Metallurgi Sendok: Proses Kunci untuk Penyempurnaan Baja & Kontrol Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Metalurgi Ladle (LM) adalah proses pemurnian sekunder yang kritis dalam pembuatan baja, yang melibatkan perlakuan baja cair dalam sebuah ladle untuk mencapai komposisi kimia, suhu, dan kebersihan yang diinginkan sebelum pengecoran. Ini berfungsi sebagai langkah penting untuk meningkatkan kualitas baja, mengontrol elemen paduan, dan menghilangkan kotoran, memastikan produk akhir memenuhi spesifikasi mekanik dan kimia tertentu.

Posisi setelah pembuatan baja primer (seperti tungku oksigen dasar atau tungku busur listrik) dan sebelum pengecoran kontinu, metalurgi ladle bertindak sebagai tahap pemurnian perantara. Ini memungkinkan penyesuaian yang tepat dari kimia dan suhu baja, memungkinkan produksi baja berkualitas tinggi, termasuk baja paduan, stainless, dan baja tujuan khusus. Proses ini meningkatkan efisiensi dan fleksibilitas keseluruhan rantai produksi baja.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Metalurgi ladle bergantung pada prinsip rekayasa dinamika fluida, termodinamika, dan reaksi kimia untuk memodifikasi sifat baja cair. Proses ini melibatkan pengadukan, penambahan paduan, kontrol suhu, dan penghilangan kotoran dalam wadah ladle.

Komponen teknologi kunci termasuk wadah ladle itu sendiri, sistem tambahan seperti perangkat injeksi argon atau oksigen, pengikis terak, dan sensor pengukuran suhu. Ladle biasanya terbuat dari refraktori tahan panas yang melapisi bagian dalamnya, dirancang untuk menahan suhu tinggi dan lingkungan terak yang korosif.

Mekanisme operasi utama melibatkan injeksi gas inert (biasanya argon) atau oksigen untuk mengaduk baja, mempromosikan homogenitas dan penghilangan kotoran. Elemen paduan ditambahkan melalui sistem dosis yang tepat, dan suhu dipertahankan atau disesuaikan melalui pemanasan elektromagnetik atau berbasis lance. Aliran baja cair dan terak dikontrol dengan hati-hati untuk mengoptimalkan reaksi dan pemisahan kotoran.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, komposisi kimia, intensitas pengadukan, dan komposisi terak. Suhu baja yang khas selama pemurnian ladle berkisar antara 1550°C hingga 1650°C, tergantung pada grade baja dan tahap proses.

Intensitas pengadukan dikontrol oleh laju aliran gas, umumnya antara 10 hingga 50 Nm³/jam, yang mempengaruhi efisiensi pencampuran dan penghilangan kotoran. Laju penambahan paduan dikelola dengan tepat, sering dalam gram per menit, untuk mencapai komposisi target.

Kontrol suhu dipertahankan dalam ±10°C untuk mencegah kejutan termal atau ketidakkonsistenan mikrostruktur. Komposisi terak dipantau untuk memastikan penyerapan kotoran yang efektif, dengan indeks kebasaan terak yang khas antara 1.2 dan 1.8.

Sistem kontrol menggunakan sensor canggih, seperti termometer inframerah dan spektrometer, yang terintegrasi dengan perangkat lunak otomatisasi proses. Data waktu nyata memungkinkan operator untuk menyesuaikan parameter secara dinamis, memastikan kualitas yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi metalurgi ladle yang khas terdiri dari wadah besar yang dilapisi refraktori (kapasitas berkisar antara 50 hingga 300 ton), dilengkapi dengan mekanisme miring untuk menuang dan port pengambilan sampel. Ladle modern dilengkapi dengan pengaduk elektromagnetik atau pengaduk mekanis untuk meningkatkan pencampuran.

Sistem tambahan termasuk lance injeksi gas, pengikis terak, perangkat pengukuran suhu, dan sistem penambahan paduan. Beberapa fasilitas menggabungkan perangkat pengadukan elektromagnetik atau elektromagnetik-akustik untuk meningkatkan kontrol proses.

Variasi desain telah berkembang dari ladle sederhana dengan pengadukan manual menjadi sistem otomatis sepenuhnya yang dikendalikan komputer dengan dosis paduan dan injeksi gas yang terkontrol. Pelapisan refraktori secara berkala diganti atau diperbaiki untuk menjaga integritas wadah.

