Granulasi dalam Produksi Baja: Proses, Peralatan & Signifikansi

Definisi dan Konsep Dasar

Granulasi dalam konteks produksi baja mengacu pada proses mengubah baja cair atau terak menjadi partikel padat kecil yang seragam atau granula. Proses ini melibatkan pendinginan dan pembekuan yang cepat, menghasilkan bahan granular yang mengalir bebas, yang lebih mudah untuk ditangani, diangkut, dan digunakan dalam langkah pemrosesan selanjutnya.

Tujuan utama dari granulasi dalam pembuatan baja adalah untuk memfasilitasi pengelolaan bahan cair yang efisien, meningkatkan homogenitas bahan, dan mempersiapkan bahan untuk pemurnian, paduan, atau penggunaan lebih lanjut. Ini memainkan peran penting dalam tahap pemrosesan sekunder, seperti penambahan paduan, desulfurisasi, atau daur ulang terak.

Dalam rantai manufaktur baja secara keseluruhan, granulasi biasanya terjadi setelah pengetukan baja cair dari tungku atau setelah pembentukan terak. Ini berfungsi sebagai langkah perantara sebelum pengecoran, paduan, atau perlakuan terak, memastikan bahwa bahan berada dalam bentuk fisik yang sesuai untuk operasi hilir.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa dasar di balik granulasi melibatkan pendinginan cepat bahan cair atau semi-cair untuk menghasilkan partikel padat dengan ukuran dan bentuk yang terkontrol. Ini dicapai melalui jet atau semprotan air berkecepatan tinggi yang memecah cairan menjadi tetesan kecil, yang kemudian membeku saat bersentuhan dengan media pendingin.

Komponen teknologi kunci meliputi:

• Semprotan atau Nozel Granulasi: Alat ini mengatomisasi bahan cair menjadi tetesan halus. Mereka dirancang untuk menghasilkan distribusi ukuran tetesan tertentu, yang mempengaruhi ukuran granula akhir.

• Media Pendingin (Air atau Udara): Air paling umum digunakan karena kapasitas panasnya yang tinggi, memungkinkan ekstraksi panas yang cepat. Udara dapat digunakan dalam aplikasi tertentu untuk granulasi kering.

• Kamar atau Tempat Granulasi: Lingkungan terkontrol di mana tetesan didinginkan dan dibekukan. Desain kamar memastikan pendinginan yang merata dan mencegah aglomerasi.

• Sistem Pengumpulan Bahan: Konveyor, layar, atau pengklasifikasi memisahkan granula berdasarkan ukuran, memastikan konsistensi produk.

Mekanisme operasi utama melibatkan pengatomisasian bahan cair melalui jet air bertekanan tinggi, menciptakan tetesan yang segera didinginkan dan dibekukan menjadi granula. Proses ini bersifat kontinu, dengan baja cair atau terak yang dimasukkan ke dalam sistem semprotan, menghasilkan keluaran bahan granulat yang stabil.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

• Tekanan Air dan Laju Aliran: Biasanya berkisar antara 10 hingga 50 bar, tergantung pada kebutuhan ukuran tetesan. Tekanan yang lebih tinggi menghasilkan tetesan yang lebih halus tetapi meningkatkan konsumsi energi.

• Suhu Bahan Cair: Biasanya antara 1500°C dan 1650°C untuk baja, mempengaruhi pembentukan tetesan dan laju pembekuan.

• Desain Nozel Atomisasi: Mempengaruhi distribusi ukuran tetesan; jenis umum termasuk nozel putar dan nozel tekanan.

• Distribusi Ukuran Tetesan: Biasanya antara 1 mm dan 10 mm dalam diameter, disesuaikan dengan kebutuhan proses tertentu.

• Laju Pendinginan: Pendinginan cepat (hingga 10^4°C/detik) memastikan pembekuan yang cepat, mencegah segregasi fase.

• Waktu Tinggal: Waktu yang dibutuhkan untuk tetesan mendingin dan membeku, biasanya beberapa detik.

