Proses Degassing dalam Pembuatan Baja: Meningkatkan Kualitas & Kemurnian

Definisi dan Konsep Dasar

Proses penghilangan gas dalam pembuatan baja mengacu pada penghilangan gas terlarut—terutama hidrogen, nitrogen, dan oksigen—dari baja cair secara terkontrol. Tujuan dasarnya adalah untuk meningkatkan kualitas baja dengan mengurangi kandungan gas yang dapat menyebabkan cacat seperti porositas, lubang tiup, atau kerapuhan. Proses ini memastikan produk baja akhir memenuhi spesifikasi ketat untuk sifat mekanik, kualitas permukaan, dan integritas internal.

Dalam keseluruhan rantai pembuatan baja, penghilangan gas terjadi setelah tahap peleburan dan pemurnian primer, biasanya selama fase perlakuan ladle. Ini adalah langkah kritis sebelum pengecoran, karena gas sisa dapat berdampak negatif pada proses hilir dan kinerja produk akhir. Proses ini sering diintegrasikan dengan sistem perlakuan vakum atau pembersihan gas inert untuk mengoptimalkan efisiensi penghilangan gas.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik penghilangan gas melibatkan pengurangan tekanan parsial gas terlarut dalam baja cair, mendorong migrasi mereka dari fase cair ke fase gas dan penghilangan selanjutnya. Ini dicapai melalui prinsip termodinamika dari kelarutan gas dan hukum Henry, yang menggambarkan bagaimana kelarutan gas menurun dengan tekanan dan suhu.

Komponen teknologi kunci termasuk ruang penghilangan gas vakum atau sistem pelindung ladle, perangkat injeksi gas inert, dan pompa vakum. Wadah penghilangan gas vakum sering dilengkapi dengan dinding yang didinginkan dengan air, peluncur injeksi gas, dan sistem penyegelan canggih untuk menjaga lingkungan yang terkontrol. Mekanisme operasi utama melibatkan penerapan vakum untuk menurunkan tekanan parsial gas atau menyuntikkan gas inert seperti argon atau nitrogen untuk mendorong pembentukan gelembung gas dan pelarian.

Aliran material melibatkan baja cair yang masuk ke dalam wadah penghilangan gas, di mana gas dievakuasi melalui vakum atau terjebak dalam gelembung yang terbentuk oleh injeksi gas inert. Gas-gas tersebut bermigrasi ke atas dan diekstraksi melalui saluran khusus, meninggalkan baja dengan kandungan gas yang berkurang.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk tingkat vakum, suhu, durasi, dan laju aliran gas inert. Tingkat vakum yang khas berkisar antara 0,1 hingga 1,0 kPa tekanan absolut, tergantung pada desain proses dan grade baja. Suhu operasi dipertahankan antara 1600°C dan 1650°C untuk memastikan kelancaran dan reaktivitas.

Durasi proses bervariasi dari 3 hingga 15 menit, menyeimbangkan penghilangan gas yang cukup dengan efisiensi operasional. Laju aliran gas inert biasanya berkisar antara 10 hingga 50 m³/jam, disesuaikan berdasarkan volume baja dan efisiensi penghilangan gas. Parameter ini secara langsung mempengaruhi kandungan gas sisa, mikrostruktur, dan sifat mekanik baja akhir.

Sistem kontrol menggunakan sensor waktu nyata untuk tekanan, suhu, dan komposisi gas, terintegrasi dengan platform otomatisasi. Pemantauan canggih mencakup analisis gas dan termokopel, memungkinkan penyesuaian dinamis untuk mengoptimalkan kinerja penghilangan gas.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi penghilangan gas yang khas terdiri dari wadah vakum atau pelindung ladle, dilengkapi dengan sistem pompa vakum, peluncur injeksi gas, dan perangkat kontrol suhu. Dimensi wadah bervariasi sesuai dengan ukuran batch baja, sering kali menampung ladle dari 20 hingga 200 ton.

Evolusi desain telah memperkenalkan pelapisan refraktori yang didinginkan dengan air, mekanisme penyegelan yang ditingkatkan, dan konfigurasi modular untuk meningkatkan fleksibilitas operasional. Sistem tambahan termasuk unit pasokan argon atau nitrogen, pompa vakum dengan kompresi multi-tahap, dan unit penyaringan gas untuk mengolah gas buang.

