Granulasi dalam Produksi Baja: Proses, Peralatan & Signifikansi

Definisi dan Konsep Dasar

Granulasi dalam industri baja mengacu pada proses mengubah baja cair atau semi-cair, terak, atau bahan lainnya menjadi butiran kecil atau pelet yang berukuran seragam. Proses ini terutama digunakan untuk memfasilitasi penanganan, transportasi, penyimpanan, atau pemrosesan lebih lanjut dari bahan dengan mengubahnya menjadi bentuk padat yang dapat dikelola.

Dalam rantai manufaktur baja, granulasi memainkan peran penting dalam metalurgi sekunder, manajemen limbah, dan persiapan produk. Proses ini sering mengikuti tahap peleburan, pemurnian, atau pembentukan terak, berfungsi sebagai langkah perantara sebelum pengecoran, paduan, atau daur ulang. Dengan memproduksi butiran, proses ini meningkatkan aliran material, mengurangi pembentukan debu, dan meningkatkan kontrol proses.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Teknologi granulasi bergantung pada prinsip rekayasa dinamika fluida, transfer panas, dan mekanika partikel. Konsep inti melibatkan penyebaran material cair atau semi-cair ke dalam lingkungan yang terkontrol di mana ia mendingin dengan cepat dan mengeras menjadi butiran.

Komponen teknologi kunci termasuk atomizer, ruang pendingin, dan sistem pengangkutan. Atomizer, seperti jenis rotari atau pneumatik, memecah cairan menjadi tetesan halus. Tetesan ini kemudian jatuh ke zona pendinginan—sering kali didinginkan dengan air atau udara—di mana ekstraksi panas yang cepat menyebabkan pengkristalan.

Mekanisme operasi utama melibatkan jet berkecepatan tinggi, gaya sentrifugal, atau udara bertekanan untuk menghasilkan tetesan. Material mengalir dari tungku peleburan atau pemurnian ke zona atomisasi, di mana mereka diubah menjadi butiran. Proses ini memastikan distribusi ukuran partikel yang seragam dan laju pendinginan yang terkontrol.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

• Suhu material cair: Biasanya antara 1400°C dan 1600°C untuk peleburan baja. Kontrol yang tepat memastikan viskositas dan pembentukan tetesan yang tepat.
• Tekanan atomisasi atau kecepatan rotasi: Berkisar dari 0,5 hingga 2 MPa untuk atomizer pneumatik atau 3000 hingga 6000 rpm untuk atomizer rotari. Ini mempengaruhi ukuran dan distribusi tetesan.
• Kecepatan aliran medium pendingin: Kecepatan aliran air atau udara disesuaikan untuk mencapai pengkristalan cepat tanpa menyebabkan kejutan termal atau aglomerasi butiran.
• Ukuran tetesan: Biasanya antara 1 mm dan 10 mm, tergantung pada persyaratan aplikasi.
• Waktu tinggal: Durasi tetesan berada di zona pendinginan, biasanya beberapa detik, mempengaruhi mikrostruktur dan sifat mekanik.

Sistem kontrol menggunakan sensor dan umpan balik untuk memantau suhu, ukuran partikel, dan laju pendinginan. Kontrol otomatis memastikan kualitas yang konsisten dan stabilitas proses.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi granulasi yang khas terdiri dari unit atomisasi, ruang pendingin, dan sistem pengumpulan. Atomizer dipasang di atas ruang yang didinginkan dengan air atau udara, dengan nosel atau rotor yang dapat disesuaikan untuk memodifikasi ukuran tetesan.

Variasi desain meliputi:

• Atomizer disk rotari: Menggunakan gaya sentrifugal untuk memproduksi tetesan; cocok untuk throughput tinggi.
• Nosel pneumatik: Menggunakan udara terkompresi untuk mengatomisasi; menawarkan kontrol halus atas ukuran tetesan.
• Granulator bed fluidisasi: Menggunakan partikel yang terfluidisasi untuk pelapisan atau kontrol ukuran, terutama dalam tahap paduan atau penyelesaian.