Sistem kontrol menggunakan sensor dan umpan balik otomatis untuk memantau parameter seperti tekanan air, suhu, dan ukuran tetesan, menjaga stabilitas proses dan kualitas produk.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi granulasi yang khas terdiri dari:

• Sistem Nozel Atomisasi: Diatur untuk mengoptimalkan pembentukan tetesan, sering dipasang di atas bak cairan atau ladle.

• Kamar atau Tempat Pendinginan: Sebuah bak air atau ruang semprot yang dirancang dengan fitur pengadukan dan drainase untuk menangani aliran granula.

• Sistem Sirkulasi dan Filtrasi Air: Memastikan pasokan air bersih dan tertekan yang kontinu, dengan filtrasi untuk menghilangkan kotoran dan mencegah penyumbatan nozel.

• Peralatan Pengumpulan dan Penyaringan Granula: Layar bergetar atau pengklasifikasi memisahkan granula berdasarkan ukuran, menghilangkan partikel halus atau yang terlalu besar.

Variasi desain termasuk pengaturan granulasi kering, yang menghilangkan air, dan atomizer putar yang menghasilkan granula yang lebih seragam. Seiring waktu, peralatan telah berkembang untuk meningkatkan efisiensi atomisasi, mengurangi konsumsi air, dan meningkatkan kualitas granula.

Sistem tambahan termasuk ekstraksi debu, unit pengolahan air, dan kontrol otomatis untuk pemantauan proses dan keselamatan.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Selama granulasi, reaksi kimia utama minimal karena proses ini terutama melibatkan transformasi fisik. Namun, dalam granulasi terak, pendinginan cepat mempengaruhi komposisi fase terak, mempengaruhi stabilitas kimianya.

Dalam granulasi terak, reaksi utama meliputi:

• Pendinginan Cepat Terak Cair: Menghasilkan pembentukan fase amorf (kaca), mengurangi kristalisasi.

• Reaksi Hidratasi: Ketika air bersentuhan dengan terak, hidratasi kecil dapat terjadi, mempengaruhi sifat fisik granula.

Prinsip termodinamika menentukan bahwa pendinginan cepat menekan pertumbuhan kristalin, mendukung pembentukan kaca, yang meningkatkan reaktivitas dan stabilitas terak.

Transformasi Metalurgi

Perubahan metalurgi kunci meliputi:

• Perkembangan Mikrostruktur: Pendinginan cepat menghasilkan struktur amorf atau kristalin halus, mempengaruhi kekerasan, kerapuhan, dan reaktivitas.

• Transformasi Fase: Dalam granulasi baja, tetesan membeku menjadi mikrostruktur feritik atau bainitik tergantung pada laju pendinginan, mempengaruhi sifat mekanik.

• Homogenisasi: Proses ini mendorong komposisi yang seragam dalam granula, mengurangi segregasi dan meningkatkan konsistensi proses hilir.

Transformasi ini secara langsung mempengaruhi sifat-sifat seperti kekuatan, ketangguhan, ketahanan korosi, dan kemampuan mesin.

Interaksi Material

Interaksi melibatkan:

• Logam dan Terak: Selama granulasi, beberapa elemen dapat berpindah antara logam cair dan terak, mempengaruhi komposisi dan tingkat kotoran.

• Refraktori: Kontak dengan bahan cair bertekanan tinggi dapat menyebabkan keausan atau degradasi refraktori, terutama jika terak mengandung komponen agresif seperti sulfur atau alkali.

• Atmosfer: Proses ini biasanya dilakukan dalam lingkungan yang didinginkan dengan air, meminimalkan oksidasi; namun, dalam beberapa kasus, atmosfer inert digunakan untuk mencegah kontaminasi.

Mekanisme kontrol termasuk pemilihan bahan refraktori yang sesuai, mengoptimalkan parameter proses untuk meminimalkan kontaminasi, dan menggunakan pelapis pelindung atau atmosfer inert jika diperlukan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Masukan meliputi:

• Baja Cair atau