Sistem tambahan lainnya termasuk unit ekstraksi debu, peralatan penanganan terak, dan sistem pendingin untuk mengelola kehilangan panas dan menjaga keselamatan operasional.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Selama metalurgi ladle, reaksi kimia utama melibatkan penghilangan kotoran seperti sulfur, fosfor, dan gas terlarut, serta penyesuaian elemen paduan seperti karbon, mangan, kromium, dan nikel.

Misalnya, injeksi oksigen mendorong oksidasi kotoran, membentuk oksida yang diserap ke dalam terak. Reaksi untuk penghilangan sulfur adalah:

$$\text{S (terlarut)} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2 \text{ atau SO}_3 (gas) $$

Demikian pula, karbon dapat dioksidasi:

$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 $$

Termodinamika mengatur reaksi ini, dengan keseimbangan tergantung pada suhu, potensi oksigen, dan kimia terak. Kinetika dipengaruhi oleh intensitas pengadukan, yang meningkatkan transfer massa dan laju reaksi.

Produk sampingan reaksi termasuk gas seperti CO, CO₂, SO₂, dan oksida sulfur lainnya, yang ditangkap dan dibersihkan untuk meminimalkan dampak lingkungan. Kimia terak disesuaikan untuk mengoptimalkan penyerapan kotoran dan mencegah re-oksidasi.

Transformasi Metalurgi

Perubahan metalurgi kunci melibatkan modifikasi mikrostruktur, seperti homogenisasi elemen paduan, pengurangan gas terlarut, dan penghilangan inklusi. Proses ini mendorong pembentukan baja yang lebih bersih dengan lebih sedikit inklusi non-logam.

Transformasi fase termasuk pelarutan elemen paduan ke dalam baja cair dan pembentukan inklusi oksida atau sulfida yang stabil, yang kemudian dipisahkan dengan terak. Homogenisasi suhu dan komposisi mengurangi segregasi dan meningkatkan sifat mekanik.

Dari segi mikrostruktur, pemurnian ladle dapat mempengaruhi ukuran butir dan distribusi fase, yang mempengaruhi kekerasan, kelenturan, dan ketangguhan. Kontrol yang tepat memastikan mikrostruktur yang diinginkan untuk grade baja tertentu.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting. Baja cair bereaksi dengan komponen terak, menyerap kotoran dan elemen paduan. Material refraktori dapat mengalami korosi atau erosi akibat suhu tinggi dan serangan kimia.

Gas atmosfer, terutama oksigen dan gas inert, mempengaruhi reaksi oksidasi dan efisiensi pengadukan. Interaksi yang tidak diinginkan, seperti re-oksidasi atau pembentukan inklusi, diminimalkan melalui atmosfer yang terkontrol dan penyesuaian kimia terak.

Metode untuk mengontrol interaksi ini termasuk mempertahankan kebasaan terak yang sesuai, menggunakan penutup pelindung atau atmosfer inert, dan memilih material refraktori dengan ketahanan korosi yang tinggi.

Alur Proses dan Integrasi

Material Input

Material input termasuk baja cair dari tungku primer, elemen paduan (seperti ferropaduan, inokulan), fluks, dan gas inert. Spesifikasi untuk input ini sangat ketat; misalnya, penambahan paduan ditimbang dan didosis dengan tepat untuk mencapai komposisi target.

Pemindahan melibatkan transfer melalui mobil ladle atau wadah transfer, dengan suhu dan komposisi kimia dipantau secara terus-menerus. Kualitas input secara langsung mempengaruhi efisiensi proses, penghilangan kotoran, dan sifat baja akhir.

Bahan baku berkualitas tinggi meminimalkan kebutuhan untuk pemurnian yang luas, mengurangi konsumsi energi, dan meningkatkan konsistensi produk. Penyimpanan dan penanganan yang tepat mencegah kontaminasi dan oksidasi.

Urutan Proses

Urutan yang khas dimulai dengan mentransfer baja cair ke dalam ladle, diikuti dengan penyesuaian suhu jika diperlukan. Elemen paduan ditambahkan berdasarkan grade baja yang diinginkan.

Selanjutnya, gas inert atau oksigen diinjeksi untuk mengaduk lelehan, mempromosikan homogenisasi dan penghilangan kotor