Sistem tambahan termasuk unit ekstraksi debu, fasilitas pengolahan air, dan sabuk pengangkut atau corong untuk pengumpulan butiran. Instalasi modern menggabungkan otomatisasi dan pemantauan jarak jauh untuk efisiensi.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Selama granulasi, reaksi kimia utama minimal, karena proses ini terutama melibatkan transformasi fisik. Namun, reaksi oksidasi dapat terjadi jika atmosfer tidak inert, yang mengarah pada pembentukan oksida di permukaan tetesan.

Prinsip termodinamika menentukan bahwa pendinginan cepat meminimalkan oksidasi dan reaksi tidak diinginkan lainnya. Kinetika mendukung pembentukan lapisan oksida tipis, yang dapat dikendalikan melalui manajemen atmosfer.

Produk sampingan reaksi yang signifikan meliputi:

• Oksida: Seperti FeO, Fe2O3, atau oksida terak, yang dapat mempengaruhi kualitas permukaan.
• Gas: Gas terlarut seperti hidrogen atau nitrogen dapat terjebak di dalam butiran yang mengeras, mempengaruhi mikrostruktur.

Transformasi Metalurgi

Perubahan metalurgi kunci melibatkan pengkristalan cepat, yang mempengaruhi mikrostruktur dan distribusi fase. Laju pendinginan menentukan apakah mikrostruktur bersifat martensitik, bainitik, atau perlitik.

Pendinginan cepat biasanya menghasilkan mikrostruktur berbutir halus dengan kekuatan dan ketangguhan yang lebih baik. Pendinginan lambat dapat menyebabkan struktur yang lebih kasar, mempengaruhi duktilitas dan kemampuan pengelasan.

Transformasi fase meliputi pembentukan ferit, semenit, atau austenit yang tertahan, tergantung pada komposisi paduan dan kondisi pendinginan. Transformasi ini secara langsung mempengaruhi sifat mekanik dan kinerja.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair atau terak dan pelapis refraktori dapat menyebabkan erosi atau kontaminasi. Material refraktori seperti alumina atau magnesia dipilih karena stabilitas suhu tinggi dan ketahanan kimia.

Mekanisme transfer material meliputi reaksi terak-logam, di mana elemen seperti sulfur atau fosfor dapat difusi ke dalam logam, atau sebaliknya. Kontaminasi dapat diminimalkan melalui pelapisan pelindung dan kontrol atmosfer.

Selain itu, interaksi dengan air atau udara selama pendinginan dapat menyebabkan oksidasi atau penyerapan hidrogen, yang dapat diatasi dengan atmosfer inert atau lingkungan pendinginan yang terkontrol.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah baja cair atau terak, yang disuplai dari tungku busur listrik, tungku oksigen dasar, atau unit metalurgi ladle. Spesifikasi material meliputi suhu (sekitar 1500°C), komposisi, dan viskositas.

Persiapan melibatkan memastikan homogenitas dan menghilangkan kotoran atau inklusi. Penanganan memerlukan ladle, torpedo transfer, atau pompa yang dirancang untuk material suhu tinggi.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi granulasi, keseragaman partikel, dan sifat produk akhir. Suhu dan komposisi yang konsisten sangat penting untuk operasi yang dapat diprediksi.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan transfer material cair ke unit atomisasi. Material diatomisasi menjadi tetesan, yang kemudian didinginkan dengan cepat di dalam ruang.

Setelah pendinginan, butiran diangkut ke unit penyaringan atau klasifikasi untuk dipisahkan berdasarkan ukuran. Partikel yang terlalu besar atau terlalu kecil didaur ulang atau diproses ulang.

Waktu siklus tipikal dari transfer cairan hingga pengumpulan butiran berkisar dari beberapa detik hingga beberapa menit, tergantung pada throughput dan desain peralatan. Laju produksi dapat mencapai beberapa ton per jam.

Titik Integrasi

Granulasi berinteraksi dengan proses peleburan atau pemurnian hulu, menerima logam atau terak panas. Di hilir, ia terhubung ke operasi pengecoran, paduan, atau daur ulang.

Aliran material meliputi transfer melalui ladle, konveyor, atau sistem pneumatik. Pertukaran informasi melibatkan parameter proses, data kualitas, dan manajemen inventaris.

Sistem penyangga, seperti silo penyimpanan sementara, mengakomodasi fluktuasi dalam produksi atau permintaan, memastikan operasi yang berkelanjutan dan stabilitas proses.

Kinerja Operasional dan Kontrol