Rekarburisasi (dalam lebur): Meningkatkan Kandungan Karbon dalam Produksi Baja
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Rekarburisasi dalam lebur adalah proses metalurgi yang digunakan untuk meningkatkan kandungan karbon dari baja cair selama tahap pemrosesan utamanya. Proses ini melibatkan penambahan bahan kaya karbon secara terkontrol langsung ke dalam baja cair untuk mencapai komposisi kimia yang diinginkan, terutama dalam kasus di mana tingkat karbon awal tidak mencukupi untuk pemrosesan selanjutnya atau spesifikasi produk akhir.
Proses ini memainkan peran penting dalam memperbaiki sifat baja, seperti kekerasan, kekuatan, dan ketahanan aus. Biasanya dilakukan setelah pembuatan baja dengan tungku oksigen dasar (BOF) atau tungku busur listrik (EAF), selama pemurnian sekunder atau perlakuan ladle, untuk menyempurnakan kandungan karbon sebelum pengecoran atau pemrosesan lebih lanjut.
Dalam keseluruhan rantai pembuatan baja, rekarburisasi adalah langkah kunci dalam tahap metalurgi sekunder. Ini memastikan bahwa komposisi kimia baja sesuai dengan standar kualitas tertentu, memungkinkan produksi berbagai grade baja dengan sifat mekanik dan kimia yang tepat.
Desain dan Operasi Teknis
Teknologi Inti
Rekarburisasi dalam lebur bergantung pada prinsip difusi dan keseimbangan kimia. Proses ini melibatkan penambahan sumber karbon—seperti karbida ferrous, grafit, atau bubuk karbon—ke dalam bak baja cair. Bahan-bahan ini larut dan difus secara merata, meningkatkan konsentrasi karbon.
Komponen teknologi kunci termasuk bahan rekarburizer, sistem injeksi atau penambahan, dan perangkat pengaduk atau agitasi. Rekarburizer dipilih berdasarkan kemurnian, ukuran partikel, dan reaktivitasnya, memastikan laju pelarutan yang terkontrol.
Mekanisme operasi utama melibatkan pemberian sumber karbon secara terkontrol ke dalam lebur, sering kali melalui injeksi terendam atau penambahan manual. Proses ini dapat mencakup pengadukan atau agitasi elektromagnetik untuk mendorong distribusi yang merata dan mencegah gradien konsentrasi lokal.
Parameter Proses
Variabel proses yang kritis termasuk jumlah karbon yang ditambahkan, suhu, dan durasi perlakuan. Rekarburisasi yang tipikal terjadi pada suhu baja berkisar antara 1.600°C hingga 1.650°C.
Jumlah karbon yang diperkenalkan dihitung berdasarkan kandungan karbon target, komposisi awal, dan volume baja. Misalnya, menambahkan 0,02–0,10 wt% karbon per batch adalah hal yang umum, tergantung pada komposisi akhir yang diinginkan.
Suhu mempengaruhi laju pelarutan rekarburizer; suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi karbon tetapi harus dikendalikan untuk mencegah overheating atau oksidasi. Durasi rekarburisasi biasanya berkisar dari beberapa menit hingga setengah jam, tergantung pada skala proses dan keseragaman yang diinginkan.
Sistem kontrol menggunakan termokopel, spektrometer, dan analisis kimia waktu nyata untuk memantau suhu dan tingkat karbon. Sistem dosis otomatis menyesuaikan laju penambahan berdasarkan umpan balik, memastikan kontrol yang tepat atas komposisi akhir.
Konfigurasi Peralatan
Peralatan rekarburisasi yang tipikal termasuk ladle atau tundish yang dilengkapi dengan port dosis atau nosel injeksi. Peralatan ini dirancang untuk tahan terhadap suhu tinggi dan lingkungan korosif.
Penambahan rekarburizer dapat dilakukan secara manual—menggunakan ladle atau sekop—atau otomatis melalui sistem injeksi pneumatik atau hidrolik. Instalasi modern sering kali menggabungkan perangkat pengaduk elektromagnetik untuk meningkatkan pencampuran dan difusi.
Sistem tambahan termasuk unit kontrol suhu, perangkat penyaring terak, dan penutup pelindung untuk mencegah oksidasi. Beberapa fasilitas menggunakan atmosfer vakum atau gas inert selama rekarburisasi untuk meminimalkan kehilangan karbon melalui oksidasi.
Variasi desain telah berkembang dari penambahan manual yang sederhana menjadi sistem otomatis yang canggih dengan dosis yang tepat dan pemantauan waktu nyata, meningkatkan konsistensi dan kontrol proses.
