Penuangan dalam Produksi Baja: Ikhtisar Proses dan Peralatan Kunci
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Tuang dalam konteks pembuatan baja mengacu pada proses pemindahan baja cair dari wadah utama, seperti sendok atau tundish, ke dalam cetakan atau mesin pengecoran kontinu untuk mengeras menjadi produk setengah jadi atau jadi. Ini adalah langkah kritis yang secara langsung mempengaruhi kualitas akhir, mikrostruktur, dan sifat mekanik baja.
Secara fundamental, tuang berfungsi sebagai tahap akhir dari pembuatan baja primer, menjembatani transisi dari logam cair ke bentuk padat. Ini memastikan pengiriman baja cair yang terkontrol, menjaga suhu, laju aliran, dan kebersihan untuk mencegah cacat. Dalam keseluruhan rantai pembuatan baja, tuang terjadi setelah pemurnian dan paduan, tepat sebelum pengkristalan dan pemrosesan selanjutnya seperti penggulungan atau penempaan.
Tujuan utama dari proses ini adalah untuk membentuk baja cair menjadi bentuk yang diinginkan sambil meminimalkan kontaminasi, oksidasi, dan kehilangan suhu. Tuang yang tepat memastikan pengkristalan yang seragam, mengurangi cacat seperti inklusi atau porositas, dan menjaga efisiensi proses. Ini sangat penting untuk mencapai kualitas produk yang konsisten dan memenuhi spesifikasi untuk operasi hilir.
Desain Teknis dan Operasi
Teknologi Inti
Prinsip rekayasa inti di balik tuang melibatkan dinamika fluida, termodinamika, dan transfer panas. Baja cair, yang sangat kental dan pada suhu tinggi (biasanya 1500°C hingga 1600°C), memerlukan kontrol yang tepat terhadap aliran dan suhu untuk mencegah turbulensi dan oksidasi.
Komponen teknologi kunci termasuk sendok atau tundish, perangkat kontrol aliran (seperti gerbang geser atau batang penutup), dan corong atau nosel tuang. Sendok adalah wadah besar yang dirancang untuk menampung dan mengangkut baja cair, sering dilengkapi dengan mekanisme miring untuk tuang yang terkontrol. Tundish berfungsi sebagai reservoir yang mengatur aliran ke dalam cetakan, memastikan pasokan yang stabil dan seragam.
Mekanisme operasi utama melibatkan memiringkan atau membuka katup untuk memulai aliran, dengan laju aliran yang diatur dengan hati-hati melalui gerbang yang dapat disesuaikan. Aliran diarahkan melalui nosel yang dilapisi refraktori yang dirancang untuk menahan suhu tinggi dan kondisi korosif. Aliran material dipantau melalui sensor dan meter aliran, memastikan pengiriman yang konsisten.
Parameter Proses
Variabel proses kritis meliputi:
- Suhu tuang: Biasanya dipertahankan antara 1500°C dan 1600°C untuk memastikan fluiditas dan mencegah pengkristalan prematur.
- Laju aliran: Berkisar dari 0,5 hingga 3 ton per menit, tergantung pada ukuran cetakan dan metode pengecoran.
- Kecepatan tuang: Dikendalikan untuk mencegah turbulensi, biasanya antara 0,2 hingga 1 m/s.
- Waktu pengetukan: Durasi tuang, umumnya beberapa detik hingga menit, tergantung pada volume.
- Kontrol terak dan inklusi: Memastikan minimal terak yang terbawa dan terjebaknya inklusi.
Parameter ini mempengaruhi kualitas produk yang dicetak, mempengaruhi penyelesaian permukaan, integritas internal, dan mikrostruktur. Kontrol yang tepat dicapai melalui sistem otomatis, termasuk pengontrol logika terprogram (PLC), sensor, dan pemantauan waktu nyata.
Konfigurasi Peralatan
Peralatan tuang yang khas terdiri dari sendok besar yang dilapisi refraktori dengan kapasitas berkisar dari 20 hingga lebih dari 200 ton. Desain sendok mencakup mekanisme miring, katup kontrol aliran, dan corong atau nosel yang dilapisi refraktori.
Instalasi modern dilengkapi dengan perangkat kontrol aliran elektromagnetik atau pneumatik untuk regulasi yang tepat. Beberapa sistem menggabungkan vakum atau gas inert untuk mengurangi oksidasi selama proses tuang.
