DC (Direct Chill) Casting: Proses Penting dalam Produksi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Penuangan Direct Chill (DC) adalah proses solidifikasi logam primer yang berkelanjutan yang digunakan terutama dalam produksi aluminium dan paduan non-ferrous lainnya. Proses ini melibatkan menuangkan logam cair langsung ke dalam cetakan yang didinginkan dengan air, di mana ia mengeras menjadi bentuk billet, slab, atau ingot setengah jadi, yang kemudian diambil untuk pemrosesan lebih lanjut.

Tujuan dasar dari penuangan DC adalah untuk memproduksi produk setengah jadi yang berkualitas tinggi, bebas cacat, dan akurat secara dimensi dengan pemrosesan sekunder yang minimal. Ini berfungsi sebagai penghubung kritis antara peleburan dan fabrikasi hilir, seperti penggulungan, ekstrusi, atau penempaan.

Dalam rantai manufaktur baja atau aluminium secara keseluruhan, penuangan DC ditempatkan setelah tahap peleburan atau pemurnian dan sebelum operasi pengerjaan panas atau dingin. Ini memungkinkan solidifikasi yang cepat dan terkontrol, mengurangi konsumsi energi dan meningkatkan konsistensi produk.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Penuangan DC didasarkan pada prinsip solidifikasi termal yang terkontrol. Logam cair dituangkan ke dalam cetakan yang didinginkan dengan air, di mana ekstraksi panas menyebabkan logam mengeras dari dinding cetakan ke dalam. Proses ini memanfaatkan mekanisme transfer panas—konduksi, konveksi, dan radiasi—untuk mencapai solidifikasi yang seragam.

Komponen teknologi kunci termasuk tundish (reservoir logam), cetakan yang didinginkan dengan air (juga disebut cetakan penuangan), dan sistem penarikan. Tundish memastikan aliran logam cair yang stabil, sementara sistem pendinginan cetakan menjaga kontrol suhu yang tepat. Mekanisme penarikan, yang sering kali merupakan sistem hidrolik atau mekanis, menarik produk setengah jadi yang telah mengeras pada laju yang terkontrol.

Mekanisme operasi utama melibatkan pemeliharaan aliran logam cair yang stabil, mengontrol intensitas pendinginan cetakan, dan mengatur kecepatan penarikan. Material mengalir dari tundish ke dalam cetakan, di mana solidifikasi awal terjadi, kemudian produk setengah jadi ditarik terus menerus untuk pendinginan dan pemrosesan selanjutnya.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

• Kecepatan penuangan: Biasanya berkisar antara 0,2 hingga 1,0 meter per menit, tergantung pada paduan dan ukuran produk.
• Suhu cetakan: Biasanya dipertahankan antara 650°C dan 750°C untuk paduan aluminium.
• Kecepatan aliran air pendingin: Disesuaikan untuk mengoptimalkan ekstraksi panas, sering kali antara 50 hingga 150 liter per menit per meter panjang cetakan.
• Superheat logam cair: Umumnya dijaga dalam kisaran 10-30°C di atas suhu liquidus paduan untuk memastikan penuangan dan solidifikasi yang lancar.
• Gaya dan kecepatan penarikan: Dikendalikan dengan tepat untuk mencegah cacat seperti retakan atau kekasaran permukaan.

Parameter ini saling terkait; misalnya, peningkatan kecepatan penuangan mungkin memerlukan laju pendinginan yang lebih tinggi untuk mencegah overheating atau cacat permukaan. Sistem kontrol canggih memanfaatkan sensor dan umpan balik untuk memantau suhu, aliran, dan gaya penarikan, memastikan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi penuangan DC yang khas terdiri dari tundish, cetakan yang didinginkan dengan air, dan sistem penarikan yang dipasang pada rangka kaku. Panjang cetakan bervariasi dari 1 hingga 4 meter, dengan lebar berkisar dari 200 mm hingga lebih dari 2000 mm, tergantung pada spesifikasi produk.

Peralatan penuangan DC modern telah berkembang dari cetakan vertikal sederhana menjadi cetakan multi-strand atau melengkung yang canggih, memungkinkan throughput yang lebih tinggi dan kontrol yang lebih baik atas dimensi produk. Beberapa instalasi menggabungkan pengadukan elektromagnetik atau rem elektromagnetik untuk mempengaruhi solidifikasi dan mikrostruktur.