Kimia dan Metalurgi Proses
Reaksi Kimia
Reaksi kimia utama selama rekarburisasi melibatkan pelarutan sumber karbon ke dalam baja cair:
$$\text{C (padat)} \rightarrow \text{C (larut)} $$
Proses ini diatur oleh prinsip termodinamika, di mana kelarutan karbon dalam besi cair tergantung pada suhu dan aktivitas kimia. Laju pelarutan mengikuti model kinetik yang dipengaruhi oleh suhu, agitasi, dan luas permukaan rekarburizer.
Produk reaksi termasuk karbon terlarut dalam matriks baja, yang dapat membentuk karbida atau mempengaruhi transformasi fase. Produk sampingan seperti terak atau oksida dapat terbentuk jika terjadi kotoran atau oksidasi, yang mempengaruhi efisiensi proses.
Transformasi Metalurgi
Ketika karbon larut ke dalam baja, perubahan mikrostruktur terjadi. Peningkatan kandungan karbon mendorong pembentukan sementit (Fe₃C) dan mempengaruhi stabilitas fase. Selama pendinginan selanjutnya, fase-fase ini menentukan mikrostruktur akhir, mempengaruhi kekerasan, ketangguhan, dan ketahanan.
Rekarburisasi juga dapat mempengaruhi pembentukan karbida dalam baja, yang penting untuk ketahanan aus. Kontrol yang tepat memastikan distribusi karbon yang merata, menghindari titik keras lokal atau kerapuhan.
Proses ini dapat menyebabkan transformasi fase seperti pembentukan austenit atau martensit selama pendinginan, tergantung pada grade baja dan perlakuan panas. Transformasi ini berdampak langsung pada sifat mekanik.
Interaksi Material
Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat signifikan. Karbon dapat bereaksi dengan oksigen untuk membentuk gas CO atau CO₂, yang menyebabkan kehilangan karbon jika tidak dikendalikan dengan baik.
Komposisi terak mempengaruhi transfer karbon; terak yang dirancang dengan baik mendorong dekaburisasi atau karburisasi sesuai kebutuhan. Bahan refraktori harus tahan terhadap suhu tinggi dan serangan kimia dari karbon dan elemen lainnya.
Interaksi yang tidak diinginkan, seperti oksidasi karbon atau degradasi refraktori, dapat mengganggu efisiensi proses. Atmosfer pelindung—seperti gas inert—digunakan untuk meminimalkan oksidasi dan kontaminasi.
Metode untuk mengontrol interaksi termasuk mempertahankan atmosfer reduksi, mengoptimalkan kimia terak, dan memilih bahan refraktori yang tahan terhadap serangan karbon.
Alur Proses dan Integrasi
Bahan Masukan
Bahan masukan utama adalah baja cair, biasanya pada suhu 1.600°C–1.650°C, dengan kandungan karbon awal yang memerlukan penyesuaian. Rekarburizer termasuk karbida ferrous, grafit, atau bubuk karbon, dengan tingkat kemurnian melebihi 99%.
Persiapan material melibatkan memastikan bahwa rekarburizer bebas dari kotoran dan memiliki ukuran yang sesuai untuk pelarutan. Penanganan memerlukan penyimpanan yang kering dan bebas kontaminasi untuk mencegah oksidasi atau penyerapan kelembaban.
Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi kinerja proses; rekarburizer berkualitas tinggi memberikan penambahan karbon yang dapat diprediksi, sementara kotoran dapat memperkenalkan elemen atau inklusi yang tidak diinginkan.
Urutan Proses
Proses rekarburisasi umumnya mengikuti langkah-langkah berikut:
- Pemanasan dan stabilisasi baja cair di ladle atau tungku.
- Pengukuran komposisi kimia saat ini menggunakan spektrometer atau pengambilan sampel.
- Perhitungan penambahan karbon yang diperlukan berdasarkan komposisi target.
- Penambahan rekarburizer secara terkontrol melalui injeksi atau menuang manual.
- Agitasi atau pengadukan untuk mendorong difusi yang merata.
- Pemantauan suhu dan komposisi kimia selama perlakuan.
- Pengambilan sampel dan analisis akhir untuk mengonfirmasi kandungan karbon target.
- Melanjutkan ke pengecoran atau pemurnian lebih lanjut.
Waktu siklus bervariasi dari 10 hingga 30 menit, tergantung pada skala proses dan presisi kontrol. Laju produksi disesuaikan untuk memenuhi permintaan hulu dan spesifikasi kualitas.