Proses Puddling: Metode Pembuatan Baja Kunci dalam Produksi Sejarah dan Modern

Definisi dan Konsep Dasar

Proses puddling adalah teknik metalurgi bersejarah yang digunakan dalam pembuatan baja untuk mengubah besi pig menjadi besi tempa atau bentuk awal baja. Proses ini melibatkan pemanasan dan pengadukan manual atau mekanis dari besi pig cair dalam tungku reverberatory untuk menghilangkan kotoran dan memodifikasi kandungan karbon. Proses ini sangat penting dalam pengembangan industri baja modern, terutama selama abad ke-18 dan ke-19.

Dalam keseluruhan rantai pembuatan baja, puddling berfungsi sebagai langkah pemurnian utama yang mengubah besi pig mentah, yang diproduksi dalam tungku tiup, menjadi bentuk besi yang lebih mudah ditempa dan kurang rapuh yang cocok untuk ditempa dan pemrosesan lebih lanjut. Ini menjembatani kesenjangan antara produksi besi mentah dan operasi penggulungan atau pembentukan berikutnya, meletakkan dasar untuk produk baja berkualitas tinggi.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Inti dari proses puddling adalah tungku reverberatory, jenis tungku di mana panas dipantulkan ke muatan logam tanpa kontak langsung dengan gas pembakaran. Desain tungku memungkinkan oksidasi kotoran dalam besi pig sambil mempertahankan lingkungan yang terkontrol untuk mencegah kontaminasi.

Komponen teknologi kunci termasuk cangkang tungku, yang biasanya terbuat dari bata tahan api yang mampu menahan suhu tinggi; ruang bakar atau ruang pembakaran; dan mekanisme pengadukan atau pemiringan. Tungku dilengkapi dengan notch terak untuk penghilangan terak, pintu pengisian untuk menambahkan besi pig, dan corong pengetuk untuk ekstraksi logam cair.

Selama operasi, besi pig dimuat ke dalam tungku dan dipanaskan hingga suhu sekitar 1.200°C hingga 1.300°C. Proses ini melibatkan pengadukan sesekali atau agitasi manual untuk mendorong oksidasi karbon dan kotoran. Aliran material utama melibatkan pencairan besi pig, reaksi oksidasi, pembentukan terak, dan akhirnya pengetukan logam yang telah dimurnikan.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu, pasokan oksigen, intensitas pengadukan, dan durasi. Suhu operasi yang khas berkisar antara 1.200°C hingga 1.350°C, dioptimalkan untuk memfasilitasi oksidasi kotoran tanpa konsumsi energi yang berlebihan.

Oksigen diperkenalkan melalui blower tiup atau udara untuk mendorong reaksi oksidasi, dengan laju aliran disesuaikan berdasarkan ukuran tungku dan komposisi muatan. Pengadukan atau agitasi dilakukan secara berkala untuk memastikan oksidasi yang merata dan penghilangan kotoran.

Sistem kontrol menggabungkan termokopel untuk pemantauan suhu, sensor oksigen, dan kontrol pengadukan manual atau otomatis. Pemantauan terus-menerus memastikan stabilitas proses, kualitas yang konsisten, dan penghilangan kotoran yang efisien.

Konfigurasi Peralatan

Tungku puddling yang khas memiliki panjang sekitar 3 hingga 6 meter, lebar 2 hingga 4 meter, dan tinggi 2 hingga 3 meter, dengan pelapisan tahan api yang dirancang untuk menahan suhu tinggi dan korosi kimia. Tungku dapat bersifat stasioner atau miring, dengan mekanisme pemiringan yang memfasilitasi penghilangan terak dan pengetukan.

Variasi desain termasuk transisi dari puddling manual ke sistem mekanis atau semi-otomatis, menggabungkan perangkat pengadukan mekanis, sistem injeksi gas, dan bahan tahan api yang ditingkatkan. Seiring waktu, desain tungku telah berkembang untuk meningkatkan efisiensi panas, mengurangi intensitas tenaga kerja, dan meningkatkan keselamatan.