Sistem tambahan termasuk unit filtrasi untuk menghilangkan inklusi, peralatan degassing untuk mengurangi porositas, dan sistem pengolahan air pendingin untuk mencegah fouling dan korosi. Otomatisasi dan pemantauan jarak jauh semakin diintegrasikan untuk meningkatkan stabilitas proses.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Selama penuangan DC, reaksi kimia utama adalah minimal, karena proses ini terutama melibatkan perubahan fase fisik. Namun, reaksi oksidasi dapat terjadi di permukaan logam cair ketika terpapar oksigen atmosfer, yang mengarah pada pembentukan film oksida.

Dari sudut pandang termodinamika, stabilitas lapisan oksida tergantung pada komposisi paduan dan suhu. Kinetika oksidasi dipengaruhi oleh luas permukaan, tekanan parsial oksigen, dan keberadaan fluks atau atmosfer pelindung.

Produk reaksi yang signifikan termasuk aluminium oksida (Al₂O₃), yang dapat terintegrasi sebagai inklusi jika tidak dikendalikan dengan baik. Inklusi ini dapat mempengaruhi kualitas permukaan dan sifat mekanik.

Transformasi Metalurgi

Perubahan metalurgi kunci melibatkan transisi dari mikrostruktur cair ke padat. Selama solidifikasi, kristal aluminium primer mengkristal dan tumbuh, membentuk struktur dendritik yang mempengaruhi mikrostruktur akhir.

Perkembangan mikrostruktur dipengaruhi oleh laju pendinginan; pendinginan yang lebih cepat menghasilkan butiran yang lebih halus, yang meningkatkan kekuatan dan kelenturan. Transformasi fase, seperti pembentukan senyawa intermetal dan segregasi elemen paduan, terjadi selama solidifikasi dan perlakuan panas selanjutnya.

Transformasi ini secara langsung mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan penyelesaian permukaan. Pengendalian parameter solidifikasi yang tepat memastikan mikrostruktur yang seragam dan meminimalkan cacat seperti porositas atau segregasi.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, terak, bahan refraktori, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Aluminium cair dapat bereaksi dengan bahan refraktori, yang mengarah pada kontaminasi atau degradasi refraktori.

Pembentukan terak dihasilkan dari inklusi oksida dan dapat mempengaruhi transfer panas dan kualitas permukaan. Bahan refraktori dipilih karena ketahanan korosi dan stabilitas termalnya, biasanya berupa bata berbasis alumina atau silika.

Gas atmosfer, terutama oksigen dan nitrogen, dapat terlarut ke dalam lelehan, menyebabkan porositas atau embrittlement. Untuk mengendalikan interaksi ini, fluks pelindung, atmosfer inert, atau kondisi vakum kadang-kadang digunakan.

Metode seperti pengikisan terak, pemeliharaan lining refraktori, dan kontrol atmosfer digunakan untuk meminimalkan interaksi yang tidak diinginkan dan menjaga kualitas produk.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah logam cair berkualitas tinggi, biasanya paduan aluminium, yang disuplai dari operasi peleburan atau pemurnian hulu. Komposisi paduan harus memenuhi spesifikasi ketat mengenai kemurnian, tingkat kotoran, dan komposisi kimia.

Persiapan melibatkan memastikan logam cair bebas dari inklusi, gas, dan ketidakcocokan suhu. Penanganan memerlukan ladle, tundish, dan sistem transfer yang dirancang untuk mencegah kontaminasi dan kehilangan suhu.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi stabilitas penuangan, kualitas permukaan, dan mikrostruktur. Variasi dalam komposisi paduan atau tingkat kotoran dapat menyebabkan cacat atau sifat mekanik yang tidak konsisten.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan peleburan dan pemurnian bahan baku, diikuti dengan transfer ke tundish. Logam cair kemudian dituangkan ke dalam cetakan yang didinginkan dengan air, memulai solidifikasi.

Selama penuangan, penarikan terus menerus dari produk setengah jadi terjadi, disinkronkan dengan laju penuangan. Produk setengah jadi keluar dari cetakan, menjalani pendinginan sekunder, dan dipotong atau diproses lebih lanjut.

Waktu siklus tergantung pada ukuran produk; misalnya, sebuah billet yang