Cetakan (untuk Pengecoran): Alat Penting dalam Produksi Baja & Proses Pengecoran

Definisi dan Konsep Dasar

Cetakan untuk pengecoran di industri baja adalah wadah atau rongga khusus yang digunakan untuk membentuk baja cair menjadi bentuk yang diinginkan selama proses solidifikasi awal. Ini berfungsi sebagai lingkungan solidifikasi awal, memberikan bentuk, dimensi, dan penyelesaian permukaan produk cor. Tujuan dasar cetakan adalah untuk memfasilitasi pendinginan dan solidifikasi baja cair secara terkontrol, memastikan pembentukan ingot, billet, bloom, atau bentuk setengah jadi lainnya yang bebas dari cacat dan akurat secara dimensi.

Dalam keseluruhan proses pembuatan baja, cetakan ditempatkan segera di hilir dari ladle baja atau tundish, di mana baja cair dipindahkan dari wadah pemurnian utama. Proses pengecoran melibatkan menuangkan atau mengambil baja cair ke dalam cetakan, di mana ia mendingin dan mengeras. Langkah ini sangat penting dalam menetapkan mikrostruktur awal dan sifat mekanik produk baja akhir.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik cetakan pengecoran baja adalah transfer panas yang terkontrol dari baja cair ke material cetakan, yang mengatur proses solidifikasi. Cetakan harus menyerap panas secara efisien untuk mempromosikan pendinginan yang merata sambil mencegah cacat seperti retakan atau segregasi.

Komponen teknologi kunci termasuk rongga cetakan, material cetakan, sistem pendinginan, dan lapisan isolasi. Rongga mendefinisikan bentuk produk cor dan sering terbuat dari material tahan api atau baja. Sistem pendinginan, seperti saluran air atau sistem semprot, mengatur laju ekstraksi panas, sementara lapisan isolasi meminimalkan kehilangan panas dan mengontrol kecepatan solidifikasi.

Mekanisme operasi utama melibatkan menuangkan baja cair ke dalam rongga cetakan, memulai transfer panas, dan mengelola front solidifikasi. Aliran baja cair harus dikendalikan dengan hati-hati untuk mencegah turbulensi, yang dapat menyebabkan inklusi atau cacat permukaan. Saat baja mendingin, ia bertransisi dari cair menjadi padat, membentuk mikrostruktur awal yang mempengaruhi pemrosesan selanjutnya.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu cetakan, suhu menuang, laju pendinginan, dan sifat material cetakan. Suhu menuang yang khas untuk baja berkisar antara 1.600°C hingga 1.650°C, tergantung pada jenis baja dan metode pengecoran. Suhu cetakan biasanya dipertahankan antara 50°C dan 200°C untuk mengoptimalkan solidifikasi dan kualitas permukaan.

Laju pendinginan secara langsung mempengaruhi ukuran butir, mikrostruktur, dan pembentukan cacat. Pendinginan yang lebih cepat menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus tetapi berisiko terhadap stres termal, sementara pendinginan yang lebih lambat mempromosikan butir yang lebih kasar. Laju ekstraksi panas dikendalikan melalui saluran pendinginan air, sistem semprot, atau modifikasi desain cetakan.

Sistem kontrol menggunakan termokopel, sensor inframerah, dan pemantauan berbasis komputer untuk melacak profil suhu secara real-time. Loop umpan balik otomatis menyesuaikan intensitas pendinginan dan parameter menuang untuk mempertahankan kondisi optimal, memastikan kualitas produk yang konsisten.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi cetakan yang khas terdiri dari cetakan baja yang dilapisi tahan api atau cetakan tembaga yang didinginkan dengan air, tergantung pada proses pengecoran. Cetakan pengecoran kontinu adalah cetakan tembaga yang diperpanjang dan didinginkan dengan air dengan dimensi yang dapat disesuaikan, sering kali berkisar antara 150 mm hingga 300 mm dalam lebar dan 200 mm hingga 600 mm dalam tinggi.

Variasi termasuk cetakan vertikal, horizontal, dan melengkung, masing-masing cocok untuk metode pengecoran tertentu seperti pengecoran kontinu atau pengecoran ingot. Seiring waktu, desain cetakan telah berkembang untuk menggabungkan saluran pendinginan yang canggih, pelapisan keramik, dan pengadukan elektromagnetik untuk meningkatkan transfer panas dan kualitas permukaan.