Sistem tambahan termasuk pasokan bahan bakar (kokas, batubara, atau gas), blower udara atau oksigen, peralatan penanganan terak, dan sistem ekstraksi debu untuk mengontrol emisi dan menjaga lingkungan kerja yang bersih.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama melibatkan oksidasi karbon, silikon, mangan, dan kotoran lainnya yang terdapat dalam besi pig. Misalnya, oksidasi karbon menghasilkan karbon dioksida:

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

Demikian pula, silikon bereaksi dengan oksigen untuk membentuk terak silika:

$$\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 $$

Reaksi ini secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi, dengan kinetiknya dipengaruhi oleh ketersediaan oksigen, suhu, dan pengadukan.

Produk reaksi termasuk terak yang kaya silika, oksida besi, dan kotoran lainnya, yang mengapung di atas logam cair. Penghilangan kotoran didorong oleh afinitas mereka terhadap oksigen dan densitasnya yang lebih rendah dibandingkan dengan besi cair.

Transformasi Metalurgi

Selama proses puddling, mikrostruktur besi pig berubah dari fase rapuh dengan karbon tinggi menjadi besi tempa yang lebih ulet dengan karbon rendah. Proses ini mengurangi kandungan karbon dari sekitar 4-5% dalam besi pig menjadi kurang dari 0.1-0.2% dalam besi tempa.

Transformasi fase melibatkan dekarburisasi logam cair, yang mengarah pada pembentukan mikrostruktur ferrite dan pearlite. Penghilangan kotoran yang membentuk terak menghasilkan logam yang lebih bersih dan lebih homogen dengan sifat mekanik yang lebih baik.

Perubahan metalurgi ini meningkatkan ulet, ketangguhan, dan kemampuan pengelasan, menjadikan material ini cocok untuk ditempa, dipukul, dan proses pembentukan berikutnya.

Interaksi Material

Interaksi antara logam cair, terak, pelapisan tahan api, dan atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Terak bertindak sebagai tempat kimia untuk kotoran, tetapi pembentukan terak yang berlebihan dapat menyebabkan kontaminasi atau kehilangan logam.

Bahan tahan api harus tahan terhadap serangan kimia dan kejutan termal; bahan umum termasuk bata api, silika, dan magnesium. Mekanisme transfer material termasuk difusi kotoran ke dalam terak, penyerapan ke dalam pelapisan tahan api, dan potensi kontaminasi dari keausan tahan api.

Pengendalian interaksi yang tidak diinginkan melibatkan pemeliharaan suhu optimal, kimia terak, dan atmosfer tungku. Pelapisan pelindung dan modifikasi terak digunakan untuk meminimalkan degradasi tahan api dan pengembalian kotoran.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah besi pig, biasanya dengan kandungan karbon 3-4.5%, bersama dengan fluks seperti batu kapur atau dolomit untuk memfasilitasi pembentukan terak. Besi pig harus memenuhi spesifikasi kimia dan fisik tertentu, termasuk tingkat sulfur dan fosfor yang rendah.

Persiapan melibatkan memastikan kualitas bahan baku yang konsisten dan penanganan yang tepat untuk mencegah kontaminasi. Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi penghilangan kotoran, kualitas produk akhir, dan stabilitas proses.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan pengisian besi pig ke dalam tungku, diikuti dengan pemanasan hingga suhu target. Oksigen atau udara diperkenalkan untuk memulai reaksi oksidasi, dengan pengadukan berkala untuk mendorong penghilangan kotoran.

Terak disisir atau dihilangkan secara berkala, dan logam diaduk untuk memastikan dekarburisasi yang merata. Setelah komposisi dan suhu yang diinginkan tercapai, logam yang telah dimurnikan dituang ke dalam ladle atau cetakan untuk pemrosesan lebih lanjut.

Waktu siklus yang khas berkisar antara 1 hingga 3 jam, tergantung pada ukuran tungku dan kualitas produk yang diinginkan. Proses ini diulang secara terus-menerus atau dalam mode batch, dengan inspeksi dan penyesuaian di antara.

Titik Integrasi

Puddling terintegrasi dengan operasi tungku tiup hulu yang memproduksi besi pig dan pabrik penggulung atau bengkel penempaan hilir. Aliran material termasuk transfer besi pig ke tungku puddling dan pergerakan besi tempa yang telah dimurnikan ke proses pembentukan.

Storage atau ladle buffer sementara digunakan untuk