasi modern sering kali dilengkapi dengan cetakan modular dengan liner yang dapat dipertukarkan untuk mengakomodasi geometri yang berbeda.

Evolusi desain dari waktu ke waktu mencakup pengembangan mesin pengecoran sentrifugal kontinu, yang memungkinkan produksi volume tinggi produk tubular panjang, dan penggunaan cetakan yang didinginkan dengan air untuk meningkatkan laju pendinginan dan kontrol mikrostruktur. Sistem tambahan mencakup unit pemanasan cetakan, pengurasan gas inert untuk mencegah oksidasi, dan mekanisme pencurahan otomatis.

Sistem tambahan lainnya mencakup peredam getaran, sensor suhu, dan modul akuisisi data untuk memfasilitasi pemantauan dan kontrol proses. Integrasi sistem kontrol numerik komputer (CNC) telah lebih meningkatkan presisi dan pengulangan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Selama pengecoran sentrifugal baja, reaksi kimia utama melibatkan pembekuan baja cair dan pembentukan mikrostruktur. Proses ini biasanya tidak melibatkan reaksi kimia di luar reaksi paduan baja standar, tetapi oksidasi dan dekarbonisasi dapat terjadi jika atmosfer tidak terkontrol.

Atmosfer inert atau reduksi, seperti argon atau kondisi vakum, sering digunakan untuk mencegah oksidasi elemen paduan seperti kromium, nikel, atau molibdenum. Termodinamika pembekuan baja melibatkan pelepasan panas laten dan pembentukan berbagai fase mikrostruktur, seperti ferit, perlit, bainit, atau martensit, tergantung pada laju pendinginan.

Produk reaksi yang signifikan termasuk oksida atau inklusi yang dapat terjebak selama pembekuan, yang diminimalkan melalui kontrol proses. Pembentukan inklusi ini dapat mempengaruhi sifat mekanik dan ketahanan korosi.

Transformasi Metalurgi

Ketika baja cair mendingin di dalam cetakan yang berputar, ia mengalami transformasi mikrostruktur yang menentukan sifat mekanik akhir. Pendinginan cepat dekat dinding cetakan mendorong pembentukan mikrostruktur butir halus, seperti perlit atau bainit, yang meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.

Mikrostruktur berkembang melalui transformasi fase yang diatur oleh komposisi paduan baja dan laju pendinginan. Misalnya, pendinginan lambat dapat menghasilkan perlit yang lebih kasar, sementara pendinginan cepat dapat menghasilkan struktur martensitik dengan kekerasan tinggi.

Gaya sentrifugal mempengaruhi mikrostruktur dengan mendorong segregasi elemen paduan dan mengurangi porositas, menghasilkan material yang lebih padat dan seragam. Perkembangan mikrostruktur secara langsung mempengaruhi sifat seperti kekuatan tarik, keuletan, kekerasan, dan ketahanan terhadap kelelahan.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, material cetakan, terak, dan atmosfer sangat penting untuk kualitas proses. Cetakan, yang sering terbuat dari baja atau grafit, dapat bereaksi dengan baja pada suhu tinggi, yang mengarah pada pembentukan senyawa intermetallic atau keausan refraktori.

Terak, yang dihasilkan dari kotoran dan elemen paduan, dapat menempel pada permukaan cetakan atau terjebak di dalam pengecoran, mempengaruhi penyelesaian permukaan dan integritas internal. Manajemen terak yang tepat dan penggunaan pelapis refraktori membantu mengontrol interaksi ini.

Gas atmosfer, jika tidak dikontrol dengan baik, dapat menyebabkan oksidasi atau dekarbonisasi, merusak kualitas baja. Pengurasan gas inert atau lingkungan vakum mengurangi efek ini. Material refraktori dipilih untuk stabilitas termal tinggi dan ketidakaktifan kimia untuk menahan lingkungan operasional.

Mekanisme untuk mengontrol interaksi yang tidak diinginkan mencakup penerapan pelapis pelindung, mempertahankan atmosfer proses yang optimal, dan menggunakan fluks atau pembentuk terak untuk memfasilitasi penghilangan kotoran.

Alur Proses dan Integrasi

Material Input