Sistem tambahan termasuk unit pemanasan awal sendok, perangkat pengukuran suhu (seperti inframerah atau termokopel), dan peralatan penyaring terak. Seiring waktu, peralatan telah berkembang dari sendok terbuka sederhana menjadi sistem otomatis dan dioperasikan dari jarak jauh yang canggih untuk meningkatkan keselamatan dan efisiensi.
Kimia Proses dan Metalurgi
Reaksi Kimia
Selama proses tuang, reaksi kimia utama melibatkan proses oksidasi dan reduksi. Baja cair berinteraksi dengan gas atmosfer, terutama oksigen, nitrogen, dan karbon dioksida, yang dapat menyebabkan oksidasi elemen paduan dan kontaminasi.
Reaksi utama meliputi:
- Oksidasi elemen: Misalnya, Fe + ½ O₂ → FeO, yang dapat menyebabkan pembentukan terak.
- Penyerapan nitrogen: N₂ terlarut ke dalam baja cair, mempengaruhi duktilitas.
- Penyerapan atau kehilangan karbon: Tergantung pada atmosfer, karbon dapat diserap atau dikeluarkan, mempengaruhi kekerasan baja.
Prinsip termodinamika menentukan keseimbangan reaksi ini, dipengaruhi oleh suhu, potensi oksigen, dan komposisi paduan. Faktor kinetik, seperti pengadukan dan laju aliran, mempengaruhi sejauh mana dan laju reaksi ini.
Produk reaksi termasuk terak (campuran oksida dan silikat), yang bertindak sebagai lapisan pelindung dan tempat penampungan kotoran, serta berbagai oksida yang dapat terjebak sebagai inklusi jika tidak dikendalikan dengan baik.
Transformasi Metalurgi
Perubahan metalurgi kunci selama proses tuang melibatkan perkembangan mikrostruktur seperti:
- Nukleasi dan pertumbuhan fase padat: Saat baja mendingin, austenit berubah menjadi ferit, perlit, atau martensit, tergantung pada laju pendinginan dan paduan.
- Terjebaknya inklusi: Inklusi non-logam seperti alumina atau silika dapat terjebak jika proses tuang turbulen.
- Segregasi: Elemen dapat terpisah selama pengkristalan, mempengaruhi homogenitas.
Transformasi ini mempengaruhi sifat seperti kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan las. Tuang yang terkontrol meminimalkan mikrostruktur yang tidak diinginkan, seperti butiran kasar atau inklusi non-logam, memastikan baja berkualitas tinggi.
Interaksi Material
Interaksi antara baja cair, terak, pelapisan refraktori, dan atmosfer sangat penting. Material refraktori harus tahan terhadap suhu tinggi dan serangan kimia, mencegah kontaminasi.
Baja dapat bereaksi dengan oksida refraktori, menyebabkan keausan refraktori atau pembentukan inklusi. Terak bertindak sebagai penyangga kimia, menangkap kotoran, tetapi terak yang berlebihan dapat menyebabkan cacat permukaan.
Gas atmosfer dapat mengoksidasi permukaan baja, membentuk skala atau inklusi. Untuk mengontrol interaksi ini, atmosfer inert atau reduksi (misalnya, penutup argon) digunakan, dan komposisi refraktori dioptimalkan untuk stabilitas kimia.
Metode seperti pembentukan busa terak atau penggunaan penutup pelindung membantu meminimalkan reaksi yang tidak diinginkan, menjaga kebersihan baja dan stabilitas proses.
Alur Proses dan Integrasi
Bahan Masukan
Bahan masukan meliputi:
- Baja cair: Biasanya diambil dari konverter atau tungku busur listrik, dengan komposisi kimia dan suhu yang ditentukan.
- Elemen paduan: Ditambahkan di sendok atau tundish untuk mencapai kelas yang diinginkan.
- Fluks dan pembentuk terak: Seperti kapur atau silika, untuk mengontrol kimia terak.
- Gas inert: Argon atau nitrogen untuk kontrol atmosfer.
Persiapan material melibatkan desulfurisasi, deoksidasi, dan penyesuaian suhu. Penanganan memerlukan pemanasan awal sendok dan penghilangan terak untuk memastikan kebersihan