Beberapa fasilitas modern menggunakan sistem vakum dan gas inert yang terintegrasi, memungkinkan peralihan cepat antara mode penghilangan gas. Integrasi otomatisasi dan pemantauan jarak jauh telah lebih meningkatkan keandalan dan keamanan proses.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Penghilangan gas terutama melibatkan penghilangan fisik gas terlarut daripada reaksi kimia. Namun, pertimbangan termodinamika mengatur kelarutan dan pelepasan gas. Misalnya, mengurangi tekanan parsial melalui vakum menurunkan kelarutan hidrogen dan nitrogen, mendorong eksolusi mereka.

Gas inert seperti argon atau nitrogen disuntikkan untuk membentuk gelembung yang secara fisik mengangkut gas terlarut, memfasilitasi migrasi mereka ke permukaan. Tidak ada reaksi kimia signifikan yang terjadi selama injeksi gas inert, tetapi dalam beberapa kasus, reaksi oksidasi dapat dikendalikan untuk menyesuaikan tingkat oksigen.

Produk reaksi termasuk spesies gas seperti H₂, N₂, dan O₂, yang diekstraksi dari wadah. Produk sampingan seperti gas buang diolah untuk mencegah pencemaran lingkungan.

Transformasi Metalurgi

Selama penghilangan gas, perubahan mikrostruktur minimal tetapi penting. Penghilangan gas mengurangi porositas dan meningkatkan duktilitas, ketangguhan, dan ketahanan kelelahan baja. Proses ini juga dapat mempengaruhi morfologi inklusi dengan mendorong flotasi inklusi non-logam.

Transformasi fase umumnya tidak terpengaruh secara langsung; namun, pengurangan gas terlarut mencegah pembentukan gelembung gas yang dapat mengkristalisasi porositas selama pembekuan. Proses ini membantu mencapai mikrostruktur yang lebih bersih dan lebih homogen, terutama pada baja berkualitas tinggi.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair dan terak sangat penting selama penghilangan gas, karena komposisi terak mempengaruhi penyerapan gas dan efisiensi penghilangan. Material refraktori yang melapisi wadah harus tahan terhadap suhu tinggi dan lingkungan korosif, dengan bata berbasis alumina atau magnesia yang umum digunakan.

Kontrol atmosfer sangat penting; menjaga lingkungan inert atau vakum meminimalkan oksidasi dan kontaminasi. Interaksi yang tidak diinginkan, seperti masuknya oksigen, dapat menyebabkan dekarbonisasi atau pengelupasan, yang berdampak negatif pada kualitas baja.

Mekanisme untuk mengontrol interaksi ini termasuk sistem penyegelan, penutupan gas inert, dan strategi manajemen terak. Kontrol yang tepat mencegah kontaminasi dan memastikan stabilitas proses.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah baja cair, yang biasanya dipindahkan dari tungku ladle atau konverter. Spesifikasi baja mencakup komposisi kimia, suhu, dan tingkat kebersihan. Baja harus bebas dari inklusi berlebihan dan memiliki suhu yang seragam untuk memfasilitasi penghilangan gas yang efektif.

Bahan masukan tambahan termasuk gas inert (argon, nitrogen), gas sistem vakum, dan agen tambahan seperti desulfurizer atau deoksidizer. Penanganan melibatkan pemindahan ladle, penyesuaian suhu, dan perlakuan awal untuk memastikan kualitas input yang konsisten.

Kualitas bahan masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi penghilangan gas; tingkat kotoran yang tinggi atau distribusi suhu yang tidak merata dapat menghambat penghilangan gas dan menyebabkan cacat.

Urutan Proses

Proses penghilangan gas dimulai dengan memindahkan baja cair ke dalam wadah penghilangan gas atau pelindung ladle. Wadah disegel, dan pompa vakum diaktifkan untuk mengurangi tekanan. Secara bersamaan, gas inert disuntikkan melalui peluncur khusus untuk mendorong pembentukan gelembung.

Durasi proses dikendalikan dengan hati-hati, biasanya berlangsung 5–10 menit, tergantung pada volume baja dan kandungan gas yang diinginkan. Selama operasi, parameter seperti tingkat vakum dan aliran gas terus dipantau dan disesuaikan.

Setelah penghilangan gas selesai, wadah dibuka, dan baja dipindahkan untuk pengecoran atau pemurnian lebih lanjut. Seluruh siklus disinkronkan dengan operasi hulu dan hilir untuk mengoptimalkan throughput dan kualitas.

Titik Integrasi

Penghilangan gas diintegrasikan antara pemurnian sekunder (seperti metalurgi ladle) dan pengecoran. Aliran material melibatkan pemindahan dari tungku ladle ke stasiun penghilangan gas, kemudian