Sistem tambahan termasuk nosel semprot cetakan, pompa sirkulasi air pendingin, dan peralatan pemeliharaan pelapisan tahan api. Sistem ini memastikan operasi yang stabil, mencegah keausan cetakan, dan memfasilitasi penggantian atau perbaikan cetakan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Selama pengecoran, reaksi kimia utama terbatas tetapi mencakup oksidasi elemen paduan di permukaan baja, terutama jika atmosfer tidak inert. Interaksi antara baja cair dan material cetakan dapat menyebabkan reaksi seperti pembentukan karbida atau interaksi terak-logam.

Secara termodinamika, reaksi oksidasi didorong oleh aktivitas oksigen dalam baja dan atmosfer cetakan. Kinetika tergantung pada suhu, luas permukaan, dan komposisi atmosfer. Misalnya, oksigen dapat bereaksi dengan elemen seperti silikon, mangan, atau aluminium, membentuk oksida yang dapat menjadi inklusi.

Produk reaksi yang signifikan termasuk inklusi terak, film oksida, dan puing-puing keausan tahan api. Produk sampingan ini dapat mempengaruhi kualitas permukaan dan kebersihan internal baja cor.

Transformasi Metalurgi

Perubahan metalurgi kunci selama pengecoran melibatkan pengembangan mikrostruktur, seperti nukleasi dan pertumbuhan butir, transformasi fase, dan segregasi. Laju pendinginan mempengaruhi apakah baja mengeras sebagai ferit, perlit, bainit, atau martensit, tergantung pada komposisi paduan dan kondisi pendinginan.

Pengembangan mikrostruktur dimulai dengan nukleasi di dinding cetakan dan bergerak ke dalam, dengan front solidifikasi maju secara stabil. Pendinginan yang cepat cenderung menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dengan kekuatan dan ketangguhan yang lebih baik, sementara pendinginan yang lambat dapat menghasilkan butir yang lebih kasar dan potensi segregasi.

Transformasi fase selama solidifikasi menentukan sifat mekanik akhir. Misalnya, pembentukan karbida atau austenit yang terjaga dapat dikendalikan melalui parameter pendinginan dan penambahan paduan.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair dan material cetakan mencakup transfer panas, reaksi kimia, dan keausan fisik. Material tahan api dapat bereaksi dengan konstituen baja, yang mengarah pada degradasi tahan api atau pembentukan inklusi.

Interaksi terak-logam dapat menyebabkan kontaminasi jika terak menyusup ke dalam baja atau jika inklusi dihasilkan di antarmuka. Atmosfer di dalam cetakan, yang sering dikendalikan dengan gas inert atau vakum, mempengaruhi tingkat oksidasi dan kontaminasi.

Mekanisme untuk mengontrol interaksi yang tidak diinginkan melibatkan penggunaan pelapis pelindung pada permukaan cetakan, mengoptimalkan atmosfer cetakan, dan memilih material tahan api dengan ketahanan korosi tinggi. Desain dan pemeliharaan cetakan yang tepat juga meminimalkan risiko kontaminasi.

Alur Proses dan Integrasi

Material Input

Material input utama termasuk baja cair, material pelapisan tahan api, air pendingin, dan pelapis cetakan. Baja biasanya disuplai dari ladle atau tundish dengan komposisi kimia, suhu, dan standar kebersihan yang ditentukan.

Pelapisan tahan api harus tahan terhadap suhu tinggi dan siklus termal, sering kali terbuat dari alumina, zirkonia, atau material berbasis magnesia. Kualitas baja input, termasuk tingkat kotoran dan kandungan inklusi, secara langsung mempengaruhi kinerja pengecoran dan kualitas produk akhir.

Penanganan melibatkan transfer ladle, operasi tundish, dan menuang yang tepat untuk mencegah turbulensi dan inklusi. Persiapan material input yang tepat memastikan kondisi pengecoran yang konsisten dan mengurangi tingkat cacat.

Urutan Proses

Proses dimulai dengan transfer baja cair dari ladle ke tundish, yang bertindak sebagai perangkat pengontrol aliran. Baja kemudian dituangkan ke dalam rongga cetakan, memulai solidifikasi.

Selama menuang, operator memantau suhu dan laju aliran, menyesuaikan sesuai kebutuhan. Solidifikasi awal terjadi di dinding cetakan, dengan front solidifikasi bergerak ke dalam. Pendinginan kontinu mempertahankan laju solidifikasi yang stabil.

Setelah mengeras, produk cor ditarik dari cetakan, baik sebagai ingot atau sebagai strand kontinu. Operasi selanjutnya termasuk pendinginan sekunder, penggulungan panas, atau perlakuan panas lebih lanjut.

Waktu siklus yang khas bervariasi dari